北京市自来水集团供水分公司 刘彦辉
摘 要：本文主要介绍全球卫星定位系统（Global Positioning System－GPS）在北京市区供水管网爆管抢修中的应用。
关键词：供水管网 GPS 应用
一、 GPS卫星定位技术
1、关于GPS
GPS（全球卫星定位系统），是美国20世纪70年代开始研制，历时20年耗资200亿美元建成的以卫星为基础的无线电导航定位系统。具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性，以及具有全方位时时三维导航与定位功能的新一代卫星导航、定位系统。它提供了一种实用的、价廉的在全球范围内确定位置、速度和时间的工具。可供导航定位和精确测绘使用。
GPS包括有24颗人造卫星，分布在6个轨道上，每个轨道上有4颗卫星，每个轨道面的高度约为2万公里，运行周期为12小时。
2、 GPS卫星定位技术的基本原理
GPS 接收机可接收到卫星发送的测距信息；用于计算卫星空间三维坐标所需的广播星历，精度为25 米（各个卫星不同，会随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。每颗卫星在天空中的三维坐标可以从它发出的广播星历中计算出来。GPS 信号以光速传播，接收机根据卫星发送信号的时刻和接收机接收到信号的时刻能算出接收机到卫星的“距离”。如果测量到三颗卫星的“距离”，则分别以三颗卫星发射信号时刻的卫星位置（按发射的星历参数确定）为中心，根据测得的“距离”画出三个球，其交点便是用户的位置。
3、GPS的主要应用
GPS卫星定位技术的初始目的是基于军事用途。它以在各种环境，尤其是采用常规方法难于定位的条件下，为美军提供精确定位数据和时间，以及为各种作战飞机及导弹提供导航信息为目的建立起来的。但随着这项技术的逐渐对民用的开放，其用途已远远超出单纯军事目的的领域。目前，GPS技术的应用大到国土规划、地震及地壳形变监测、土地利用，小到环境监测、工程建设、气象预报、交通管理等等诸多方面。
在民用方面，最常用的有GPS卫星导航定位河GPS卫星定位精确测量。
GPS卫星定位，由于受各类误差影响，且无误差修正，定位精度一般控制在20米以内，通常用于旅游、汽车等定位精度要求不高的场合。北京市的出租车上安装了GPS出租车调度系统，出租车调度中心随时监控每辆车的位置及是否载客情况，当有乘客需要定车时，调度中心便可根据就近原则，派发任务单，附近的空载出租车便可及时赶到定车地点，避免盲目调度所带来的不必要损失。
GPS卫星定位精确测量，在地面安装若干具有经纬度、高程等精确大地坐标的基准站，接收观测4颗GPS卫星信号后进行三维定位，解算出基准站的坐标。基准站将误差修正值通过数字链路传送给用户接收机。用户接收机在进行GPS定位的同时，也接收基准站发出的修正值，并对其定位结果进行修正，从而完成精确定位。保证精度定位的先决条件，是基准站和用户接收机接受同一组卫星信号。高精度差分GPS定位精度可达毫米级。
二、 供水企业在日常抢修工作中所遇难点
北京市自来水集团供水分公司承担着北京市区供水管网中6，000多公里的管理和维护工作。日常工作中最重要的一项，便是应付输配水管线的突发的爆管事故，爆管事故具有突发性、破坏性的特点。一旦发生爆管事故，不仅造成水资源浪费，给供水企业带来经济损失，还会影响其它行业的正常经营，给市民生活带来不便。如果抢修不及时，再发生诸如塌方、交通堵塞等次生灾害的话，后果可想而知。
为降低爆管事故所造成的损失，最有效的方法就是尽快关闸止水，供水分公司员工在抢修工作中一直奉行“去得快，找得着，开得开，关得上”的原则。后两项原则通过苦练基本功，相对容易做到，而前两项，往往因为交通堵塞使抢修机具不能及时到达事故现场，或因水淹闸井、地形地貌变化等因素，不能及时找到闸井位，影响了关闸止水而浪费了宝贵的抢修时间。
北京作为我国的首都，都市化发展速度惊人，尤其在获得2008年奥运会举办权的这几年，市容市貌更是发生了翻天覆地的变化。随着人民生活水平的提高，使私家车的数量得到了迅速增加。
面对欣欣向荣的景象，真是可喜可贺，但供水管网爆管事故抢修工作带来了不小的困难，面对新的形势，传统的派出抢修关闸车而不掌握已到达的方位，以及依靠建构物制作的“闸门栓点卡片”寻找闸门井位的方式，已不适应爆管抢修快速响应的要求。利用高科技，建立健全快速反应机制，完善供水抢修体系势在必行。
三、 GPS卫星定位技术在供水管网抢修中的应用
1、抢修车辆卫星导航定位系统
针对北京市的实际情况，为了使抢修车辆能够以最快的速度赶到抢修现场，实现“去得快”，为抢修赢得宝贵的时间，首先需要实时掌握派出抢修车辆的行驶方位和行进速度，从而确定是否需要及时调度其它地方的抢修车辆进行增援。
北京市自来水集团供水分公司于2004年积极探索新技术、新方法提高抢修关闸速度，与北京奇华通讯有限公司合作，开发了“自来水应急抢修车辆GPS跟踪定位系统”，将GPS卫星定位技术引入到自来水爆管应急抢修调度指挥系统中。
“自来水应急抢修车辆GPS跟踪定位系统”建立在在GPS全球卫星定位平台上，利用目前国内使用最广泛、覆盖最广、目前技术较成熟的GSM移动通讯网络实现移动目标的数据传递。整个系统由车载终端、GSM移动通信系统、GPS监控中心和供水公司监控站四部分组成。系统工作原理如图1所示。
图1 抢修车GPS定位系统工作原理示意图
实际上，这是一个一个以车辆的GPS定位信息为依据，以GSM移动通信系统为桥梁，以GIS分析为依托的综合信息技术应用系统。
车辆定位数据回传采用两种方式：
1. 定时回传：按规定的时间隔，定时自报车辆的定位信息；
2. 点名查询：被点名呼叫的车辆及时上报本车的定位信息；
同时，我们利用原有的400兆话务电台，调度抢修车辆。
供水分公司通过ADSL（也可以采用光缆、DDN、PCM等专线）与GPS监控中心相联，当发生爆管事故时，及时登录GPS监控中心获取各抢修车的定位信息，并通过400兆话务电台指挥、调度抢修车辆。
结合“自来水应急抢修车辆GPS跟踪定位系统”的应用，我们拟将现有的抢修车辆布置在全市东南、东北、西南、西北四个方位，实现了方位上的呼应，按“就近”原则调度车辆，派发抢修任务单，尽量缩短抢修车行驶里程，系统自投入运行以来效果良好，初步达到了“去得快”、提高抢修速度的目的。
2.管网抢修GIS/GPS阀门复测/定位系统
“管网抢修GIS/GPS阀门复测/定位系统”是紧密结合北京市供水管网信息管理GIS系统，建立在“北京市全球卫星定位综合应用服务系统”基础上的一个应用系统。
“北京市全球卫星定位综合应用服务系统”由连续运行的GPS基准站、管理中心、监测中心、服务中心和若干用户子系统等五部分组成。系统提供毫米级、厘米级、分米级、米级等不同精度的三维定位和时间信息，可以满足不同部门不同应用的需要。
GPS 定位方法有很多种，但大体上可以分成两类：静态的和动态的。在最初的GPS 应用中，用户接触到的接收机都是只有静态、单点的定位功能的，定位精度不高。但在建立GPS 基准站后便能够提供GPS 差分数据和原始观测数据，使GPS 通过差分达到实时厘米级精度或后处理的毫米级精度。这就为管网抢修阀门定位和日常阀门坐标复测提供了便捷准确的技术手段。
管网抢修GPS阀门复测/定位系统主要由基准站部分、通信部分以及用户部分组成。工作原理如图2所示
图2 差GPS高精度卫星定位工作原理
其中：
（1） GPS基准站部分主要完成原始数据的采集和差分信号的发送，将差分信号经发布中心发布到用户终端；
（2） 通信系统有光纤通信、无线公网通信等，主要传送GPS相关数据、控制数据和状态数据等，载波相位差分信号采用GSM数据通信方式，伪距差分采用GSM、GPRS两种方式；
（3） 用户终端部分主要由以下设备组成：高精度双频GPS接收机、PDA和通信设备组成。通过高精度GPS接收机接收北京市全球卫星定位综合应用服务系统的GPS差分信息，进行实时载波相位差分定位（RTK），定位精度可达到
在执行爆管抢修定位关闸过程中，往往需要关闭多个闸门才能止住跑水进行抢修，若最少关闸方案（第一关闸方案）无法制止跑水，则需要扩大关闸方案（第二关闸方案，又称扩闸方案）。如果依靠人工将每一个关闸的闸井坐标输入GPS设备，不仅费时费力，还难以保证输入的准确性，延误抢修时间。
为避免人员输入操作的误差，提高抢修效率，我们将GPS设备与管网地理信息GIS系统紧密结合，设计了“管网抢修GIS/GPS阀门复测/定位系统”。
该系统突出的特点是，当需要进行关闸定位使用时，可将在ArcInfo平台上建立的GIS系统自动生成的爆管抢修关闸方案所确定的闸门编号、数量、坐标等信息，自动导入GPS设备，供关闸人员使用。当作为高精度测量使用时，由GPS设备在现场测量的坐标数据，又可自动导入GIS系统。
我们为每部关闸抢修车配备了一套装有单机版GIS系统的笔记本电脑。在供水服务热线接到保修后，通过抢修车辆卫星定位系统，查询各个抢修车的位置，结合就近原则，派发抢修任务单。抢修车以最短的行驶里程到达抢修现场后，工作人员操作GIS系统制定出关闸方案，并将需关闭阀门的坐标导入GPS接收机，关闸人员根据GPS接收机指引迅速确定阀门位置，完成关闸工作。在在最不利条件下（需要关闭的闸门数量多），制定关闸方案的时间不大于20s，GPS设备可接收40个闸门的坐标信息。
“管网抢修GIS/GPS阀门复测/定位系统”的应用，大大提高了管网抢修工作的机动性和突发性的快速反应能力，为提高抢修速度、尽快恢复供水打下良好的基础。
新系统还具备在抢修现场生成闸门“栓点图”和输出打印的功能，摒弃了原有携带图纸和闸门栓点卡片进行抢修关闸的传统工作方式。
一、 结论及使用中的注意事项
上述系统是为了保证管网抢修工作而开发，主要目的均是提高抢修速度，将由爆管所造成的损失降到最低，通过这一段时间的使用取得了较好的效果。但也暴露出一些不足和只得我们注意的地方：
1. 系统均需接收卫星发出的定位信息，因而，在遮挡比较严重的地方，GPS接收机不能接收到定位信息，此状况尤其是在抢修过程中，应引起足够重视，阀门定位需在近处遮挡较少的位置反推阀门位置；
2. 自来水应急抢修车辆GPS跟踪定位系统在对抢修车辆进行定位监控的同时，也对应急供水车辆进行了定位监控，但由于这些车辆多数情况处于备勤状态，而接收机待机电流又较大，因而，在运行初期出现车辆电瓶被耗尽，车辆无法发动的情况，针对以上状况，我们做出相应调整将接收机与车辆点火装置相结合，只在车辆处于行驶状态时对其进行定位监控；
3. 在开发管网抢修GPS阀门复测/定位系统时，我们注意与即将完成地理信息（GIS）系统的结合，使GIS系统生成的关闸方案，可导入GPS阀门复测/定位系统，尽量较少由于人为因素影响；
4. 在我们已有的竣工资料中，阀门坐标均采用北京市地方投影坐标，而GPS系统采用的是国际标准的WGS84坐标，两者存在较大差异，因而，我们开发时已集成了坐标转换功能，并且坐标转换工作在后台完成，用户界面只显示地方坐标。
