论文精选|长沙燃气北斗网格码编码规则研究
- 2026-04-03 19:51:31
免费下载论文：
1 概述
燃气供应系统是城市能源供应的重要生命线，其运行安全直接影响居民生活和经济发展。随着城市规模扩大和管网复杂度增加，燃气行业面临设施类型多样、分布范围广、埋设深度不一、数据来源分散等问题。现有管理模式中，设施位置信息多依赖GIS（地理信息系统）面向对象数据模型，不仅数据结构复杂、更新效率低，而且在多源异构数据融合与快速空间检索方面存在明显瓶颈。国内以程承旗教授团队为代表的学者，在国际离散全球网格系统（DGGS）理论基础上，深入研究并提出了基于全球剖分模型的空间信息剖分编码思想[1]，并发展形成了自主可控的地球空间剖分网格编码体系GeoSOT[2]。该理论通过对地球表面的多层级剖分和高效的一维整数编码，为海量时空数据提供了统一的组织与索引框架，在时空大数据融合、管理与计算方面展现出巨大优势，并已在气象、电力、城市管理等领域得到验证[3-8]。
为构建长沙市空天地一体智慧燃气安全监管系统，依托卫星遥感（天）、无人机（空）以及燃气巡检车、地面传感器与地下智慧桩（地面与地下）等多层次感知设施，结合北斗网格码构建数字底座，从而实现对城市燃气管网运行状态的全时空监测、智能分析与主动防控，有必要建立统一、规范的编码体系。本文结合行业业务需求和上述系统架构，设计了长沙燃气北斗网格码编码规则。
2 长沙燃气北斗网格码编码规则
2.1 理论基础
长沙燃气北斗网格码编码体系以GeoSOT编码体系为理论根基，充分吸纳GB/T 39409—2020《北斗网格位置码》与GB/T 38289—2019《城市燃气设施运行安全信息分类与基本要求》等国家标准的成果，深度契合长沙市燃气设施精细化、智能化管理需求，创新构建面向智慧燃气的统一编码规则。将燃气空间划分成多尺度全覆盖的立体网格。最小网格能够达到厘米级，每一网格均有且仅有1个编码，当数据或者信息通过地理位置与网格关联时，便可以通过网格实现数据的组织管理与时空计算。
2.2 长沙燃气北斗网格码编码规则
2.2.1编码规则设计原则
① 准确性：编码可在厘米级空间精度和秒级时间精度下唯一标识设施与事件，确保位置信息、层位信息和时间信息均具备无歧义性，从而支撑精准定位与精细化管理。
② 稳定性：编码在设施生命周期内保持恒定，不因管理模式调整、系统升级或数据格式变更而发生改变，保障历史数据的可追溯性与长期有效性。
③ 可扩展性：编码结构预留充足的位段和层级空间，可在不破坏现有体系的前提下，灵活适配新增的设施类型、业务场景及跨区域应用需求。
④ 层级灵活性：依托GeoSOT编码体系的多尺度分级能力，编码既可满足宏观规划与调度的需求，也可精确到具体管段或部件，实现跨尺度、多精度的统一表达。
⑤ 计算高效性：编码体系契合二进制分层储存与快速索引机制，能够在大规模空间检索、邻近计算及实时数据处理等场景中保持高性能运行，满足空天地一体化监管系统的实时响应需求。
2.2.2总体编码结构
本研究将编码划分为专有标识域（定义“是什么”）、标准域（定义“在哪里”）和可变标识域（定义“在何时”），在北斗网格码的基础上，采用“分类码+位置码+高度码+时间码”的结构形式。编码构成见图1。
图1 编码构成
① 分类码
参考GB/T 38289—2019相关规定，结合长沙市燃气设施管理需求，采用层次编码法进行编码。分类码由6位数字串组成，结构清晰，扩展性强。分类码划分为气质属性、设施层级、设施属性和设施功能4个层级，能够对复杂的燃气设施进行精细化分类。分类码结构见图2。
图2 分类码结构
气质属性（第1位）：标识设施内输送介质的类型，如1代表天然气，2代表液化石油气。
设施层级（第2位）：标识设施在系统中的层级，如1代表厂站设施，2代表管网设施，3代表供应设施。
设施属性（第3~4位）：标识设施的物理形态，如中压管网、阀门井等。
设施功能（第5~6位）：描述设施在系统中的作业功能，如输配、切断、放散、计量等。
② 位置码
本研究在国家标准GB/T 39409—2020的技术框架与层级划分原则基础上，结合长沙市燃气供应系统的地理分布特征，制定了由17位码元组成的编码方案。位置码由17位码元组成，位置码结构示例见图3，网格层级与剖分参数见表1。
图3 位置码结构示例
表1 位置码网格层级与剖分参数
长沙市处于东北半球，编码序列遵循经度方向自西向东递增、纬度方向自南向北递增的原则。具体规则如下：
a.1级网格划分（第1位）：依据GB/T 13989—2012《国家基本比例尺地形图分幅和编号》进行6°（经度差）×4°（纬度差）划分。长沙市域横跨49H、49G、50H图幅区域。为实现高效索引，将其映射为单字符编码：0代表49H图幅区域，1代表49G图幅区域，2代表50H图幅区域。
b.编码方向逻辑：2级、4级、5级、7~10级网格采用行列式划分。在经度方向上，网格编码由西向东依次增大（如0~B或0~E）；在纬度方向上，网格编码由南向北依次增大（如0~7或0~9）。
c.Z序填充逻辑：第3级和第6级网格（第4、9位）编码从网格单元的西南角起始，按照“西南—东南—西北—东北”的Z字形顺序依次赋予代码。
针对燃气设施点、线、面、体4类几何要素的空间表达，本研究制定了灵活的编码映射与储存策略。对于阀门、监测探头等点状要素，采取直接映射方式，将地理坐标转化为唯一的位置码。对于管段等线状要素，既可采用多个点要素描述其空间走向，也可仅记录起点、终点及重要拐点，以满足不同的精度需求。对于厂站区域等面状要素以及储气罐等体状要素，均提供2种储存方法：一是利用多个点要素的位置码精确描述其平面边界或立体形态；二是选取单一特征点进行简化记录，其中面要素选取几何中心，体要素选取几何中心或底面中心。在保证空间信息完整性的同时，有效平衡系统储存与检索效率。
③ 高度码
本研究在GB/T 39409—2020的技术框架与高度域剖分原则基础上，结合燃气设施埋深与地上管理需求，对其编码方案进行了适应性调整，选取高度域剖分体系的第5级网格开始记录高程，制定了由7位码元组成的高度编码体系。高度码结构示例见图4，高度码网格层级与剖分参数见表2。
图4 高度码结构示例
表2 高度码网格层级与剖分参数
高度码由7位码元组成，覆盖地表上下1.85 km的空间范围，可满足长沙市燃气设施（包括地上、地下）全覆盖的定位需求，精确标识设施的高度。高度码编码遵循北斗三维网格的大地高剖分逻辑。针对垂直空间，编码序列遵循“由地心向外（自下而上）递增”的原则。具体规则如下：
a.依据GB/T 22021—2008《国家大地测量基本技术规定》，选取大地高作为基准。大地高为某一点沿法线到地球参考椭球面的距离，由测量得出。地球参考椭球面是建立坐标系、进行测量计算和绘制地图的几何基准，其形状和大小与地球接近。根据大地高，计算出对应的高度码。
b.高度码中第1位的取值方法为，地表以上取0，地表以下取1。地表指地球参考椭球面。编码第1位的取值仅取决于点的位置与地球参考椭球面的关系，与设施实际是否埋地无关。例如某管道实际埋地敷设，但其大地高>0，故高度码第1位仍为0。
c.网格划分逻辑（第2~7位）：高度域网格的划分遵循与地表经纬度网格同构剖分的原则，即每一层网格的垂直分辨率在数值上严格等于赤道处对应层级网格的弧长。这种同构设计保证了编码在经度、纬度及高度三个维度上度量尺度的统一。
d.高度域方向编码逻辑：在同一高度层级内部，编码取值随与地心距离增加而增大。
④ 时间码
时间码由9位字符串组成，见图5。时间码结构中，事由为事件类型标识，核心类型包括J（竣工）、X（检修）、W（维修）、Q（抢修）。为满足精细化管理需求，本方案进一步扩展了事件类型，增加了U（升级）、S（报废）等，覆盖了设施从形成、运营到消亡的全过程。
图5 时间码结构
3 编码规则的应用
3.1 燃气设施空间精确标识
通过长沙燃气北斗网格码对地面及地下燃气设施进行唯一编码，实现一地一码、一物一码的精确标识。静态设施数据（如管径、材质、敷设年份）与动态运行数据（如压力、流量、泄漏报警信息）均可绑定至相应网格单元，从而在统一时空框架下实现多源数据的实时关联与调取，解决传统管理中坐标模糊和数据孤岛的问题。
3.2 基于网格编码的智能巡检与风险防控
结合北斗厘米级定位能力与网格编码体系，可动态规划巡检路线，实现巡检任务与具体网格单元的直接关联。无人机、车载检测设备在巡检过程中采集的泄漏、腐蚀、位移等数据，能够自动回传并绑定到对应的网格编码，实现隐患的精确定位与闭环处置。
3.3 应急处置与灾后恢复的空间信息支持
在燃气泄漏、爆炸等突发事件中，长沙燃气北斗网格码可快速关联事故发生位置与相关设施信息，辅助生成泄漏风险分布图，并在无网络环境下通过北斗短报文实现信息传递。应急指令、救援力量调配及受影响人口评估均可基于网格单元开展，提高应急处置的效率与准确性。
3.4 面向全生命周期的燃气管网管理
在施工阶段，北斗终端可记录工程过程数据并绑定至对应网格，实现全生命周期溯源；在运维阶段，施工活动、维修记录及监测数据均可按网格归档；在更新阶段，结合时间码与运行状态评估，自动生成设施更新清单，实现计划性维护。
3.5 基于网格单元的地质灾害监测
利用北斗毫米级位移监测和合成孔径雷达干涉测量技术，结合长沙燃气北斗网格码，可对管道沿线的地质灾害隐患点进行精确定位与分级管理。雨量、土壤压力等监测数据被绑定到对应网格，实现阈值超限的自动报警与局部风险预测。
3.6 高风险区域的智能化管理
在厂站、密闭空间等高风险区域，长沙燃气北斗网格码结合AR可视化技术，实现地下管网的三维可视化巡检。智能机器人巡检数据按网格归档，便于异常状态的快速定位与历史追溯，提升设施管理的智能化水平。
4 结论
① 提出基于北斗网格码的长沙燃气北斗网格码编码规则。长沙燃气北斗网格码由分类码、位置码、高度码与时间码组成，实现了设施类别、平面位置、垂直位置及时间状态的全维度唯一标识。
② 该编码规则不仅具备厘米级空间精度和良好的可扩展性，还能够在设施全生命周期管理、智能巡检、应急处置、地质灾害监测以及高风险区域的智能化管理等多个应用场景中发挥重要作用。
参考文献：
[1] 程承旗，宋树华，万元嵬，等. 基于全球剖分模型的空间信息编码模型初探[J]. 地理与地理信息科学，2009（4）：8-11.
[2] 宋树华，程承旗，濮国梁，等. 全球遥感数据剖分组织的GeoSOT网格应用[J]. 测绘学报，2014（8）：869-876.
[3] 李爽，程承旗，童晓冲，等. 基于多级信息网格的海量遥感数据存储管理研究[J]. 测绘学报，2016（S1）：106-114.
[4] 翟卫欣，段杰雄，童晓冲，等. 基于空间网格的多尺度人文地理特征分析[J]. 测绘学报，2016（S1）：85-89.
[5] 王家凯，王继业. 基于IEC标准的电力企业公共数据模型的设计与实现[J]. 中国电力，2011（2）：87-90.
[6] 段杰雄，翟卫欣，程承旗，等. 中国PM2.5污染空间分布的社会经济影响因素分析[J]. 环境科学，2018（5）：2498-2504.
[7] ZHAI W X，HAN B，LI D，et al. A Low-Altitude Public Air Route Network for UAV Management Constructed by Global Subdivision Grids[J]. PLoS One，2021（4）：e0249680-1-14.
[8] ZHAI W，TONG X，MIAO S，et al. Collision Detection for UAVs Based on GeoSOT-3D Grids[J]. ISPRS International Journal of Geo-Information，2019（7）：299-1-14.
（本文责任编辑：李欣雨）
声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何微信号及媒体未经授权许可随意转载。PS: 当然欢迎大家转发到朋友圈！
更多论文请登录煤气与热力杂志官方网站，免费注册会员阅读电子期刊。阅读步骤：登录http://www.gasheat.cn/→页面右上角注册会员→注册成功后点击《煤气与热力》→期刊索引→点击某期期刊封面即可阅读当期文章。
