地下管線電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)

1 應(yīng)用背景

市政管線分為給水管、排水管(雨水、污水管)、電力管(含路燈)、通信電纜(含光纜)、煤氣管和工業(yè)管道(如石油、化工管道)6種類型,按管線材質(zhì)又分為金屬和非金屬兩大類。這些管道擔(dān)負(fù)著城市水、電、通信能量的傳輸,是城市賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。在我國現(xiàn)代化建設(shè)中,隨著水、電力、煤氣等行業(yè),特別是通信線路的不斷發(fā)展越來越多的管道將被埋置在地下,然而隨著時(shí)間的變化及一些人為因素,將使原先地上標(biāo)識(shí)所指明的地下管線與您的圖紙發(fā)生一些變化,這樣會(huì)給維護(hù)人員帶來諸多不便,特別是在某些重要地段,交通要道,沙漠地區(qū),僅憑借圖紙和經(jīng)驗(yàn)是很難判斷路由的。隨著城市建設(shè)發(fā)展,查明城市現(xiàn)有的各類地下管線的確切位置和埋深、規(guī)格、尺寸等信息參數(shù),對(duì)當(dāng)前的城市建設(shè)和未來城市規(guī)劃都有重要的意義。對(duì)城市地下管線的探測(cè),既是城市地下管線信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作,又是實(shí)際管理、建設(shè)、維護(hù)工作中的重要內(nèi)容。它的重要性日益引起理論和實(shí)際工作者的高度重視。

根據(jù)場(chǎng)源不同,地下管線的探測(cè)方法可分為:磁偶極感應(yīng)法、夾鉗感應(yīng)法、直接法、工頻法、示蹤法、探地雷達(dá)。市政管線的場(chǎng)地條件復(fù)雜,使得地下管線探測(cè)工作是在干擾較大的地區(qū)進(jìn)行,管線的分布又很復(fù)雜,在工作時(shí)必須采取必要的技術(shù)手段,壓制或消弱干擾因素的影響,同時(shí)必須針對(duì)不同的情況采取不同的識(shí)別方法,這給管線的探測(cè)與識(shí)別帶來很大的困難,加上隨之而來的工程造價(jià)、人員數(shù)量增加也使得該項(xiàng)工作面臨諸多問題。

2 RFID的基本原理和特點(diǎn)

射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新興非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)空間耦合，實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。它能穿透雪、冰、涂料、水泥、金屬和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標(biāo)簽，并且閱讀速度極快，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2.1 RFID基本原理

最簡單的RFID系統(tǒng)由應(yīng)答器、閱讀器、應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成。一般由標(biāo)簽作為應(yīng)答器，每個(gè)標(biāo)簽由芯片、射頻前端與存儲(chǔ)器組成，具有唯一的電子編碼，附著在物體上識(shí)別目標(biāo)對(duì)象。閱讀器主要用于控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接受標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。應(yīng)用層軟件則把收集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，為用戶所使用。

RFID系統(tǒng)的工作原理：閱讀器通過內(nèi)部線圈發(fā)送一定頻率射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入線圈工作區(qū)時(shí)，內(nèi)部電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，標(biāo)簽被激活，其自身編碼信息通過內(nèi)置線路發(fā)射出去，系統(tǒng)接收模塊接收到從標(biāo)簽發(fā)送過來的編碼信號(hào)，閱讀器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，應(yīng)用層軟件系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽是否合法，針對(duì)不同的情況后作出相應(yīng)的反應(yīng)和處理。RFID的基本原理圖如圖1所示。

2.2 RFID主要特點(diǎn)

作為最為廣泛使用的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，RFID應(yīng)用到資源管理系統(tǒng)上，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)尤為突出，如以下幾點(diǎn)。

（1）防水、防磁、耐高溫，不受環(huán)境影響，具有放沖突功能。

（2）無源和免接觸操作，應(yīng)用便利，只需置于閱讀器形成的電磁場(chǎng)中就可準(zhǔn)確讀入數(shù)據(jù)，減少甚至排除因人工干預(yù)數(shù)據(jù)采集而帶來的效率降低和糾錯(cuò)成本。

（3）RFID讀取數(shù)據(jù)快、距離長，可讀取標(biāo)簽上的編碼，并通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與后臺(tái)管理系統(tǒng)中的電纜信息相關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)顯示電纜信息。

（4）RFID標(biāo)簽的識(shí)讀不依賴于可見光，因此不需以目視可見為前提，可在條碼、銘牌技術(shù)無法適應(yīng)的惡劣環(huán)境下使用。

（5）通過標(biāo)簽對(duì)電纜信息數(shù)據(jù)具有保密功能，使得數(shù)據(jù)只有專用閱讀器可識(shí)讀。

3基于射頻識(shí)別的地下管線電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)

該地下管線電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)平臺(tái)主要基于RFID技術(shù)，由電子標(biāo)簽、標(biāo)簽探測(cè)儀、移動(dòng)智能終端（帶GPS模塊）和后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)組成，充分利用RFID技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了地下管線的精益化、智能化、信息化、可視化管理，為地下資產(chǎn)的全生命周期管理打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。其工作結(jié)構(gòu)圖如下圖2。

圖2 地下電纜信息可視化管理系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖

3.1 RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩部分組成[5]，分別為射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽和RFID數(shù)據(jù)采集終端。

3.1.1 射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽[6]

系統(tǒng)的射頻識(shí)別標(biāo)簽采用的是只讀非接觸射頻卡，由天線和微型芯片組成。電子標(biāo)簽微型芯片里面存在一種為UID（Unique Identification，唯一標(biāo)識(shí)號(hào)），用來唯一標(biāo)識(shí)電子標(biāo)簽，它固化在電子標(biāo)簽中（只讀）。

本系統(tǒng)中的地下電纜每隔一段距離安裝一個(gè)電子標(biāo)識(shí)器，以電子標(biāo)識(shí)器的唯一編碼ID號(hào)作為該標(biāo)識(shí)位置點(diǎn)的標(biāo)志，通過標(biāo)識(shí)探測(cè)儀識(shí)讀電子標(biāo)識(shí)器ID號(hào)，將ID號(hào)藍(lán)牙傳輸至移動(dòng)智能終端，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)顯示該位置點(diǎn)的管線信息、管線名稱、敷設(shè)方式、埋深、附屬設(shè)備描述、標(biāo)識(shí)器安裝位置描述、經(jīng)緯度坐標(biāo)、該位置點(diǎn)窖井內(nèi)部情況照片及外部外景照片。

3.1.2RFID數(shù)據(jù)采集終端

RFID數(shù)據(jù)采集終端主要由標(biāo)簽探測(cè)儀和移動(dòng)智能終端組成。

標(biāo)簽探測(cè)儀由識(shí)讀模塊和線圈組成。只要距離適當(dāng)，標(biāo)簽探測(cè)儀的線圈和電子標(biāo)簽的天線之間就會(huì)形成磁場(chǎng)，能夠識(shí)讀標(biāo)簽的唯一的編碼ID號(hào)，通過藍(lán)牙將標(biāo)簽ID號(hào)傳輸至移動(dòng)智能終端，再在移動(dòng)智能終端的前端軟件上將管線屬性、窖井內(nèi)管線照片等采集到的信息與標(biāo)簽ID號(hào)相關(guān)聯(lián)，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳至后臺(tái)服務(wù)管理系統(tǒng)，其應(yīng)用場(chǎng)景如圖3.

圖3基于射頻識(shí)別的地下管線電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

本系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將RFID電子標(biāo)識(shí)器上的相關(guān)聯(lián)信息通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)錄入電腦網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下管線的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

3.2 后臺(tái)服務(wù)管理系統(tǒng)

本文中提出的地下管線電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，是通過GIS結(jié)合RFID技術(shù)來實(shí)現(xiàn)地下管線靜態(tài)信息的管理，方便信息的查詢和管線資源的規(guī)劃。通過電子標(biāo)簽的經(jīng)緯度坐標(biāo)及時(shí)、精準(zhǔn)定位管線故障發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行搶修，減少損失，提高地下電纜的管理水平。

3.2.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）簡介

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，簡稱GIS），通常泛指用于獲取、存儲(chǔ)、查詢、綜合、處理、分析和顯示與地球表面位置相關(guān)的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。即GIS以地理信息為內(nèi)容，以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、操作、分析、模擬、顯示、并采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、管理、定量分析和決策服務(wù)。

3.2.2 后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于本文所提到的地下管線電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要如下：

（1）在管理中心可視化瀏覽、編輯和查詢轄區(qū)內(nèi)地下管線、窖井的詳細(xì)資料，并通過與數(shù)據(jù)采集終端的通信，對(duì)地下管線的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行管理，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和日常維護(hù)。

（2）發(fā)生異常事件時(shí)，移動(dòng)智能終端通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，調(diào)出相關(guān)的電子地圖，通過電子標(biāo)簽記錄的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，GPS定位導(dǎo)航事件發(fā)生地點(diǎn)，根據(jù)不同的事件性質(zhì)做不同的處理。

（3）通過對(duì)過去一段時(shí)間內(nèi)的維護(hù)、歷史事件及相關(guān)數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，形成報(bào)表，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為提高維護(hù)水平提供有力的材料和思路。

3.2.3 后臺(tái)服務(wù)管理系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，并使GIS與管線屬性信息更好的結(jié)合在一起，系統(tǒng)采用如圖4軟件功能模式。

圖4 系統(tǒng)軟件功能模式

前端、后臺(tái)服務(wù)軟件調(diào)用GIS電子地圖，利用電子地圖上標(biāo)記的電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的地下管線及窖井屬性信息、圖像等，可以方便的得出地下管線路徑及信息、窖井及井內(nèi)管線具體信息、巡檢路徑等功能，從而達(dá)到信息可視化管理的目的。

4系統(tǒng)工程化實(shí)現(xiàn)

在使用地下管線電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)前，先需完成系統(tǒng)的初始化工作，現(xiàn)場(chǎng)施工安裝時(shí)，通過前端軟件將地下管線、窖井及井內(nèi)管線有關(guān)屬性數(shù)據(jù)等信息一一寫入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。將各電子標(biāo)簽安裝在直埋管線附近或窖井井壁上，標(biāo)簽探測(cè)儀通過無線射頻信號(hào)識(shí)讀電子標(biāo)簽的ID編碼號(hào)并藍(lán)牙傳輸至手持智能終端，通過以現(xiàn)場(chǎng)安裝點(diǎn)的標(biāo)簽及其唯一ID編碼作為位置點(diǎn)標(biāo)志，采集位置點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)，前端軟件通過輸入GPS數(shù)據(jù)、編輯、綁定ID號(hào)，在GIS電子地圖上生成標(biāo)簽位置點(diǎn)圖標(biāo)，并與數(shù)據(jù)庫里的直埋管線、窖井及井內(nèi)管線等信息一一關(guān)聯(lián)起來。

在巡檢維護(hù)時(shí)，以標(biāo)簽及其唯一ID編碼作為索引，利用標(biāo)簽探測(cè)儀和手持智能終端，通過探測(cè)、前端后臺(tái)軟件調(diào)用GIS地圖和數(shù)據(jù)庫，快速搜索探知電子標(biāo)簽的位置點(diǎn)，完成對(duì)該位置點(diǎn)電子標(biāo)簽的定位及數(shù)據(jù)讀取，從而獲得直埋管線、窖井位置的所在和管線、窖井及井內(nèi)管線的敷設(shè)方式、標(biāo)簽編號(hào)、經(jīng)緯度、埋設(shè)深度、現(xiàn)場(chǎng)描述情況、現(xiàn)場(chǎng)圖片、管線名稱等。如此即能準(zhǔn)確對(duì)地下管線定位和信息化、可視化管理。

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