地下管線電子標(biāo)識系統(tǒng)概述

地下管線電子標(biāo)識系統(tǒng)概述

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)。目前,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,然而隨著時間的變化及一些人為因素,將使原先地上標(biāo)識所指明的地下管線與您的圖紙發(fā)生一些變化,這樣會給維護(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。對城市地下管線的探測,既是城市地下管線信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作,又是實際管理、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際工作者的高度重視。

根據(jù)場源不同,地下管線的探測方法可分為: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)。市政管線的場地條件復(fù)雜,使得地下管線探測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,同時必須針對不同的情況采取不同的識別方法,這給管線的探測與識別帶來很大的困難,加上隨之而來的工程造價、人員數(shù)量增加也使得該項工作面臨諸多問題。

2 RFID的基本原理和特點

射頻識別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識別技術(shù)，它利用射頻信號空間耦合，實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的。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，每個標(biāo)簽由芯片、射頻前端與存儲器組成，具有唯一的電子編碼，附著在物體上識別目標(biāo)對象。閱讀器主要用于控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接受標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，將對象標(biāo)識信息傳輸?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，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入線圈工作區(qū)時，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，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后將數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。此時，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

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

(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，并通過移動互聯(lián)網(wǎng)與后臺管理系統(tǒng)中的電纜信息相關(guān)聯(lián)，實時顯示電纜信息。

(4)RFID標(biāo)簽的識讀不依賴于可見光，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讀。

3基于射頻識別的地下管線電子標(biāo)識系統(tǒng)

該地下管線電子標(biāo)識系統(tǒng)平臺主要基于RFID技術(shù)，由電子標(biāo)簽、標(biāo)簽探測儀、移動智能終端(帶GPS模塊)和后臺服務(wù)系統(tǒng)組成，充分利用RFID技術(shù)的優(yōu)勢，實現(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實基礎(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]，分別為射頻識別(RFID)標(biāo)簽和RFID數(shù)據(jù)采集終端。

3.1.1 射頻識別(RFID)標(biāo)簽[6]

系統(tǒng)的射頻識別標(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)識號)，用來唯一標(biāo)識電子標(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電子標(biāo)識器，以電子標(biāo)識器的唯一編碼ID號作為該標(biāo)識位置點的標(biāo)志，通過標(biāo)識探測儀識讀電子標(biāo)識器ID號，將ID號藍(lán)牙傳輸至移動智能終端，結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)實時顯示該位置點的管線信息、管線名稱、敷設(shè)方式、埋深、附屬設(shè)備描述、標(biāo)識器安裝位置描述、經(jīng)緯度坐標(biāo)、該位置點窖井內(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)簽探測儀和移動智能終端組成。

標(biāo)簽探測儀由識讀模塊和線圈組成。只要距離適當(dāng)，標(biāo)簽探測儀的線圈和電子標(biāo)簽的天線之間就會形成磁場，能夠識讀標(biāo)簽的唯一的編碼ID號，通過藍(lán)牙將標(biāo)簽ID號傳輸至移動智能終端，再在移動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號相關(guān)聯(lián)，通過移動互聯(lián)網(wǎng)實時上傳至后臺服務(wù)管理系統(tǒng)，其應(yīng)用場景如圖3.

圖3基于射頻識別的地下管線電子標(biāo)識系統(tǒng)應(yīng)用場景

本系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將RFID電子標(biāo)識器上的相關(guān)聯(lián)信息通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)錄入電腦網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對地下管線的實時觀測。

3.2 后臺服務(wù)管理系統(tǒng)

本文中提出的地下管線電子標(biāo)識系統(tǒng)，是通過GIS結(jié)合RFID技術(shù)來實現(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、精準(zhǔn)定位管線故障發(fā)生地點進(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、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)，對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、操作、分析、模擬、顯示、并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，并進(jìn)行綜合評價、管理、定量分析和決策服務(wù)。

3.2.2 后臺服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

基于本文所提到的地下管線電子標(biāo)識系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設(shè)計目標(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，對地下管線的實時運(yùn)行情況進(jìn)行管理，對運(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，移動智能終端通過移動互聯(lián)網(wǎng)連接后臺數(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，根據(jù)不同的事件性質(zhì)做不同的處理。

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

3.2.3 后臺服務(wù)管理系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計目標(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)工程化實現(xiàn)

在使用地下管線電子標(biāo)識系統(tǒng)前，先需完成系統(tǒng)的初始化工作，現(xiàn)場施工安裝時，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)簽探測儀通過無線射頻信號識讀電子標(biāo)簽的ID編碼號并藍(lán)牙傳輸至手持智能終端，通過以現(xiàn)場安裝點的標(biāo)簽及其唯一ID編碼作為位置點標(biāo)志，采集位置點GPS數(shù)據(jù)，前端軟件通過輸入GPS數(shù)據(jù)、編輯、綁定ID號，在GIS電子地圖上生成標(biāo)簽位置點圖標(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，以標(biāo)簽及其唯一ID編碼作為索引，利用標(biāo)簽探測儀和手持智能終端，通過探測、前端后臺軟件調(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，完成對該位置點電子標(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、經(jīng)緯度、埋設(shè)深度、現(xiàn)場描述情況、現(xiàn)場圖片、管線名稱等。如此即能準(zhǔn)確對地下管線定位和信息化、可視化管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 境物探新方法新技術(shù)[M].北京:地質(zhì)出版社,1996.

[2] 李泉林，郭龍巖.綜述RFID技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域[J].中國電子商情:RFID技術(shù)與應(yīng)用,2006(1):51-52.

[3] 李昕.RFID系統(tǒng)的優(yōu)點及應(yīng)用前景[J].計算機(jī)與信息技術(shù)，2007(18):76-77

[4] 李蘇東，司少先，楊玉坤等.基于RFID/GIS的市政管線資源管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息,2009(6):67-68.

[5] 熊春如，馮俊域，戴青云等.射頻識別(RFID)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端設(shè)計[J].新余高專學(xué)報，2006(4):89-90.

[6] 秦虎，王紅衛(wèi)，謝勇.基于電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].物流技術(shù)，2004(10):49-51.

[7] 鄭華武，劉正光，王偉.基于GIS和分布式計算環(huán)境的電信電纜可視化智能管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機(jī)工程，2002(28):216-217.