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基于射频识别的地下管线电子标识系统

0 定义
地下管线电子标识器采用低频RFID射频识别技术，是一款无源产品，工作时依靠外部电磁场提供能量，埋设在地下设施附近作为地下设施的身份标志,帮助精准定位、查找、识别和管理地下设施,帮助建立地下设施的信息化数据,为信息化管理地下设备打下坚实的基础，借助地下电子标识和管理系统实现科学管理地下设施。
1 应用背景
市政管线分为给水管、排水管(雨水、污水管)、电力管(含路灯)、通信电缆(含光缆)、煤气管和工业管道(如石油、化工管道)6种类型［1］,按管线材质又分为金属和非金属两大类。这些管道担负着城市水、电、通信能量的传输,是城市赖以生存的物质基础。目前,在我国现代化建设中,随着水、电力、煤气等行业,特别是通信线路的不断发展越来越多的管道将被埋置在地下,然而随着时间的变化及一些人为因素,将使原先地上标识所指明的地下管线与您的图纸发生一些变化,这样会给维护人员带来诸多不便,特别是在某些重要地段,交通要道,沙漠地区,仅凭借图纸和经验是很难判断路由的。随着城市建设发展,查明城市现有的各类地下管线的确切位置和埋深、规格、尺寸等信息参数,对当前的城市建设和未来城市规划都有重要的意义。对城市地下管线的探测,既是城市地下管线信息系统的基础工作,又是实际管理、建设、维护工作中的重要内容。它的重要性日益引起理论和实际工作者的高度重视。
根据场源不同地下管线的探测方法可分为:磁偶极感应法、夹钳感应法、直接法、工频法、示踪法、探地雷达。市政管线的场地条件复杂,使得地下管线探测工作是在干扰较大的地区进行,管线的分布又很复杂,在工作时必须采取必要的技术手段,压制或消弱干扰因素的影响,同时必须针对不同的情况采取不同的识别方法,这给管线的探测与识别带来很大的困难,加上随之而来的工程造价、人员数量增加也使得该项工作面临诸多问题。
2 RFID的基本原理和特点
射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术，是20世纪80年代发展起来的新兴非接触自动识别技术，它利用射频信号空间耦合，实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的。它能穿透雪、冰、涂料、水泥、金属和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，被广泛应用于各个领域。
2.1 RFID基本原理
最简单的RFID系统由应答器、阅读器、应用软件系统组成[2]。一般由标签作为应答器，每个标签由芯片、射频前端与存储器组成，具有唯一的电子编码，附着在物体上识别目标对象。阅读器主要用于控制射频模块向标签发射读取信号，并接受标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息传输到主机以供处理。应用层软件则把收集的数据进一步处理，为用户所使用。
RFID系统的工作原理：阅读器通过内部线圈发送一定频率射频信号，当标签进入线圈工作区时，内部电路产生感应电流，标签被激活，其自身编码信息通过内置线路发射出去，系统接收模块接收到从标签发送过来的编码信号，阅读器对接收的信号进行解调和解码，然后将数据传送到计算机网络。此时，应用层软件系统根据逻辑运算判断该标签是否合法，针对不同的情况后作出相应的反应和处理。RFID的基本原理图如图1所示[3]。

图1 RFID基本原理图
2.2 RFID主要特点[4]
作为最为广泛使用的自动数据采集技术，RFID应用到资源管理系统上，其优势表现尤为突出，如以下几点。
（1） 防水、防磁、耐高温，不受环境影响，具有放冲突功能。
（2） 无源和免接触操作，应用便利，只需置于阅读器形成的电磁场中就可准确读入数据，减少甚至排除因人工干预数据采集而带来的效率降低和纠错成本。
（3） RFID读取数据快、距离长，可读取标签上的编码，并通过移动互联网与后台管理系统中的电缆信息相关联，实时显示电缆信息。
（4） RFID标签的识读不依赖于可见光，因此不需以目视可见为前提，可在条码、铭牌技术无法适应的恶劣环境下使用。
（5） 通过标签对电缆信息数据具有保密功能，使得数据只有专用阅读器可识读。
3基于射频识别的地下管线电子标识系统
该地下管线电子标识系统平台主要基于RFID技术，由电子标签、标签探测仪、移动智能终端（带GPS模块）和后台服务系统组成，充分利用RFID技术的优势，实现了地下管线的精益化、智能化、信息化、可视化管理，为地下资产的全生命周期管理打下坚实基础。其工作结构图如下图2。
图2 地下电缆信息可视化管理系统工作结构图
3.1 RFID数据采集系统
RFID数据采集系统主要由两部分组成[5]，分别为射频识别（RFID）标签和RFID数据采集终端。
3.1.1 射频识别（RFID）标签[6]
系统的射频识别标签采用的是只读非接触射频卡，由天线和微型芯片组成。电子标签微型芯片里面存在一种为UID（Unique Identification，唯一标识号），用来唯一标识电子标签，它固化在电子标签中（只读）。
本系统中的地下电缆每隔一段距离安装一个电子标识器，以电子标识器的唯一编码ID号作为该标识位置点的标志，通过标识探测仪识读电子标识器ID号，将ID号蓝牙传输至移动智能终端，结合移动互联网实时显示该位置点的管线信息、管线名称、敷设方式、埋深、附属设备描述、标识器安装位置描述、经纬度坐标、该位置点窖井内部情况照片及外部外景照片。
3.1.2RFID数据采集终端
RFID数据采集终端主要由标签探测仪和移动智能终端组成。
标签探测仪由识读模块和线圈组成。只要距离适当，标签探测仪的线圈和电子标签的天线之间就会形成磁场，能够识读标签的唯一的编码ID号，通过蓝牙将标签ID号传输至移动智能终端，再在移动智能终端的前端软件上将管线属性、窖井内管线照片等采集到的信息与标签ID号相关联，通过移动互联网实时上传至后台服务管理系统，其应用场景如图3.

图3基于射频识别的地下管线电子标识系统应用场景
本系统中，通过数据采集系统，将RFID电子标识器上的相关联信息通过数据采集系统录入电脑网络，实现了对地下管线的实时观测。
3.2 后台服务管理系统
本文中提出的地下管线电子标识系统，是通过GIS结合RFID技术来实现地下管线静态信息的管理，方便信息的查询和管线资源的规划。通过电子标签的经纬度坐标及时、精准定位管线故障发生地点进行抢修，减少损失，提高地下电缆的管理水平。
3.2.1 地理信息系统（GIS）简介[7]
地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS），通常泛指用于获取、存储、查询、综合、处理、分析和显示与地球表面位置相关的数据的计算机系统。即GIS以地理信息为内容，以地理空间数据库为基础，对空间相关数据进行采集、存储、管理、操作、分析、模拟、显示、并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，并进行综合评价、管理、定量分析和决策服务。
3.2.2 后台服务系统设计目标
基于本文所提到的地下管线电子标识系统，本系统的设计目标主要如下：
（1） 在管理中心可视化浏览、编辑和查询辖区内地下管线、窖井的详细资料，并通过与数据采集终端的通信，对地下管线的实时运行情况进行管理，对运行数据进行分析处理和日常维护。
（2） 发生异常事件时，移动智能终端通过移动互联网连接后台数据库，调出相关的电子地图，通过电子标签记录的经纬度坐标信息，GPS定位导航事件发生地点，根据不同的事件性质做不同的处理。
（3） 通过对过去一段时间内的维护、历史事件及相关数据做统计分析，形成报表，总结经验，为提高维护水平提供有力的材料和思路。
3.2.3 后台服务管理系统
根据系统设计目标，并使GIS与管线属性信息更好的结合在一起，系统采用如图4软件功能模式。

图4 系统软件功能模式
前端、后台服务软件调用GIS电子地图，利用电子地图上标记的电子标签对应的地下管线及窖井属性信息、图像等，可以方便的得出地下管线路径及信息、窖井及井内管线具体信息、巡检路径等功能，从而达到信息可视化管理的目的。

4系统工程化实现
在使用地下管线电子标识系统前，先需完成系统的初始化工作，现场施工安装时，通过前端软件将地下管线、窖井及井内管线有关属性数据等信息一一写入后台数据库。将各电子标签安装在直埋管线附近或窖井井壁上，标签探测仪通过无线射频信号识读电子标签的ID编码号并蓝牙传输至手持智能终端，通过以现场安装点的标签及其唯一ID编码作为位置点标志，采集位置点GPS数据，前端软件通过输入GPS数据、编辑、绑定ID号，在GIS电子地图上生成标签位置点图标，并与数据库里的直埋管线窖井及井内管线等信息一一关联起来。
在巡检维护时，以标签及其唯一ID编码作为索引，利用标签探测仪和手持智能终端，通过探测、前端后台软件调用GIS地图和数据库，快速搜索探知电子标签的位置点，完成对该位置点电子标签的定位及数据读取，从而获得直埋管线、窖井位置的所在和管线、窖井及井内管线的敷设方式、标签编号、经纬度、埋设深度、现场描述情况、现场图片、管线名称等。如此即能准确对地下管线定位和信息化、可视化管理。

参考文献
[1] 王兴泰.工程与环境物探新方法新技术[M].北京:地质出版社,1996.
[2] 李泉林，郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].中国电子商情:RFID技术与应用,2006(1):51-52.
[3] 李昕.RFID系统的优点及应用前景[J].计算机与信息技术，2007(18):76-77
[4] 李苏东，司少先，杨玉坤等.基于RFID/GIS的市政管线资源管理系统的研究与实现[J].测绘与空间地理信息,2009(6):67-68.
[5] 熊春如，冯俊域，戴青云等.射频识别（RFID）数据采集系统终端设计[J].新余高专学报，2006(4):89-90.
[6] 秦虎，王红卫，谢勇.基于电子标签的数据采集系统[J].物流技术，2004(10):49-51.
[7] 郑华武，刘正光，王伟.基于GIS和分布式计算环境的电信电缆可视化智能管理系统的设计[J].计算机工程，2002(28):216-217.