李小龍，　陳曉勇，　張?zhí)礻?，　夏元?/p>

(1.東華理工大學 測繪工程學院, 江西 南昌　330013; 2.流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室, 江西 南昌　330013)

天然氣主干管道長期置于野外，易遭受外界因素的破壞，故日常的巡檢顯得異常重要。然而，巡線員多為沿線居民兼職，責任心參差不齊，時常出現(xiàn)敷衍了事、弄虛作假等現(xiàn)象(張晉, 2014)。傳統(tǒng)的管理方式對巡線員工作狀態(tài)缺乏有效的監(jiān)督，不利于管道安全預警與事件及時處理(于廣婷等, 2013; Dey, 2001; Kim et al. , 2015)。現(xiàn)代常用巡檢監(jiān)控系統(tǒng)可對巡線員進行監(jiān)控，但存在遙感影像底圖更新慢、實施成本高等問題(耿關(guān)慶, 2016; 郭存杰等, 2013; 羅朝明等, 2012; 萬青霖, 2017; 楊帆等, 2015; 周地清, 2014; 周嶠, 2013; Mao et al. , 2014)。本文借助Google Earth(Google公司出品的免費全球衛(wèi)星地圖集成軟件)可視化功能，自主研發(fā)一款全新的天然氣管道巡檢系統(tǒng)，使管理人員能高效地掌握巡檢區(qū)域現(xiàn)場狀況，直觀、實時地了解巡線員工作位置和野外管線安全狀況。

巡線員利用巡檢終端通過GPRS將巡檢情況發(fā)送至通訊管理模塊，經(jīng)過整理后存儲數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。客戶端可通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的巡檢數(shù)據(jù)進行查看，實現(xiàn)實時監(jiān)控、自動報警等功能，使巡檢工作更加智能化、精細化，提高隱患監(jiān)控質(zhì)量，提升工作效率，保證管道的安全運行。

1　系統(tǒng)功能設(shè)計

1.1　系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)分為三層，數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層(圖1)。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)及流程Fig.1　System architecture and flow

(1)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server，通過數(shù)據(jù)交換接口進行數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)庫記錄來自通訊管理模塊傳入的移動端信息，并響應(yīng)和記錄Web Service對數(shù)據(jù)的操作。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層。通訊管理模塊負責接收移動巡檢終端的位置坐標、事件報警等信息，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時支持短信交互；客戶端負責巡檢監(jiān)控的主要業(yè)務(wù)邏輯，包括巡線員位置實時展示、歷史軌跡回放、事件處理、短信交互等功能；而Web Service作為客戶端與數(shù)據(jù)庫及通訊管理模塊的連接器，其中，客戶端與移動巡檢終端的短信功能就是通過Web Service與通訊管理模塊的連接與交互來實現(xiàn)的。

(3)表現(xiàn)層。裝有終端軟件的巡檢終端接收GPS衛(wèi)星信號完成對終端的自動定位；在監(jiān)控PC端采用Google Earth把監(jiān)控目標顯示在可視化的電子地圖上，實現(xiàn)對巡線員的各種監(jiān)控操作，并通過監(jiān)控平臺向巡檢終端發(fā)布指令和信息。

1.2　系統(tǒng)功能

基于 Google Earth 平臺的天然氣管道巡線監(jiān)控系統(tǒng)的具體功能主要包括：電子地圖顯示、實時跟蹤、歷史軌跡回放、數(shù)據(jù)入庫、違章處理、自動報警、雙向短消息等(圖2)。

圖2　系統(tǒng)功能Fig.2　System function

(1)電子地圖顯示。分圖層疊加顯示背景電子地圖、管道路由、巡檢管理和動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)；提供樹狀圖層列表和顯示控制，以及圖形窗口的放大、縮小、漫游、距離/坐標的量算等電子地圖的基礎(chǔ)功能，方便管理人員的監(jiān)控和查看。

(2)實時跟蹤。移動巡檢終端工作后，通過GPRS將巡線員的位置信息發(fā)送至服務(wù)端通訊管理模塊，再解析接收到的信息，并獲得巡線員的位置，或者直接通過服務(wù)器發(fā)送指令，在地圖上顯示巡線員位置，避免跟蹤位置滯后于實際位置的問題。

(3)歷史軌跡回放。系統(tǒng)以天為單位進行記錄巡線員的軌跡，再根據(jù)用戶輸入的查詢條件從數(shù)據(jù)庫中讀取歷史巡檢位置信息，以連續(xù)定位點連線的方式按巡檢順序?qū)v史軌跡顯示在電子地圖上。

(4)數(shù)據(jù)入庫。系統(tǒng)接收到移動巡檢終端發(fā)送的信息后，對信息數(shù)據(jù)進行解析，再將解析出的信息(巡檢時間、經(jīng)緯度、人員編號、事件類型等)保存至數(shù)據(jù)庫，最終在顯示終端讀取顯示。

(5)違章處理。對違章事件(如周邊挖掘、碾壓等)進行處理，其方式主要是現(xiàn)場溝通，隨后通過客戶端將處理結(jié)果記錄在案，并可隨時出具違章統(tǒng)計信息，同時可查詢違章地點。

(6)自動報警。自動報警的主要目的是監(jiān)控巡線員的巡檢路線，確保計劃的巡檢點均得到監(jiān)控，通過巡線員的巡檢位置，判斷其是否處于報警狀態(tài)，如巡檢位置距離管線超過70 m、未按規(guī)定時間巡檢、或巡檢速度過快(違規(guī)乘坐交通工具)等，有以上情況時，系統(tǒng)會自動報警。

(7)雙向短消息。巡線員和管理人員之間相互通訊，PC客戶端通過服務(wù)器端可以將相關(guān)指令發(fā)送至移動巡檢終端或者巡線員通過巡檢終端向服務(wù)器發(fā)送事件信息。

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1　KML空間位置刷新

Keyhole Markup Language(KML)是由Google收購的Keyhole公司設(shè)計的，基于XML語法標準的一種地理標記語言，現(xiàn)成為開放地理空間聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)的數(shù)據(jù)標準。KML文件可用來描述和保存點、線、面、模型、圖片等，Google Earth客戶端中用戶標注地理要素主要使用KML文件描述(Wernecke, 2008)。在本系統(tǒng)中，天然氣管道走向、場站位置、巡線員位置及巡線路徑就是通過KML文件標注的。

巡線員的位置坐標每隔一分鐘自動傳回到服務(wù)器，而當巡線員發(fā)送事件信息時則直接附帶時間位置信息，要求這些位置信息及時顯示于Google Earth客戶端。KML的NetworkLink標簽能夠連接網(wǎng)本地或網(wǎng)絡(luò)上的KML文檔，并可設(shè)置刷新顯示時間等選項。利用程序讀取巡線員當前位置，并及時生成本地KML文件，再由包含NetworkLink標簽的KML文件連接位置KML文件，實現(xiàn)巡線員位置的及時刷新顯示。NetworkLink標簽設(shè)置如圖3所示。

圖3　使用KML NetworkLink動態(tài)刷新巡線員位置的設(shè)置Fig.3　Use KML NetworkLink to dynamic refresh the location of inspectors

2.2　Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)

Web Service是一種可以接收和響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)請求的遠程調(diào)用技術(shù)，具有輕量級、跨語言、跨平臺等特征。通過SOAP在Web上提供軟件功能服務(wù)，使用WSDL文件進行服務(wù)描述，并通過UDDI進行服務(wù)注冊(王楠等, 2006)。由于是企業(yè)內(nèi)部使用，系統(tǒng)采用非完全結(jié)構(gòu)的Web Service(舍棄服務(wù)注冊中心)進行數(shù)據(jù)庫連接與數(shù)據(jù)操作，客戶端是服務(wù)的請求者，Web服務(wù)端是服務(wù)提供者，與數(shù)據(jù)庫部署一起?？蛻舳私壎╓eb服務(wù)端，并發(fā)送請求(系統(tǒng)登錄、獲取數(shù)據(jù)、插入數(shù)據(jù)、更新報警及更新事件等)，Web服務(wù)端通過數(shù)據(jù)庫操作，向客戶端返回狀態(tài)信息或相關(guān)數(shù)據(jù)，Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)降低客戶端與數(shù)據(jù)庫的耦合度，保證數(shù)據(jù)庫訪問安全，為系統(tǒng)功能擴展提供結(jié)構(gòu)支撐。

圖4　Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)構(gòu)Fig.4　Data service structure using Web Service

3　系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，以Windows為應(yīng)用部署平臺，選用MS-SQL Server作為數(shù)據(jù)庫、微軟IIS(Internet Information Services)作為Web服務(wù)器、Visual Studio.NET作為開發(fā)平臺、Google Earth作為時空數(shù)據(jù)展示平臺，通訊服務(wù)器采用TCP Server通訊臺，Web服務(wù)、通訊服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)三者共同部署與一臺服務(wù)器。

(1)系統(tǒng)非業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)需要登錄，以便確定登錄人(管理人員)所對應(yīng)管理的巡線員；登錄后客戶端除了啟動Google Earth展示所管轄巡線員的當前位置，其他功能都集成到托盤程序中；當有違章、報警及短信消息時，托盤程序會有所提示，界面如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)非業(yè)務(wù)功能界面Fig.5　System interfaces of non-business functionA. 登錄；B. 托盤功能；C. 托盤提示

(2)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)具有巡線員位置實時顯示、歷史巡線軌跡回放、違章信息查看與處理、報警信息查看處理與統(tǒng)計、短信互動等功能，其部分功能實現(xiàn)如圖6所示。

系統(tǒng)在浙江省天然氣開發(fā)有限公司進行了部署與測試，取得了較好的應(yīng)用效果，達到實現(xiàn)了對巡檢員的有效監(jiān)控與管理。

圖6　系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能測試界面Fig.6　System test interfaces of business functionA. 實時位置監(jiān)控，B. 歷史軌跡回放，C. 報警信息處理

4　結(jié)語

針對目前管道巡檢監(jiān)控的不足之處，設(shè)計出一套運用Google Earth等技術(shù)，對天然氣管道巡檢行為進行監(jiān)控的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時定位與可視化、自動違規(guī)巡檢報警、遠程交互等功能，為巡檢監(jiān)控提供實時、客觀、準確、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持。從基本原理、特點、擴展性、經(jīng)濟性及實用性等五個方面比較傳統(tǒng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)代常用巡檢監(jiān)控系統(tǒng)及Google Earth巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點(雷宇等， 2008)，如表1所示。

表1　巡檢監(jiān)控系統(tǒng)比較