王翀

摘要：為了解決目前管道巡檢監(jiān)控工作中存在的因導航衛(wèi)星信號不佳而導致的監(jiān)控盲區(qū)和需攜帶專用移動端設備或標簽等問題，提出了一種基于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和藍牙的室內外一體化定位技術的管線巡檢管理系統(tǒng)實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)通過采用GNSS和藍牙4.0定位技術對巡線區(qū)域提供定位服務全覆蓋，有效地避免部分區(qū)域因GNSS信號不佳而無法準確監(jiān)控的問題。另外，系統(tǒng)移動端采用主流的Android手機，無須攜帶專有設備或標簽。實踐表明，本系統(tǒng)所采用的標準Android手機和藍牙定位信標實現(xiàn)了管道巡檢工作的全區(qū)域位置監(jiān)控，提供了標準的移動地理信息系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了巡檢監(jiān)管工作的自動化和智能化，易于推廣使用。

關鍵詞：定位；GNSS；藍牙定位；移動地理信息系統(tǒng)；巡檢系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）13-0243-03

（前言）管道運輸因為具有成本低、運量大、可持續(xù)工作、不受天氣和地面其他因素影響等諸多優(yōu)點，近年來，隨著國內石油、天然氣生產和消費的快速度增長，國家針對管道運輸網(wǎng)絡的建設步伐也在不斷地加快。由于管道運輸石油和天然氣屬于易燃易爆品，任何微小事故都可能會對經濟、環(huán)境乃至國家安全造成重大影響，因此如何確保管道安全運營顯得非常重要。

由于輸油管道地域分布較廣，日常巡檢維護工作枯燥和重復，而巡檢人員基本上都是單獨作業(yè)，容易因為責任心不夠而對日常巡檢工作產生懈怠。傳統(tǒng)的巡檢多采用手工記錄方式或采用單一定位技術發(fā)展而來的巡檢系統(tǒng)，已經無法保證管線巡檢工作的發(fā)展。一方面，漏檢、出圈、數(shù)據(jù)不準確、上報隱患描述不清、專有設備使用和保護不善等管理問題嚴重；另一方面，因為GNSS信號不佳而導致的部分關鍵區(qū)域無法精確定位等系統(tǒng)問題的存在。尤其當巡檢人員發(fā)現(xiàn)安全隱患（如管道腐蝕、管道泄漏、違法施工）無法及時上報，地點和情況描述不清，管理人員無法對隱患事件進行及時處理，可能會對輸油管道造成潛在的影響和損失。另外，由于巡線人員對于深埋地下的管道位置不明確，導致巡檢線路不合理，降低了工作效率，提高了管理成本。

該文主要介紹了基于GNSS和藍牙定位的管道巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)方案，通過選用基于GNSS和藍牙室內定位的多源技術、互聯(lián)網(wǎng)地圖、Android智能手機，提供了全區(qū)域無縫定位、無須專有設備和專用標簽、低成本、高自動化的管線巡檢監(jiān)管系統(tǒng)。多源融合的定位技術有效地避免了關鍵區(qū)域因為GNSS信號不佳而無法監(jiān)控的問題。

1 管道巡檢系統(tǒng)關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀

目前常用的巡檢管理關鍵技術主要有基于條碼識別技術、GNSS定位技術和RFID識別技術。

（1）基于條碼或者二維碼識別技術。該技術易于實現(xiàn)，且成本極低，但是管道及其相關設備基本上是在野外，周圍環(huán)境比較惡劣，紙質和塑料質地的條碼容易因天氣、環(huán)境因素、甚至人為因素損壞，而且條碼的讀取需要一定的光源，無法做到全天候工作。[1]

（2）基于GNSS定位技術發(fā)展而來的巡檢PDA設備是目前比較主流的巡檢技術?；贕NSS技術的識別方式，在野外空曠的區(qū)域定位效果好、工作穩(wěn)定、不易受天氣、地理位置和人為因素的干擾，但是由于該方式需要足夠強度的多顆衛(wèi)星信號，在室內和遮擋嚴重的密集環(huán)境中，定位質量難以得到保證，可用性受到嚴重制約。而專有的PDA設備價格昂貴，在一定程度上也限制了GNSS技術的推廣。[2]

（3）基于RFID識別技術。RFID識別方式需要在識別樁或設備上鑲貼RFID芯片，而且必須配備專用的閱讀器設備；另外，由于 RFID 標簽無須直接與閱讀器設備接觸，RFID發(fā)射出的射頻信號可能會在使用者不知情的情況下被他人盜取，從而泄漏標簽內存儲的信息，構成安全隱憂。 [3]

（4）基于多源融合的定位技術。該技術是未來通信導航定位系統(tǒng)中發(fā)展的方向，在室外無遮擋的空曠環(huán)境中使用GNSS定位技術，在室內環(huán)境中，采用UWB、藍牙、紅外線、超聲波、wifi等技術發(fā)展而來的室內定位技術（LPS），共同實現(xiàn)室內外全方位位置服務。其中，基于藍牙4.0中BLE（藍牙低功耗）這個特性發(fā)展而來的iBeacons技術具有成本低、功耗低、部署方案簡單、精度高（米級）、響應速度快（秒級）、移動端設備解算等特點，加之目前主流手機都已經支持藍牙4.0標準規(guī)范，具有更好的發(fā)展前景。[4]

2關鍵技術

2.1移動互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)

隨著無線通信和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，大多數(shù)智能手機都已經支持GNSS位置服務，移動互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)越來越廣泛地為更多人所使用，例如，汽車手機導航。移動GIS主要包括兩個大的技術領域，一個是移動端GIS服務，另一個是位置服務（Location-based Services， LBS）。前者的工作主要集中在GIS數(shù)據(jù)的收集、驗證和更新上，而后者主要關注在具體業(yè)務中如何設計、實現(xiàn)和應用位置服務。移動互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的體系結構如圖1所示，包括智能手機終端、導航衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡、室內定位設備（UWB、藍牙定位設備、RFID和條碼）、業(yè)務服務器等。移動GIS系統(tǒng)的最終實現(xiàn)目標是提供4A服務：隨時（Anytime）隨地（Anywhere）為任何人（Anybody）和任何事（Anything）提供實時的地理位置信息服務。[5]

在管道巡檢工作中應用移動GIS技術，能夠使工作人員實現(xiàn)在任何地點、任何時間使用移動端查看管線地圖、上傳位置信息、定位導航等功能，準確快速上報發(fā)現(xiàn)的事故隱患，保障管道安全運行。[6]

2.2室內定位技術（LPS）

目前室內定位技術主要采用的技術主要有超寬帶（Ultra-Wideband ，UWB）、藍牙、RFID、紅外線、超聲波、Zigbee、WiFi等。[7]

其中，超聲波和紅外線技術能夠提供高精度的定位服務，但缺點是無法工作在非直視的環(huán)境中。UWB技術從理論上解決了在非直視的環(huán)境中工作的問題，并提供分米精度級的定位服務，具有系統(tǒng)容量大、傳輸速率快、功率低，能和現(xiàn)有的通信系統(tǒng)共享帶寬等優(yōu)點。[8] 但是其技術本身還不夠成熟，成本高、被定位人和物需要額外佩戴專用標簽（相對于手機等終端是天然的標簽而言）、需要外接電源和通訊網(wǎng)絡、服務器端進行位置解算等問題。而基于藍牙4.0中BLE（藍牙低功耗）這個特性發(fā)展而來的室內定位技術具有米級精度、成本低、功耗極低、響應速度快、部署簡單等特點，一顆紐扣電池就可以支持藍牙信標點工作一年之久，適合在基礎設施建設不全的野外部署。一般在室內空間均勻布置iBeacon基站，當定位人員進入iBeacon基站布置區(qū)域，通過手持藍牙終端設備接收iBeacon基站發(fā)送的與位置相關的UUID號和RSSI值，經過加權的三環(huán)定位算法即可定位人員在室內的坐標值。目前大多數(shù)智能手機都已經支持藍牙4.0標準規(guī)范，用戶無須攜帶專用設備或專用標簽，技術容易被接受，具有更好的發(fā)展前景。[9，10]在本系統(tǒng)中，考慮到管線的野外工作環(huán)境，選取藍牙室內定位技術。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體體系結構

系統(tǒng)整體架構設計如圖2所示，主要由兩大部分組成：（1）移動端。移動端設備選用目前市面上主流的4G安卓手機，安裝巡檢系統(tǒng)的移動端APP，由GPS衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、藍牙定位基站提供多源融合的位置服務，地圖采用互聯(lián)網(wǎng)地圖疊加管線地圖和室內地圖，主要實現(xiàn)巡線任務管理、地圖位置實時展示、實時軌跡展示和上傳、事件上報、歷史信息查詢等功能；（2）監(jiān)控端。主要由Web服務器、應用服務器、數(shù)據(jù)庫、PC端和平板電腦所組成，主要實現(xiàn)巡線任務的計劃和分派、巡線實時監(jiān)控、歷史信息查詢、突發(fā)事件管理、人員設備管理等功能。

3.2 移動端體系架構

移動端主要面向巡線人員，它的體系架構采用三層結構設計，包括表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)層三部分，體系結構圖如圖3所示。

其中表示層，為用戶提供交互所需的各種界面。本系統(tǒng)移動端的界面主要包括地圖主界面，即在一張地圖上顯示管道中間線及設備、室內貼圖、巡線員的實時當前位置、任務執(zhí)行狀態(tài)、報警狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、事件位置標簽等，加上任務管理列表界面、事件上報界面和賬號設備相關的系統(tǒng)界面。

業(yè)務邏輯層，是體現(xiàn)客戶實際業(yè)務需求、業(yè)務流程和業(yè)務規(guī)程的系統(tǒng)設計，主要包括業(yè)務功能和其所需要的各種基礎服務。功能模塊主要包括移動GIS、實時定位、任務管理和報警管理等，相關的服務包括位置服務（GPS和藍牙）、地圖服務、加密解密服務、數(shù)據(jù)傳輸服務、語音服務、照片視頻服務等。在位置服務中，如果移動終端同時取得藍牙位置信息和GPS位置信息，優(yōu)先使用藍牙位置信息。在數(shù)據(jù)傳輸服務中，通過采用斷點續(xù)傳技術和Web Socket連接保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蛯崟r性。

數(shù)據(jù)層負責管理任務、事件、軌跡和報警等相關業(yè)務所需和產生的數(shù)據(jù)。其中，通過持久層訪問SQLite數(shù)據(jù)庫，通過Android操作系統(tǒng)獲取來自各種硬件模塊的數(shù)據(jù)信息。

3.3 監(jiān)控端體系架構

監(jiān)控端主要面向管理人員，體現(xiàn)架構采用4層設計，自上而下分為客戶層、表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)層進行構建，體系結構圖如圖4所示：

其中，客戶層主要是為移動端提供Rest API、表單和Web Socket服務接口。移動端通過客戶層獲取所需的任務數(shù)據(jù)、實時上傳軌跡信息、隱患事件信息，完成巡線任務工作。

表現(xiàn)層主要包括提供給管理人員使用的Web瀏覽器端頁面。在表現(xiàn)層，通過統(tǒng)一的Web GIS平臺，疊加顯示互聯(lián)網(wǎng)地圖、室內地圖和管線及其相關設施矢量圖等多種數(shù)據(jù)集，提供標準的GIS操作功能。通過該Web GIS平臺，管理人員可以全面掌握巡線工作的整體運行情況，實時發(fā)現(xiàn)巡線人員的違規(guī)行為，根據(jù)上報隱患的精確位置和現(xiàn)場的照片、視頻信息做出快速準確的響應，及時啟動保障預案，保證管線的安全運營。

業(yè)務邏輯層主要實現(xiàn)巡線業(yè)務在監(jiān)控平臺端所需的各種業(yè)務功能和相關的各項服務。

數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)主要包括業(yè)務數(shù)據(jù)、管線及相關設施數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)。業(yè)務數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)保存在本地的數(shù)據(jù)庫中，通過數(shù)據(jù)持久層進行訪問和存取?；ヂ?lián)網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)廠商提供的地圖API獲取。其中，業(yè)務數(shù)據(jù)主要包括巡檢任務計劃數(shù)據(jù)、巡檢軌跡數(shù)據(jù)、事件管理數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等。管道數(shù)據(jù)主要包括管線中間線、緩沖區(qū)和相關設施的地理位置信息，采用加密的方式保存在本地數(shù)據(jù)庫中。

4 結論

將融合GPS和藍牙室內定位技術的位置服務應用到管線巡檢的專業(yè)工作中，實現(xiàn)了管線巡檢工作的全過程、全方位的自動實時監(jiān)控，解決了因GPS信號不佳而無法精確監(jiān)控的問題。同時，通過采用標準的Android智能手機，避免了移動端專有設備的硬件研發(fā)和采購，降低了成本和使用門檻。

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