程克杰 吳潤發(fā) 王耀民 陸雪峰 劉飛 王駿 張鵬飛 韓顏至

[摘? ? 要] 本文針對地下管網(wǎng)數(shù)量和規(guī)模的增大，構成狀況越來越復雜，地下管網(wǎng)及城市管理挑戰(zhàn)加劇，缺少合理的地下設備管理手段，在地下管線設備出現(xiàn)故障，需要維護、搶修施工時，因為資料的缺失往往無法快速、精準地找到目標管線;同時由于不了解管線分布，尤其是分屬其他單位的管線，極其容易在施工過程中出現(xiàn)對原有管線的破壞的現(xiàn)狀，設計了一套用于地下關鍵設施定位的多尺度融合定位技術系統(tǒng)，解決了地下管網(wǎng)設備精準快速定位、查找、識別和管理地下設備資產的難題。

[關鍵詞] 聲表面波;無源無線;多尺度融合定位

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 17. 073

[中圖分類號] TP315? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2020）17- 0168- 04

1? ? ? 背? ? 景

地下管網(wǎng)，諸如熱力管道、電力管線、輸油管線等公共設備一般都埋于地表之下，是現(xiàn)代城市基礎設施的重要組成部分，是城市賴以長期生存和快速發(fā)展的“生命線”，同時也是提高城市管理效率、建設智慧城市的核心基礎。掌握和摸清城市地下管網(wǎng)的現(xiàn)狀，是城市自身的發(fā)展和規(guī)劃建設的需要，也是防災和應付突發(fā)性重大事故的需要[1-2]。

對于地下設備的精確快速定位及管理，國內外開展了大量研究。一種比較常見的方法是基于電子標識器的地下設備定位及管理方法，該方法依靠埋設在地下設備附近的電子標識器作為地下設備的標志，通過對RFID（Radio Frequency Identification）電子標識器進行識別來幫助精準定位、查找、識別和管理地下設備資產。

市場上現(xiàn)有的基于電子標識器的地下設備管理方法有：? ? ? ? ? ? ? ? （1）基于UHF IC-RFID電子定位標識器IC RFID（Integrated-Circuit Radio Frequency Identification）。然而地下設備（如地下電力管線）埋深大（約0.5-1.5米），地面主要是混凝土、瀝青、泥土等復雜介質，超高頻電磁波穿過這些損耗介質后，損耗高達20-50dB/m，難以驅動電子標識器。

因此，該方法存在標識器容易被市政施工破壞、丟失、標簽距離地下設備遠、定位不準確等問題[3]。

（2）基于125kHz RFID電子定位標識器。125kHz的低頻電磁波具備很強的介質穿透能力，理論上能夠識別埋設在地下設備附近的電子標識器。但125kHz RFID系統(tǒng)容易受到設備電源的工頻干擾，且存在天線尺寸大、天線傳輸效率易受到周圍設備金屬材料影響而降低、低損耗介質中讀取距離近等問題?，F(xiàn)有性能最好的125kHz RFID安裝也必須距離設備10cm以上，仍無法實現(xiàn)地下設備的精準定位。

可以發(fā)現(xiàn)，由于地下管網(wǎng)的不可見性、復雜多樣性、變更性、整體連接性，傳統(tǒng)的管線探測法由于技術缺陷，存在以下幾個問題：

①使用壽命有限，尤其是在地下潮濕的惡劣環(huán)境，通常實際使用壽命為 3-5年左右;

②受限于充能線圈，其標示器體積過大，不利于使用安裝;

③信號穿透地層有限，實際使用過程中，通常無法穿透超過 0.8m 以上的地層;

④無法在識別的同時進行管網(wǎng)狀態(tài)（例如溫度、壓力數(shù)據(jù)等）的傳感和監(jiān)測;

⑤無法耐受高溫、強磁、強射線輻照等惡劣環(huán)境;

⑥數(shù)據(jù)安全性能有限，信息容易被其他閱讀器所竊取、篡改;

⑦無法探測非金屬管線和其他平行、分支管線;

⑧無法探測管線深度、方向變化;

⑨無法區(qū)分特殊設施或標記;

⑩受制于人員定位技術水平和經驗，且維護人員工作不便，效率極低;

定位精準度極低。

2? ? ? 發(fā)展趨勢

地下管網(wǎng)目前的發(fā)展趨勢為以地下管廊作為管網(wǎng)主干線，以電子標示系統(tǒng)記錄、傳輸信息的方式進行管理，其越來越復雜的地下管網(wǎng)系統(tǒng)也對電子標示系統(tǒng)提出了新的要求：

（1）長使用壽命，盡量減少維護、更換的次數(shù)和成本;

（2）能夠耐受各類惡劣的地下環(huán)境;

（3）具備較強的信號傳輸能力，可以將標示器埋設于更深的地層;

（4）對各類管道均具有適應性;

（5）具備更多元化的數(shù)據(jù)采集能力，以便城市地下管網(wǎng)進行數(shù)據(jù)分析和管理;

（6）具備更高的數(shù)據(jù)安全性。

3? ? ? 多尺度融合定位技術

壓電微聲傳感及射頻識別技術是繼陶瓷、半導體和光纖等傳感器與半導體射頻標簽之后的新型傳感和射頻識別技術。如圖1所示，具體的工作過程為：首先，閱讀器天線發(fā)射射頻（RF）查詢脈沖，查詢范圍內的標簽上的天線接收查詢脈沖信號，與標簽天線相連的叉指換能器（IDT）將接收到的 RF 信號通過逆壓電效應轉換為量級很小的聲表面波（基于壓電微聲技術的），沿著標簽基片表面?zhèn)鞑ァＴ诨趬弘娢⒙暭夹g的傳播路徑上，放置了多個具有一定編碼方式的反射柵。沿基片表面?zhèn)鞑サ幕趬弘娢⒙暭夹g的 遇到反射柵時，一部分會產生反射現(xiàn)象，另一部分產生透射現(xiàn)象，遇到下一個反射柵也同樣如此。所有反射的信號相疊加就在 IDT處形成了一系列按照時間變化的唯一的基于壓電微聲技術的脈沖鏈。該脈沖鏈再次由IDT 通過壓電效應轉換為回波射頻脈沖鏈。它們由標簽天線發(fā)射出去，被閱讀器的天線所接收。閱讀器對該信號解碼后獲得該標簽存儲的信息。其中該標簽存儲的信息可以用反射柵的編碼方式不同來實現(xiàn)，例如脈沖幅值、時延、相位等。同時外部環(huán)境影響如溫度、壓力等作用于壓電基片會改變回波的時延和相位，使基于壓電微聲技術的智能感知系統(tǒng)具備復合傳感功能。

由于SAW RFID標識器工作不存在上述電子標識器的儲能、電子計算等過程，因此SAW技術具備強信號穿透能力，相比于上述標識器對水、泥土、混凝土等復雜介質的穿透距離具備明顯的優(yōu)勢。

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本技術的目的是提供一種基于全球定位/SAW RFID多尺度融合定位的地下設備管理方法。

根據(jù)本技術提供的基于全球定位/SAW RFID多尺度定位的地下設備管理方法，流程是根據(jù)地下設備的基本屬性，安裝SAW RFID標識器，并上傳相關信息至服務器，服務器依據(jù)此相關信息建立數(shù)據(jù)庫及地下設備GIS系統(tǒng);對特定區(qū)域地下設備進行定位管理時，用戶通過移動終端經通信模塊向服務器請求該區(qū)域設備的相關信息;移動終端結合服務器下發(fā)的相關信息，調用全球定位導航模塊對地下設備進行粗尺度定位，確定地下設備的粗尺度標識區(qū)域。得到標識區(qū)域后，移動終端得到標識區(qū)域巡檢，同時調用SAW RFID閱讀模塊對SAW RFID標識器進行讀取;讀取到SAW RFID標識器編碼，且該編碼與之前得到的編碼匹配，則移動終端所處位置為地下設施對應的地面精確坐標。

與現(xiàn)有技術相比，本技術針對現(xiàn)有地下設備管理技術定位精度低、速度慢和常規(guī)電子標識器無法有效配合地下設備識別的問題，結合全球定位的大范圍導航和SAW RFID標識器能夠進行地下物體標識的特點，提出了基于全球定位/SAW RFID多尺度融合定位的地下設備管理方法。相較于現(xiàn)有的基于GPS的地下設備管理方法，該方法可快速地識別地下設備并精準定位，定位精度達到分米級，遠高于常用GPS系統(tǒng)的2-3m的定位精度。該方法可有效提高地下設備的檢修、維護效率，提高設備可靠性，降低事故發(fā)生的概率[4]。

新興壓電微聲傳感及射頻識別技術為城市地下管網(wǎng)的管理提供了一個新的技術手段，基于壓電微聲技術的無源智能感知技術憑借其無源、耐受惡劣環(huán)境、抗干擾、復合傳感等特點，可以很好地符合未來智慧城市地下管網(wǎng)的發(fā)展方向[5]。

4? ? ? 多尺度融合定位技術應用方案

下面結合附圖對實施方式進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本技術。

如圖2所示，是實現(xiàn)融合定位技術的基于全球定位/SAW RFID多尺度定位的地下設備管理系統(tǒng)，包括管理服務器，移動終端和SAW標識器。

服務器主要包含數(shù)據(jù)庫和GIS系統(tǒng)，移動終端包含全球定位模塊、SAW RFID閱讀模塊、人機交互模塊，SAW 標識器包含天線和SAW RFID芯片。使用時，用戶通過人機交互模塊控制移動終端并得到各模塊反饋信息;移動終端通過4G通信模塊與服務器進行雙向通信;移動終端通過SAW RFID閱讀模塊發(fā)射無線查詢信號，SAW RFID標識器天線接受查詢信號來識別SAW RFID標識器。

如圖3所示，以某一大區(qū)域內有屬性分別為A、B 的地下設備A1、B1，并對地下設備A1進行定位和管理為例。

如圖3所示，在設備、B1的安裝/檢修過程中，在設備A1、B1表面或附近，分別安裝編碼為0001和0010的SAW標識器，并將設備A1的信息：MessageA1：

及設備B1的信息MessageB1：

上傳至服務器數(shù)據(jù)庫，進而完成地下設備管理GIS系統(tǒng)。

在對上述區(qū)域設備的巡檢/維護任務中，用戶向服務器請求GIS系統(tǒng)中的該區(qū)域信息，并根據(jù)該區(qū)域的設備信息MessageA1、MessageB1選擇要巡檢/維護設備，此處以設備A1為例。

如圖4所示，用戶選擇設備A1后，全球定位模塊根據(jù)設備A1的地標坐標（xA，yA）對設備進行粗尺度定位，用戶根據(jù)全球定位模塊導航到達設備A1實際坐標（xA′，yA′）附近的全球定位導航坐標（xA，yA）。

如圖5所示在完成設備A1的粗尺度定位后，用戶調用移動終端的SAW RFID閱讀模塊，攜移動終端在（xA，yA）為圓心，半徑3米的區(qū)域中移動并讀取SAW RFID。

如圖5所示， 當移動終端成功讀取到SAW RFID編號且編號與MessageA1的ID號（0001）匹配，則認為此時移動終端所處坐標為地下設備A1的實際地表坐標（xA′，yA′）。

5? ? ? 軟件實現(xiàn)

基于此項目開發(fā)了一套多尺度融合高精度定位系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)可以對裝有SAW-RFID的地下關鍵設備進行安裝、設備搜索、巡檢、維修、總覽等。軟件實現(xiàn)流程框圖如圖6所示。

軟件界面圖如圖7、圖8所示。

5.1? ?功能介紹概括

系統(tǒng)主要分為設備安裝、搜索、巡檢、維修、總覽和系統(tǒng)設置模塊。

5.2? ?安裝

打開“安裝”按鈕，點擊獲取設備編號，點擊開始掃描，如果閱讀器掃描到某個設備編碼，會顯示在App中，然后我們選中設備編號，在設備名稱一欄為掃描到的設備編輯一個名稱，選擇地圖定位，填寫設備類型、生產廠家、安裝日期和操作人員等信息，點擊拍照時，選擇允許調用攝像頭。

5.3? ?設備搜索

設備搜索功能包括填寫搜索條件，點擊搜索，查看設備，設備導航，設備巡檢日志，設備維修日志。

5.4? ? SAW-RFID標簽巡檢

SAW-RFID標簽巡檢功能可以連續(xù)讀取SAW標簽，并且同時軟件可以對閱讀器進行參數(shù)設置。

5.5? ?其他功能

軟件除了上述功能外還包括設備類型管理，生產廠家管理，操作人員管理，設置狀態(tài)管理，維修項目管理。

主要參考文獻

[1]徐功文，張志軍，楊磊，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的城市熱力管道檢測系統(tǒng)的設計[J]. 山東建筑大學學報. 2012， 27（4）： 431-434.

[2]田玉卓， 閆全英， 趙秉文. 供熱工程[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2008.

[3]應春然. RFID電子標簽在地下管道養(yǎng)管中的應用探索[J].市政技術，2015（1）： 190-193.

[4]Alan V. Oppenheim， Alan S. Willsky信號與系統(tǒng)[M].第2版.劉樹棠，譯.西安：西安交通大學出版社，1998.

[5]F.SCHMIDT G.SCHOLL.Wireless SAW Identification and Sensor Systems[J].International Journal of High Speed Electronics and Systems， 2000，10（4）：1143-1191.