基于RFID的可視化地下電纜管理系統的研究①

摘 要：本文以物聯網技術為依托，綜合運用射頻識別技術（RFID）、空間信息技術（GIS、GPS等技術，集成先進地下電纜探測裝備，建立了一套可視化地下電纜管理平臺。平臺由電子信息標識器、（讀寫）探測儀、移動智能終端（帶GPS模塊）和后臺服務系統組成，實現了地下電纜的精益化、智能化、可視化管理，為電纜的運行維護和故障處理提供有力的科學技術手段，對提高電纜運行管理現代化水平，提高現場施工的安全性、準確性和電纜設施定位的精確度等方面具有重要意義。

關鍵詞：RFID GIS 可視化 電纜 管理系統

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0015-03

隨著區域經濟與城市化建設的快速發展，城市供電方式由架空線路改為地下電纜埋設已經是大勢所趨。準確、快速定位現場目標電纜的空間位置，并實時獲取電纜走向及相關設備信息，是地下電纜運行維護需要解決的重要問題。為此，人們基于傳統的AM/FM、GIS、SCADA和感應器等手段，在不同時期、采用不同技術手段構建了各種地下電纜管理信息化系統，出現了成熟的專用探測儀器和技術體系。然而，單純依賴這些電纜探測設備和技術，對電纜運行維護的實際作用有限。在電纜應急搶修或日常維護時，依然需要對電纜進行開挖探測等重復性試驗、逐一排查，導致地下電纜維護工作繁重、操作復雜、難度大、風險高，不能降低電纜等地下設施管理的難度和復雜性，給電網安全運行帶來較大隱患。

本文所論及的是以物聯網技術為依托，綜合運用射頻識別技術（RFID）、空間信息技術（GIS、GPS）、網絡通信技術、分布式計算和海量信息處理等技術，集成先進地下電纜探測裝備，建立了一套電纜地下電子信息標識系統，突破基于離散曲率的空間形態感知技術，研發出地下電纜空間拓撲分析模型和目標誘導模型，實現地下電纜三維形狀檢測和精確定位，并在此基礎上開發出一套可視化地下電纜管理平臺。該管理平臺實現了地下電纜的精益化、智能化、可視化管理，為地下資產的全生命周期管理打下堅實基礎。

1 RFID的基本原理和特點

視頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術，是20世紀80年代發展起來的新興非接觸自動識別技術，它利用射頻信號空間耦合，實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的。它能穿透雪、霧、冰、涂料，塵垢和條形碼無法使用的惡劣環境閱讀標簽，并且閱讀速度極快，被廣泛應用于各個領域。

1.1 RFID基本原理

最簡單的RFID系統由應答器、閱讀器、應用軟件系統組成[1]。一般由標簽作為應答器，每個標簽由芯片與天線組成，具有唯一的電子編碼，附著在物體上識別目標對象。閱讀器主要用于控制射頻模塊向標簽發射讀取信號，并接受標簽的應答，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其他相關信息傳輸到主機以供處理。應用層軟件則把收集的數據進一步處理，為用戶所使用。

RFID系統的工作原理：閱讀器通過內部天線發送一定頻率射頻信號，當標簽進入天線工作區時，內部天線產生感應電流，標簽被激活，其自身編碼信息通過內置天線發射出去，或者接受閱讀器的數據；系統接收天線接收到從標簽發送出來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接受的信號進行解調和解碼，然后將數據傳送到計算機網絡；此時，應用層軟件系統根據邏輯運算判斷該標簽是否合法，針對不同的請款后作出相應的反應和處理。RFID標簽的數據解調部分從接收到的射頻脈沖中解調出數據并送到應用層軟件系統，應用層軟件系統接收到指令完成存儲等相關操作。RFID的基本原理圖如圖1所示[2]。

作為最為廣泛使用的自動數據采集技術，RFID應用到資源管理系統上，其優勢表現尤為突出，如以下幾點。

（1）防水、防磁、耐高溫，不受環境影響，具有防沖突功能。

（2）無源和免接觸操作，應用便利，只需置于閱讀器形成的電磁場中就可準確讀入數據，減少甚至排除因人工干預數據采集而帶來的效率降低和糾錯成本。

（3）RFID讀取數據快、距離長，能同時處理多個標簽，可對標簽上的數據進行反復修改，使標簽上可重復利用。

（4）RFID標簽的識讀不依賴于可見光，因此不需以目視可見為前提，可在條碼技術無法適應的惡劣環境下使用。

（5）RFID芯片不易被偽造，且標簽上可對數據采取分級保密措施，使得數據只在供應鏈上的某些點可讀。

2 可視化地下電纜管理系統

該可視化地下電纜管理系統平臺主要基于RFID技術，由電子信息標識器、（讀寫）探測儀、移動智能終端（帶GPS模塊）和后臺服務系統組成，充分利用RFID技術的優勢，實現了地下電纜的精益化、智能化、可視化管理，為地下資產的全生命周期管理打下堅實基礎。其工作結構圖如下圖2。

2.1 RFID數據采集系統

RFID數據采集系統主要由兩部分組成[4]，分別為視頻識別（RFID）標簽和RFID數據采集終端。

2.1.1 視頻識別（RFID）標簽

系統的射頻識別標簽采用的是只讀非接觸射頻卡，由天線和微型芯片組成[5]。電子標簽微型芯片里面存有兩種類型的數據，一種為UID（Unique Identification，唯一標識號），用來唯一標識電子標簽，它固化在電子標簽中（只讀）；另外一種為產品標識碼，產品標識碼可以選取多重的編碼標準。

本系統中的地下電纜每隔30 m安裝一個電子信息標識器，電子信息標識器上寫有電纜回路信息，以電子信息標識器的唯一編碼ID號作為該標識位置點的標志，記錄該位置點的電纜信息：電纜回路名稱、敷設方式、電纜溝道深度、電纜溝道寬度、同溝電纜回路數量、同溝電纜回路名稱、設備描述（頂管、接頭井、埋管口、槽盒等）、標識器安裝位置描述、該位置點電纜溝內部情況照片及外部外景照片。

2.1.2 RFID數據采集終端

RFID數據采集終端主要由讀寫器和數據采集接口組成。

讀寫器由讀寫模塊和天線組成。只要距離適當，讀寫器的天線和電子標簽的天線之間就會形成磁場，能夠讀到產品的相關電子代碼，通過串行口將其傳入計算機中的數據采集接口程序中。

數據采集接口是讀寫器和企業應用程序之間的聯系紐帶，代表應用程序提供一系列的計算功能，處理、存儲從一個或多個讀寫器發出的數據流或傳感器數據。

在本系統中，通過數據采集系統，將RFID電子標簽上的相關信息通過數據采集系統錄入電腦網絡，實現了對地下電纜的實時觀測。

2.2 后臺服務系統

本文中提出的可視化地下電纜管理系統，是通過GIS結合RFID技術來實現電信電纜靜態、動態信息的可視化管理，方便信息的查詢和電纜資源的規劃。通過若干臺前端機統檢測中心構成一個簡化的觀測環境，及時獲知電纜運行的一場、定位故障發生地點進行搶修，減少損失，從這兩和方面來預防和減少以上環境的發生，提高地下電纜的管理水平。

2.2.1 地理信息系統（GIS）簡介[6]

地理信息系統（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的數據的計算機系統。即，GIS以地理信息為內容，以地理空間數據庫為基礎，對空間相關數據進行采集、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的地理信息，并進行綜合評價、管理、定量分析和決策服務。

將GIS技術用于電力行業中，為電力系統設備的管理科學化，數據的“可視化”創造了條件。因此GIS早已在電力部門離線管理信息系統中得到了廣泛的應用。本文中的后臺服務系統則是基于GIS而設計的。

2.2.2 后臺服務系統設計目標

基于本文所提到的可視化地下電纜管理系統，本系統的設計目標主要如下。

（1）在檢測中心可視化瀏覽、編輯和查詢轄區內地下電纜的詳細資料，并通過與數據采集終端的通信，對地下電纜的實時運行情況進行監測，對運行數據進行分析處理和日常維護。

（2）發生異常事件時，接收到數據采集終端發來的事件信息，調出相關電子地圖，定位事件發生地點，根據不同的事件性質做不同的處理。

（3）通過對過去一段時間內的維護、歷史事件及相關數據做統計分析，形成報表，總結經驗，為提高維護水平提供有力的材料和思路。

2.2.3 后臺服務管理系統

根據系統設計目標，并使GIS與實時檢測系統更好的結合在一起，系統采用如圖3軟件功能模塊。

GIS軟件提供強大的圖形處理功能，如對多種文件格式的顯示和編輯支持柵—矢轉換、圖層控制、地圖縮放、漫游等，利用這些功能可以方便的完成電子地圖處理的問題，已達到可視化管理的目的。

3 系統工程化實現

在使用本可視化地下電纜管理系統前，先需完成系統的初始化工作，將電纜有關屬性數據等信息一一寫入相應的射頻識別標簽上。將各電子信息標識器每隔30 m安裝于地下電纜的相應位置，帶有發射無線射頻信號模塊的讀寫終端儀器通過發射無線射頻信號與電子信息標識器和帶有接受無線射頻信號模塊的后臺電腦相連。

地下電纜上安裝的電子信息標識器利用讀寫終端儀器發射無線射頻信號，搜索探知標識器的位置點，完成對標識器的定位及數據讀取，從而獲得電纜位置的所在及電纜屬性信息。通過以現場安裝點的標識器及其唯一ID編碼作為位置點標志，于該位置點記錄GPS數據，于電腦后臺地圖上，輸入GPS數據，可生產該位置點的標識圖標。以標識器及其唯一ID編碼作為索引，于PC端可點擊展示該位置點的電纜敷設方式、標識器編號、寫入信息、經緯度、距溝底深度、距溝中心距離、現場描述情況（地理位置描述）、現場圖片、關聯電纜。

如此即能準確對地下電纜定位和方便管理。

4 結語

本文中所提到的可視化地下電纜管理系統為電纜的運行維護和故障處理提供有力的科學技術手段，對提高電纜運行管理現代化水平，提高現場施工的安全性、準確性和電纜設施定位的精確度，在配合輔助相關部門的設計、勘測、規劃、管理等方面具有重要意義。隨著RFID技術的發展，在未來很長一段時間內，RFID技術將在識別技術中占主導地位，深入到各行各業之中。

參考文獻

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[2]李昕.RFID系統的優點及應用前景[J]. 計算機與信息技術，2007（18）：76-77.

[3]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的研究與實現[J].測繪與空間地理信息，2009（6）：67-68.

[4]熊春如，馮俊域，戴青云，等.射頻識別（RFID）數據采集系統終端設計[J].新余高專學報，2006（4）：89-90.

[5]秦虎，王紅衛，謝勇.基于電子標簽的數據采集系統[J].物流技術，2004（10）：49-51.

[6]鄭華武，劉正光，王偉.基于GIS和分布式計算環境的電信電纜可視化智能管理系統的設計[J].計算機工程，2002（28）：216-217.