基于二維碼的城市部件移動巡查系統研究

孟超越,李宏偉,許棟浩,張鐵映

(信息工程大學 地理空間信息學院,河南 鄭州 450001)

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基于二維碼的城市部件移動巡查系統研究

孟超越,李宏偉,許棟浩,張鐵映

(信息工程大學 地理空間信息學院,河南 鄭州 450001)

摘要：針對市政部門在數字城市建設中提高城市基礎部件巡查維護效率的需求，引入二維碼技術到城市部件移動巡查系統架構中，剖析系統的主要功能模塊，研究二維碼技術應用、ArcGIS Server地圖服務發布和移動終端定位等系統構建關鍵技術，設計并實現基于二維碼技術的城市部件移動巡查系統。系統達到提高城市部件移動巡查工作效率和質量的效果，為提高城市部件移動巡查工作提供良好的解決方案和思路。

關鍵詞：二維碼;城市部件;移動巡查;ArcGIS;軌跡跟蹤

隨著我國城市信息化建設的飛速發展，各級政府逐步加大對數字化城市建設的投入[1]。在城市高速發展過程中如何經濟有效地對日益增加的城市部件進行科學管理和快速維護已成為困擾全國市政管理部門的一個難題，對數字化城市建設提出了迫切要求。移動巡查系統作為城市基礎部件管理中不可或缺的一部分，其理論和實踐研究已經取得了許多進展，并做出了與物聯網相結合的嘗試，但依然存在許多問題[2-4]：城市基礎部件問題事件的及時發現、及時反饋、及時處理的服務管理機制不完善；與物聯網系統結合的移動巡查系統的建設和使用門檻相對較高，需要專業的嵌入式智能系統、手持移動終端以及RFID等自動識別技術，花費較高，難以普及。二維碼是從一維條碼技術發展起來的一種新興的信息傳遞介質，是一種成本低廉、經濟實用的信息編碼和識別技術，因其存儲容量大、識別設備簡單、安全性高而逐漸受到廣泛關注。二維碼不像射頻識別技術(RFID)[5-6]在物聯網應用中占據核心地位，但它具有獨特的技術優勢和旺盛的生命力；在標簽和讀寫器的制作上，二維碼比RFID的成本要低很多，特別是二維碼與智能手機的結合使得二維碼的讀寫不再需要使用專門的讀寫器，讓二維碼技術的使用成本進一步降低。其次，糾錯碼的存在使二維碼具有更好的適用性和可靠性，二維碼即使在遭到污損、彎曲、穿孔等損壞時，仍然可以正常讀出數據，而且二維碼的標簽不受高溫、靜電等惡劣環境的影響，而這些卻是RFID技術的致命缺陷。城市部件具有數量龐大的基礎設施，有些部件還處于地下、水下這種相對惡劣的環境中，因此，在城市部件移動巡查方面二維碼技術比RFID技術更加適用。為了適應新形勢下的城市數字化建設，進一步提升城市部件日常巡查工作的質量和效率，論文引入二維碼技術到城市部件移動巡查工作中，結合移動GIS架構設計實現了基于二維碼的城市部件移動巡查系統。

1系統設計

1.1系統總體架構設計

基于城市部件空間分布廣泛的特性和部件巡查維護的室外作業需求，系統結合移動GIS基本架構，采用面向服務(SOA)思想，使用多層次的體系標準，對整體結構進行設計；從下到上依次分為數據層、應用支撐服務層、網絡通信層以及由移動應用和Web應用組成的應用層4個層次(如圖1)。系統架構充分發揮移動終端便攜性和移動性特征，借助二維碼掃描功能快速獲取巡查部件的相關信息，并通過移動網絡實現巡查終端和信息中心的即時通信，大大提高了城市部件巡查作業質量和異常事件發現、反饋和處理效率。

數據層：包括部件數據庫和業務數據庫。其中業務數據庫可以被服務層直接訪問，為應用層提供服務，部件數據庫則通過空間數據引擎(AcrSDE)中間件提供空間數據。

服務層：服務主要分地理信息服務和業務應用服務。地理信息服務是通過ArcServer發布面向服務的網絡地圖服務和空間數據查詢服務；業務應用服務主要包括業務工作流引擎，應用接口，安全認證和配置服務。

圖1　系統總體架構

網絡層：城市部件巡查的服務對象是市政管理部門，管理端系統接入數字城市綜合管理平臺，系統網絡層架構由內部政務網絡和移動APN專用3G網絡共同構成。

應用層：系統應用層主要分為移動巡查終端應用和Web管理平臺應用,為不同的系統用戶提供應用功能。

1.2系統功能模塊設計

根據系統的業務需求和總體架構設計，系統的具體功能模塊劃分為以下四大部分：基礎部件數據管理模塊，信息中心監督指揮模塊，移動巡查客戶端模塊和系統管理模塊(見圖2)。

圖2　系統功能模塊

1)數據管理模塊。 數據管理模塊主要功能是管理通過城市基礎部件普查、歷史數據錄入等途徑得到的部件信息數據庫和系統業務數據庫，提供部件數據和業務數據的更新入庫、查詢統計、打包下載等功能，保證部件數據的實時性和準確性。

2)監督指揮模塊。 信息中心監督指揮模塊是城市部件移動巡查系統的控制核心，為信息中心管理人員提供移動巡查工作的管理功能。其主要功能包括巡查任務的發布、巡查人員軌跡跟蹤管理、巡查事件統計分析、緊急事件處理指揮等。

3)移動巡查模塊。 移動巡查模塊基于Android移動終端平臺開發，幫助巡查人員順利完成巡查工作。主要功能有：任務查詢、部件二維碼快速識別、巡查記錄上傳、緊急事件上報、數據請求下載、地圖瀏覽導航等功能。

4)系統管理模塊。 系統管理模塊為部門領導和系統管理員提供管理和維護系統的相關功能，擁有系統管理的最高權限，其他用戶不能訪問和使用。該模塊主要包括用戶權限管理模塊，數據備份管理模塊，系統數據安全認證模塊。

2系統開發關鍵技術

2.1二維碼技術

二維碼技術起源于一維條碼技術，自出現以來便保持著高速發展的態勢，在潛移默化中改善著人們的生產生活方式。在二維碼發展過程中產生了許多具有代表性的二維碼，如：PDF417條碼、Code49條碼、DataMatrix條碼、漢信碼和QR碼等。系統采用了應用比較廣泛的QR碼作為部件信息的載體[7]。QRCode是一種具有360度全方位識讀能力的矩陣式二維碼，主要由尋像圖形(位置探測圖形)、定位圖形、分隔符、校正圖形等功能性圖形和編碼區域(數據信息和糾錯碼字等)組成[8]。功能性圖形主要用于符號的定位，并沒有存儲具體信息(見圖3)。

圖3　QR Code符號的結構

在系統應用中，部件信息QR二維碼的編碼生成主要有三個步驟：QR碼數據碼字的生成、QR碼糾錯碼字的生成和最終碼字序列構造。編碼生成后的二維碼標簽需要鋪設部署到城市部件設施表面，由于部件表面大多是非平整、光滑表面，有些設施還處于井下等惡劣環境，因此二維碼的糾錯等級需要選擇為最高級別，以保證在一定程度的彎曲或污損情況下仍能進行識別。二維碼的編碼版本則選擇適應部件數據的最小版本。

2.2地圖服務發布與訪問

系統通過ArcGISServer來實現部件信息地圖服務的發布與訪問，ArcGISServer發布的地圖服務可分為動態地圖服務和緩存地圖服務兩種[9]。后者通過預先創建基于金字塔模型的瓦片地圖緩存來渲染地圖的服務，支持服務端緩存和客戶端緩存；而動態地圖服務則是在每一次請求地圖時都需要服務器渲染一次地圖再傳送客戶端的服務。系統在實際應用中采用動態地圖服務與緩存地圖服務相結合的方式為系統Android應用終端和Web管理端提供地圖服務。系統對基礎行政區劃分數據、道路網數據這類不經常變化或即使變化對移動巡查工作影響較小的空間數據作為以緩存地圖服務的形式發布，作為系統GIS應用底圖；而將經常變化的部件空間數據發布為動態地圖服務發布，這樣可以通過降低每次加載渲染地圖時需要的數據量來大大提高終端對地圖的訪問速度。系統地圖服務的發布與訪問流程如圖4所示。

圖4　地圖服務發布與訪問

2.3移動終端定位跟蹤技術

為保證外業巡查工作人員的工作效率和質量，指揮中心在系統的Web端需要對巡查人員的工作路線和實時位置進行定位跟蹤。它主要包括移動終端位置信息實時獲取、位置數據定時上傳至服務器數據庫和服務器端巡查人員位置信息顯示三個部分，其主要實現流程如圖5所示。

圖5　巡查軌跡跟蹤技術的實現過程

當前Android系統智能終端均集成了GPS定位芯片，常用的定位方式主要有GPS定位和基站定位兩種方式[10-11]。前者精度較高，但處于室內等環境時會由于GPS信號不佳出現無法定位的情況；基站定位在室內或者封閉環境中有較好的定位效果，但缺點是整體定位精度不高，系統采用以GPS定位為主基站定位為輔的策略獲取終端定位信息，通過實時檢查GPS信號強度選擇定位方式，對定位效果進行優化。

由于通過Android終端定位模塊LocationManager[12]得到的終端位置是標準WGS-84坐標系(地心坐標系)下坐標，而本系統使用的地理空間信息數據采用的坐標系是Xian-80坐標系(大地坐標系)，因此需要對得到的位置坐標進行坐標轉換后才能在系統中使用。目前較成熟的由地心坐標系向大地坐標系的轉換模型有布爾沙-沃爾夫模型(七參數轉換)、莫洛金斯基模型以及我國的武測模型等[13]，對本系統，布爾沙-沃爾夫模型就可以滿足要求。式2布爾沙-沃爾夫模型的坐標轉換公式

(1)

(2)

式中(X1，Y1,Z1)與(X2，Y2，Z2)分別表示同一個點在WGS-84坐標系和Xian-80坐標系下的坐標，k為無量綱的尺度因子，(ΔX0，ΔY0，ΔZ0)表示兩個坐標系的坐標原點平移量， ωx,ωy,ωz為分別X，Y，Z軸的旋轉角。在進行坐標轉換的過程中，可以通過對已知地面控制點平差的方法求解上面的七個參數，然后通過將七個參數代入式2完成對采集所得坐標的轉換。轉換后的坐標依據時間序列上傳到服務器數據庫中，指揮中心可通過查詢數據庫獲取查看巡查人員的實時位置和歷史軌跡。

3原型系統實現

3.1巡查移動終端應用實現

巡查客戶端應用基于Android系統平臺開發，地圖服務訪問基于ArcGISAPIforAndroid實現。系統巡查人員在巡查過程中通過掃描記錄部件信息的二維碼，實現快速識別部件并獲取部件基本信息；對異常事件信息進行采集、巡查記錄回傳和數據存儲等操作，可實現位置數據的更新和回傳，使指揮中心能夠實時監控部件異常發現，及時安排工作人員到現場進行維護處理。

1)任務查看和地圖瀏覽。 巡查人員可以在“我的任務”里查詢信息中心Web端發布的任務列表信息，點擊任務詳情可以看到任務區域和地圖信息(圖6、圖7)。地圖瀏覽具有基本的縮放、移動、切換圖層、定位和導航等功能。

圖6　任務地圖信息

圖7　服務器端地圖服務瀏覽

2)二維碼掃描。 二維碼掃描功能是通過調用智能終端上帶有的攝像頭獲取二維碼圖像信息，然后根據二維碼編碼規則進行解碼獲取其中封裝的部件基本信息，掃描界面和獲取結果界面如圖8、圖9所示。

圖8　手機掃描二維碼界面

圖9　日常巡查界面下二維碼掃描結果

3)巡查記錄和位置數據上傳。 巡查人員現場獲取部件基本信息后，根據巡查手冊要求檢查部件各項狀態是否正常，填寫巡查記錄表單并現場拍照采集圖像信息，然后上報到指揮中心并調用服務器端WebService接口保存巡查記錄到數據庫。巡查人員的位置數據則是通過Android系統后臺任務定時調用定位服務，將獲取的位置坐標通過坐標轉換后上傳到服務器端保存到數據庫，形成巡查人員的移動軌跡記錄。

3.2服務器端功能實現

系統的服務器端是依托數字城市綜合管理信息系統平臺存在的，主要實現巡查任務發布、巡查任務執行狀態查詢、巡查人員軌跡跟蹤和系統管理等功能。

1)任務發布。 任務發布是在指揮中心服務管理人員向巡查人員發布任務信息的功能，系統首先自動在地圖上沿某一條道路將沿街區域地圖進行帶狀分幅，然后將每個帶狀分幅得到矩形范圍分配給巡查人員，保存到任務數據庫并推送到各巡查終端提示巡查人員查看并執行。

2)任務狀態查詢。 巡查任務執行狀態查詢(圖10)功能主要是將已巡查的和未巡查的部件在地圖上用不同的符號表示出來，從而使指揮中心監管人員對任務執行進度有一個直觀的了解。圖10所示的綠色的點是已巡查過的部件，紅色的標識點符號則對應還未巡查的部件。

圖10　巡查任務狀態查詢

3)巡查軌跡跟蹤。 巡查軌跡跟蹤模塊實現了對巡查人員的移動軌跡查詢(見圖11)和位置動態監控兩部分功能，實現對巡查人員歷史軌跡的回溯查看和當前實時位置的展示。

4結束語

本文基于移動GIS架構，研究城市部件移動巡查系統研發的關鍵技術，引入物聯網應用中的二維碼技術，并使用當前流行的3G無線網絡通信、ArcGISServer網絡地圖服務、移動定位等技術，搭建基于二維碼的城市部件移動巡查系統。二維碼作為一種信息編碼和快速識別技術，在結合Android智能手機的定位功能和移動GIS應用后，實現二維碼信息、業務信息和位置信息的融合；幫助巡查人員快速定位巡查對象并獲取基本信息，解決巡查人員在傳統工作方式下需要耗費大量時間記憶、查詢各類部件基本信息的問題，配合規范的業務流程使得巡查工作人員可以專注于巡查工作和異常發現，從而大大提高移動巡查工作的質量和效率。系統采用ArcGISServer企業級WebGIS解決方案，使用戶可以快速的發布多種GIS地圖服務并搭建面向服務(SOA)的移動GIS應用。基于Android系統的移動巡查客戶端應用實現地圖瀏覽、路徑導航等GIS功能，輔助工作人員高效快捷的執行巡查任務，并實現良好的交互性。指揮中心管理端系統提供巡查系統管理人員監督指揮工作需要的各種功能，并為巡查人員的管理和績效考核提供科學有效的解決方案和數據支持。本文為提高城市部件移動巡查維護工作的質量和效率提供良好的思路；今后，將在增強巡查終端應用的易用性、服務器和客戶端的負載均衡、系統企業級安全策略、系統跨平臺等方面開展進一步研究。

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[責任編輯：路曉鴿]

Study on mobile patrol system of city components based on two-dimensional code

MENG Chaoyue, LI Hongwei, XU Donghao, ZHANG Tieying

(SchoolofGeospatialInformation,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract：This paper presents a mobile patrol system of city components, in order to meet the demand of improving the efficiency of patrol and maintenance for municipal department in the construction of digital city. Firstly, this paper designs the system architecture based on two-dimensional code, and analyses the basic functional requirements. Then, it focuses on studying some main technological problems to build this system, including the two-dimensional code recognition technological application, map service publishing in ArcGIS Server, and the mobile terminal location technology. Finally, this paper implements some professional functions of the system. The system improves the quality and efficiency of patrol and maintenance of the city components and provides a good solution to the patrol work of city components.

Key words：two-dimensional code; city components; mobile patrol; ArcGIS; trajectory tracking

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.09.010

收稿日期：2015-05-18；修回日期：2015-05-30

作者簡介：孟超越(1991-)，男，碩士研究生.

中圖分類號：P208

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)09-0044-06