基于RFID/GIS的城市地下管網監控管理系統*

章光旭，陳明智，毛五星，錢同惠

(江漢大學 物理與信息工程學院，湖北 武漢 430056)

0　引言

城市地下管網資源主要有電力、水力、熱力、燃氣、電信等管線，隨著管網資源規模的不斷擴大，其結構也越來越復雜。相對于快速發展的城市規模，依靠人工方式管理城市地下管網資源不僅低效，而且存在安全隱患，這些都給城市地下管線資源管理與維護帶來了很大的挑戰[1-2]。

了解到現有技術手段，采用RFID/GPS技術對密集的城市地下管線和重要設施進行標識，實現地下管線資源準確、安全、快速定位，提高管線維護、查找、搶修效率以及提供迅速、全面、有效的信息支持[3]；借助GIS技術中的空間分析技術、網絡分析技術、模型分析技術可以對管線運行狀態、管線突發事故進行分析與狀態模擬，有效地指導工程施工與規劃決策[4]；通過數據庫快速查到相關的重要信息實現對地下管道的精確識別和安全管理，避免為了尋找管道而大面積開挖路面而對居民生活產生影響，可實現對城市地下管網資源的深層次管理。

1　總體設計

1.1　總體思路

針對目前城市地下管網資源管理的缺陷，設計一套以RFID和GIS技術為核心的城市地下管網監控管理系統。該手持設備由手機和RFID讀寫器組成。利用FRID讀寫器可以獲取城市地下管網資源信息；利用手機GPS功能結合GIS技術，可以獲取城市地下管網的位置信息。

在進行管線鋪設時，首先將RFID電子標簽粘貼在管線上，并一起埋入地下，電子標簽上記錄有管線類型、填埋日期、責任人等信息。然后在后期的管理維護中，操作人員攜帶檢測設備到現場進行電子標簽探測，從探測的電子標簽中獲取城市地下管線資源信息，同時通過手機GPS獲取管線的位置信息，最后將信息存儲到數據庫[5]。開發一款APP軟件和相應的服務器程序實現后端信息監控管理。具體系統整體架構圖如圖1所示。

圖1　系統整體架構圖

1.2　工作原理

RFID技術是采用無線射頻的方式與被測對象進行非接觸連接，然后實現測試對象與被測對象間的互通雙向數據傳輸，以獲取被測對象的具體信息。無線射頻方式利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性實現對靜止對象或者移動對象自動識別，并自動獲取被測對象相關信息，同時還可以通過其信號強度確定被測對象所在位置，即提供定位服務[6]。

系統原理示意圖如圖2所示，本系統的工作原理是：探測設備以連續方式發送一定頻率的信號，相同頻率的地下標識器吸收并存儲信號能量。標識器儲存的能量足夠后將帶有數據的信號反射回探測設備。探測設備檢測返回的信號強度來確定標識器具體地點。當探測設備在標識器正上方時，信號強度最強。

圖2　系統原理示意圖

1.3　可行性分析

1.3.1社會與經濟效益分析

在經濟效益方面，城市地下管網監控管理系統可以提高管網資源管理效率，縮短管網維護時間，降低資源消耗成本以及資源管理成本[7]。

在社會效益方面，城市地下管網資源信息的存儲與管理可以為城市建設與規劃提供數據依據，推動了城市建設的進一步發展。

1.3.2方案合理性分析

首先，RFID標簽穩定可靠，讀寫速度快，內置存儲空間大，可用于潮濕、污染等惡劣環境，并且使用壽命長[8]。城市地下管網選用RFID標簽作為管線標識符，可提高管網資源信息的可靠性。

其次，借助GIS技術中的空間分析技術、網絡分析技術、模型分析技術對管線運行狀態、管線突發事故進行分析與狀態模擬，可以有效指導工程施工與規劃決策。

1.4　項目特色與創新之處

(1)設計了一款便攜式移動檢測設備實現前端數據采集。使用便攜式設備進行城市地下管網資源搜索更方便、快捷、效率更高、成本更低。

(2)設計了一款APP軟件和相應的服務器程序實現后端信息監控管理。通過手機APP可以實時顯示當前管線資源信息和位置信息，同時還可以進行管線信息查詢、管網分布圖繪制等功能。

(3)本項目設計的電子標簽實測最大距離可以達到1.2 m，而市面上一般的電子標簽最大埋深只有0.8 m。

2　硬件設計

2.1　系統硬件整體框架

本系統的硬件部分主要包括電子標簽模塊和射頻基站模塊兩大核心，其中射頻基站是以C8051F020系列單片機為主控芯片。硬件整體結構圖設計如圖3所示。

圖3　總體設計框圖

C8051F020單片機價格便宜、集成度高、使用簡單方便，選擇該單片機在異步串行通信中作為主控芯片，能與TMS37157電子標簽模塊和TMS3705射頻基站模塊進行快速精確的通信，適用于本系統。

2.2　系統硬件功能模塊

系統在獲取埋入地下的電子標簽所攜帶的城市地下管網資源信息時，需要滿足快速、有效且非接觸式等要求，而TI公司推出的無源低頻接口器件TMS37157不僅能夠與電子測量儀器設備進行遠程通信，并且還能為其供電，從而可使整個過程實現非介入式通信。因此選擇TMS37157作為電子標簽。圖4為TMS37157的信息交互以及單向供電功能示意圖。

圖4　TMS37157信息交互以及單向供電示意圖

系統選用TMS3705射頻識別芯片的射頻基站，搭配TMS37157配套使用，圖5為TMS3705芯片引腳接線圖。數據發射后由射頻基站天線接收，再由基站處理后經基站的輸出腳把得到的數據流發給微處理器的輸入口。基站用于對信號的接收與整流，而信號的解調與解碼由微處理器MCU部分來實現。

圖5　TMS3705芯片引腳接線圖

系統硬件部分主要完成電子標簽信息的讀取與導入，其控制流程如圖6所示。

圖6　單片機控制流程圖

2.3　系統性能升級

為了提高系統識別距離，增加信號傳輸的穩定性，需要對發射、接收的信號進行放大與濾波處理，為此設計了升壓電路和信號放大電路，如圖7、8所示。

圖7　升壓放大電路設計圖

圖8　信號放大電路設計圖

3　系統軟件設計

3.1　系統軟件功能設計

城市地下管網監控管理系統能夠對地下管網進行科學管理、科學規劃、科學決策，實現地下管網全面自動化、信息化管理。系統可細分為四個模塊，分別為：系統登錄模塊、基本功能模塊、通信模塊、系統管理模塊。其詳細功能設計如圖9所示。

圖9　監控中心管理系統功能設計圖

3.2　系統軟件界面設計

操作人員利用便攜式移動檢測設備，在城市某一區域進行管網資源搜索。一旦搜索到管網資源，系統會自動記錄管網資源信息并在電子地圖上做一個標記，記錄管道所處位置，具體界面設計如圖10所示。

圖10　移動端APP界面展示

點擊相應的標注，系統會預覽管道的基本信息，包括EPC編號、管道類型等信息，如圖10所示。如果想查詢管道詳細信息，點擊相應的預覽窗口即可查看。

同時系統還設計了管網資源分布繪制功能，為后期的工程施工、管網運行維護、故障探測提供更直觀、更可靠、更科學的依據。

4　應用前景分析

城市地下管網作為城市重要基礎設施，涵蓋了眾多領域。電纜普查、水管維護更替、電信網絡基建升級等都需要對地下管網資源進行定位標記與資源管理：

(1)電子標簽的使用可以對地下管線進行精確的定位標記，從而提高管線維護、查找、搶修效率以及提供全面、有效的信息支持。

(2)基于GIS和GPS技術繪制管網整體資源分布，利用軟件平臺實現管線運行狀態、管線突發事故的分析與狀態模擬，在實際中有效地指導工程施工與規劃決策。

因此建立城市地下管網監控管理系統具有廣泛的應用前景，并具有重要的現實意義。系統適用范圍如圖11所示。

圖11　系統的適用范圍結構圖

5　結束語

本系統實現了在填埋地下管道時通過在管道上部署RFID電子標簽以達到信息記錄載體可被查詢的目的，設計了相應的無線探測的硬件電路和軟件系統，通過實際測試能夠達到預期效果。當然，本系統還有待進一步的完善，需要大面積地部署和組建數據庫存儲數據，需要更智能化。當前地下管道的管理還是不夠信息化和自動化，市政方面需要加大這方面的投入，將物聯網技術、網絡技術應用于城市的方方面面，才能促進城市的快速發展，讓人們享受到信息技術發展帶來的便利。

[1] 于笑飛.青島高新區綜合管廊維護運營管理模式研究[D].青島：中國海洋大學,2013.

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[4] 鐘倩.特大型城市安全管理研究[D].上海：上海交通大學,2009.

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