基于MobileGIS的智能巡檢系統的研究與實現

鄒波 劉東 李剛 何蓓 駱凱波

摘 要：針對傳統電力設備巡檢中存在的巡檢過程難以追蹤、巡檢數據難以共享等問題，提出一種由表示層、WAP服務層、應用層和數據服務層四個邏輯層組成的基于J2EE結構的分布式移動GIS體系架構。基于該架構實現了一種使用移動手機作為主要巡檢終端設備的智能巡檢系統，并在該系統中采用移動定位、二維碼識別等技術手段實現了巡檢過程的實時追蹤以及巡檢數據的實時共享。通過系統性能和功能測試表明，該智能巡檢系統具有操作效率較高、運行穩定的特性，能夠有效解決傳統巡檢工作的管理痛點。

關鍵字：GIS，J2EE，巡檢系統，移動互聯網，二維碼識別

中圖分類號：C934 文獻標識碼：A

Abstract： Aiming at the problems such as the difficult to track the inspection process and the difficult sharing of the inspection data in the traditional inspection of power equipment，a Mobile GIS structure based on four J2EE logical layers of presentation layer，WAP service layer，application layer and data service layer is proposed.Based on this architecture，an intelligent inspection system using mobile phone as the main terminal device for inspection is implemented，and real-time tracking and inspection data of the inspection process are realized by using mobile positioning，two-dimensional code recognition and other technical means in the system Real-time sharing.The system performance and function tests show that the intelligent inspection system has the characteristics of high operation efficiency and stable operation，and can effectively solve the management pain points of traditional inspection work.

Key words： GIS，J2EE，inspection system，mobile internet，qr code recognition

1 引 言

電力設備的安全高效運行直接關系到電力系統的安全，高質量的巡檢是確保電力設備安全運行的必要措施[1]。隨著大數據、網絡、移動互聯網等信息技術的快速發展，以智能手機為代表的智能移動設備迅速普及。由于智能手機具有眾多標準功能和優點，比如體積小重量輕便于攜帶，集成相機功能能夠實時視頻，具有實時音頻與文字傳輸功能，能夠便捷的實現GPS定位，以及通信功能等，因此智能手機的應用越來越廣泛應用于電力系統巡檢工作[2-3]。基于移動終端的智能巡檢系統不僅可以減少人為疏忽造成的巡檢錯誤，還可以減輕巡檢工作量，提高巡檢工作質量。

文獻[4]針對解決針對電力設備分布式遠程實時監控問題設計了基于無線專網的配電變壓器實時監控管理系統。通信通道利用先進的APN技術建立無線專網，保證整個系統的快速，可靠，安全運行。在文獻[5]中，研究了移動GIS，無線網絡，移動定位和數據加密等技術，設計了地理信息系統巡檢移動導航定位系統，在天津電力公司白廟變電站。在[6]中，一個具有二維碼讀寫功能的智能設備被用作水電站檢測管理系統的移動檢測終端。

基于對已有研究成果的分析，提出一種基于Mobile GIS的智能巡檢系統。該系統采用J2EE架構的分布式Mobile GIS體系結構，結合了二維碼讀取識別等習慣技術，實現了在巡視過程的移動智能終端的實時定位和巡檢數據的高效上傳。

2 基于移動終端的GIS體系結構

移動地理信息系統（Mobile GIS）是基于移動計算和移動互聯網的地理信息系統。它不是修改成在移動終端上運行的傳統GIS，而是將Web GIS擴展到包括WIFI和移動通信網絡的移動互聯網。由于無線網絡帶寬低，移動設備多樣化，移動設備處理能力有限，屏幕顯示限制以及移動系統平臺的多樣性等原因，基于Web的 GIS體系結構不適合Mobile GIS[7-8]。

因此提出了一種基于J2EE的Mobile GIS分布式體系結構。該分布式體系結構由從客戶端到服務器端的四個邏輯層組成：表示層，WAP服務層，應用層和數據服務層[9]。如圖1所示。

4.1 表示層

表示層是基于WAP的Mobile GIS智能終端的載體，主要負責實現GIS數據的表示邏輯。通常，沒有本地存儲數據的Mobile GIS智能終端是一個WAP微型瀏覽器，它控制著GUI，類似于一個標準的Web瀏覽器。 WAP微型瀏覽器不需要執行任何GIS業務邏輯，也不需要直接連接到后端數據庫服務器，也不需要存儲自己的狀態信息，所以它是一個真正的“瘦客戶端”[9-10]。

4.2 WAP服務層

WAP服務層包括WAP代理（通常稱為WAP網關）和Web服務器。 WAP網關需要處理客戶端之間的協議互通和Web服務器[11]。如圖1所示，

WAP網關由WML編碼器和WMLScript解碼器組成。 WAP網關可以優化通信過程并且可以提供移動服務增強，例如位置，隱私和基于在場的服務。 WAP網關使用WAP協議與客戶端（WAP微型瀏覽器）進行通信，并使用標準Internet協議（如HTTP / HTTPS）與Web服務器進行通信。一旦WAP網關收到來自客戶端的WAP請求，它就將請求轉換成HTTP請求，然后將它們發送到Web服務器。一旦WAP網關從網絡服務器接收到HTTP響應（網頁內容），它就會將網頁內容轉換成緊湊的編碼二進制格式，以減少通過無線網絡傳輸到客戶端的數據包的大小和數量，以便進行顯示和/或處理。

Web服務器包括Web容器和Web協議支持，安全支持等等。地理空間信息的Web緩存機制Web容器負責管理Java Servlet Engine和Java Server Pagers（JSP）。基于Java的Internet GIS系統通常使用Java Applet和/或Servlet來擴展Web瀏覽器的動態顯示功能。Servlet Engine相對于在Web Server內運行Applets和/或Servlet，具有以下幾個優點：

1.Servlet引擎在Web服務器內運行[12]。但Web Server內部的小程序必須動態下載到客戶端進行處理，這將增加無線和移動設備的負載（尤其是WAP手機沒有運行小程序的能力）。

2.Servlet Engine可以托管Servlet并為它們提供標準的Java Servlet API。

3.Servlet引擎將Servlet處理從Web服務器的特定實現細節中分離出來[13]。這增加了系統架構的靈活性，因為它允許Web服務器在不影響整個系統的情況下進行更改。 Servlet引擎還可以提供各種管理功能，幫助將Servlet處理的負載從Web服務器轉移出去。

Mobile GIS的智能終端的顯示和呈現能力有一定的差異，所以在服務器端必須有一個機制，即Web服務器可以確定移動智能終端設備的類型，并為移動智能終端生成相應的表示邏輯[14]。Servlet Engine可以提供兩種Servlet：一種是根據客戶端的客戶端類型來呈現Servlet，負責生成相應的表示邏輯；或者識別負責確定客戶端設備類型（通過訪問移動網絡的客戶端設備的唯一ID）的Servlet，然后通知呈現Servlet。

Servlet Engine負責管理Servlet并為JSP提供支持。由于Servlets在Web服務器內運行，每個線程都不需要GUI，同一個servlet引擎中的Servlet可以共享資源并鏈接在一起[15]。因此，Web服務器可以通過運行Servlet（即呈現Servlet）來響應CGI等客戶端請求來生成動態Web內容。而且Servlet比CGI方法和Fast-CGI方法更有效率。通過Servlet和/或JSP，客戶端可以在應用服務器內部間接執行EJB組件來實現GIS業務邏輯，如空間分析，空間和屬性查詢，路線規劃，地理編碼和地名錄等。

4.3 應用層

應用程序層是架構的核心。它對應于通過遠程方法調用（RMI）與WAP服務層中的Web服務器進行通信的GIS應用程序服務器[16]。 Application Server中的EJB容器是包括GIS會話Bean和GIS實體Bean的EJB組件的運行時環境，并控制這些組件的執行和傳輸。同時，容器還為這些組件提供分布式計算環境所需的全部服務。因此，這些EJB組件可以在Application Server中更高效地執行。 EJB組件可以使用JDBC（Java數據庫連接）技術訪問數據庫服務器，并使用JMS（Java消息服務）技術連接到后端遺留系統。應用服務器有一個特殊的定位實體Bean，用于與提供地理位置信息的移動位置中心，移動位置協議（MLP）進行通信[17]。移動終端使用GPS和北斗定位技術實時捕獲移動終端的位置信息。

4.4 數據服務層

數據服務層對應于用于管理和存儲整個系統的地理空間和屬性數據的數據庫服務器。本文采用的解決方案是使用對象關系數據庫系統DB2來管理和存儲GIS數據，同時空間數據引擎（SDE）也可以被開發來構建數據服務層和應用層之間的通信。

3 移動智能巡檢系統

3.1 移動智能巡檢系統需要解決的問題

傳統檢驗方法存在的主要問題傳統檢測方法存在的主要問題主要表現在以下幾點。

現場巡檢工作人員的情況無法查詢。漏檢和誤檢的現象仍然存在，難以杜絕。手寫巡檢數據費時費力，并且形成的數據難以有效積累，研究和分享。傳統的檢測手段無法獲得一些檢驗數據，如實況圖片，視頻和位置信息。巡檢信息反饋不及時，導致異常的導向和指導檢查結果不是馬上。巡檢現場檢查的實時情況難以及時、準確、全面地回傳到管理中心。巡檢的跟蹤和巡檢的歷史數據查詢十分不便。

移動智能檢測系統是將計算機技術，移動互聯網技術，數據通信技術，GPS定位技術和可靠性理論相結合的新型變電站檢測管理系統。 它可以有效地防止傳統的變電站設備檢測缺陷，如檢測質量不高，檢測錯誤，檢測路線不符合規定，異常表面信息檢測不及時，反饋延遲，數據不完整，不準確等。 查詢和管理相對困難。

由上所述，移動智能檢測管理系統的設計目標歸納為以下幾點。

系統可以有效地得到現場檢查人員的位置和回放檢查軌跡，避免遺漏或錯誤檢查等問題。

手機智能檢測終端可以直接以數字形式記錄手機的數據和信息，從而提高工作效率。

移動智能終端可以及時發現現場情況，拍照，錄音，錄像，并能實時提交報警和位置信息，以便快速定位現場檢查人員，分析并給出解決方案。

現場檢查人員可以完善統計分析報告，統計檢查計劃執行情況，統計異常情況和時間數量，并進行分類分析，進一步優化管理流程。

系統可以與后臺監控管理系統集成，提高整個電網管理的效率。

3.2 系統實現

基于Mobile GIS的智能巡檢系統由巡檢監控管理中心、通信網絡和移動智能終端組成，如圖2所示。

巡檢管理中心由硬件和軟件組成。硬件包括服務器，顯示器，打印機，UPS，主站通訊網絡設備，大屏幕顯示系統等。軟件包括實時數據庫軟件，數據庫管理軟件，網絡發布軟件，數據采集軟件等。

移動智能終端以及巡檢APP軟件均支持Android和IOS設備。巡檢人員隨身攜帶配備有APP巡檢功能的移動智能終端，可以利用GPRS / 4G網絡，GPS定位功能，方便檢查操作。

移動智能終端作為巡檢系統的主要設備，在現場采集巡檢信息，實現與管理中心后臺服務器的數據同步，實現巡檢管理中心平臺的有效整合。

普通的智能手機可以安裝智能巡檢APP。智能巡檢APP支持Android和iOS設備，不需要額外配置硬件設備。移動手機終端自動從巡檢管理中心接收巡檢任務，并查看巡檢標準。手機APP可以查看完成的任務，異常統計等信息。每個電力設備對應一個二維碼，如圖3所示。

移動終端支持讀取二維碼和條碼，自動接收衛星定位信號，并將當前位置實時發送到服務器。在巡檢過程中使用手機終端采集電力設備二維碼如圖4所示。

巡檢記錄可以用文字、圖片、視頻等數字數據直接上傳到服務器，如圖5所示。數字化巡檢數據很容易存儲、統計和分析，也便于管理人員實時、直觀地了解巡檢的情況。

巡檢管理人員可以實時查看當前的位置信息，并檢查巡檢設備的位置，以提高工作效率。

4 系統測試

首先使用不同的智能手機終端對巡檢設備的位置定位和上傳數據的時間進行測試。測試結果如表1所示。

由表1可以看出，設備定位和數據上傳的時間最大為1.86 s，最小為1.39 s，平均用時約1.59 s，因此可以總結對于不同平臺的手機終端，基于Mobile GIS的智能巡檢系統均具有較好的運行效率。

采用黑盒測試法對移動終端APP的功能模塊進行測試。由于巡檢系統的移動APP的功能都是非流程性的，因此采用邊界數值法進行測試，即用一組正常數據和一組異常數據對功能模塊進行測試。巡檢定位、二維碼識別和數據上傳的功能性測試報告如表2所示。

由表2可以看出，移動APP的主要功能模塊均能夠正常運行。

采用模擬多用戶操作對系統的處理能力和響應速度進行測試，并通過長時間的壓力測試，確定系統運行的穩定性。測試工具使用Loadrunner，壓力值初始設置為6個用戶并發，在測試過程中逐步提高到20人并發，壓力測試時間為5小時。測試中平均每秒點擊數和平均數據吞吐量分別如表3和表4所示。

對表2和表3的數據進行對比分析可以發現，在相同的并發數下，每秒點擊數和數據吞吐量的接近的數值表明系統的處理速度相近，系統響應時間的波動不明顯。隨著并發數的增加，系統響應時間的增加較為緩慢，這表明系統性能平穩，在較大的操作壓力和數據吞吐量下能夠穩定工作。

5 結 論

提出了基于J2EE的分布式Mobile GIS體系架構，并基于該架構實現了一種使用移動手機作為主要巡檢設備的智能巡檢系統。通過系統性能和功能測試表明，該系統能夠有效解決傳統電力設備巡檢中存在的問題，并且具有硬件平臺穩定，使得管理效率得到有效提升，有利于提高電力設備巡檢水平，有利于電網的安全運行，從而提高供電的經濟效益。

參考文獻

[1] 馮智慧，張雪峰，方書博，等.基于三維GIS的無人機巡檢航跡規劃研究[J].高壓電器，2017，53（08）：81-86+93.

[2] 岳萍.基于RFID的電力巡檢系統傳輸距離及抗干擾分析[J].現代電子技術，2017，40（12）：159—161.

[3] 謝小軍，吳非.變電站通信設備智能巡檢系統研發與應用[J].電力信息與通信技術，2017，15（06）：106—112.

[4] 黃華平，程虎來，徐略紅，等.基于OpenWRT的電力巡檢智能信息采集系統[J].電力信息與通信技術，2017，15（02）：14—18.

[5] 劉洪波，孔祥靖，王之一，等.信息系統自動化巡檢平臺研究與應用[J].電力信息與通信技術，2016，14（12）：117—120.

[6] 高昂，馬濤，焦群.基于EAP-TLS協議的變電站可信無線安全AP的研究與實現[J].電力信息與通信技術，2016，14（11）：110—115.

[7] 王素珍，劉樹坤，張德華，等.基于GPS定位導航的電力巡檢PDA系統研發[J].山東農業大學學報：自然科學版，2016，47（04）：540—547.

[8] 李長俊，楊小彬.基于ZigBee和UHF的智能巡檢系統設計[J].計算機測量與控制，2016，24（04）：278—280.

[9] 崔莉，周宇浩，張益，等.電力電纜智能溫度巡檢系統設計[J].實驗室研究與探索，2016，35（04）：78—81.

[10] 呂磊，賁奧然，李丹，等.智能可穿戴技術在電網中的應用研究[J].電力信息與通信技術，2016，14（04）：177—180.

[11] 林靖穎，葛元鵬，林蘇蓉，等.電力設施巡檢與應急集群通信系統建設[J].電子設計工程，2015，23（19）：153—158.

[12] 周盼，張蕾.基于Android平臺的變電站智能巡檢系統[J].計算機測量與控制，2015，23（09）：3073—3076.

[13] 蔡奇新，邵雪松，劉建，等.電力計量檢定數字化車間3D動態感知監控技術研究[J].電測與儀表，2015，52（S1）：147—152.

[14] 李靖，李杜，許松枝.電氣設備溫度在線監測系統設計[J].儀表技術與傳感器，2015，（08）：65-67+72.

[15] 彭向陽，陳馳，饒章權，等.基于無人機多傳感器數據采集的電力線路安全巡檢及智能診斷[J].高電壓技術，2015，41（01）：159—166.

[16] 何金，王揚，董陽，等.基于GIS的巡檢現場手機定位導航系統[J].電力信息與通信技術，2014，12（07）：7—11.

[17] 薛堅，鄭文斌，章振海，等.基于圖像監控的變電所智能巡檢系統研發[J].電力信息與通信技術，2014，12（07）：105—108.