基于射頻識別技術的燃氣管道電子標識系統

柴家鳳 劉慧 徐欣 耿淑琴 周生遠

摘 要：地下管線是城市的“血液管道”和“神經網絡”，燃氣管道與給水、排水、電力、通信等地下管線，形成了一張龐大復雜的地下管線網絡。因此，如何利用RFID技術在地面實時監測燃氣管道的工作狀態和維護燃氣管道的安全工作，成為人們要應對的重大挑戰。該文主要從 RFID技術在電子標識系統中的應用為切入點，為眾多基于RFID技術形成的電子標識系統的研究者提供參考。

關鍵詞：燃氣管道；RFID；電子標識系統；線圈天線

中圖分類號：TP31 文獻標志碼：A

0 引言

隨著經濟的快速發展，城市的基礎設施也在迅猛發展，城市地下管線越來越多，燃氣與給水、排水、電力、通信等地下管線，形成了一張龐大復雜的地下管線網絡，是城市的“血液管道”和“神經網絡”，其構成了保證城市運行的“生命線”。但是地下管線龐大復雜、縱橫交錯，隨著城市快速發展，由于地面設施、道路變化頻繁等原因，使地下管道的信息更新與城市發展需求不同步，因此由于第三方施工造成的地下燃氣管線泄漏事故越來越多。第三方破壞導致燃氣管道本體受損進而引起燃氣泄漏，其特點是燃氣泄漏量大，燃燒、爆炸所造成的人身、財產損失巨大，嚴重危及城市的公共安全。燃氣管道一般埋深在1.5 m以內，但是隨著我國城市的快速建設發展，各行業地下管線越來越多，由于施工影響地下管線交叉也越來越多，越來越復雜。燃氣地下管線敷設時為躲避其他管線，敷設深度會增加，因此埋深在超過1.5 m的管道可能會越來越多。由于地下管線縱橫交錯，全面掌控燃氣地下管線的準確位置信息是施工管理、日常巡檢、泄漏檢測、應急搶修等工作的基礎；也可有效避免“挖爆管”和誤開挖事故的發生，降低第三方破壞的風險。如何完善和監控地下燃氣管道的保障機制是我們國家建設智慧城市、實現可持續發展要解決的突出問題之一。該文以RFID技術為切入點，全面的綜述了電子標識系統在燃氣管道上應用的相關文獻，希望能給有興趣的研究者提供參考。

1 燃氣管道探測方法在國內外發展的綜述

國內外目前在地下燃氣管道示蹤檢測方面主要有3種探測手段：探地雷達探測、聲學管道探測和電磁感應探測。

1.1 探地雷達探測（Ground Penetrating Radar簡稱GPR）

探地雷達又稱地面探測雷達、地質雷達，在頻率為106 Hz～109 Hz，是通過電磁波來探測介質內部物質特性和分布規律的一種電磁波探測方法。探地雷達探測多采用發射機通過天線向探測目標發射高頻脈沖電磁波信號，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發生反射，接收機和接收天線接收來自地下反射回來的電磁波，通過主機發出的控制命令開始采集數據，經過數據采樣、量化再進一步通過A/D轉換成數字量被顯示和保存。探地雷達在地下管道定位方面的應用效果較好，但需要結合管道的檔案資料進行分析，不能直接分辨出是什么屬性和用途的管道；在管道周圍有間隙、水穴等干擾時，容易產生錯誤信息。除此之外，探地雷達檢測需專業人員才能準確識別，而且成本昂貴，無法大面積的應用于地下管道。

1.2 聲學管道探測

聲學管道探測主要是利用聲波在不同介質中的傳播特性來檢測和定位地下目標的，截止到今天仍然是比較新的探測手段。聲學管道探測時，由發射器向地下目標發射短聲波脈沖，當遇到地下不連續或不匹配的界面時，會反射回聲波，接收器接收來自地表表面波和管道反射波，進而將數據傳遞到控制面板，顯示出地下管道的各種參數信息。聲學管道探測主要應用于管道撿漏和電力電纜故障的定位中，但檢測的距離有限，往往不能達到工程中地下管道探測的最大距離。

1.3 電磁感應探測

電磁感應探測是地下管道探測的主要方法之一，是在地下管線與周圍介質的導電性和導磁性差異的基礎上，根據電磁感應原理來分析和研究電磁場時間與空間的分布規律，從而推測出地下金屬管線的位置信息。電磁感應探測只對金屬管線有顯著的效果，對于確定非金屬管線在地下的位置，要通過示蹤裝置沿著金屬管道發射電磁波信號，再利用探測儀和地下反射回來的電磁信號來定位。目前為止，我國國內的示蹤探測法僅能解決部分地下管線定位問題，其他由于受外界壓力等破壞或自身腐蝕斷頭等問題使其無法被探測。除了示蹤探測法以外，還有一種方法是電子標識探測法。這種方法是在施工時在管道正上方埋設電子標識器，通過探測儀在地面與標識器里的線圈產生電磁耦合，檢測出電子標簽內部存儲的管道直徑、埋設時間、地理位置和拐點等信息，從而快速準確的定位。電子標識系統在歐美國家已經有40多年的歷史，然而我國燃氣行業在20世紀末才逐漸應用于電子標識系統。電子標識器主要有釘型、球型、盤型等，1.5 m深的地下燃氣管道主要以釘型為主，2.4 m和3 m深埋的地下燃氣管道主要以盤型為主。電子標識器主要部分是通用標簽芯片，成本低，適合大面積應用。

綜上分析對比，電磁感應探測的成本較低，電子標識探測效果較好，建議燃氣公司首選以電子標識探測為手段的電磁感應探測方法。

2 RFID技術的綜述

2.1 RFID技術的發展概況

RIFD技術起源于第二次世界大戰期間，并且逐漸發展至今，在服務業、制造業、信息產業、國防以及醫療領域都有重要應用。我國RFID產業的發展還有待提高，在超高頻RFID方面還有很大的進步空間，但是在低高頻方面技術還是比較成熟。RFID產業主要由芯片設計、標簽封裝、讀寫設備的設計和制造、系統集成、中間件、應用軟件等環節組成。我國目前還未形成成熟的RFID產業鏈，一些核心技術還掌握在國外手中，還不能應用在金屬材料和液體環境上。該文主要是綜述低頻RFID標簽天線技術，應用低頻RFID技術在燃氣管道上設計電子標識系統。

2.2 RFID技術的工作原理

射頻識別（RFID）技術，是一種利用射頻通信方式實現的非接觸式自動識別技術。RFID技術產品大概有無源、有源和半有源3大類產品，其中無源標簽也稱被動標簽，是當標簽進入磁場后，接收讀寫器發出的射頻信號，通過耦合出來的感應電流獲得的能量發送出存儲在芯片中的存儲信息，而有源標簽也稱主動標簽是由標簽主動發送某一頻率的射頻信號，通過讀寫器讀取信息并解碼后，發送到帶相關應用軟件的計算機中進行相關的數據處理。

該文主要綜述無源低頻標簽的應用，無源標簽無須供電，在地下可以長期運行，而且成本低。RFID系統由電子標簽（即電子信息標簽）、讀寫器和應用軟件3個部分組成。電子標簽由IC芯片和耦合線圈天線組成，當主電路線圈產生諧振時，會給電子標簽側的線圈傳遞能量，電子標簽芯片會做出應答，發出標簽芯片內的唯一標識碼，由讀寫器接收解讀數據，并且傳送到帶應用軟件的計算機進行數據處理。RFID系統結構圖如圖1所示。

2.3 RFID技術的應用

RFID技術在超高頻、高頻、低頻段都有很多應用：

在超高頻段有供應鏈上的管理和應用、生產線自動化的管理和應用、 航空包裹的管理和應用、集裝箱的管理和應用、鐵路包裹的管理和應用、后勤管理系統的應用。RFID技術在超高頻領域還可以應用于智慧交通，解決視頻監視系統的不足之處，使汽車在各種天氣環境下都能遠距離、不接觸、高效率的被識別。

在高頻段有圖書管理系統的應用、瓦斯鋼瓶的管理應用、服裝生產線和物流系統的管理和應用、三表預收費系統、酒店門鎖的管理和應用、大型會議人員通道系統、固定資產的管理系統、醫藥物流系統的管理和應用、智能貨架的管理和應用。

在低頻段有畜牧業的管理系統、汽車防盜和無鑰匙開門系統的應用、馬拉松賽跑系統的應用、自動停車場收費和車輛管理系統、自動加油系統的應用、酒店門鎖系統的應用、門禁和安全管理系統以及該文綜述的地下燃氣管道的管理和應用等。

3. 電子標識系統發展現狀

3.1 電子標識系統概念

電子標識系統是用于精確定位地下管線及設備的技術，主要由探測儀、發射電路、RFID系統、接收電路和軟件系統組成。電子標識系統是通過射頻識別技術，應用電磁感應原理來顯示地下管線的相關信息。電子標識系統中每個電子標簽都有全球唯一的ID編碼，同時還有存儲空間，可以存放管線信息，象管徑、埋深、拐點等。軟件系統設計應用了曼徹斯特編碼，還對標簽信息進行了鈍化處理，通過犧牲空間來換取數據的準確率，使數據能更準確、更高效地被讀出。

3.2 電子標識系統工作原理

探測儀通過間斷的方式發送一連串相同頻率的電磁波信號，同時，產生相同頻率諧振的地下電子標簽接收，并且存儲通過探測儀發送的信號。探測儀在指定時間內發送信號，之后會暫時停止發送信號，而是轉入信號接收模式來接收地下電子標簽發送出的信號波。這些信號波包括了電子標簽唯一標識碼信息、管道深埋信息以及管道的拐點、出口、壓力等信息。當探測儀接收返回的信號波強度最強時，探測儀與電子標簽間的耦合線圈產生的諧振頻率最佳，此時能準確定位地下管道的位置，也就是在電子標識器正下方。

諧振現象是對于任何含有電感和電容的一端口電路，在一定條件下可呈現電阻性，其端口電壓與端口電流相位相同。一端口網絡發生諧振的條件是端口輸入阻抗或導納的虛部為零，呈電阻性。諧振電路有串聯諧振和并聯諧振2種形式，在電子標識系統中的電子標簽側應用了并聯諧振。在調諧時除了頻率確定諧振特性外，品質因數也能反映出諧振特性。諧振現象屬于正弦穩態電路的一種特殊工作狀態，諧振時的電源頻率也是電路的諧振頻率。

工程中線圈的選材要考慮品質因數Q、線圈半徑、趨膚深度，在實驗時還要注意線圈的間距和線圈半徑。由于不同地區的土壤特性差別很大，趨膚深度不同，對電磁場信號的影響會有所不同，從而影響地下環境通信。趨膚深度是場穿透距離的下限，依靠趨膚深度來推測地下通信的距離是比較可靠的。常見地下介質（象不同的巖石、沉積物、礦石等物質）的趨膚深度在不同頻率下的（1 kHz、100 kHz、1×104 kHz）趨膚深度，如圖2、圖3所示。

4 基于RFID技術的電子標識系統的發展問題

如今基于RFID技術的地下管道電子標識系統在實際工程中深埋探測已經達到了2.4 m，然而在實驗室環境下最大深埋達到了3 m，可在實際中應用還存在著一些不足。因此，基于RFID技術的地下管道電子標識系統在現有條件下還需做進一步的改進。

（1）隨著自然環境的變化，土壤的溫度、水分等條件也會變化，這些因素會對地下物質的電導率和介電質常數產生影響，從而影響線圈的電感值和線圈的諧振頻率，使電子標識系統讀取的數據產生偏差，不利于信號的采集和提取。若能將自動調頻技術應用進去，可以使電子標識系統做出時時地調整，從而能達到固定的諧振頻率。

（2）隨著RFID技術的發展，構建大規模適用普遍環境下的電子標識系統網絡架構是未來應用的趨勢。

（3）將各個管道反饋回來的信息進行綜合處理，并與地理信息系統（GIS）技術、數據庫技術和三維技術結合，直觀顯示地下管道的空間層次和位置，使地下管道的管理更加準確安全。

（4）加強各類定位算法的研究和改進，進一步提高定位算法的精度，使電子標識系統準確定位地下管道的位置。

5 結語

該文介紹了RFID系統和電子標識系統的基本原理和結構，對現有地下管道探測技術進行了對比分析，綜述了采用低頻RFID技術的地下電子標識系統，為地下燃氣管道更好地在地下應用做鋪墊。隨著RFID技術的發展，已經對越來越多的行業產生影響，在未來將會對國防和經濟做出更大貢獻。希望該電子標識系統在燃氣管道上應用面臨的不足，能在未來得以解決，也希望未來能將此技術在全國范圍內進行普及，為智慧城市添磚加瓦。

參考文獻

[1]曾岳梅，賈向煒，李英杰.埋地PE管道聲學定位探測技術應用研究[J].煤氣與熱力，2015，35（7）：30-32.

[2]楊向東，聶上海.復雜條件下的地下管線探測技術[J].地質科技情報，2015（24）：129-132.

[3]李文選.雷電及其災害的預防[J].現代農業科技，2009（2）：30-31.

[4]楊麗娟.多天線RFID系統對標簽的高效識別研究[D].青島：青島科技大學，2018.

[5]孔慶民，王虹，車永輝.電子標識系統在燃氣管網上的應用[J].城市燃氣，2006（12）：3-8.

[6]張旭.感應耦合式電能傳輸系統的理論與技術研究[D].北京：中國礦業大學，2011.

[7]Abrudan T E，Kypris O，Trigoni N，et al.Impact of Rocks and Minerals on Underground Magneto-Inductive Communication and Localization[J].IEEE Access，2016（4）：3999-4010.