北川地震遺址智能化導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程 奕 ， 李雪梅， 魯長江

（1. 四川省地震局， 成都 610041； 2. 四川賽思特科技有限責(zé)任公司， 成都 610041）3. 成都理工大學(xué)， 成都 610059）

0 引言

2008年5月12日發(fā)生在四川省汶川縣的里氏8.0 級特大地震， 是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、 救災(zāi)難度最大的一次地震。 北川縣城、 汶川縣映秀鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)幾乎被夷為平地。 溫家寶總理5月22日在重返重災(zāi)區(qū)北川考察時(shí)對當(dāng)?shù)馗刹勘硎荆?“要再造一個(gè)新北川， 北川老縣城可以作為地震遺址保留， 變成地震博物館。” 在北川建立世界首座整體保存地震遺址原貌且規(guī)模最大的災(zāi)難性遺址博物館， 可以向人們展示發(fā)生的重大災(zāi)難， 警示人們在大災(zāi)面前如何更好地保護(hù)生命， 產(chǎn)生顯著的社會(huì)、 經(jīng)濟(jì)效益。 由于地震遺址現(xiàn)場的特殊性， 如何確保參觀人員安全是一個(gè)迫切需要解決的問題[1]。 鑒于此， 本文提出基于RFID、 GIS 和無線通訊技術(shù)研究和設(shè)計(jì)一套地震遺址智能化導(dǎo)覽系統(tǒng)。

1 RFID 技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

RFID 技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸， 以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的[2]。 與傳統(tǒng)的條型碼、 磁卡及IC 卡相比， 射頻卡具有非接觸、 閱讀速度快、 無磨損、 不受環(huán)境影響、 壽命長、 便于使用的特點(diǎn)和防沖突功能， 能同時(shí)處理多張卡片[2]。 最基本的RFID 技術(shù)系統(tǒng)由標(biāo)簽（Tag， 即射頻卡）、 閱讀器和天線三部分組成。

系統(tǒng)的基本工作流程是： 閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號， 當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流， 射頻卡獲得能量被激活； 射頻卡將自身編碼等信息通過內(nèi)置天線發(fā)送出去； 系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號， 經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器， 閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理； 主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性， 針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制， 發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作[3]。

2 智能化導(dǎo)覽系統(tǒng)的組成及工作原理

對于北川地震遺址參觀者來說， 安全問題是一個(gè)不得不考慮的因素。 任何一個(gè)博物館都可能發(fā)生安全問題（如火災(zāi)等）， 而北川地震遺址最大的安全隱患便是這些不同程度倒損的房屋和建筑。 因此， 我們需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控到參觀者的行跡， 以便禁止參觀人員靠近或者接觸這些建筑物。 當(dāng)他們接近這些危險(xiǎn)物或者闖入禁區(qū)時(shí)， 系統(tǒng)能夠主動(dòng)獲取信息并自動(dòng)報(bào)警， 同時(shí)提醒參觀者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域；當(dāng)發(fā)生人員失蹤時(shí)， 我們也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速尋找到失蹤者。 根據(jù)地震現(xiàn)場的實(shí)際情況， 該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)包括三部分， 如圖1 所示。

圖1 北川地震遺址智能化導(dǎo)覽系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the intelligent navigation system of Beichuan earthquake site

2.1 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

（1）移動(dòng)終端設(shè)備。 包括信息采集設(shè)備和移動(dòng)通信模塊， 主要用于信息采集和傳輸；

（2）服務(wù)器端設(shè)備。 包括數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備， 主要用于接收、 存儲(chǔ)移動(dòng)終端采集的數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行匯總處理。

根據(jù)業(yè)務(wù)需要， 移動(dòng)終端設(shè)備還可以具備地圖顯示、 實(shí)時(shí)定位、 智能導(dǎo)覽、 報(bào)警、 信息錄入和無線通信等功能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置

（1）移動(dòng)終端和服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接。 移動(dòng)終端通過2G/3G 移動(dòng)無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)， 以VPN 方式接入地震遺址博物館專網(wǎng)； 服務(wù)器端通過無線VPN 網(wǎng)關(guān)匯接所有接入的移動(dòng)終端。 針對移動(dòng)終端的頻繁數(shù)據(jù)連接、 讀取、 傳輸請求， 服務(wù)器端應(yīng)保持必要的響應(yīng)速度， 以保證完成數(shù)據(jù)傳輸和處理工作。

（3）移動(dòng)終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接。 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、 快速， 移動(dòng)終端中的分體式通信模塊既可以藍(lán)牙或無線Wi-Fi 的方式與信息采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接， 又可以通過串口數(shù)據(jù)線直接物理連接[4-5]。

2.3 系統(tǒng)的軟件構(gòu)架

整個(gè)系統(tǒng)的軟件構(gòu)架如圖2 所示。根據(jù)系統(tǒng)要求， 對整個(gè)系統(tǒng)需進(jìn)行如下配置：

（1）運(yùn) 行 環(huán) 境。 Windows Server 2003、 .Net Framework 2.0 及以上；

（2）GIS 平臺。 ArcGIS Engine 9.3；

（3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 TCP/IP、 VPN。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of system software

該系統(tǒng)的工作流程： 事先在地震現(xiàn)場對地震遺址遺跡和危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分， 并在其周圍布置電子標(biāo)簽（RFID 卡）。 地震遺址區(qū)參觀人員手持移動(dòng)終端設(shè)備可以采集到電子標(biāo)簽信息， 當(dāng)采集到地震遺址遺跡附近的電子標(biāo)簽， 在手持移動(dòng)終端設(shè)備自動(dòng)彈出景點(diǎn)介紹、 所處的位置和行走路線等信息； 當(dāng)采集到地震遺址危險(xiǎn)區(qū)域的電子標(biāo)簽， 手持移動(dòng)終端設(shè)備將發(fā)布報(bào)警聲音， 并有語音提示其離開現(xiàn)場。 同時(shí)， 手持移動(dòng)終端設(shè)備將采集到的電子標(biāo)簽信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到系統(tǒng)管理平臺。 系統(tǒng)管理平臺包括數(shù)據(jù)管理、 地圖管理、 游客統(tǒng)計(jì)、 危險(xiǎn)區(qū)劃、 軌跡追蹤和安全監(jiān)控等模塊。 系統(tǒng)管理平臺可將采集到的信息結(jié)合GIS 技術(shù)， 實(shí)時(shí)圖形展示游客數(shù)量、 分布和運(yùn)動(dòng)軌跡， 實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控和危險(xiǎn)報(bào)警等功能[6]。 系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示。

圖3 北川地震遺址智能化導(dǎo)覽系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Work flow diagram of the intelligent navigation system of Beichuan earthquake site

3 智能化導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 手持移動(dòng)終端設(shè)備

手持移動(dòng)終端設(shè)備主要用于讀取地震遺址電子標(biāo)簽， 將讀取信息利用CDMA 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)管理平臺。 其中手持移動(dòng)終端設(shè)備集成了PDA、 RFID、 CDMA 和藍(lán)牙等功能。 根據(jù)系統(tǒng)要求， 手持移動(dòng)終端設(shè)備的功能主要包括： 自動(dòng)識別和讀取RFID 卡； 以圖文的形式介紹北川地震遺址，并在電子地圖上顯示景點(diǎn)的位置； 自動(dòng)提示游客道路方向， 實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)覽； 自動(dòng)檢測危險(xiǎn)區(qū)， 并以語音形式發(fā)出警報(bào)提醒參觀人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)； 具有無線通信能力[7]。 手持移動(dòng)終端設(shè)備運(yùn)行環(huán)境為WINCE操作系統(tǒng)， 軟件架構(gòu)流程如圖4 所示。

圖4 手持移動(dòng)終端軟件架構(gòu)流程圖Fig.4 Flow chart of mobile terminal software

手持移動(dòng)終端設(shè)備開機(jī)界面和電子地圖如圖5、 圖6 所示。 圖6 中藍(lán)色原點(diǎn)代表景點(diǎn)區(qū)， 紅色的原點(diǎn)代表危險(xiǎn)區(qū)。 參觀人員手持移動(dòng)終端當(dāng)采集到藍(lán)色原點(diǎn)區(qū)域的電子標(biāo)簽， 在手持移動(dòng)終端設(shè)備自動(dòng)彈出景點(diǎn)介紹、 所處的位置和行走路線等信息； 當(dāng)采集到紅色原點(diǎn)區(qū)域的電子標(biāo)簽， 手持移動(dòng)終端設(shè)備將發(fā)布報(bào)警聲音， 并有語音提示其離開現(xiàn)場。

圖5 開機(jī)界面Fig.5 Boot interface

圖6 電子地圖Fig.6 Electronic map

3.2 系統(tǒng)管理平臺

系統(tǒng)管理平臺包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件。 其中硬件包括網(wǎng)絡(luò)平臺和服務(wù)器， 網(wǎng)絡(luò)平臺主要有路由器、 交換機(jī)和防火墻， 用于接收手持移動(dòng)終端發(fā)出的信息； 服務(wù)器主要用于支撐數(shù)據(jù)分析、處理。 軟件主要是將采集到的數(shù)據(jù)信息， 實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和管理、 處理和分析， 完成指令推送、 數(shù)據(jù)交互、 圖形化展示等功能， 實(shí)現(xiàn)北川地震遺址的有效安全監(jiān)控及游客軌跡追蹤工作， 進(jìn)一步提高北川地震遺址的承載能力、 管理效率和服務(wù)質(zhì)量， 實(shí)現(xiàn)游客的個(gè)性化主觀體驗(yàn)和保證游客的安全[8]。 本軟件主要功能模塊如圖7 所示。

圖7 北川地震遺址遺跡智能導(dǎo)覽及安全監(jiān)控軟件功能圖Fig.7 Function chart of the intelligent navigation and safety monitoring system of Beichuan earthquake site system software

（1）系統(tǒng)管理。 包括系統(tǒng)登錄、 用戶管理、系統(tǒng)幫助等三個(gè)功能模塊。 主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)庫管理， 用戶權(quán)限管理， 登陸退出管理， 密碼安全管理及系統(tǒng)顯示管理等。

（2）數(shù)據(jù)管理。 主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫的管理， 包括數(shù)據(jù)插入、 刪除、 添加、 索引、 存儲(chǔ)等功能。

（3）地圖管理。 通過ArcGIS 數(shù)據(jù)平臺， 實(shí)現(xiàn)電子地圖的導(dǎo)入、 縮放、 漫游、 圖層管理等基礎(chǔ)功能。

（4）游客統(tǒng)計(jì)。 實(shí)現(xiàn)根據(jù)可選擇的時(shí)間段進(jìn)行游客統(tǒng)計(jì)。

（5）危險(xiǎn)區(qū)劃。 根據(jù)設(shè)定的危險(xiǎn)源信息， 利用GIS 空間分析功能， 得出北川地震遺址的相應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)劃， 并可以動(dòng)態(tài)修改。

（6）軌跡追蹤。 軌跡追蹤模塊實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控參觀者游覽軌跡， 在管理中心圖形化直觀展示出游客軌跡和分布情況。

圖8 北川地震遺址智能化導(dǎo)覽軟件主界面Fig.8 Main interface of the intelligent navigation system of Beichuan earthquake site

（7）安全監(jiān)控。 當(dāng)游客闖入系統(tǒng)預(yù)先定義的危險(xiǎn)區(qū)， 系統(tǒng)自動(dòng)判別并觸發(fā)報(bào)警器。

北川地震遺址智能化導(dǎo)覽軟件已經(jīng)完成， 該軟件主界面如圖8 所示， 并已經(jīng)申請國家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)， 登記號為： 2012SR000158 。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)首次將RIFD 技術(shù)應(yīng)用于地震危險(xiǎn)區(qū)域的監(jiān)控， 實(shí)現(xiàn)了地震遺址區(qū)的參觀人員動(dòng)態(tài)的智能化導(dǎo)覽， 提高了北川地震遺址區(qū)管理水平。 該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)， 不僅拓展了RFID 技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍， 而且提出了一個(gè)信息化、 科學(xué)化和低碳的遺址參觀管理模式， 為地震應(yīng)急救援、 地震災(zāi)害研究、 建筑結(jié)構(gòu)抗震研究和防震減災(zāi)科普知識教育提供了真實(shí)的案例。

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