基于GNSS和藍(lán)牙定位技術(shù)的管道巡檢系統(tǒng)

王翀

摘要：為了解決目前管道巡檢監(jiān)控工作中存在的因?qū)Ш叫l(wèi)星信號(hào)不佳而導(dǎo)致的監(jiān)控盲區(qū)和需攜帶專用移動(dòng)端設(shè)備或標(biāo)簽等問題，提出了一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和藍(lán)牙的室內(nèi)外一體化定位技術(shù)的管線巡檢管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)通過采用GNSS和藍(lán)牙4.0定位技術(shù)對(duì)巡線區(qū)域提供定位服務(wù)全覆蓋，有效地避免部分區(qū)域因GNSS信號(hào)不佳而無法準(zhǔn)確監(jiān)控的問題。另外，系統(tǒng)移動(dòng)端采用主流的Android手機(jī)，無須攜帶專有設(shè)備或標(biāo)簽。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)所采用的標(biāo)準(zhǔn)Android手機(jī)和藍(lán)牙定位信標(biāo)實(shí)現(xiàn)了管道巡檢工作的全區(qū)域位置監(jiān)控，提供了標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)地理信息系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)了巡檢監(jiān)管工作的自動(dòng)化和智能化，易于推廣使用。

關(guān)鍵詞：定位；GNSS；藍(lán)牙定位；移動(dòng)地理信息系統(tǒng)；巡檢系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）13-0243-03

（前言）管道運(yùn)輸因?yàn)榫哂谐杀镜汀⑦\(yùn)量大、可持續(xù)工作、不受天氣和地面其他因素影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來，隨著國內(nèi)石油、天然氣生產(chǎn)和消費(fèi)的快速度增長，國家針對(duì)管道運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)步伐也在不斷地加快。由于管道運(yùn)輸石油和天然氣屬于易燃易爆品，任何微小事故都可能會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境乃至國家安全造成重大影響，因此如何確保管道安全運(yùn)營顯得非常重要。

由于輸油管道地域分布較廣，日常巡檢維護(hù)工作枯燥和重復(fù)，而巡檢人員基本上都是單獨(dú)作業(yè)，容易因?yàn)樨?zé)任心不夠而對(duì)日常巡檢工作產(chǎn)生懈怠。傳統(tǒng)的巡檢多采用手工記錄方式或采用單一定位技術(shù)發(fā)展而來的巡檢系統(tǒng)，已經(jīng)無法保證管線巡檢工作的發(fā)展。一方面，漏檢、出圈、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、上報(bào)隱患描述不清、專有設(shè)備使用和保護(hù)不善等管理問題嚴(yán)重；另一方面，因?yàn)镚NSS信號(hào)不佳而導(dǎo)致的部分關(guān)鍵區(qū)域無法精確定位等系統(tǒng)問題的存在。尤其當(dāng)巡檢人員發(fā)現(xiàn)安全隱患（如管道腐蝕、管道泄漏、違法施工）無法及時(shí)上報(bào)，地點(diǎn)和情況描述不清，管理人員無法對(duì)隱患事件進(jìn)行及時(shí)處理，可能會(huì)對(duì)輸油管道造成潛在的影響和損失。另外，由于巡線人員對(duì)于深埋地下的管道位置不明確，導(dǎo)致巡檢線路不合理，降低了工作效率，提高了管理成本。

該文主要介紹了基于GNSS和藍(lán)牙定位的管道巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，通過選用基于GNSS和藍(lán)牙室內(nèi)定位的多源技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)地圖、Android智能手機(jī)，提供了全區(qū)域無縫定位、無須專有設(shè)備和專用標(biāo)簽、低成本、高自動(dòng)化的管線巡檢監(jiān)管系統(tǒng)。多源融合的定位技術(shù)有效地避免了關(guān)鍵區(qū)域因?yàn)镚NSS信號(hào)不佳而無法監(jiān)控的問題。

1 管道巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前常用的巡檢管理關(guān)鍵技術(shù)主要有基于條碼識(shí)別技術(shù)、GNSS定位技術(shù)和RFID識(shí)別技術(shù)。

（1）基于條碼或者二維碼識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，且成本極低，但是管道及其相關(guān)設(shè)備基本上是在野外，周圍環(huán)境比較惡劣，紙質(zhì)和塑料質(zhì)地的條碼容易因天氣、環(huán)境因素、甚至人為因素?fù)p壞，而且條碼的讀取需要一定的光源，無法做到全天候工作。[1]

（2）基于GNSS定位技術(shù)發(fā)展而來的巡檢PDA設(shè)備是目前比較主流的巡檢技術(shù)。基于GNSS技術(shù)的識(shí)別方式，在野外空曠的區(qū)域定位效果好、工作穩(wěn)定、不易受天氣、地理位置和人為因素的干擾，但是由于該方式需要足夠強(qiáng)度的多顆衛(wèi)星信號(hào)，在室內(nèi)和遮擋嚴(yán)重的密集環(huán)境中，定位質(zhì)量難以得到保證，可用性受到嚴(yán)重制約。而專有的PDA設(shè)備價(jià)格昂貴，在一定程度上也限制了GNSS技術(shù)的推廣。[2]

（3）基于RFID識(shí)別技術(shù)。RFID識(shí)別方式需要在識(shí)別樁或設(shè)備上鑲貼RFID芯片，而且必須配備專用的閱讀器設(shè)備；另外，由于 RFID 標(biāo)簽無須直接與閱讀器設(shè)備接觸，RFID發(fā)射出的射頻信號(hào)可能會(huì)在使用者不知情的情況下被他人盜取，從而泄漏標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的信息，構(gòu)成安全隱憂。 [3]

（4）基于多源融合的定位技術(shù)。該技術(shù)是未來通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)中發(fā)展的方向，在室外無遮擋的空曠環(huán)境中使用GNSS定位技術(shù)，在室內(nèi)環(huán)境中，采用UWB、藍(lán)牙、紅外線、超聲波、wifi等技術(shù)發(fā)展而來的室內(nèi)定位技術(shù)（LPS），共同實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外全方位位置服務(wù)。其中，基于藍(lán)牙4.0中BLE（藍(lán)牙低功耗）這個(gè)特性發(fā)展而來的iBeacons技術(shù)具有成本低、功耗低、部署方案簡單、精度高（米級(jí)）、響應(yīng)速度快（秒級(jí)）、移動(dòng)端設(shè)備解算等特點(diǎn)，加之目前主流手機(jī)都已經(jīng)支持藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，具有更好的發(fā)展前景。[4]

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)

隨著無線通信和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，大多數(shù)智能手機(jī)都已經(jīng)支持GNSS位置服務(wù)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)越來越廣泛地為更多人所使用，例如，汽車手機(jī)導(dǎo)航。移動(dòng)GIS主要包括兩個(gè)大的技術(shù)領(lǐng)域，一個(gè)是移動(dòng)端GIS服務(wù)，另一個(gè)是位置服務(wù)（Location-based Services， LBS）。前者的工作主要集中在GIS數(shù)據(jù)的收集、驗(yàn)證和更新上，而后者主要關(guān)注在具體業(yè)務(wù)中如何設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用位置服務(wù)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括智能手機(jī)終端、導(dǎo)航衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)定位設(shè)備（UWB、藍(lán)牙定位設(shè)備、RFID和條碼）、業(yè)務(wù)服務(wù)器等。移動(dòng)GIS系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是提供4A服務(wù)：隨時(shí)（Anytime）隨地（Anywhere）為任何人（Anybody）和任何事（Anything）提供實(shí)時(shí)的地理位置信息服務(wù)。[5]

在管道巡檢工作中應(yīng)用移動(dòng)GIS技術(shù)，能夠使工作人員實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間使用移動(dòng)端查看管線地圖、上傳位置信息、定位導(dǎo)航等功能，準(zhǔn)確快速上報(bào)發(fā)現(xiàn)的事故隱患，保障管道安全運(yùn)行。[6]

2.2室內(nèi)定位技術(shù)（LPS）

目前室內(nèi)定位技術(shù)主要采用的技術(shù)主要有超寬帶（Ultra-Wideband ，UWB）、藍(lán)牙、RFID、紅外線、超聲波、Zigbee、WiFi等。[7]

其中，超聲波和紅外線技術(shù)能夠提供高精度的定位服務(wù)，但缺點(diǎn)是無法工作在非直視的環(huán)境中。UWB技術(shù)從理論上解決了在非直視的環(huán)境中工作的問題，并提供分米精度級(jí)的定位服務(wù)，具有系統(tǒng)容量大、傳輸速率快、功率低，能和現(xiàn)有的通信系統(tǒng)共享帶寬等優(yōu)點(diǎn)。[8] 但是其技術(shù)本身還不夠成熟，成本高、被定位人和物需要額外佩戴專用標(biāo)簽（相對(duì)于手機(jī)等終端是天然的標(biāo)簽而言）、需要外接電源和通訊網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器端進(jìn)行位置解算等問題。而基于藍(lán)牙4.0中BLE（藍(lán)牙低功耗）這個(gè)特性發(fā)展而來的室內(nèi)定位技術(shù)具有米級(jí)精度、成本低、功耗極低、響應(yīng)速度快、部署簡單等特點(diǎn)，一顆紐扣電池就可以支持藍(lán)牙信標(biāo)點(diǎn)工作一年之久，適合在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不全的野外部署。一般在室內(nèi)空間均勻布置iBeacon基站，當(dāng)定位人員進(jìn)入iBeacon基站布置區(qū)域，通過手持藍(lán)牙終端設(shè)備接收iBeacon基站發(fā)送的與位置相關(guān)的UUID號(hào)和RSSI值，經(jīng)過加權(quán)的三環(huán)定位算法即可定位人員在室內(nèi)的坐標(biāo)值。目前大多數(shù)智能手機(jī)都已經(jīng)支持藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，用戶無須攜帶專用設(shè)備或?qū)Ｓ脴?biāo)簽，技術(shù)容易被接受，具有更好的發(fā)展前景。[9，10]在本系統(tǒng)中，考慮到管線的野外工作環(huán)境，選取藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由兩大部分組成：（1）移動(dòng)端。移動(dòng)端設(shè)備選用目前市面上主流的4G安卓手機(jī)，安裝巡檢系統(tǒng)的移動(dòng)端APP，由GPS衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、藍(lán)牙定位基站提供多源融合的位置服務(wù)，地圖采用互聯(lián)網(wǎng)地圖疊加管線地圖和室內(nèi)地圖，主要實(shí)現(xiàn)巡線任務(wù)管理、地圖位置實(shí)時(shí)展示、實(shí)時(shí)軌跡展示和上傳、事件上報(bào)、歷史信息查詢等功能；（2）監(jiān)控端。主要由Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、PC端和平板電腦所組成，主要實(shí)現(xiàn)巡線任務(wù)的計(jì)劃和分派、巡線實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史信息查詢、突發(fā)事件管理、人員設(shè)備管理等功能。

3.2 移動(dòng)端體系架構(gòu)

移動(dòng)端主要面向巡線人員，它的體系架構(gòu)采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層三部分，體系結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

其中表示層，為用戶提供交互所需的各種界面。本系統(tǒng)移動(dòng)端的界面主要包括地圖主界面，即在一張地圖上顯示管道中間線及設(shè)備、室內(nèi)貼圖、巡線員的實(shí)時(shí)當(dāng)前位置、任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、事件位置標(biāo)簽等，加上任務(wù)管理列表界面、事件上報(bào)界面和賬號(hào)設(shè)備相關(guān)的系統(tǒng)界面。

業(yè)務(wù)邏輯層，是體現(xiàn)客戶實(shí)際業(yè)務(wù)需求、業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)規(guī)程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括業(yè)務(wù)功能和其所需要的各種基礎(chǔ)服務(wù)。功能模塊主要包括移動(dòng)GIS、實(shí)時(shí)定位、任務(wù)管理和報(bào)警管理等，相關(guān)的服務(wù)包括位置服務(wù)（GPS和藍(lán)牙）、地圖服務(wù)、加密解密服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)、語音服務(wù)、照片視頻服務(wù)等。在位置服務(wù)中，如果移動(dòng)終端同時(shí)取得藍(lán)牙位置信息和GPS位置信息，優(yōu)先使用藍(lán)牙位置信息。在數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)中，通過采用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)和Web Socket連接保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蛯?shí)時(shí)性。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)管理任務(wù)、事件、軌跡和報(bào)警等相關(guān)業(yè)務(wù)所需和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。其中，通過持久層訪問SQLite數(shù)據(jù)庫，通過Android操作系統(tǒng)獲取來自各種硬件模塊的數(shù)據(jù)信息。

3.3 監(jiān)控端體系架構(gòu)

監(jiān)控端主要面向管理人員，體現(xiàn)架構(gòu)采用4層設(shè)計(jì)，自上而下分為客戶層、表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層進(jìn)行構(gòu)建，體系結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

其中，客戶層主要是為移動(dòng)端提供Rest API、表單和Web Socket服務(wù)接口。移動(dòng)端通過客戶層獲取所需的任務(wù)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)上傳軌跡信息、隱患事件信息，完成巡線任務(wù)工作。

表現(xiàn)層主要包括提供給管理人員使用的Web瀏覽器端頁面。在表現(xiàn)層，通過統(tǒng)一的Web GIS平臺(tái)，疊加顯示互聯(lián)網(wǎng)地圖、室內(nèi)地圖和管線及其相關(guān)設(shè)施矢量圖等多種數(shù)據(jù)集，提供標(biāo)準(zhǔn)的GIS操作功能。通過該Web GIS平臺(tái)，管理人員可以全面掌握巡線工作的整體運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)巡線人員的違規(guī)行為，根據(jù)上報(bào)隱患的精確位置和現(xiàn)場(chǎng)的照片、視頻信息做出快速準(zhǔn)確的響應(yīng)，及時(shí)啟動(dòng)保障預(yù)案，保證管線的安全運(yùn)營。

業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)巡線業(yè)務(wù)在監(jiān)控平臺(tái)端所需的各種業(yè)務(wù)功能和相關(guān)的各項(xiàng)服務(wù)。

數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)主要包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、管線及相關(guān)設(shè)施數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)保存在本地的數(shù)據(jù)庫中，通過數(shù)據(jù)持久層進(jìn)行訪問和存取?；ヂ?lián)網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)廠商提供的地圖API獲取。其中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要包括巡檢任務(wù)計(jì)劃數(shù)據(jù)、巡檢軌跡數(shù)據(jù)、事件管理數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等。管道數(shù)據(jù)主要包括管線中間線、緩沖區(qū)和相關(guān)設(shè)施的地理位置信息，采用加密的方式保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)論

將融合GPS和藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的位置服務(wù)應(yīng)用到管線巡檢的專業(yè)工作中，實(shí)現(xiàn)了管線巡檢工作的全過程、全方位的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了因GPS信號(hào)不佳而無法精確監(jiān)控的問題。同時(shí)，通過采用標(biāo)準(zhǔn)的Android智能手機(jī)，避免了移動(dòng)端專有設(shè)備的硬件研發(fā)和采購，降低了成本和使用門檻。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛旭艷，張鵬，田奕豐，等.基于3S技術(shù)的管道巡檢系統(tǒng)[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備，2009，95（01）：25-28.

[2] 王魯單，王洪光，房立金，等.一種輸電線路巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)器人，2007，（01）：7-11，17.

[3] 馮海文，付博文，邵中，等.一種基于RFID的安全巡檢模型[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（04）：462-465.

[4] 蘇松，胡引翠，盧光耀，等.低功耗藍(lán)牙手機(jī)終端室內(nèi)定位方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2015，465（12）：81-84.

[6] 曹闖明，許德昌.長輸管道巡檢管理中的多源移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，3 （11）：1240-1243.

[7] 康銘東，彭玉群.移動(dòng)GIS的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2008，378（09）：50-53，69.

[8] 肖竹，王勇超，田斌，等.超寬帶定位研究與應(yīng)用：回顧和展望[J].電子學(xué)報(bào)，2011，39 （01）：133-141.

[9] 李娟娟，張金藝，張秉煜，等.藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的模糊指紋定位算法[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013， 19 （02）：126-131.

[10] 石志京，徐鐵峰，劉太君，等.基于iBeacon基站的室內(nèi)定位技術(shù)研究[J].移動(dòng)通信，2015，39 （7）： 88-91.