基于RFID/GIS的市政管线资源管理系统的研究与实现
司少先 杨玉坤 李苏东 崔洪涛
（山东正元地理信息工程有限公司，山东 济南 250014）
摘要：简要介绍了RFID的基本原理和特点，以及RFID和GIS 技术集成应用于市政管线资源管理中的强大优势。详细介绍了系统关键硬件便携式数据采集器（RFID+PDA）的实现技术，系统核心软件的结构、功能和整体架构，最后从实际应用出发提出了系统的工程化实现流程。
关键词：RFID；GIS；电子标签；市政管线；管理系统
The Research and Implementation of Municipal Pipelines Resource Management System Based on RFID/GIS
Si Shao Xian Yang Yu Kun Li Su Dong Cui Hong Tao
（ShanDong ZHengYuan Geographic Information Engineering CO.,LTD, Jinan,Shandong250014,China）
Abstract: The article gives a briefing on the RFID basic principles and characteristics, as well as the powerful advantage of RFID and GIS technology integration for the management of municipal resources in the pipeline. And details the realization of technology of the key hardware systems for portable data acquisition (RFID + PDA), and the core system software structure, function and structure of the overall system. Finally, the article presents the project implementation process of the system from practical application.
Keywords: RFID, GIS, Municipal Pipeline, Management System
1 引言
城市地下管线担负着传递信息和输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市“生命线”。随着数字城市的快速发展，为了提高城市的信息化管理水平，确保城市“生命线”的健康运行，近十年来，尤其近几年各大中城市都在筹集资金，采用现代地球物理探测手段开展地下管线普查，采用数字测绘手段管线信息数据采集，并基于当代GIS技术同步建设不同专业、不同类型的地下管线信息管理系统。目前这些地下管线信息管理系统在城市基础设施的科学管理，以及行业决策支持等方面正在发挥着积极作用，城市地下管线信息管理系统已成为数字城市的核心应用系统[1]。
本文所论系统是以RFID(射频标签)技术和GIS（地理信息系统）技术为基础的市政管线资源管理系统。该系统的基本设计思想是： RFID标签（电子标识器）贴在（埋设）市政管线适当位置处，利用数据采集器(PDA+读写器) 读取市政管线资源的相关属性数据信息，传输纳入统一的基于GIS的信息管理系统中，真正实现对市政管线资源的全方位、全生命周期的信息化管理。
2 RFID的基本原理和特点
无线射频识别RFID（Radio Frequency Identification），是当代先进的一种非接触式自动识别技术。目前，RFID已经从研究阶段普遍走向实用化，其单项技术已经趋于成熟。由于RFID具有无接触和自动识别的强大技术优势，它被广泛应用于仓储物流管理、资产跟踪、生产过程控制、移动车辆的自动识别、身份认证、智能交通、网络家电控制等领域，并且应用领域仍在不断扩大。
2.1 基本原理
最简单的RFID系统是由电子标签（Tag）、识读器（Reader）和天线（Antenna）三部分组成。电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上以标识目标对象，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信；识读器用于读取或写入电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线起到在电子标签和阅读器间传递射频信号的作用。
RFID系统的工作原理是：识读器通过天线发送出一定频率的射频信号；当RFID标签进入识读器工作场时，其天线产生感应电流，从而RFID标签获得能量被激活并向识读器发送出自身编码等信息；识读器接收到来自标签的载波信号，对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理；计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号；RFID标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作。RFID的基本原理如图1所示[2]。
2.2 主要特点
作为一种全新的自动数据采集技术, RFID应用到管线资源管理系统中具备以下突出优势:
⑴ 标签防水、防磁、耐高温，不受环境影响，适应于恶劣环境下使用，并具有防冲突功能；
⑵ 无源和免接触操作, 读写距离可订制，读写具有穿透性，方便使用；
⑶ 读取距离长、速度快, 并能同时处理多个电子标签, 高效且准确,作业过程实时透明；
⑷ 可以在标签内存储管线资源设备设施的各种属性信息，且存储数据容量大，便于数据信息的自动传输和信息化管理。
3 系统总体结构
本文所论市政管线资源管理系统是基于无线射频RFID和地理信息系统GIS技术，充分实现RFID和GIS的技术融合，包括软硬件的综合系统。系统由埋设在市政管线资源上方适当位置的电子标识器（RFID标签）、便携式数据采集器(PDA+读写器)、数据管理主机和基于GIS的后台信息管理系统服务器组成。其结构图如图2所示[3]。
3.1 RFID电子标签
RFID标签主要对密集市政地下管线和重要设施进行标识，达到对管线资源准确、安全、快速定位的目的，又称RFID电子标识器。RFID标签是市政管线资源的数据载体，管线资源的有关属性数据存储在标识器中，标签中内置可存储设备相关信息的RFID芯片，标签并具有唯一的产品电子编码（EPC， Electronic Product Code）。在地下管线建设或维护过程中，RFID标签均按照一定的技术规定埋设于市政地下管线上方的合适位置处以示标记。
大量的市政管线都埋设于地下，识别条件和环境较为恶劣，所选电子标签必须耐腐蚀，读取距离大且具有穿透能力，采用符合ISO/IEC标准的UHF频段无源电子标识器和读写机具。
3.2 便携式数据采集器
基于PDA的便携式数据采集器是市政管线资源管理系统的核心硬件部分，它由基于32位微处理机和WINCE操作系统的高性能掌上电脑和内嵌UHF频段的RFID读写器组成。
手持式数据采集器与读写器通过串口适配器连接，接收来自读写器解码并转换的RS一232信号；基于Windows CE操作系统开发的管线资源移动管理软件安装在数据采集器上，调用和编辑接收到的芯片编码相对应的管线资源相关信息，实现管线资源的移动管理。移动管理数据库与管线资源管理系统数据库可方便地通过RS一232串口或USB接口实现数据交换。手持式数据采集器采用高档PDA，功能强大，性能稳定；基于Windows CE的操作系统，开发方便简单，兼容性好；读写器兼容RFID主流标准，识别速度快且有防碰撞功能[4]。
3.3 数据管理主机
数据管理主机中安装有数据管理模块，可对采集器采集上传过来的管线资源信息数据进行接受、分类存储、查询，并可生成相关报表，该模块还具有数据库维护功能，可进行采集地点、采集内容、采集周期、采集线路等进行自定义。
3.3 数据管理主机
数据管理主机中安装有数据管理模块，可对采集器采集上传过来的管线资源信息数据进行接受、分类存储、查询，并可生成相关报表，该模块还具有数据库维护功能，可进行采集地点、采集内容、采集周期、采集线路等进行自定义。
3.4 后台信息管理系统的结构与功能
基于GIS的后台信息管理系统是整体系统的核心，是建立在GIS基础上的AM/FM系统。是采用先进的计算机图形技术、数据库技术、计算机网络技术和地理信息系统技术,满足公共设施管理、企业行业技术规范、生产流程和管理制度的企业级自动制图与设施管理应用系统。系统构建必须实现GIS、CAD、OA的高度集成和融合，使之具有高效率处理网络、向量和文档资料的能力，使绘图、分析、设计与管理更具智慧。
3.3.1 总体结构
AM/ FM/ GIS应当针对特定的应用任务, 通过AM/ FM/ GIS 存储事物的空间数据和属性数据,记录事物之间的关系和演变过程, 并根据事物的地理坐标对数据进行管理、检索、评价、分析和结果输出等, 提供决策支持、动态模拟、统计分析和预测预报等服务。系统总体结构如图3所示。
3.3.2 功能模块
系统开发遵循模块化思想，模块与模块之间既互相联系又彼此独立。系统功能分为GIS通用功能和管网专业分析功能两大模块。理想的管线资源信息管理系统应该兼顾数据组织、数据管理、数据查询、空间分析、辅助设计以及服务等内容。系统功能模块结构如图4所示。
对于系统中GIS的通用功能模块已经相当熟悉，本文不再详细赘述。系统主要设计了五大管网功能模块，分述如下：
⑴ 事故分析模块
事故分析是管线资源系统分析中的经常用到且又是较为复杂的功能。当管线在某一位置发生事故时,系统能基于网络强大的搜索和分析能力, 快速查询事故点周围需要紧急关闭的各类阀门。提供合理的关阀处理方案以便及时排除故障。
⑵ 纵横断面分析模块
任意横断面（任意地点、任意角度）的自动生成分析。提供任意地点的横断面，确定管线在地下的空间位置，标示出管线的断面尺寸、材料、高程、管线间的间距等属性，正确反映管线与建（构）筑物之间、管线与管线之间的空间关系。
连续管线纵断面的生成与分析。对一条管线，指定纵断面作图范围，便可自动生成管线沿走向对于路面相对位置的纵断面图，并表示出沿线各管线点的位置与该管线点的横断面。同时，自动产生该管线纵断面对应的属性数据和线上各管线点的属性数据。纵断面分析也可用作计算机数据监理中的一项检查工具，用以观察在地下管线走向与坡度的合理性与逻辑性[5]。
⑶ 交叉口分析模块
智能分析交叉口管线的交叉情况, 计算交叉管线的垂直净距, 以判断是否符合管线设计和施工的规范要求。
⑷ 管网辅助设计
以国家有关管线工程的最小覆土深度、管线最小水平净距、管线交叉时的最小垂直净距等规定为准则，在地形图库、现状管线库的基础上，实现管线设计计算、分析、绘图以及方案的比较。主要包括：地下管线缓冲区分析；地下管线垂直净距设计分析；管线辅助设计（包括增加、修改和删除）；管线点的辅助设计（包括增加、修改和删除）。
⑸ 系统维护管理
提供应用功能的分类管理、用户管理、系统公用数据维护、系统参数配置、日志维护和重要数据自动备份等功能。
4 系统工程化实现
4.1 系统初始准备
将管线点有关属性数据等信息一一写入各射频标签中(可以手写输入)，即完成了系统的初始化工作。并按照有关技术规定对RFID标签进行埋设。
4.2 读写器读取数据
读写器靠近RFID标签（在规定距离内），并发送射频能量，在相应范围内的RFID标签收到读写器发送的射频能量时，即被唤醒并向读写器反射标签中存贮的数据信息，即将数据发送至读写器中。读写数据流程图如图5所示[6]。
4.3 读取信息写入PDA
电子标签被射频识别单元识别出来后, 管线属性数据信息通过PDA 中的数据采集程序由RS232 串口上传给PDA , 并保存在PDA 的数据库中。根据用户需要, PDA 可通过接口和相应协议软件与主机进行数据同步, 实现多台联网主机之间的数据共享。
4.4 数据传送与管理
数据采集器（RFID+PDA）与数据管理主机实现接口，进行管线资源信息数据的接收、存储和处理；信息数据传送到管线资源管理系统服务器中以后，便可提供用户进行数据的查询、统计，以及生成相关报表
5 结束语
RFID射频识别技术是当今国际先进的资产跟踪与无接触识别技术，本文详细介绍了基于RFID/GIS技术的市政管线资源管理系统的研究与实现。系统充分利用RFID和GIS技术的优点，基本实现了对管线资源的无接触识别与采集、信息数据的处理以及全生命周期的可视管理。同时，本文还从实际应用出发总结性介绍了系统的工程化实现过程，以便于市政运营企业中快速部署应用。总之，基于RFID/GIS技术的市政管线资源管理系统在市政运营企业中有着广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 司少先 地下管线管理系统的数据质量与质量控制 工程勘察 2008（8）35-39
[2] 李昕 RFID系统的优点及应用前景计算机与信息技术 2007（18）76-77
[3] 潘曦 郭珍军 刘 云 基于RFID通信资源管理系统的设计与实现北京电子科技学院学报 2006（4）25-27
[4] 王运美 李琛 马建民 基于RFID技术开发的油田钻具数字化管理系统 石油矿场机械2007（7）71-74
[5] 张正禄 司少先等著 地下管线和管网信息系统 北京 测绘出版社 2007
[6] 折宏图 康厚强 陈 虹 射频识别技术(RFID)在石油管道巡检中的应用 现代电子技术 2007（5）184-189
第一作者简介：司少先（1951-）男，山东莱芜人，教授级高级工程师， 主要从事地理信息系统（GIS）和射频识别RFID的应用研究与开发。
作者通联：（250014）济南市山师东路14号；电话：0531-86950524 E-mail：jnssx@163.com