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用于地下关键设施定位的多尺度融合定位技术

范文

程克杰吴润发王耀民陆雪峰刘飞王骏张鹏飞韩颜至

[摘? ? 要] 本文针对地下管网数量和规模的增大，构成状况越来越复杂，地下管网及城市管理挑战加剧，缺少合理的地下设备管理手段，在地下管线设备出现故障，需要维护、抢修施工时，因为资料的缺失往往無法快速、精准地找到目标管线;同时由于不了解管线分布，尤其是分属其他单位的管线，极其容易在施工过程中出现对原有管线的破坏的现状，设计了一套用于地下关键设施定位的多尺度融合定位技术系统，解决了地下管网设备精准快速定位、查找、识别和管理地下设备资产的难题。

[关键词] 声表面波;无源无线;多尺度融合定位

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 17. 073

[中图分类号] TP315? ? [文献标识码]? A? ? ? [文章编号]? 1673 - 0194（2020）17- 0168- 04

1? ? ? 背? ? 景

地下管网，诸如热力管道、电力管线、输油管线等公共设备一般都埋于地表之下，是现代城市基础设施的重要组成部分，是城市赖以长期生存和快速发展的“生命线”，同时也是提高城市管理效率、建设智慧城市的核心基础。掌握和摸清城市地下管网的现状，是城市自身的发展和规划建设的需要，也是防灾和应付突发性重大事故的需要[1-2]。

对于地下设备的精确快速定位及管理，国内外开展了大量研究。一种比较常见的方法是基于电子标识器的地下设备定位及管理方法，该方法依靠埋设在地下设备附近的电子标识器作为地下设备的标志，通过对RFID（Radio Frequency Identification）电子标识器进行识别来帮助精准定位、查找、识别和管理地下设备资产。

市场上现有的基于电子标识器的地下设备管理方法有：? ? ? ? ? ? ? ? （1）基于UHF IC-RFID电子定位标识器IC RFID（Integrated-Circuit Radio Frequency Identification）。然而地下设备（如地下电力管线）埋深大（约0.5-1.5米），地面主要是混凝土、沥青、泥土等复杂介质，超高频电磁波穿过这些损耗介质后，损耗高达20-50dB/m，难以驱动电子标识器。

因此，该方法存在标识器容易被市政施工破坏、丢失、标签距离地下设备远、定位不准确等问题[3]。

（2）基于125kHz RFID电子定位标识器。125kHz的低频电磁波具备很强的介质穿透能力，理论上能够识别埋设在地下设备附近的电子标识器。但125kHz RFID系统容易受到设备电源的工频干扰，且存在天线尺寸大、天线传输效率易受到周围设备金属材料影响而降低、低损耗介质中读取距离近等问题。现有性能最好的125kHz RFID安装也必须距离设备10cm以上，仍无法实现地下设备的精准定位。

可以发现，由于地下管网的不可见性、复杂多样性、变更性、整体连接性，传统的管线探测法由于技术缺陷，存在以下几个问题：

①使用寿命有限，尤其是在地下潮湿的恶劣环境，通常实际使用寿命为 3-5年左右;

②受限于充能线圈，其标示器体积过大，不利于使用安装;

③信号穿透地层有限，实际使用过程中，通常无法穿透超过 0.8m 以上的地层;

④无法在识别的同时进行管网状态（例如温度、压力数据等）的传感和监测;

⑤无法耐受高温、强磁、强射线辐照等恶劣环境;

⑥数据安全性能有限，信息容易被其他阅读器所窃取、篡改;

⑦无法探测非金属管线和其他平行、分支管线;

⑧无法探测管线深度、方向变化;

⑨无法区分特殊设施或标记;

⑩受制于人员定位技术水平和经验，且维护人员工作不便，效率极低;

定位精准度极低。

2? ? ? 发展趋势

地下管网目前的发展趋势为以地下管廊作为管网主干线，以电子标示系统记录、传输信息的方式进行管理，其越来越复杂的地下管网系统也对电子标示系统提出了新的要求：

（1）长使用寿命，尽量减少维护、更换的次数和成本;

（2）能够耐受各类恶劣的地下环境;

（3）具备较强的信号传输能力，可以将标示器埋设于更深的地层;

（4）对各类管道均具有适应性;

（5）具备更多元化的数据采集能力，以便城市地下管网进行数据分析和管理;

（6）具备更高的数据安全性。

3? ? ? 多尺度融合定位技术

压电微声传感及射频识别技术是继陶瓷、半导体和光纤等传感器与半导体射频标签之后的新型传感和射频识别技术。如图1所示，具体的工作过程为：首先，阅读器天线发射射频（RF）查询脉冲，查询范围内的标签上的天线接收查询脉冲信号，与标签天线相连的叉指换能器（IDT）将接收到的 RF 信号通过逆压电效应转换为量级很小的声表面波（基于压电微声技术的），沿着标签基片表面传播。在基于压电微声技术的传播路径上，放置了多个具有一定编码方式的反射栅。沿基片表面传播的基于压电微声技术的遇到反射栅时，一部分会产生反射现象，另一部分产生透射现象，遇到下一个反射栅也同样如此。所有反射的信号相叠加就在 IDT处形成了一系列按照时间变化的唯一的基于压电微声技术的脉冲链。该脉冲链再次由IDT 通过压电效应转换为回波射频脉冲链。它们由标签天线发射出去，被阅读器的天线所接收。阅读器对该信号解码后获得该标签存储的信息。其中该标签存储的信息可以用反射栅的编码方式不同来实现，例如脉冲幅值、时延、相位等。同时外部环境影响如温度、压力等作用于压电基片会改变回波的时延和相位，使基于压电微声技术的智能感知系统具备复合传感功能。

由于SAW RFID标识器工作不存在上述电子标识器的储能、电子计算等过程，因此SAW技术具备强信号穿透能力，相比于上述标识器对水、泥土、混凝土等复杂介质的穿透距离具备明显的优势。

针对现有技术中的缺陷，本技术的目的是提供一种基于全球定位/SAW RFID多尺度融合定位的地下设备管理方法。

根据本技术提供的基于全球定位/SAW RFID多尺度定位的地下设备管理方法，流程是根据地下设备的基本属性，安装SAW RFID标识器，并上传相关信息至服务器，服务器依据此相关信息建立数据库及地下设备GIS系统;对特定区域地下设备进行定位管理时，用户通过移动终端经通信模块向服务器请求该区域设备的相关信息;移动终端结合服务器下发的相关信息，调用全球定位导航模块对地下设备进行粗尺度定位，确定地下设备的粗尺度标识区域。得到标识区域后，移动终端得到标识区域巡检，同时调用SAW RFID阅读模块对SAW RFID标识器进行读取;读取到SAW RFID标识器编码，且该编码与之前得到的编码匹配，则移动终端所处位置为地下设施对应的地面精确坐标。

与现有技术相比，本技术针对现有地下设备管理技术定位精度低、速度慢和常规电子标识器无法有效配合地下设备识别的问题，结合全球定位的大范围导航和SAW RFID标识器能够进行地下物体标识的特点，提出了基于全球定位/SAW RFID多尺度融合定位的地下設备管理方法。相较于现有的基于GPS的地下设备管理方法，该方法可快速地识别地下设备并精准定位，定位精度达到分米级，远高于常用GPS系统的2-3m的定位精度。该方法可有效提高地下设备的检修、维护效率，提高设备可靠性，降低事故发生的概率[4]。

新兴压电微声传感及射频识别技术为城市地下管网的管理提供了一个新的技术手段，基于压电微声技术的无源智能感知技术凭借其无源、耐受恶劣环境、抗干扰、复合传感等特点，可以很好地符合未来智慧城市地下管网的发展方向[5]。

4? ? ? 多尺度融合定位技术应用方案

下面结合附图对实施方式进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本技术。

如图2所示，是实现融合定位技术的基于全球定位/SAW RFID多尺度定位的地下设备管理系统，包括管理服务器，移动终端和SAW标识器。

服务器主要包含数据库和GIS系统，移动终端包含全球定位模块、SAW RFID阅读模块、人机交互模块，SAW 标识器包含天线和SAW RFID芯片。使用时，用户通过人机交互模块控制移动终端并得到各模块反馈信息;移动终端通过4G通信模块与服务器进行双向通信;移动终端通过SAW RFID阅读模块发射无线查询信号，SAW RFID标识器天线接受查询信号来识别SAW RFID标识器。

如图3所示，以某一大区域内有属性分别为A、B 的地下设备A1、B1，并对地下设备A1进行定位和管理为例。

如图3所示，在设备、B1的安装/检修过程中，在设备A1、B1表面或附近，分别安装编码为0001和0010的SAW标识器，并将设备A1的信息：MessageA1：

及设备B1的信息MessageB1：

上传至服务器数据库，进而完成地下设备管理GIS系统。

在对上述区域设备的巡检/维护任务中，用户向服务器请求GIS系统中的该区域信息，并根据该区域的设备信息MessageA1、MessageB1选择要巡检/维护设备，此处以设备A1为例。

如图4所示，用户选择设备A1后，全球定位模块根据设备A1的地标坐标（xA，yA）对设备进行粗尺度定位，用户根据全球定位模块导航到达设备A1实际坐标（xA′，yA′）附近的全球定位导航坐标（xA，yA）。

如图5所示在完成设备A1的粗尺度定位后，用户调用移动终端的SAW RFID阅读模块，携移动终端在（xA，yA）为圆心，半径3米的区域中移动并读取SAW RFID。

如图5所示，当移动终端成功读取到SAW RFID编号且编号与MessageA1的ID号（0001）匹配，则认为此时移动终端所处坐标为地下设备A1的实际地表坐标（xA′，yA′）。

5? ? ? 软件实现

基于此项目开发了一套多尺度融合高精度定位系统，通过此系统可以对装有SAW-RFID的地下关键设备进行安装、设备搜索、巡检、维修、总览等。软件实现流程框图如图6所示。

软件界面图如图7、图8所示。

5.1? ?功能介绍概括

系统主要分为设备安装、搜索、巡检、维修、总览和系统设置模块。

5.2? ?安装

打开“安装”按钮，点击获取设备编号，点击开始扫描，如果阅读器扫描到某个设备编码，会显示在App中，然后我们选中设备编号，在设备名称一栏为扫描到的设备编辑一个名称，选择地图定位，填写设备类型、生产厂家、安装日期和操作人员等信息，点击拍照时，选择允许调用摄像头。

5.3? ?设备搜索

设备搜索功能包括填写搜索条件，点击搜索，查看设备，设备导航，设备巡检日志，设备维修日志。

5.4? ? SAW-RFID标签巡检

SAW-RFID标签巡检功能可以连续读取SAW标签，并且同时软件可以对阅读器进行参数设置。

5.5? ?其他功能

软件除了上述功能外还包括设备类型管理，生产厂家管理，操作人员管理，设置状态管理，维修项目管理。

主要参考文献

[1]徐功文，张志军，杨磊，等. 基于物联网的城市热力管道检测系统的设计[J]. 山东建筑大学学报. 2012， 27（4）： 431-434.

[2]田玉卓，闫全英，赵秉文. 供热工程[M].北京：机械工业出版社， 2008.

[3]应春然. RFID电子标签在地下管道养管中的应用探索[J].市政技术，2015（1）： 190-193.

[4]Alan V. Oppenheim， Alan S. Willsky信号与系统[M].第2版.刘树棠，译.西安：西安交通大学出版社，1998.

[5]F.SCHMIDT G.SCHOLL.Wireless SAW Identification and Sensor Systems[J].International Journal of High Speed Electronics and Systems， 2000，10（4）：1143-1191.

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