基于RFID的可视化地下电缆管理系统的研究①

摘 要：本文以物联网技术为依托，综合运用射频识别技术（RFID）、空间信息技术（GIS、GPS等技术，集成先进地下电缆探测装备，建立了一套可视化地下电缆管理平台。平台由电子信息标识器、（读写）探测仪、移动智能终端（带GPS模块）和后台服务系统组成，实现了地下电缆的精益化、智能化、可视化管理，为电缆的运行维护和故障处理提供有力的科学技术手段，对提高电缆运行管理现代化水平，提高现场施工的安全性、准确性和电缆设施定位的精确度等方面具有重要意义。

关键词：RFID GIS 可视化 电缆 管理系统

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0015-03

随着区域经济与城市化建设的快速发展，城市供电方式由架空线路改为地下电缆埋设已经是大势所趋。准确、快速定位现场目标电缆的空间位置，并实时获取电缆走向及相关设备信息，是地下电缆运行维护需要解决的重要问题。为此，人们基于传统的AM/FM、GIS、SCADA和感应器等手段，在不同时期、采用不同技术手段构建了各种地下电缆管理信息化系统，出现了成熟的专用探测仪器和技术体系。然而，单纯依赖这些电缆探测设备和技术，对电缆运行维护的实际作用有限。在电缆应急抢修或日常维护时，依然需要对电缆进行开挖探测等重复性试验、逐一排查，导致地下电缆维护工作繁重、操作复杂、难度大、风险高，不能降低电缆等地下设施管理的难度和复杂性，给电网安全运行带来较大隐患。

本文所论及的是以物联网技术为依托，综合运用射频识别技术（RFID）、空间信息技术（GIS、GPS）、网络通信技术、分布式计算和海量信息处理等技术，集成先进地下电缆探测装备，建立了一套电缆地下电子信息标识系统，突破基于离散曲率的空间形态感知技术，研发出地下电缆空间拓扑分析模型和目标诱导模型，实现地下电缆三维形状检测和精确定位，并在此基础上开发出一套可视化地下电缆管理平台。该管理平台实现了地下电缆的精益化、智能化、可视化管理，为地下资产的全生命周期管理打下坚实基础。

1 RFID的基本原理和特点

视频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术，是20世纪80年展起来的新兴非接触自动识别技术，它利用射频信号空间耦合，实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的。它能穿透雪、雾、冰、涂料，尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，被广泛应用于各个领域。

1.1 RFID基本原理

最简单的RFID系统由应答器、阅读器、应用软件系统组成[1]。一般由标签作为应答器，每个标签由芯片与天线组成，具有唯一的电子编码，附着在物体上识别目标对象。阅读器主要用于控制射频模块向标签发射读取信号，并接受标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。应用层软件则把收集的数据进一步处理，为用户所使用。

RFID系统的工作原理：阅读器通过内部天线发送一定频率射频信号，当标签进入天线工作区时，内部天线产生感应电流，标签被激活，其自身编码信息通过内置天线发射出去，或者接受阅读器的数据；系统接收天线接收到从标签发送出来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接受的信号进行解调和解码，然后将数据传送到计算机网络；此时，应用层软件系统根据逻辑运算判断该标签是否合法，针对不同的请款后作出相应的反应和处理。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应用层软件系统，应用层软件系统接收到指令完成存储等相关操作。RFID的基本原理图如图1所示[2]。

作为最为广泛使用的自动数据采集技术，RFID应用到资源管理系统上，其优势表现尤为突出，如以下几点。

（1）防水、防磁、耐高温，不受环境影响，具有防冲突功能。

（2）无源和免接触操作，应用便利，只需置于阅读器形成的电磁场中就可准确读入数据，减少甚至排除因人工干预数据采集而带来的效率降低和纠错成本。

（3）RFID读取数据快、距离长，能同时处理多个标签，可对标签上的数据进行反复修改，使标签上可重复利用。

（4）RFID标签的识读不依赖于可见光，因此不需以目视可见为前提，可在条码技术无法适应的恶劣环境下使用。

（5）RFID芯片不易被伪造，且标签上可对数据采取分级保密措施，使得数据只在供应链上的某些点可读。

2 可视化地下电缆管理系统

该可视化地下电缆管理系统平台主要基于RFID技术，由电子信息标识器、（读写）探测仪、移动智能终端（带GPS模块）和后台服务系统组成，充分利用RFID技术的优势，实现了地下电缆的精益化、智能化、可视化管理，为地下资产的全生命周期管理打下坚实基础。其工作结构图如下图2。

2.1 RFID数据采集系统

RFID数据采集系统主要由两部分组成[4]，分别为视频识别（RFID）标签和RFID数据采集终端。

2.1.1 视频识别（RFID）标签

系统的射频识别标签采用的是只读非接触射频卡，由天线和微型芯片组成[5]。电子标签微型芯片里面存有两种类型的数据，一种为UID（Unique Identification，唯一标识号），用来唯一标识电子标签，它固化在电子标签中（只读）；另外一种为产品标识码，产品标识码可以选取多重的编码标准。

本系统中的地下电缆每隔30 m安装一个电子信息标识器，电子信息标识器上写有电缆回路信息，以电子信息标识器的唯一编码ID号作为该标识位置点的标志，记录该位置点的电缆信息：电缆回路名称、敷设方式、电缆沟道深度、电缆沟道宽度、同沟电缆回路数量、同沟电缆回路名称、设备描述（顶管、接头井、埋管口、槽盒等）、标识器安装位置描述、该位置点电缆沟内部情况照片及外部外景照片。

2.1.2 RFID数据采集终端

RFID数据采集终端主要由读写器和数据采集接口组成。

读写器由读写模块和天线组成。只要距离适当，读写器的天线和电子标签的天线之间就会形成磁场，能够读到产品的相关电子代码，通过串行口将其传入计算机中的数据采集接口程序中。

数据采集接口是读写器和企业应用程序之间的联系纽带，代表应用程序提供一系列的计算功能，处理、存储从一个或多个读写器发出的数据流或传感器数据。

在本系统中，通过数据采集系统，将RFID电子标签上的相关信息通过数据采集系统录入电脑网络，实现了对地下电缆的实时观测。

2.2 后台服务系统

本文中提出的可视化地下电缆管理系统，是通过GIS结合RFID技术来实现电信电缆静态、动态信息的可视化管理，方便信息的查询和电缆资源的规划。通过若干台前端机统检测中心构成一个简化的观测环境，及时获知电缆运行的一场、定位故障发生地点进行抢修，减少损失，从这两和方面来预防和减少以上环境的发生，提高地下电缆的管理水平。

2.2.1 地理信息系统（GIS）简介[6]

地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS），通常泛指用于获取、存储、查询、综合、处理、分析和显示与地球表面位置相关的数据的计算机系统。即，GIS以地理信息为内容，以地理空间数据库为基础，对空间相关数据进行采集、存储、管理、操作、分析、模拟、显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，并进行综合评价、管理、定量分析和决策服务。

将GIS技术用于电力行业中，为电力系统设备的管理科学化，数据的“可视化”创造了条件。因此GIS早已在电力部门离线管理信息系统中得到了广泛的应用。本文中的后台服务系统则是基于GIS而设计的。

2.2.2 后台服务系统设计目标

基于本文所提到的可视化地下电缆管理系统，本系统的设计目标主要如下。

（1）在检测中心可视化浏览、编辑和查询辖区内地下电缆的详细资料，并通过与数据采集终端的通信，对地下电缆的实时运行情况进行监测，对运行数据进行分析处理和日常维护。

（2）发生异常事件时，接收到数据采集终端发来的事件信息，调出相关电子地图，定位事件发生地点，根据不同的事件性质做不同的处理。

（3）通过对过去一段时间内的维护、历史事件及相关数据做统计分析，形成报表，总结经验，为提高维护水平提供有力的材料和思路。

2.2.3 后台服务管理系统

根据系统设计目标，并使GIS与实时检测系统更好的结合在一起，系统采用如图3软件功能模块。

GIS软件提供强大的图形处理功能，如对多种文件格式的显示和编辑支持栅—矢转换、图层控制、地图缩放、漫游等，利用这些功能可以方便的完成电子地图处理的问题，已达到可视化管理的目的。

3 系统工程化实现

在使用本可视化地下电缆管理系统前，先需完成系统的初始化工作，将电缆有关属性数据等信息一一写入相应的射频识别标签上。将各电子信息标识器每隔30 m安装于地下电缆的相应位置，带有发射无线射频信号模块的读写终端仪器通过发射无线射频信号与电子信息标识器和带有接受无线射频信号模块的后台电脑相连。

地下电缆上安装的电子信息标识器利用读写终端仪器发射无线射频信号，搜索探知标识器的位置点，完成对标识器的定位及数据读取，从而获得电缆位置的所在及电缆属性信息。通过以现场安装点的标识器及其唯一ID编码作为位置点标志，于该位置点记录GPS数据，于电脑后台地图上，输入GPS数据，可生产该位置点的标识图标。以标识器及其唯一ID编码作为索引，于PC端可点击展示该位置点的电缆敷设方式、标识器编号、写入信息、经纬度、距沟底深度、距沟中心距离、现场描述情况（地理位置描述）、现场图片、关联电缆。

如此即能准确对地下电缆定位和方便管理。

4 结语

本文中所提到的可视化地下电缆管理系统为电缆的运行维护和故障处理提供有力的科学技术手段，对提高电缆运行管理现代化水平，提高现场施工的安全性、准确性和电缆设施定位的精确度，在配合辅助相关部门的设计、勘测、规划、管理等方面具有重要意义。随着RFID技术的发展，在未来很长一段时间内，RFID技术将在识别技术中占主导地位，深入到各行各业之中。

参考文献

[1]李泉林，郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].中国电子商情：RFID技术与应用，2006（1）：51-52.

[2]李昕.RFID系统的优点及应用前景[J]. 计算机与信息技术，2007（18）：76-77.

[3]李，司少先，杨玉坤，等.基于RFID/GIS的市政管线资源管理系统的研究与实现[J].测绘与空间地理信息，2009（6）：67-68.

[4]熊春如，冯俊域，戴青云，等.射频识别（RFID）数据采集系统终端设计[J].新余高专学报，2006（4）：89-90.

[5]秦虎，王红卫，谢勇.基于电子标签的数据采集系统[J].物流技术，2004（10）：49-51.

[6]郑华武，刘正光，王伟.基于GIS和分布式计算环境的电信电缆可视化智能管理系统的设计[J].计算机工程，2002（28）：216-217.