梁　濤，徐冠楠，楊偉達(dá)，鄒繼行

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

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基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng)

梁濤，徐冠楠*，楊偉達(dá)，鄒繼行

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

針對(duì)目前人工巡檢換熱站數(shù)據(jù)更新不及時(shí)、智能化程度不高、設(shè)備信息獲取困難等問題，在充分考慮供熱管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)空間地理信息數(shù)據(jù)需求的同時(shí)，為擺脫控制中心對(duì)辦公地點(diǎn)的限制，開發(fā)了一種以Android智能手機(jī)為平臺(tái)，基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng).系統(tǒng)結(jié)合GPS技術(shù)與RFID技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)熱網(wǎng)巡檢監(jiān)控平臺(tái)加以改進(jìn)，融入非接觸式RFID智能卡密鑰驗(yàn)證技術(shù)對(duì)移動(dòng)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù).論述了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證:換熱站智能巡檢系統(tǒng)安全可靠，對(duì)提高巡檢人員工作效率、保障熱網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用.

換熱站；智能巡檢；Android平臺(tái)；基于位置的服務(wù)；RFID技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)+概念的逐步深入，各行各業(yè)都在朝著自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，其創(chuàng)新成果融合于各個(gè)領(lǐng)域.供熱行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)，其基礎(chǔ)設(shè)施的正常有效運(yùn)行對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步意義重大.定時(shí)巡檢熱站設(shè)施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決供熱故障，保證民用和公共建筑的穩(wěn)定供熱顯得十分重要.然而，換熱站目前依舊采用人工抄寫巡檢信息的巡檢方式，工作量大，也很難監(jiān)督巡檢人員定時(shí)定軌跡巡檢到位，不利于前期統(tǒng)籌規(guī)劃與后期統(tǒng)計(jì)分析.

隨著熱網(wǎng)覆蓋面積的不斷擴(kuò)大，對(duì)熱網(wǎng)管線的維護(hù)工作量與日俱增.由于熱網(wǎng)管道的大部分均埋藏于地下，其特殊性導(dǎo)致更新?lián)Q代困難，故障頻率增加，且一旦發(fā)生故障，難以迅速檢修影響熱網(wǎng)正常供暖.另一方面設(shè)備所安裝的各類檢測儀表可在小范圍進(jìn)行故障報(bào)警與故障顯示，但統(tǒng)籌智能化程度不高，需大量巡檢人員待命.目前，已開發(fā)較成熟的熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)大多以計(jì)算機(jī)為操作平臺(tái)，限制了工作人員的辦公地點(diǎn)，不利于巡檢人員邊檢測邊記錄.為解決此類問題，將監(jiān)控平臺(tái)與底層巡檢人員需求相結(jié)合，引入Android移動(dòng)終端，增強(qiáng)系統(tǒng)可移動(dòng)性，開發(fā)了一種基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng).

1　熱網(wǎng)運(yùn)行原理及系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)

熱網(wǎng)運(yùn)行流程如圖1所示，高溫水蒸氣由熱源流經(jīng)一次供水管網(wǎng)進(jìn)入換熱器轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崴?，流?jīng)二次供水管網(wǎng)進(jìn)入熱用戶室內(nèi)散熱，低溫水從二次回水管網(wǎng)回到換熱器，最后流經(jīng)一次回水管網(wǎng)返回?zé)嵩矗M(jìn)行循環(huán)加熱.為保證熱用戶室溫穩(wěn)定達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，即控制目標(biāo)為二次網(wǎng)供水溫度，對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行閉環(huán)控制，主要分為一次網(wǎng)流量控制、二次網(wǎng)供回水壓差控制、二次網(wǎng)回水壓力控制和軟化水箱液位控制4個(gè)部分.

主要監(jiān)控參數(shù)包含：一次供回水管網(wǎng)壓力、溫度，二次供回水管網(wǎng)壓力、溫度，一次供水管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，二次回水管網(wǎng)循環(huán)水泵頻率，二次回水管網(wǎng)補(bǔ)水泵頻率，二次回水管網(wǎng)泄壓閥閥門開度，水箱液位，室外溫度，一次網(wǎng)熱量表、二次網(wǎng)熱量表、補(bǔ)水流量計(jì)、水電表數(shù)據(jù)等.

圖1　熱網(wǎng)運(yùn)行流程Fig.1　The heat-supply operation process

2　體系結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)

Android平臺(tái)下的換熱站智能巡檢系統(tǒng)較控制中心的上位機(jī)平臺(tái)而言有著其獨(dú)特的優(yōu)勢，可豐富系統(tǒng)的功能性、完善工作人員需求.如將移動(dòng)終端便利的拍照、視頻、錄音等功能集成入系統(tǒng)，巡檢人員可隨時(shí)隨地在巡檢過程中對(duì)現(xiàn)場情況作記錄，豐富信息采集手段.代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工查詢設(shè)備數(shù)據(jù)方式，借助掃描RFID標(biāo)簽準(zhǔn)確快速的讀取設(shè)備信息，采集熱站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù).依靠無線通訊技術(shù)，將巡檢人員采集到的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行管理和分析.

換熱站巡檢系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、服務(wù)器層、移動(dòng)終端三層架構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　The structure of system

2.1服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫

巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，為保障數(shù)據(jù)的有效管理，采用SQL Server存儲(chǔ)方式，劃分為系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備信息數(shù)據(jù)、私有空間數(shù)據(jù)三大部分.其中系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來自于底層設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，如供熱管網(wǎng)的溫度、壓力、閥門開度、變頻泵頻率等.設(shè)備信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)整個(gè)供熱管網(wǎng)的設(shè)備信息，如安裝地址、時(shí)間、所屬公司等.私有空間數(shù)據(jù)則主要存儲(chǔ)各熱站、熱網(wǎng)管線及供熱區(qū)域的空間坐標(biāo)信息，用以繪制私有地圖層.由于原上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)連接情況，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性，改進(jìn)開發(fā)的Android移動(dòng)終端繼續(xù)采用WebService搭建Web服務(wù)器的方式間接訪問數(shù)據(jù)庫.正確配置固定IP，并開啟IIS服務(wù)將WebService發(fā)布出去，供移動(dòng)終端調(diào)取數(shù)據(jù).

2.2LBS基于位置的服務(wù)

LBS(基于位置的服務(wù))通過GSM網(wǎng)、CDMA網(wǎng)、WIFI等無線電通訊網(wǎng)絡(luò)或者GPS定位方式來獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息，在地理信息系統(tǒng)GIS平臺(tái)的支持下，達(dá)到為終端用戶提供所需求服務(wù)的目的.LBS系統(tǒng)可劃分為5個(gè)模塊，分別是空間位置獲取系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)、信息傳送系統(tǒng)和移動(dòng)智能終端.智能巡檢系統(tǒng)依托百度地圖API為開發(fā)者提供的地圖數(shù)據(jù)，疊加熱網(wǎng)私有數(shù)據(jù)，形成換熱站巡檢動(dòng)態(tài)地圖，結(jié)合移動(dòng)終端GPS技術(shù)在移動(dòng)GIS平臺(tái)下為用戶提供基于位置的服務(wù)LBS，確定用戶所在位置，提供與位置相關(guān)的多種信息服務(wù).

2.3Android平臺(tái)

Android 是首個(gè)為移動(dòng)終端打造的真正開放和完整的移動(dòng)操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要運(yùn)用到GPS定位技術(shù)與NFC技術(shù).

2.3.1GPS 定位技術(shù)

移動(dòng)設(shè)備定位方式分為3種，分別為GPS、移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)及無線WIFI 方式.在本系統(tǒng)中，選擇GPS 定位，獲得用戶所在的位置，其定位更精準(zhǔn).在移動(dòng)設(shè)備上，GPS定位技術(shù)已極為普及，可實(shí)現(xiàn)跟蹤定位、軌跡回放、區(qū)域報(bào)警、路程統(tǒng)計(jì)等多種功能.

2.3.2NFC技術(shù)

NFC近場通信技術(shù)是由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換.在本系統(tǒng)中，利用NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)在用戶登錄過程中的身份驗(yàn)證，從而對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù).

3　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

采用以上體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng)，采用如下的開發(fā)環(huán)境.

3.1硬件開發(fā)環(huán)境

(1)移動(dòng)設(shè)備：512MB內(nèi)存的Android手機(jī)，內(nèi)置GPS與NFC，存儲(chǔ)卡1GB以上.

(2)計(jì)算機(jī)：CPU為Intel(R)Core(TM)i5，內(nèi)存2.00GB，磁盤驅(qū)動(dòng)器500GB.

3.2軟件開發(fā)環(huán)境

(1)移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)：Android 2.1或以上.

(2)軟件開發(fā)環(huán)境搭建：Windows7操作系統(tǒng)下，服務(wù)器端開發(fā)需安裝VS2010與SQL Server 2008；移動(dòng)終端開發(fā)需首先需要安裝JDK并配置環(huán)境變量，其次下載并安裝Eclipse 4.2.1版本，安裝 ADT插件23.0.2、下載更新SDK至最新版.

3.3功能設(shè)計(jì)

基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng)其功能主要分為移動(dòng)GIS模塊與數(shù)據(jù)管理模塊.其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig.3　The system function design

(1)我的位置：在有GPS信號(hào)的前提下，可現(xiàn)場定位到用戶當(dāng)前所處位置，并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)顯示于屏幕下方，免去了現(xiàn)場查找參考物，無法知道自己所處位置的情況，并通過羅盤判斷所處方位.

(2)巡檢軌跡：巡檢人員點(diǎn)擊開始巡檢按鈕后，即開啟GPS功能，記錄巡檢人員巡檢路線，其時(shí)間、位置等信息，并保存路徑，后期可按時(shí)間、人員信息進(jìn)行查詢.

(3)距離測量：移動(dòng)縮放地圖將測量范圍置于屏幕中心，長按選擇預(yù)測算的距離兩端點(diǎn)或雙擊區(qū)域，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕即可顯示距離長度或面積大?。稽c(diǎn)擊“清除”可清除點(diǎn)測量軌跡和測量結(jié)果.

(4)設(shè)備管理：在人工錄入設(shè)備信息的基礎(chǔ)上添加了利用移動(dòng)終端讀取現(xiàn)場設(shè)備上的RFID標(biāo)簽功能，在標(biāo)簽內(nèi)記錄了設(shè)備的生產(chǎn)廠家、安裝時(shí)間、地點(diǎn)、維修記錄等信息，便于巡檢人員快速獲取信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的圖片管理、查詢、屬性修改、設(shè)備維修及維修查詢等功能.

(5)運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢：通過樹形列表選擇待查詢的換熱站名稱進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示界面，菜單標(biāo)簽可切換一次網(wǎng)與二次網(wǎng)，顯示對(duì)應(yīng)熱網(wǎng)的供水、回水溫度、壓力、液位等.后臺(tái)數(shù)據(jù)庫每隔5s自動(dòng)刷新，調(diào)取最新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

(6)統(tǒng)計(jì)分析：連接數(shù)據(jù)庫，對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的溫度、壓力、液位等數(shù)據(jù)進(jìn)行圖標(biāo)繪制.若超出設(shè)定的閾值，則在故障診斷界面顯示此故障的站點(diǎn)、故障原因、故障時(shí)間等詳細(xì)信息，并傳遞故障信息.

4　關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1在Baidu地圖上疊加巡檢路徑

4.1.1在Android平臺(tái)中顯示Baidu地圖

使用百度地圖之前，首先需申請一個(gè)百度地圖API key，在百度API控制臺(tái)中創(chuàng)建新應(yīng)用，輸入應(yīng)用名稱，設(shè)置應(yīng)用類型Android SDK，選擇啟用服務(wù)，在 Eclipse 中打開 Window -> Preferances -> Android -> Build粘貼數(shù)字簽名(SHA1)字符串，最后填寫包名提交即可獲得新建應(yīng)用的訪問應(yīng)用AK.第二步創(chuàng)建并配置工程.第三步在Android Manifest中添加開發(fā)密鑰、所需權(quán)限等信息；在布局xml文件中添加地圖控件；在應(yīng)用程序創(chuàng)建時(shí)初始化SDK引用的Context 全局變量；創(chuàng)建地圖Activity，管理地圖生命周期；運(yùn)行程序，即可顯示Baidu地圖.

4.1.2巡檢路徑疊加

巡檢路徑信息通過Web服務(wù)器從SQL Server數(shù)據(jù)庫中根據(jù)巡檢人員、時(shí)間等信息調(diào)取出來.將這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)按每個(gè)時(shí)次的路徑點(diǎn)經(jīng)緯度與Baidu地圖上的經(jīng)緯度進(jìn)行匹配，繪制出巡檢路徑曲線.數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的各坐標(biāo)均為原始數(shù)據(jù)坐標(biāo)，其統(tǒng)一于連接的百度地圖坐標(biāo).若將其顯示在移動(dòng)終端屏幕上，需通過Windows API中的LptoDp函數(shù)將圖形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為適用于移動(dòng)終端的設(shè)備坐標(biāo).其原理是通過屏幕大小與地圖大小的比例轉(zhuǎn)化而來.

4.2Android通過Webservice連接SQL Server

由于供熱管網(wǎng)數(shù)據(jù)量巨大，Android開發(fā)自帶的SQLite輕量型數(shù)據(jù)庫不能滿足熱網(wǎng)需求，因此采用SQL Server本地?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù).考慮到供熱系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)安全性的高要求，采用WebService作為Android連接SQL Server的橋梁，其實(shí)質(zhì)是通過HTTP協(xié)議在服務(wù)器端調(diào)用并訪問數(shù)據(jù)庫.通過在客戶端定義一個(gè)HttpConnSoap類，通過SOAP協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)，其架構(gòu)為Windows7 + SQL Server + WebService + IIS + Android的組合.將信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)需配置Internet 信息服務(wù)(IIS)，使用服務(wù)器IP、端口號(hào)以及數(shù)據(jù)庫的用戶名及密碼連接數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器.

4.3基于NFC的移動(dòng)終端數(shù)據(jù)保護(hù)

Android移動(dòng)終端存在數(shù)據(jù)易泄露問題，為防止熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過移動(dòng)終端遭受攻擊破壞，采用了一種使用非接觸式RFID智能卡結(jié)合Android移動(dòng)終端提供終端數(shù)據(jù)安全的保護(hù)方案.終端硬件只需具備 NFC 功能即可對(duì)非接智能卡進(jìn)行操作.首先將PIN碼及卡密鑰寫入非接智能卡中，一戶一卡一終端，通過驗(yàn)證PIN碼實(shí)現(xiàn)非接智能卡與移動(dòng)終端的匹配.驗(yàn)證成功后，移動(dòng)終端加解密程序調(diào)取卡密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.非接觸智能卡的使用在用戶口令密碼的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了安全性，保證密鑰不被任意讀取，同時(shí)一刷登陸便于攜帶.

5　系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，通過Java編程開發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng).經(jīng)大量測試后，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性.由于GIS功能占用內(nèi)存較大，虛擬機(jī)測試運(yùn)行緩慢，故選用直接在Android真機(jī)運(yùn)行.只需連接USB數(shù)據(jù)線，打開調(diào)試模式，即可在Eclipse中搜索到測試手機(jī)，運(yùn)行程序，自動(dòng)下載至真機(jī).在軟件的實(shí)際應(yīng)用中，用戶首先需在熱網(wǎng)公司進(jìn)行注冊，獲得包含身份信息的非接智能卡，與移動(dòng)終端進(jìn)行匹配.系統(tǒng)程序的權(quán)限設(shè)置，決定了用戶可訪問于操作的軟件功能.其次，應(yīng)保證智能手機(jī)連接于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，且GPS處于開啟狀態(tài)，預(yù)留一定內(nèi)存.圖4為登陸成功后的模擬巡檢路徑顯示界面截圖.

圖4　巡檢路徑顯示界面Fig.4　The interface of inspection path

可以看到地圖數(shù)據(jù)清晰，人員定位準(zhǔn)確，路線規(guī)劃與記錄同步.點(diǎn)擊“路徑規(guī)劃”預(yù)設(shè)巡檢路徑，點(diǎn)擊“開始巡檢”向后臺(tái)發(fā)送巡檢開始位置與時(shí)間、巡檢人員信息，點(diǎn)擊“完成巡檢”則再次向后臺(tái)發(fā)送巡檢結(jié)束位置與時(shí)間，并記錄巡檢路徑.圖5為熱網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析界面，將數(shù)據(jù)以柱狀圖方式顯示并進(jìn)行對(duì)比，增強(qiáng)數(shù)據(jù)可讀性.

圖5　統(tǒng)計(jì)分析顯示界面Fig.5　The interface of statistics

6　結(jié)束語

基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng)，針對(duì)目前人工巡檢換熱站數(shù)據(jù)更新不及時(shí)、智能化程度不高、設(shè)備信息獲取困難、工作地點(diǎn)不定等問題，對(duì)傳統(tǒng)熱網(wǎng)巡檢監(jiān)控平臺(tái)加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在空間意義上的熱網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化.并融入非接觸式RFID智能卡密鑰驗(yàn)證技術(shù)對(duì)移動(dòng)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)；借助掃描RFID標(biāo)簽準(zhǔn)確快速的讀取設(shè)備信息，采集熱站實(shí)時(shí)

運(yùn)行數(shù)據(jù).依靠無線通訊技術(shù)，將巡檢采集到的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行管理和分析.提高了巡檢的便捷性與可靠性，實(shí)現(xiàn)了巡檢的智能化，具有廣泛的應(yīng)用前景.下一步，將繼續(xù)完善功能，不斷增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性.

[1]雷建云,張鐳鐘. 基于LBS的連續(xù)查詢位置隱私保護(hù)模型的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法[J]. 中南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(03):83-87.

[1]蘇婕,王忠. 基于NFC技術(shù)的巡更巡檢管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2015(04):1068-1072.

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An Intelligent Information Acquisition System for Heat Exchange Station Based on LBS

LiangTao,XuGuannan,YangWeida,ZouJihang

(School of Control Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

For the problems in current manual inspection mode of heat transfer station:data updates is not timely, intelligence is not high, device information acquisition difficulties and so on;taking full account of the heating pipe network’s spatial Information data needs, while the control center to get rid of restrictions on office space,developing an intelligent inspection system for heat exchange station based on LBS and smart phone with Android platform;system combines GPS technology and RFID technology to improve traditional heating network inspection monitoring platform, assimilate into the non-contact RFID smart card key authentication technology for mobile terminals encrypt data protection.It discusses the system architecture and functional design,heat exchange station intelligent inspection system is safe and reliable, proven to improve the efficiency of inspection personnel, which plays an important role to ensure the stable operation of heating network.

heat exchange station;intelligent inspection;Android platform;LBS;RFID

2016-06-21 *通訊作者徐冠楠，研究方向：網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化，E-mail：793034438@qq.com

梁濤(1975-)，男，教授，博士，研究方向：自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)智能控制和現(xiàn)場總線技術(shù)，E-mail：54008214@qq.com

河北省教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(ZH2012066)

TP39

A

1672-4321(2016)03-0092-05