基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng)

梁　濤，徐冠楠，楊偉達，鄒繼行

(河北工業(yè)大學 控制科學與工程學院，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，鄒繼行

(河北工業(yè)大學 控制科學與工程學院，天津 300130)

針對目前人工巡檢換熱站數(shù)據(jù)更新不及時、智能化程度不高、設備信息獲取困難等問題，在充分考慮供熱管網(wǎng)系統(tǒng)對空間地理信息數(shù)據(jù)需求的同時，為擺脫控制中心對辦公地點的限制，開發(fā)了一種以Android智能手機為平臺，基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng).系統(tǒng)結合GPS技術與RFID技術對傳統(tǒng)熱網(wǎng)巡檢監(jiān)控平臺加以改進，融入非接觸式RFID智能卡密鑰驗證技術對移動終端數(shù)據(jù)進行加密保護.論述了系統(tǒng)的體系結構與功能設計，經(jīng)實踐驗證:換熱站智能巡檢系統(tǒng)安全可靠，對提高巡檢人員工作效率、保障熱網(wǎng)穩(wěn)定運行有重要作用.

換熱站；智能巡檢；Android平臺；基于位置的服務；RFID技術

隨著互聯(lián)網(wǎng)+概念的逐步深入，各行各業(yè)都在朝著自動化、智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，其創(chuàng)新成果融合于各個領域.供熱行業(yè)作為國民經(jīng)濟發(fā)展中重要的基礎能源產(chǎn)業(yè)，其基礎設施的正常有效運行對我國經(jīng)濟發(fā)展和社會進步意義重大.定時巡檢熱站設施，及時發(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)督巡檢人員定時定軌跡巡檢到位，不利于前期統(tǒng)籌規(guī)劃與后期統(tǒng)計分析.

隨著熱網(wǎng)覆蓋面積的不斷擴大，對熱網(wǎng)管線的維護工作量與日俱增.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.另一方面設備所安裝的各類檢測儀表可在小范圍進行故障報警與故障顯示，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)大多以計算機為操作平臺，限制了工作人員的辦公地點，不利于巡檢人員邊檢測邊記錄.為解決此類問題，將監(jiān)控平臺與底層巡檢人員需求相結合，引入Android移動終端，增強系統(tǒng)可移動性，開發(fā)了一種基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng).

1　熱網(wǎng)運行原理及系統(tǒng)監(jiān)控點

熱網(wǎng)運行流程如圖1所示，高溫水蒸氣由熱源流經(jīng)一次供水管網(wǎng)進入換熱器轉化為高溫熱水，流經(jīng)二次供水管網(wǎng)進入熱用戶室內散熱，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)返回熱源，進行循環(huán)加熱.為保證熱用戶室溫穩(wěn)定達到預設溫度，即控制目標為二次網(wǎng)供水溫度，對熱網(wǎng)進行閉環(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)電動調節(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、補水流量計、水電表數(shù)據(jù)等.

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

2　體系結構與系統(tǒng)設計中的技術

Android平臺下的換熱站智能巡檢系統(tǒng)較控制中心的上位機平臺而言有著其獨特的優(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)，巡檢人員可隨時隨地在巡檢過程中對現(xiàn)場情況作記錄，豐富信息采集手段.代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工查詢設備數(shù)據(jù)方式，借助掃描RFID標簽準確快速的讀取設備信息，采集熱站實時運行數(shù)據(jù).依靠無線通訊技術，將巡檢人員采集到的數(shù)據(jù)上傳至后臺服務器進行管理和分析.

換熱站巡檢系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、服務器層、移動終端三層架構組成，其結構如圖2所示.

圖2　系統(tǒng)結構圖Fig.2　The structure of system

2.1服務器與數(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存儲方式，劃分為系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、設備信息數(shù)據(jù)、私有空間數(shù)據(jù)三大部分.其中系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)存儲來自于底層設備的實時運行參數(shù)，如供熱管網(wǎng)的溫度、壓力、閥門開度、變頻泵頻率等.設備信息數(shù)據(jù)存儲整個供熱管網(wǎng)的設備信息，如安裝地址、時間、所屬公司等.私有空間數(shù)據(jù)則主要存儲各熱站、熱網(wǎng)管線及供熱區(qū)域的空間坐標信息，用以繪制私有地圖層.由于原上位機監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)連接情況，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性，改進開發(fā)的Android移動終端繼續(xù)采用WebService搭建Web服務器的方式間接訪問數(shù)據(jù)庫.正確配置固定IP，并開啟IIS服務將WebService發(fā)布出去，供移動終端調取數(shù)據(jù).

2.2LBS基于位置的服務

LBS(基于位置的服務)通過GSM網(wǎng)、CDMA網(wǎng)、WIFI等無線電通訊網(wǎng)絡或者GPS定位方式來獲取移動終端用戶的位置信息，在地理信息系統(tǒng)GIS平臺的支持下，達到為終端用戶提供所需求服務的目的.LBS系統(tǒng)可劃分為5個模塊，分別是空間位置獲取系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、業(yè)務服務系統(tǒng)、信息傳送系統(tǒng)和移動智能終端.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)，形成換熱站巡檢動態(tài)地圖，結合移動終端GPS技術在移動GIS平臺下為用戶提供基于位置的服務LBS，確定用戶所在位置，提供與位置相關的多種信息服務.

2.3Android平臺

Android 是首個為移動終端打造的真正開放和完整的移動操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)的設計過程中主要運用到GPS定位技術與NFC技術.

2.3.1GPS 定位技術

移動設備定位方式分為3種，分別為GPS、移動通訊網(wǎng)絡及無線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.在移動設備上，GPS定位技術已極為普及，可實現(xiàn)跟蹤定位、軌跡回放、區(qū)域報警、路程統(tǒng)計等多種功能.

2.3.2NFC技術

NFC近場通信技術是由非接觸式射頻識別(RFID)及互聯(lián)互通技術整合演變而來，在單一芯片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能，能在短距離內與兼容設備進行識別和數(shù)據(jù)交換.在本系統(tǒng)中，利用NFC技術實現(xiàn)在用戶登錄過程中的身份驗證，從而對行業(yè)數(shù)據(jù)進行保護.

3　系統(tǒng)功能設計

采用以上體系結構，設計了基于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)移動設備：512MB內存的Android手機，內置GPS與NFC，存儲卡1GB以上.

(2)計算機：CPU為Intel(R)Core(TM)i5，內存2.00GB，磁盤驅動器500GB.

3.2軟件開發(fā)環(huán)境

(1)移動設備操作系統(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，服務器端開發(fā)需安裝VS2010與SQL Server 2008；移動終端開發(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功能設計

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

圖3　系統(tǒng)功能設計Fig.3　The system function design

(1)我的位置：在有GPS信號的前提下，可現(xiàn)場定位到用戶當前所處位置，并將坐標數(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，其時間、位置等信息，并保存路徑，后期可按時間、人員信息進行查詢.

(3)距離測量：移動縮放地圖將測量范圍置于屏幕中心，長按選擇預測算的距離兩端點或雙擊區(qū)域，點擊“計算”按鈕即可顯示距離長度或面積大??；點擊“清除”可清除點測量軌跡和測量結果.

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

(5)運行數(shù)據(jù)查詢：通過樹形列表選擇待查詢的換熱站名稱進入數(shù)據(jù)顯示界面，菜單標簽可切換一次網(wǎng)與二次網(wǎng)，顯示對應熱網(wǎng)的供水、回水溫度、壓力、液位等.后臺數(shù)據(jù)庫每隔5s自動刷新，調取最新實時數(shù)據(jù).

(6)統(tǒng)計分析：連接數(shù)據(jù)庫，對各個站點的溫度、壓力、液位等數(shù)據(jù)進行圖標繪制.若超出設定的閾值，則在故障診斷界面顯示此故障的站點、故障原因、故障時間等詳細信息，并傳遞故障信息.

4　關鍵技術分析

4.1在Baidu地圖上疊加巡檢路徑

4.1.1在Android平臺中顯示Baidu地圖

使用百度地圖之前，首先需申請一個百度地圖API key，在百度API控制臺中創(chuàng)建新應用，輸入應用名稱，設置應用類型Android SDK，選擇啟用服務，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用的訪問應用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、所需權限等信息；在布局xml文件中添加地圖控件；在應用程序創(chuàng)建時初始化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服務器從SQL Server數(shù)據(jù)庫中根據(jù)巡檢人員、時間等信息調取出來.將這些坐標數(shù)據(jù)按每個時次的路徑點經(jīng)緯度與Baidu地圖上的經(jīng)緯度進行匹配，繪制出巡檢路徑曲線.數(shù)據(jù)庫中存儲的各坐標均為原始數(shù)據(jù)坐標，其統(tǒng)一于連接的百度地圖坐標.若將其顯示在移動終端屏幕上，需通過Windows API中的LptoDp函數(shù)將圖形坐標轉換為適用于移動終端的設備坐標.其原理是通過屏幕大小與地圖大小的比例轉化而來.

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本地數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù).考慮到供熱系統(tǒng)對數(shù)據(jù)安全性的高要求，采用WebService作為Android連接SQL Server的橋梁，其實質是通過HTTP協(xié)議在服務器端調用并訪問數(shù)據(jù)庫.通過在客戶端定義一個HttpConnSoap類，通過SOAP協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)，其架構為Windows7 + SQL Server + WebService + IIS + Android的組合.將信息發(fā)布到網(wǎng)絡需配置Internet 信息服務(IIS)，使用服務器IP、端口號以及數(shù)據(jù)庫的用戶名及密碼連接數(shù)據(jù)庫與服務器.

4.3基于NFC的移動終端數(shù)據(jù)保護

Android移動終端存在數(shù)據(jù)易泄露問題，為防止熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過移動終端遭受攻擊破壞，采用了一種使用非接觸式RFID智能卡結合Android移動終端提供終端數(shù)據(jù)安全的保護方案.終端硬件只需具備 NFC 功能即可對非接智能卡進行操作.首先將PIN碼及卡密鑰寫入非接智能卡中，一戶一卡一終端，通過驗證PIN碼實現(xiàn)非接智能卡與移動終端的匹配.驗證成功后，移動終端加解密程序調取卡密鑰進行數(shù)據(jù)處理.非接觸智能卡的使用在用戶口令密碼的基礎上增強了安全性，保證密鑰不被任意讀取，同時一刷登陸便于攜帶.

5　系統(tǒng)界面實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能設計，通過Java編程開發(fā)實現(xiàn)了基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng).經(jīng)大量測試后，驗證了系統(tǒng)的可行性.由于GIS功能占用內存較大，虛擬機測試運行緩慢，故選用直接在Android真機運行.只需連接USB數(shù)據(jù)線，打開調試模式，即可在Eclipse中搜索到測試手機，運行程序，自動下載至真機.在軟件的實際應用中，用戶首先需在熱網(wǎng)公司進行注冊，獲得包含身份信息的非接智能卡，與移動終端進行匹配.系統(tǒng)程序的權限設置，決定了用戶可訪問于操作的軟件功能.其次，應保證智能手機連接于移動通信網(wǎng)絡中，且GPS處于開啟狀態(tài)，預留一定內存.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，人員定位準確，路線規(guī)劃與記錄同步.點擊“路徑規(guī)劃”預設巡檢路徑，點擊“開始巡檢”向后臺發(fā)送巡檢開始位置與時間、巡檢人員信息，點擊“完成巡檢”則再次向后臺發(fā)送巡檢結束位置與時間，并記錄巡檢路徑.圖5為熱網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析界面，將數(shù)據(jù)以柱狀圖方式顯示并進行對比，增強數(shù)據(jù)可讀性.

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

6　結束語

基于LBS的換熱站智能巡檢系統(tǒng)，針對目前人工巡檢換熱站數(shù)據(jù)更新不及時、智能化程度不高、設備信息獲取困難、工作地點不定等問題，對傳統(tǒng)熱網(wǎng)巡檢監(jiān)控平臺加以改進，實現(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智能卡密鑰驗證技術對移動終端數(shù)據(jù)進行加密保護；借助掃描RFID標簽準確快速的讀取設備信息，采集熱站實時

運行數(shù)據(jù).依靠無線通訊技術，將巡檢采集到的數(shù)據(jù)上傳至后臺服務器進行管理和分析.提高了巡檢的便捷性與可靠性，實現(xiàn)了巡檢的智能化，具有廣泛的應用前景.下一步，將繼續(xù)完善功能，不斷增強系統(tǒng)的實用性.

[1]雷建云,張鐳鐘. 基于LBS的連續(xù)查詢位置隱私保護模型的動態(tài)規(guī)劃算法[J]. 中南民族大學學報(自然科學版),2015(03):83-87.

[1]蘇婕,王忠. 基于NFC技術的巡更巡檢管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與設計,2015(04):1068-1072.

[2]張俊杰,張海燕,羅銳. 基于Android平臺的移動GIS研究與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與設計,2013(09):3322-3326.

[3]陳飛翔,楊崇俊,申勝利,等. 基于LBS的移動GIS研究[J]. 計算機工程與應用,2006(02):200-202+210.

[4]楊賢棟,張敏,郭慶燕. Android環(huán)境下臺風路徑信息在Google地圖上的可視化方法[J]. 計算機應用,2012(S1):177-179.

[5]秦文仙,王瓊霄,高能,等. 基于 RFID 智能卡的 Android 移動終端數(shù)據(jù)保護方案[J]. 計算機工程與應用,2016(02):112-116+126.

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)絡自動化，E-mail：793034438@qq.com

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

河北省教育廳重點資助項目(ZH2012066)

TP39

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1672-4321(2016)03-0092-05