基于Google Earth的天然氣管道巡檢監(jiān)控系統(tǒng)研究

李小龍，　陳曉勇，　張?zhí)礻?，　夏元?/p>

(1.東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 南昌　330013; 2.流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌　330013)

天然氣主干管道長(zhǎng)期置于野外，易遭受外界因素的破壞，故日常的巡檢顯得異常重要。然而，巡線員多為沿線居民兼職，責(zé)任心參差不齊，時(shí)常出現(xiàn)敷衍了事、弄虛作假等現(xiàn)象(張晉, 2014)。傳統(tǒng)的管理方式對(duì)巡線員工作狀態(tài)缺乏有效的監(jiān)督，不利于管道安全預(yù)警與事件及時(shí)處理(于廣婷等, 2013; Dey, 2001; Kim et al. , 2015)。現(xiàn)代常用巡檢監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)巡線員進(jìn)行監(jiān)控，但存在遙感影像底圖更新慢、實(shí)施成本高等問(wèn)題(耿關(guān)慶, 2016; 郭存杰等, 2013; 羅朝明等, 2012; 萬(wàn)青霖, 2017; 楊帆等, 2015; 周地清, 2014; 周嶠, 2013; Mao et al. , 2014)。本文借助Google Earth(Google公司出品的免費(fèi)全球衛(wèi)星地圖集成軟件)可視化功能，自主研發(fā)一款全新的天然氣管道巡檢系統(tǒng)，使管理人員能高效地掌握巡檢區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)狀況，直觀、實(shí)時(shí)地了解巡線員工作位置和野外管線安全狀況。

巡線員利用巡檢終端通過(guò)GPRS將巡檢情況發(fā)送至通訊管理模塊，經(jīng)過(guò)整理后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)?？蛻舳丝赏ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警等功能，使巡檢工作更加智能化、精細(xì)化，提高隱患監(jiān)控質(zhì)量，提升工作效率，保證管道的安全運(yùn)行。

1　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1　系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)分為三層，數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層(圖1)。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)及流程Fig.1　System architecture and flow

(1)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server，通過(guò)數(shù)據(jù)交換接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)庫(kù)記錄來(lái)自通訊管理模塊傳入的移動(dòng)端信息，并響應(yīng)和記錄Web Service對(duì)數(shù)據(jù)的操作。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層。通訊管理模塊負(fù)責(zé)接收移動(dòng)巡檢終端的位置坐標(biāo)、事件報(bào)警等信息，并將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)支持短信交互；客戶端負(fù)責(zé)巡檢監(jiān)控的主要業(yè)務(wù)邏輯，包括巡線員位置實(shí)時(shí)展示、歷史軌跡回放、事件處理、短信交互等功能；而Web Service作為客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)及通訊管理模塊的連接器，其中，客戶端與移動(dòng)巡檢終端的短信功能就是通過(guò)Web Service與通訊管理模塊的連接與交互來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

(3)表現(xiàn)層。裝有終端軟件的巡檢終端接收GPS衛(wèi)星信號(hào)完成對(duì)終端的自動(dòng)定位；在監(jiān)控PC端采用Google Earth把監(jiān)控目標(biāo)顯示在可視化的電子地圖上，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡線員的各種監(jiān)控操作，并通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)向巡檢終端發(fā)布指令和信息。

1.2　系統(tǒng)功能

基于 Google Earth 平臺(tái)的天然氣管道巡線監(jiān)控系統(tǒng)的具體功能主要包括：電子地圖顯示、實(shí)時(shí)跟蹤、歷史軌跡回放、數(shù)據(jù)入庫(kù)、違章處理、自動(dòng)報(bào)警、雙向短消息等(圖2)。

圖2　系統(tǒng)功能Fig.2　System function

(1)電子地圖顯示。分圖層疊加顯示背景電子地圖、管道路由、巡檢管理和動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；提供樹(shù)狀圖層列表和顯示控制，以及圖形窗口的放大、縮小、漫游、距離/坐標(biāo)的量算等電子地圖的基礎(chǔ)功能，方便管理人員的監(jiān)控和查看。

(2)實(shí)時(shí)跟蹤。移動(dòng)巡檢終端工作后，通過(guò)GPRS將巡線員的位置信息發(fā)送至服務(wù)端通訊管理模塊，再解析接收到的信息，并獲得巡線員的位置，或者直接通過(guò)服務(wù)器發(fā)送指令，在地圖上顯示巡線員位置，避免跟蹤位置滯后于實(shí)際位置的問(wèn)題。

(3)歷史軌跡回放。系統(tǒng)以天為單位進(jìn)行記錄巡線員的軌跡，再根據(jù)用戶輸入的查詢條件從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取歷史巡檢位置信息，以連續(xù)定位點(diǎn)連線的方式按巡檢順序?qū)v史軌跡顯示在電子地圖上。

(4)數(shù)據(jù)入庫(kù)。系統(tǒng)接收到移動(dòng)巡檢終端發(fā)送的信息后，對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，再將解析出的信息(巡檢時(shí)間、經(jīng)緯度、人員編號(hào)、事件類型等)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，最終在顯示終端讀取顯示。

(5)違章處理。對(duì)違章事件(如周邊挖掘、碾壓等)進(jìn)行處理，其方式主要是現(xiàn)場(chǎng)溝通，隨后通過(guò)客戶端將處理結(jié)果記錄在案，并可隨時(shí)出具違章統(tǒng)計(jì)信息，同時(shí)可查詢違章地點(diǎn)。

(6)自動(dòng)報(bào)警。自動(dòng)報(bào)警的主要目的是監(jiān)控巡線員的巡檢路線，確保計(jì)劃的巡檢點(diǎn)均得到監(jiān)控，通過(guò)巡線員的巡檢位置，判斷其是否處于報(bào)警狀態(tài)，如巡檢位置距離管線超過(guò)70 m、未按規(guī)定時(shí)間巡檢、或巡檢速度過(guò)快(違規(guī)乘坐交通工具)等，有以上情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

(7)雙向短消息。巡線員和管理人員之間相互通訊，PC客戶端通過(guò)服務(wù)器端可以將相關(guān)指令發(fā)送至移動(dòng)巡檢終端或者巡線員通過(guò)巡檢終端向服務(wù)器發(fā)送事件信息。

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1　KML空間位置刷新

Keyhole Markup Language(KML)是由Google收購(gòu)的Keyhole公司設(shè)計(jì)的，基于XML語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn)的一種地理標(biāo)記語(yǔ)言，現(xiàn)成為開(kāi)放地理空間聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。KML文件可用來(lái)描述和保存點(diǎn)、線、面、模型、圖片等，Google Earth客戶端中用戶標(biāo)注地理要素主要使用KML文件描述(Wernecke, 2008)。在本系統(tǒng)中，天然氣管道走向、場(chǎng)站位置、巡線員位置及巡線路徑就是通過(guò)KML文件標(biāo)注的。

巡線員的位置坐標(biāo)每隔一分鐘自動(dòng)傳回到服務(wù)器，而當(dāng)巡線員發(fā)送事件信息時(shí)則直接附帶時(shí)間位置信息，要求這些位置信息及時(shí)顯示于Google Earth客戶端。KML的NetworkLink標(biāo)簽?zāi)軌蜻B接網(wǎng)本地或網(wǎng)絡(luò)上的KML文檔，并可設(shè)置刷新顯示時(shí)間等選項(xiàng)。利用程序讀取巡線員當(dāng)前位置，并及時(shí)生成本地KML文件，再由包含NetworkLink標(biāo)簽的KML文件連接位置KML文件，實(shí)現(xiàn)巡線員位置的及時(shí)刷新顯示。NetworkLink標(biāo)簽設(shè)置如圖3所示。

圖3　使用KML NetworkLink動(dòng)態(tài)刷新巡線員位置的設(shè)置Fig.3　Use KML NetworkLink to dynamic refresh the location of inspectors

2.2　Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)

Web Service是一種可以接收和響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)，具有輕量級(jí)、跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)等特征。通過(guò)SOAP在Web上提供軟件功能服務(wù)，使用WSDL文件進(jìn)行服務(wù)描述，并通過(guò)UDDI進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)(王楠等, 2006)。由于是企業(yè)內(nèi)部使用，系統(tǒng)采用非完全結(jié)構(gòu)的Web Service(舍棄服務(wù)注冊(cè)中心)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)連接與數(shù)據(jù)操作，客戶端是服務(wù)的請(qǐng)求者，Web服務(wù)端是服務(wù)提供者，與數(shù)據(jù)庫(kù)部署一起?？蛻舳私壎╓eb服務(wù)端，并發(fā)送請(qǐng)求(系統(tǒng)登錄、獲取數(shù)據(jù)、插入數(shù)據(jù)、更新報(bào)警及更新事件等)，Web服務(wù)端通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，向客戶端返回狀態(tài)信息或相關(guān)數(shù)據(jù)，Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)降低客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)的耦合度，保證數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)安全，為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供結(jié)構(gòu)支撐。

圖4　Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)構(gòu)Fig.4　Data service structure using Web Service

3　系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，以Windows為應(yīng)用部署平臺(tái)，選用MS-SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)、微軟IIS(Internet Information Services)作為Web服務(wù)器、Visual Studio.NET作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)、Google Earth作為時(shí)空數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，通訊服務(wù)器采用TCP Server通訊臺(tái)，Web服務(wù)、通訊服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)三者共同部署與一臺(tái)服務(wù)器。

(1)系統(tǒng)非業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)需要登錄，以便確定登錄人(管理人員)所對(duì)應(yīng)管理的巡線員；登錄后客戶端除了啟動(dòng)Google Earth展示所管轄巡線員的當(dāng)前位置，其他功能都集成到托盤程序中；當(dāng)有違章、報(bào)警及短信消息時(shí)，托盤程序會(huì)有所提示，界面如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)非業(yè)務(wù)功能界面Fig.5　System interfaces of non-business functionA. 登錄；B. 托盤功能；C. 托盤提示

(2)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)具有巡線員位置實(shí)時(shí)顯示、歷史巡線軌跡回放、違章信息查看與處理、報(bào)警信息查看處理與統(tǒng)計(jì)、短信互動(dòng)等功能，其部分功能實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

系統(tǒng)在浙江省天然氣開(kāi)發(fā)有限公司進(jìn)行了部署與測(cè)試，取得了較好的應(yīng)用效果，達(dá)到實(shí)現(xiàn)了對(duì)巡檢員的有效監(jiān)控與管理。

圖6　系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能測(cè)試界面Fig.6　System test interfaces of business functionA. 實(shí)時(shí)位置監(jiān)控，B. 歷史軌跡回放，C. 報(bào)警信息處理

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前管道巡檢監(jiān)控的不足之處，設(shè)計(jì)出一套運(yùn)用Google Earth等技術(shù)，對(duì)天然氣管道巡檢行為進(jìn)行監(jiān)控的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位與可視化、自動(dòng)違規(guī)巡檢報(bào)警、遠(yuǎn)程交互等功能，為巡檢監(jiān)控提供實(shí)時(shí)、客觀、準(zhǔn)確、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持。從基本原理、特點(diǎn)、擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性等五個(gè)方面比較傳統(tǒng)巡檢監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)代常用巡檢監(jiān)控系統(tǒng)及Google Earth巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)(雷宇等， 2008)，如表1所示。

表1　巡檢監(jiān)控系統(tǒng)比較