基于MobileGIS的智能巡檢系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

鄒波 劉東 李剛 何蓓 駱凱波

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)電力設(shè)備巡檢中存在的巡檢過程難以追蹤、巡檢數(shù)據(jù)難以共享等問題，提出一種由表示層、WAP服務(wù)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)服務(wù)層四個(gè)邏輯層組成的基于J2EE結(jié)構(gòu)的分布式移動(dòng)GIS體系架構(gòu)?；谠摷軜?gòu)實(shí)現(xiàn)了一種使用移動(dòng)手機(jī)作為主要巡檢終端設(shè)備的智能巡檢系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)中采用移動(dòng)定位、二維碼識(shí)別等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了巡檢過程的實(shí)時(shí)追蹤以及巡檢數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。通過系統(tǒng)性能和功能測(cè)試表明，該智能巡檢系統(tǒng)具有操作效率較高、運(yùn)行穩(wěn)定的特性，能夠有效解決傳統(tǒng)巡檢工作的管理痛點(diǎn)。

關(guān)鍵字：GIS，J2EE，巡檢系統(tǒng)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，二維碼識(shí)別

中圖分類號(hào)：C934 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Aiming at the problems such as the difficult to track the inspection process and the difficult sharing of the inspection data in the traditional inspection of power equipment，a Mobile GIS structure based on four J2EE logical layers of presentation layer，WAP service layer，application layer and data service layer is proposed.Based on this architecture，an intelligent inspection system using mobile phone as the main terminal device for inspection is implemented，and real-time tracking and inspection data of the inspection process are realized by using mobile positioning，two-dimensional code recognition and other technical means in the system Real-time sharing.The system performance and function tests show that the intelligent inspection system has the characteristics of high operation efficiency and stable operation，and can effectively solve the management pain points of traditional inspection work.

Key words： GIS，J2EE，inspection system，mobile internet，qr code recognition

1 引 言

電力設(shè)備的安全高效運(yùn)行直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全，高質(zhì)量的巡檢是確保電力設(shè)備安全運(yùn)行的必要措施[1]。隨著大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，以智能手機(jī)為代表的智能移動(dòng)設(shè)備迅速普及。由于智能手機(jī)具有眾多標(biāo)準(zhǔn)功能和優(yōu)點(diǎn)，比如體積小重量輕便于攜帶，集成相機(jī)功能能夠?qū)崟r(shí)視頻，具有實(shí)時(shí)音頻與文字傳輸功能，能夠便捷的實(shí)現(xiàn)GPS定位，以及通信功能等，因此智能手機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)巡檢工作[2-3]?；谝苿?dòng)終端的智能巡檢系統(tǒng)不僅可以減少人為疏忽造成的巡檢錯(cuò)誤，還可以減輕巡檢工作量，提高巡檢工作質(zhì)量。

文獻(xiàn)[4]針對(duì)解決針對(duì)電力設(shè)備分布式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控問題設(shè)計(jì)了基于無線專網(wǎng)的配電變壓器實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)。通信通道利用先進(jìn)的APN技術(shù)建立無線專網(wǎng)，保證整個(gè)系統(tǒng)的快速，可靠，安全運(yùn)行。在文獻(xiàn)[5]中，研究了移動(dòng)GIS，無線網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)定位和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)，設(shè)計(jì)了地理信息系統(tǒng)巡檢移動(dòng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在天津電力公司白廟變電站。在[6]中，一個(gè)具有二維碼讀寫功能的智能設(shè)備被用作水電站檢測(cè)管理系統(tǒng)的移動(dòng)檢測(cè)終端。

基于對(duì)已有研究成果的分析，提出一種基于Mobile GIS的智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用J2EE架構(gòu)的分布式Mobile GIS體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合了二維碼讀取識(shí)別等習(xí)慣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在巡視過程的移動(dòng)智能終端的實(shí)時(shí)定位和巡檢數(shù)據(jù)的高效上傳。

2 基于移動(dòng)終端的GIS體系結(jié)構(gòu)

移動(dòng)地理信息系統(tǒng)（Mobile GIS）是基于移動(dòng)計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的地理信息系統(tǒng)。它不是修改成在移動(dòng)終端上運(yùn)行的傳統(tǒng)GIS，而是將Web GIS擴(kuò)展到包括WIFI和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。由于無線網(wǎng)絡(luò)帶寬低，移動(dòng)設(shè)備多樣化，移動(dòng)設(shè)備處理能力有限，屏幕顯示限制以及移動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)的多樣性等原因，基于Web的 GIS體系結(jié)構(gòu)不適合Mobile GIS[7-8]。

因此提出了一種基于J2EE的Mobile GIS分布式體系結(jié)構(gòu)。該分布式體系結(jié)構(gòu)由從客戶端到服務(wù)器端的四個(gè)邏輯層組成：表示層，WAP服務(wù)層，應(yīng)用層和數(shù)據(jù)服務(wù)層[9]。如圖1所示。

4.1 表示層

表示層是基于WAP的Mobile GIS智能終端的載體，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)的表示邏輯。通常，沒有本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的Mobile GIS智能終端是一個(gè)WAP微型瀏覽器，它控制著GUI，類似于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器。 WAP微型瀏覽器不需要執(zhí)行任何GIS業(yè)務(wù)邏輯，也不需要直接連接到后端數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，也不需要存儲(chǔ)自己的狀態(tài)信息，所以它是一個(gè)真正的“瘦客戶端”[9-10]。

4.2 WAP服務(wù)層

WAP服務(wù)層包括WAP代理（通常稱為WAP網(wǎng)關(guān)）和Web服務(wù)器。 WAP網(wǎng)關(guān)需要處理客戶端之間的協(xié)議互通和Web服務(wù)器[11]。如圖1所示，

WAP網(wǎng)關(guān)由WML編碼器和WMLScript解碼器組成。 WAP網(wǎng)關(guān)可以優(yōu)化通信過程并且可以提供移動(dòng)服務(wù)增強(qiáng)，例如位置，隱私和基于在場(chǎng)的服務(wù)。 WAP網(wǎng)關(guān)使用WAP協(xié)議與客戶端（WAP微型瀏覽器）進(jìn)行通信，并使用標(biāo)準(zhǔn)Internet協(xié)議（如HTTP / HTTPS）與Web服務(wù)器進(jìn)行通信。一旦WAP網(wǎng)關(guān)收到來自客戶端的WAP請(qǐng)求，它就將請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成HTTP請(qǐng)求，然后將它們發(fā)送到Web服務(wù)器。一旦WAP網(wǎng)關(guān)從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收到HTTP響應(yīng)（網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容），它就會(huì)將網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容轉(zhuǎn)換成緊湊的編碼二進(jìn)制格式，以減少通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻舳说臄?shù)據(jù)包的大小和數(shù)量，以便進(jìn)行顯示和/或處理。

Web服務(wù)器包括Web容器和Web協(xié)議支持，安全支持等等。地理空間信息的Web緩存機(jī)制Web容器負(fù)責(zé)管理Java Servlet Engine和Java Server Pagers（JSP）。基于Java的Internet GIS系統(tǒng)通常使用Java Applet和/或Servlet來擴(kuò)展Web瀏覽器的動(dòng)態(tài)顯示功能。Servlet Engine相對(duì)于在Web Server內(nèi)運(yùn)行Applets和/或Servlet，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1.Servlet引擎在Web服務(wù)器內(nèi)運(yùn)行[12]。但Web Server內(nèi)部的小程序必須動(dòng)態(tài)下載到客戶端進(jìn)行處理，這將增加無線和移動(dòng)設(shè)備的負(fù)載（尤其是WAP手機(jī)沒有運(yùn)行小程序的能力）。

2.Servlet Engine可以托管Servlet并為它們提供標(biāo)準(zhǔn)的Java Servlet API。

3.Servlet引擎將Servlet處理從Web服務(wù)器的特定實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)中分離出來[13]。這增加了系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性，因?yàn)樗试SWeb服務(wù)器在不影響整個(gè)系統(tǒng)的情況下進(jìn)行更改。 Servlet引擎還可以提供各種管理功能，幫助將Servlet處理的負(fù)載從Web服務(wù)器轉(zhuǎn)移出去。

Mobile GIS的智能終端的顯示和呈現(xiàn)能力有一定的差異，所以在服務(wù)器端必須有一個(gè)機(jī)制，即Web服務(wù)器可以確定移動(dòng)智能終端設(shè)備的類型，并為移動(dòng)智能終端生成相應(yīng)的表示邏輯[14]。Servlet Engine可以提供兩種Servlet：一種是根據(jù)客戶端的客戶端類型來呈現(xiàn)Servlet，負(fù)責(zé)生成相應(yīng)的表示邏輯；或者識(shí)別負(fù)責(zé)確定客戶端設(shè)備類型（通過訪問移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的客戶端設(shè)備的唯一ID）的Servlet，然后通知呈現(xiàn)Servlet。

Servlet Engine負(fù)責(zé)管理Servlet并為JSP提供支持。由于Servlets在Web服務(wù)器內(nèi)運(yùn)行，每個(gè)線程都不需要GUI，同一個(gè)servlet引擎中的Servlet可以共享資源并鏈接在一起[15]。因此，Web服務(wù)器可以通過運(yùn)行Servlet（即呈現(xiàn)Servlet）來響應(yīng)CGI等客戶端請(qǐng)求來生成動(dòng)態(tài)Web內(nèi)容。而且Servlet比CGI方法和Fast-CGI方法更有效率。通過Servlet和/或JSP，客戶端可以在應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)部間接執(zhí)行EJB組件來實(shí)現(xiàn)GIS業(yè)務(wù)邏輯，如空間分析，空間和屬性查詢，路線規(guī)劃，地理編碼和地名錄等。

4.3 應(yīng)用層

應(yīng)用程序?qū)邮羌軜?gòu)的核心。它對(duì)應(yīng)于通過遠(yuǎn)程方法調(diào)用（RMI）與WAP服務(wù)層中的Web服務(wù)器進(jìn)行通信的GIS應(yīng)用程序服務(wù)器[16]。 Application Server中的EJB容器是包括GIS會(huì)話Bean和GIS實(shí)體Bean的EJB組件的運(yùn)行時(shí)環(huán)境，并控制這些組件的執(zhí)行和傳輸。同時(shí)，容器還為這些組件提供分布式計(jì)算環(huán)境所需的全部服務(wù)。因此，這些EJB組件可以在Application Server中更高效地執(zhí)行。 EJB組件可以使用JDBC（Java數(shù)據(jù)庫(kù)連接）技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并使用JMS（Java消息服務(wù)）技術(shù)連接到后端遺留系統(tǒng)。應(yīng)用服務(wù)器有一個(gè)特殊的定位實(shí)體Bean，用于與提供地理位置信息的移動(dòng)位置中心，移動(dòng)位置協(xié)議（MLP）進(jìn)行通信[17]。移動(dòng)終端使用GPS和北斗定位技術(shù)實(shí)時(shí)捕獲移動(dòng)終端的位置信息。

4.4 數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層對(duì)應(yīng)于用于管理和存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的地理空間和屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。本文采用的解決方案是使用對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)DB2來管理和存儲(chǔ)GIS數(shù)據(jù)，同時(shí)空間數(shù)據(jù)引擎（SDE）也可以被開發(fā)來構(gòu)建數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用層之間的通信。

3 移動(dòng)智能巡檢系統(tǒng)

3.1 移動(dòng)智能巡檢系統(tǒng)需要解決的問題

傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法存在的主要問題傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在的主要問題主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作人員的情況無法查詢。漏檢和誤檢的現(xiàn)象仍然存在，難以杜絕。手寫巡檢數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且形成的數(shù)據(jù)難以有效積累，研究和分享。傳統(tǒng)的檢測(cè)手段無法獲得一些檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，如實(shí)況圖片，視頻和位置信息。巡檢信息反饋不及時(shí)，導(dǎo)致異常的導(dǎo)向和指導(dǎo)檢查結(jié)果不是馬上。巡檢現(xiàn)場(chǎng)檢查的實(shí)時(shí)情況難以及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地回傳到管理中心。巡檢的跟蹤和巡檢的歷史數(shù)據(jù)查詢十分不便。

移動(dòng)智能檢測(cè)系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)通信技術(shù)，GPS定位技術(shù)和可靠性理論相結(jié)合的新型變電站檢測(cè)管理系統(tǒng)。 它可以有效地防止傳統(tǒng)的變電站設(shè)備檢測(cè)缺陷，如檢測(cè)質(zhì)量不高，檢測(cè)錯(cuò)誤，檢測(cè)路線不符合規(guī)定，異常表面信息檢測(cè)不及時(shí)，反饋延遲，數(shù)據(jù)不完整，不準(zhǔn)確等。 查詢和管理相對(duì)困難。

由上所述，移動(dòng)智能檢測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)歸納為以下幾點(diǎn)。

系統(tǒng)可以有效地得到現(xiàn)場(chǎng)檢查人員的位置和回放檢查軌跡，避免遺漏或錯(cuò)誤檢查等問題。

手機(jī)智能檢測(cè)終端可以直接以數(shù)字形式記錄手機(jī)的數(shù)據(jù)和信息，從而提高工作效率。

移動(dòng)智能終端可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，拍照，錄音，錄像，并能實(shí)時(shí)提交報(bào)警和位置信息，以便快速定位現(xiàn)場(chǎng)檢查人員，分析并給出解決方案。

現(xiàn)場(chǎng)檢查人員可以完善統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告，統(tǒng)計(jì)檢查計(jì)劃執(zhí)行情況，統(tǒng)計(jì)異常情況和時(shí)間數(shù)量，并進(jìn)行分類分析，進(jìn)一步優(yōu)化管理流程。

系統(tǒng)可以與后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)集成，提高整個(gè)電網(wǎng)管理的效率。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于Mobile GIS的智能巡檢系統(tǒng)由巡檢監(jiān)控管理中心、通信網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)智能終端組成，如圖2所示。

巡檢管理中心由硬件和軟件組成。硬件包括服務(wù)器，顯示器，打印機(jī)，UPS，主站通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大屏幕顯示系統(tǒng)等。軟件包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件，數(shù)據(jù)采集軟件等。

移動(dòng)智能終端以及巡檢APP軟件均支持Android和IOS設(shè)備。巡檢人員隨身攜帶配備有APP巡檢功能的移動(dòng)智能終端，可以利用GPRS / 4G網(wǎng)絡(luò)，GPS定位功能，方便檢查操作。

移動(dòng)智能終端作為巡檢系統(tǒng)的主要設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)采集巡檢信息，實(shí)現(xiàn)與管理中心后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步，實(shí)現(xiàn)巡檢管理中心平臺(tái)的有效整合。

普通的智能手機(jī)可以安裝智能巡檢APP。智能巡檢APP支持Android和iOS設(shè)備，不需要額外配置硬件設(shè)備。移動(dòng)手機(jī)終端自動(dòng)從巡檢管理中心接收巡檢任務(wù)，并查看巡檢標(biāo)準(zhǔn)。手機(jī)APP可以查看完成的任務(wù)，異常統(tǒng)計(jì)等信息。每個(gè)電力設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)二維碼，如圖3所示。

移動(dòng)終端支持讀取二維碼和條碼，自動(dòng)接收衛(wèi)星定位信號(hào)，并將當(dāng)前位置實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器。在巡檢過程中使用手機(jī)終端采集電力設(shè)備二維碼如圖4所示。

巡檢記錄可以用文字、圖片、視頻等數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接上傳到服務(wù)器，如圖5所示。數(shù)字化巡檢數(shù)據(jù)很容易存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析，也便于管理人員實(shí)時(shí)、直觀地了解巡檢的情況。

巡檢管理人員可以實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的位置信息，并檢查巡檢設(shè)備的位置，以提高工作效率。

4 系統(tǒng)測(cè)試

首先使用不同的智能手機(jī)終端對(duì)巡檢設(shè)備的位置定位和上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，設(shè)備定位和數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間最大為1.86 s，最小為1.39 s，平均用時(shí)約1.59 s，因此可以總結(jié)對(duì)于不同平臺(tái)的手機(jī)終端，基于Mobile GIS的智能巡檢系統(tǒng)均具有較好的運(yùn)行效率。

采用黑盒測(cè)試法對(duì)移動(dòng)終端APP的功能模塊進(jìn)行測(cè)試。由于巡檢系統(tǒng)的移動(dòng)APP的功能都是非流程性的，因此采用邊界數(shù)值法進(jìn)行測(cè)試，即用一組正常數(shù)據(jù)和一組異常數(shù)據(jù)對(duì)功能模塊進(jìn)行測(cè)試。巡檢定位、二維碼識(shí)別和數(shù)據(jù)上傳的功能性測(cè)試報(bào)告如表2所示。

由表2可以看出，移動(dòng)APP的主要功能模塊均能夠正常運(yùn)行。

采用模擬多用戶操作對(duì)系統(tǒng)的處理能力和響應(yīng)速度進(jìn)行測(cè)試，并通過長(zhǎng)時(shí)間的壓力測(cè)試，確定系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。測(cè)試工具使用Loadrunner，壓力值初始設(shè)置為6個(gè)用戶并發(fā)，在測(cè)試過程中逐步提高到20人并發(fā)，壓力測(cè)試時(shí)間為5小時(shí)。測(cè)試中平均每秒點(diǎn)擊數(shù)和平均數(shù)據(jù)吞吐量分別如表3和表4所示。

對(duì)表2和表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，在相同的并發(fā)數(shù)下，每秒點(diǎn)擊數(shù)和數(shù)據(jù)吞吐量的接近的數(shù)值表明系統(tǒng)的處理速度相近，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的波動(dòng)不明顯。隨著并發(fā)數(shù)的增加，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的增加較為緩慢，這表明系統(tǒng)性能平穩(wěn)，在較大的操作壓力和數(shù)據(jù)吞吐量下能夠穩(wěn)定工作。

5 結(jié) 論

提出了基于J2EE的分布式Mobile GIS體系架構(gòu)，并基于該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種使用移動(dòng)手機(jī)作為主要巡檢設(shè)備的智能巡檢系統(tǒng)。通過系統(tǒng)性能和功能測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)電力設(shè)備巡檢中存在的問題，并且具有硬件平臺(tái)穩(wěn)定，使得管理效率得到有效提升，有利于提高電力設(shè)備巡檢水平，有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行，從而提高供電的經(jīng)濟(jì)效益。

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