基于GNSS和蓝牙定位技术的管道巡检系统

王翀

摘要：为了解决目前管道巡检监控工作中存在的因导航卫星信号不佳而导致的监控盲区和需携带专用移动端设备或标签等问题，提出了一种基于全球导航卫星系统（GNSS）和蓝牙的室内外一体化定位技术的管线巡检管理系统实现方案。该系统通过采用GNSS和蓝牙4.0定位技术对巡线区域提供定位服务全覆盖，有效地避免部分区域因GNSS信号不佳而无法准确监控的问题。另外，系统移动端采用主流的Android手机，无须携带专有设备或标签。实践表明，本系统所采用的标准Android手机和蓝牙定位信标实现了管道巡检工作的全区域位置监控，提供了标准的移动地理信息系统功能，实现了巡检监管工作的自动化和智能化，易于推广使用。

关键词：定位；GNSS；蓝牙定位；移动地理信息系统；巡检系统

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）13-0243-03

（前言）管道运输因为具有成本低、运量大、可持续工作、不受天气和地面其他因素影响等诸多优点，近年来，随着国内石油、天然气生产和消费的快速度增长，国家针对管道运输网络的建设步伐也在不断地加快。由于管道运输石油和天然气属于易燃易爆品，任何微小事故都可能会对经济、环境乃至国家安全造成重大影响，因此如何确保管道安全运营显得非常重要。

由于输油管道地域分布较广，日常巡检维护工作枯燥和重复，而巡检人员基本上都是单独作业，容易因为责任心不够而对日常巡检工作产生懈怠。传统的巡检多采用手工记录方式或采用单一定位技术发展而来的巡检系统，已经无法保证管线巡检工作的发展。一方面，漏检、出圈、数据不准确、上报隐患描述不清、专有设备使用和保护不善等管理问题严重；另一方面，因为GNSS信号不佳而导致的部分关键区域无法精确定位等系统问题的存在。尤其当巡检人员发现安全隐患（如管道腐蚀、管道泄漏、违法施工）无法及时上报，地点和情况描述不清，管理人员无法对隐患事件进行及时处理，可能会对输油管道造成潜在的影响和损失。另外，由于巡线人员对于深埋地下的管道位置不明确，导致巡检线路不合理，降低了工作效率，提高了管理成本。

该文主要介绍了基于GNSS和蓝牙定位的管道巡检系统实现方案，通过选用基于GNSS和蓝牙室内定位的多源技术、互联网地图、Android智能手机，提供了全区域无缝定位、无须专有设备和专用标签、低成本、高自动化的管线巡检监管系统。多源融合的定位技术有效地避免了关键区域因为GNSS信号不佳而无法监控的问题。

1 管道巡检系统关键技术的发展现状

目前常用的巡检管理关键技术主要有基于条码识别技术、GNSS定位技术和RFID识别技术。

（1）基于条码或者二维码识别技术。该技术易于实现，且成本极低，但是管道及其相关设备基本上是在野外，周围环境比较恶劣，纸质和塑料质地的条码容易因天气、环境因素、甚至人为因素损坏，而且条码的读取需要一定的光源，无法做到全天候工作。[1]

（2）基于GNSS定位技术发展而来的巡检PDA设备是目前比较主流的巡检技术。基于GNSS技术的识别方式，在野外空旷的区域定位效果好、工作稳定、不易受天气、地理位置和人为因素的干扰，但是由于该方式需要足够强度的多颗卫星信号，在室内和遮挡严重的密集环境中，定位质量难以得到保证，可用性受到严重制约。而专有的PDA设备价格昂贵，在一定程度上也限制了GNSS技术的推广。[2]

（3）基于RFID识别技术。RFID识别方式需要在识别桩或设备上镶贴RFID芯片，而且必须配备专用的阅读器设备；另外，由于 RFID 标签无须直接与阅读器设备接触，RFID发射出的射频信号可能会在使用者不知情的情况下被他人盗取，从而泄漏标签内存储的信息，构成安全隐忧。 [3]

（4）基于多源融合的定位技术。该技术是未来通信导航定位系统中发展的方向，在室外无遮挡的空旷环境中使用GNSS定位技术，在室内环境中，采用UWB、蓝牙、红外线、超声波、wifi等技术发展而来的室内定位技术（LPS），共同实现室内外全方位位置服务。其中，基于蓝牙4.0中BLE（蓝牙低功耗）这个特性发展而来的iBeacons技术具有成本低、功耗低、部署方案简单、精度高（米级）、响应速度快（秒级）、移动端设备解算等特点，加之目前主流手机都已经支持蓝牙4.0标准规范，具有更好的发展前景。[4]

2关键技术

2.1移动互联网地理信息系统

随着无线通信和移动互联网技术的快速发展，大多数智能手机都已经支持GNSS位置服务，移动互联网地理信息系统越来越广泛地为更多人所使用，例如，汽车手机导航。移动GIS主要包括两个大的技术领域，一个是移动端GIS服务，另一个是位置服务（Location-based Services， LBS）。前者的工作主要集中在GIS数据的收集、验证和更新上，而后者主要关注在具体业务中如何设计、实现和应用位置服务。移动互联网地理信息系统的体系结构如图1所示，包括智能手机终端、导航卫星、移动通信网络、室内定位设备（UWB、蓝牙定位设备、RFID和条码）、业务服务器等。移动GIS系统的最终实现目标是提供4A服务：随时（Anytime）随地（Anywhere）为任何人（Anybody）和任何事（Anything）提供实时的地理位置信息服务。[5]

在管道巡检工作中应用移动GIS技术，能够使工作人员实现在任何地点、任何时间使用移动端查看管线地图、上传位置信息、定位导航等功能，准确快速上报发现的事故隐患，保障管道安全运行。[6]

2.2室内定位技术（LPS）

目前室内定位技术主要采用的技术主要有超宽带（Ultra-Wideband ，UWB）、蓝牙、RFID、红外线、超声波、Zigbee、WiFi等。[7]

其中，超声波和红外线技术能够提供高精度的定位服务，但缺点是无法工作在非直视的环境中。UWB技术从理论上解决了在非直视的环境中工作的问题，并提供分米精度级的定位服务，具有系统容量大、传输速率快、功率低，能和现有的通信系统共享带宽等优点。[8] 但是其技术本身还不够成熟，成本高、被定位人和物需要额外佩戴专用标签（相对于手機等终端是天然的标签而言）、需要外接电源和通讯网络、服务器端进行位置解算等问题。而基于蓝牙4.0中BLE（蓝牙低功耗）这个特性发展而来的室内定位技术具有米级精度、成本低、功耗极低、响应速度快、部署简单等特点，一颗纽扣电池就可以支持蓝牙信标点工作一年之久，适合在基础设施建设不全的野外部署。一般在室内空间均匀布置iBeacon基站，当定位人员进入iBeacon基站布置区域，通过手持蓝牙终端设备接收iBeacon基站发送的与位置相关的UUID号和RSSI值，经过加权的三环定位算法即可定位人员在室内的坐标值。目前大多数智能手机都已经支持蓝牙4.0标准规范，用户无须携带专用设备或专用标签，技术容易被接受，具有更好的发展前景。[9，10]在本系统中，考虑到管线的野外工作环境，选取蓝牙室内定位技术。

3 系统设计与实现

3.1 系统整体体系结构

系统整体架构设计如图2所示，主要由两大部分组成：（1）移动端。移动端设备选用目前市面上主流的4G安卓手机，安装巡检系统的移动端APP，由GPS卫星、北斗卫星、蓝牙定位基站提供多源融合的位置服务，地图采用互联网地图叠加管线地图和室内地图，主要实现巡线任务管理、地图位置实时展示、实时轨迹展示和上传、事件上报、历史信息查询等功能；（2）监控端。主要由Web服务器、应用服务器、数据库、PC端和平板电脑所组成，主要实现巡线任务的计划和分派、巡线实时监控、历史信息查询、突发事件管理、人员设备管理等功能。

3.2 移动端体系架构

移动端主要面向巡线人员，它的体系架构采用三层结构设计，包括表示层、业务逻辑层和数据层三部分，体系结构图如图3所示。

其中表示层，为用户提供交互所需的各种界面。本系统移动端的界面主要包括地图主界面，即在一张地图上显示管道中间线及设备、室内贴图、巡线员的实时当前位置、任务执行状态、报警状态、系统状态、事件位置标签等，加上任务管理列表界面、事件上报界面和账号设备相关的系统界面。

业务逻辑层，是体现客户实际业务需求、业务流程和业务规程的系统设计，主要包括业务功能和其所需要的各种基础服务。功能模块主要包括移动GIS、实时定位、任务管理和报警管理等，相关的服务包括位置服务（GPS和蓝牙）、地图服务、加密解密服务、数据传输服务、语音服务、照片视频服务等。在位置服务中，如果移动终端同时取得蓝牙位置信息和GPS位置信息，优先使用蓝牙位置信息。在数据传输服务中，通过采用断点续传技术和Web Socket连接保障数据传输的完整性和实时性。

数据层负责管理任务、事件、轨迹和报警等相关业务所需和产生的数据。其中，通过持久层访问SQLite数据库，通过Android操作系统获取来自各种硬件模块的数据信息。

3.3 监控端体系架构

监控端主要面向管理人员，体现架构采用4层设计，自上而下分为客户层、表示层、业务逻辑层和数据层进行构建，体系结构图如图4所示：

其中，客户层主要是为移动端提供Rest API、表单和Web Socket服务接口。移动端通过客户层获取所需的任务数据、实时上传轨迹信息、隐患事件信息，完成巡线任务工作。

表现层主要包括提供给管理人员使用的Web浏览器端页面。在表现层，通过统一的Web GIS平台，叠加显示互联网地图、室内地图和管线及其相关设施矢量图等多种数据集，提供标准的GIS操作功能。通过该Web GIS平台，管理人员可以全面掌握巡线工作的整体运行情况，实时发现巡线人员的违规行为，根据上报隐患的精确位置和现场的照片、视频信息做出快速准确的响应，及时启动保障预案，保证管线的安全运营。

业务逻辑层主要实现巡线业务在监控平台端所需的各种业务功能和相关的各项服务。

数据层数据主要包括业务数据、管线及相关设施数据和互联网地图数据。业务数据和管线数据保存在本地的数据库中，通过数据持久层进行访问和存取。互联网地图数据通过互联网厂商提供的地图API获取。其中，业务数据主要包括巡检任务计划数据、巡检轨迹数据、事件管理数据、用户数据等。管道数据主要包括管线中间线、缓冲区和相关设施的地理位置信息，采用加密的方式保存在本地数据库中。

4 结论

将融合GPS和蓝牙室内定位技术的位置服务应用到管线巡检的专业工作中，实现了管线巡检工作的全过程、全方位的自动实时监控，解决了因GPS信号不佳而无法精确监控的问题。同时，通过采用标准的Android智能手机，避免了移动端专有设备的硬件研发和采购，降低了成本和使用门槛。

参考文献：

[1] 薛旭艳，张鹏，田奕丰，等.基于3S技术的管道巡检系统[J]. 管道技术与设备，2009，95（01）：25-28.

[2] 王鲁单，王洪光，房立金，等.一种输电线路巡检机器人控制系统的设计与实现[J].机器人，2007，（01）：7-11，17.

[3] 冯海文，付博文，邵中，等.一种基于RFID的安全巡检模型[J].沈阳工业大学学报，2009，31（04）：462-465.

[4] 苏松，胡引翠，卢光耀，等.低功耗蓝牙手机终端室内定位方法[J].测绘通报，2015，465（12）：81-84.

[6] 曹闯明，许德昌.长输管道巡检管理中的多源移动互联技术[J].油气储运，2014，3 （11）：1240-1243.

[7] 康铭东，彭玉群.移动GIS的关键技术与应用[J].測绘通报，2008，378（09）：50-53，69.

[8] 肖竹，王勇超，田斌，等.超宽带定位研究与应用：回顾和展望[J].电子学报，2011，39 （01）：133-141.

[9] 李娟娟，张金艺，张秉煜，等.蓝牙4.0标准规范下的模糊指纹定位算法[J].上海大学学报（自然科学版），2013， 19 （02）：126-131.

[10] 石志京，徐铁峰，刘太君，等.基于iBeacon基站的室内定位技术研究[J].移动通信，2015，39 （7）： 88-91.