基于RFID/GPRS/GIS的特种设备安全检验系统的设计与实现

董天东

(河南省特种设备安全检测研究院,河南 郑州 450004)

基于RFID/GPRS/GIS的特种设备安全检验系统的设计与实现

董天东

(河南省特种设备安全检测研究院,河南 郑州 450004)

本文结合特种设备安全检验工作的特点和设备具体使用环境,分析基于射频标识技术和无线通信技术的特种设备互联技术以及在安全检验的应用,把基于RFID自动识别和计算机网络技术为特征的检验业务管理延伸到特种设备检验现场,并依托地理信息系统技术实现了特种设备的地理空间分布管理,为依靠信息技术提升特种设备安全检验提供一种思路。

射频标识;地理信息系统;特种设备;安全检验

特种设备是指国家认定的,因设备本身和外在因素影响容易发生事故,且一旦发生事故会造成人身伤亡及重大财产损失的危险性设备,包括电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、锅炉、压力容器、压力管道等,尤其是最近媒体报道的多起“吃人电梯”事件,给人民的生活带来了负面影响,在物联网技术发展的今天,依靠目标识别和无线互联技术随时随地了解这些设备的安全运行状况,以便加强安全检验就显得非常重要,而目前的情况是：①对使用这些设备的人或者乘坐这些设备的人来说,根据国家质量监督检验检疫总局的要求,必须在显著位置张贴“安全检验标志”,标志内容包括设备注册代码、维保单位名称、检验机构名称、检验人员以及下次检验日期等,这些信息都是静态的,反映的是检验时的设备安全状况,对设备的详细信息、不合格信息、企业整改信息无法全部显示出来,在发生安全事故时(如电梯关人、公园游乐设施卡人、起重机倾覆等),现场无法方便快捷地获取紧急救援方式和求救信息；②对安全监管部门来说,检验机构检验的历史信息保存在检验机构内部网络中,现场无法确切知道历史检验信息和企业的维护信息,加上企业普遍对特种设备安全意识淡薄、档案资料丢失严重,不只是检验机构对此感觉麻烦,安全监察部门和执法部门也甚为头痛,这些机构之间更是缺少必要的信息沟通渠道,使得特种设备安全监察、执法监督和安全检验工作脱节,借助RFID对设备自动识别,同时配合电信运行商的无线网络技术把信息推送到用户智能手机上或者监管人员专用PDA中可以解决上述这些问题,本文基于此理念设计了特种设备检验检测机构物联网系统,经过实际运用,较好地解决了这个问题。

1 目标识别和信息推送技术的实现

本文设计研究的特种设备物联网系统中的特种设备目标识别,主要采用将印刷好的“安全检验标志”和RFID技术结合,其中RIFD技术主要是满足安全检验部门的设备注册登记信息以及安全检验信息的读取和写入,使用的掌中设备为检验机构专用的PDA,考虑到设备标签的粘贴位置不方便PDA近距离操作,增加了蓝牙读卡器,这样使PDA和RFID标签的距离可以延伸到10m左右；PDA读取设备的特征码后通过GPRS无线通讯技术从特种设备安全检验系统中获取该台设备的相关信息,并回传到检验人员手中,实现了检验现场和检验机构服务器之间的数据传输和交互,把检验机构部门的检验业务管理延伸到检验现场。同样安全监察人员、现场执法人员、用户或者乘客获取设备安全信息只需要使用掌中设备,通过GPRS技术从安全可靠的网络数据库提取历史检查和维护资料,真正实现了特种设备的安全状况公开透明。

实现过程中的一个关键技术RFID系统的选择,这是一种非接触式的自动识别技术,能够用射频方式向待识别设备发射识别代码,待识别设备上粘贴有记录设备特征代码的RFID标签,通过标签上的天线发送和接收射频数据,蓝牙读卡器将收集到的信息传送到用户的PDA上处理和存储［1］。该技术通过将“安全检验标志”与电子标签相结合,实现无线即时读取、大容量和高速数据处理以及高度自动化等功能,极大地方便现场检验人员读写设备相关检验信息。

射频标签使用的工作频率各不相同,主要有三种基本频率,决定着读取距离：①低频(125/134kHz)常用于访问控制,如牲畜跟踪和资产跟踪；②高频(13.56mHz)用于中速读取数据,读取距离约1.5m。这一频率具有不受水和金属影响的特点；③超高频(850mHz～950mHz)读取距离最长,可达3m,用于高速读取。

而标签的读取方式有两种：一种是主动的,一种是被动的。主动标签用电池驱动,向读码器发射信号,传输距离通常到100m。被动标签没有电池,靠读码器发出信号的能量工作,读取距离大约只有3m。主动标签比被动标签的个头大并且贵。

本次应用技术研究中对标签的选择主要考虑三个因素：①电子标签的粘贴部位；②电子标签的使用环境；③电子标签的读取距离。对电梯、游乐设施、客运索道来说,这些设备均有人可以方便、安全接触到的部位,可以选择读取距离近的低频或者高频标签,粘贴在比如电梯轿厢、客运索道上下站、游乐设施入口等处,而对有些不方便靠近的设备,比如无限遥控桥式起重机,就要有针对性开展研究,解决标签粘贴部位的选择问题。试用过程中我们选择13.56mHz的高频被动式电子标签,对于不方便靠近的设备则另外增加蓝牙读卡器,通过该读卡器读取RFID信息,然后通过蓝牙协议传输到现场检验人员的掌中设备。

特种设备使用环境相当恶劣,尤其是起重机械,如此恶劣的环境中,RFID的使用效果和产品的稳定性大打折扣。因此射频标签要能经受着大范围温度差的变化,潮湿的环境和载荷的冲击,安装位置必须可靠,对封装材料的选材上,更要注意防爆、防压、耐酸碱、防日晒等。

另外本系统实现过程中还考虑了射频标签的损坏或者丢失,对电梯、游乐设施和客运索道可以和印刷的“安全检验标志”结合在一起,粘贴在乘客明显可见的部位,而对作业环境相对恶劣的起重机械来说,情况较为复杂一些,对电动葫芦、地面跟随方式操作的起重机可以把电子标签做成卡片吸附在手电门上,对于有操作室的可以把标签粘贴在司机操作的地方,而对于无线遥控又不方便近距离接触的起重机则要具体场合决定,甚至可把射频标签芯片安装在吊钩、吊环等零件里。

射频识别技术的使用将标签芯片安装在特种设备上后,检验员就可以利用PDA将直接读取芯片上的记录,使用GPRS技术从安全可靠的网络数据库提取历史检查和维护资料,真正实时了解设备的安全状况,并马上按照检验规程的要求开始本次检验工作,以标准掌上电脑PDA为基础的现场记录软件可以非常容易地输入检验情况,大大减轻检验员的工作量。当检验员按下存储指令后,检验记录就通过电信网络传送到检验机构基于互联网上的业务管理系统中,完成检验机构内部的报告流转与审批,要是熟练使用的话,这一系统能够将总检验时间减少65%［2］。效率远远优于过去检验人员到达现场后,先查看特种设备的出厂编号和设备注册登记号,找用户索要历年检验报告,然后开始检查工作并手工记录的检验方法。

2 基于GPS/GPRS/RFID应用的特种设备安全检验系统架构

根据国家特种设备相关法律,从设备投入使用、期间定期检查、报废都有严格的管理流程,本次实现的特种设备物联网安全检验系统要做到全过程管理,必须借助计算机网络技术和无线通信技术,另外其PDA具备GPS定位模块,非常容易地采集到设备定位信息,从而生成特种设备安全监管地理信息系统(GIS),通过电子地图平台显示特种设备的基本信息、设备的分类、安全状态等等。本系统的网络架构如图1所示。

图1 基于GPS/GPRS/RFID的特种设备安全检验系统网络拓扑

本系统的特点是：①使用RFID目标识别出设备的注册登记号,即设备拥有的唯一的“身份证”,然后通过GPRS网络建设安全检验机构内部检验业务数据库与特种设备现场智能终端之间的链路,实现设备基本信息、历次检验信息、不合格信息等数据的推送；②可以根据访问权限和信息公开设定内容,实现特种设备使用单位、安全监察单位、安全检验单位以及普通百姓对相关安全信息的获取,营造监督氛围,扩大监管效果；③特种设备安全检验数据库系统可以把指定信息投递给WebService接口,然后再推送到检验人员掌中的终端程序。检验人员可以在终端上进行填写检验记录,然后通过GPRS把数据回传给特种设备安全检验数据库系统。极大地节省检验员的检验时间,检验结果网络实时上传,缓解特种设备高速增长和检验人员不足的紧张局面［3一6］。

3 基于GPS/GPRS/RFID应用的特种设备安全检验系统开发技术

根据系统架构设计和大量安全检验数据输入的实际情况,特种设备安全检验系统采用多层分布式应用体系MIDAS(MultitieredDistributedApplicationServices),其中客户端采用Delphi进行界面开发,服务器为Delphi开发的COM+/DCOM组件,数据库为SQL SERVER2000版。把传统结构中的C/S模式扩展为客户层、中间层和数据层三层模式,客户层主要负责检验数据的输入和显示,中间层负责访问数据库服务器,为客户层提供远程调用接口,是整个系统的核心,数据层则负责数据的储存和管理等［7一8］。

用户界面中的电子地图的显示、编辑、漫游以及空间检索使用地图控件实现,空间数据分层存储在本地客户端,包括行政区划层、道路层、水系层以及地名层,格式使用ESRI (Environmental Systems Research Institute)的shape文件,实现的检索功能包括通过机电类特种设备的相关属性数据检索空间地理分布,如2015年7月26日湖北荆州“电梯吃人”事故发生后,某品牌同类型电梯在郑州的分布情况,在第一时间内检索出这些电梯的分布,及时安排复查,极大地方便了安全监察。在各检验部门负责检验区域分布方面,通常不是严格意义上的行政区划分布,那么使用电子地图的空间检索技术可以方便地增加检验区域分布检索,增加各部门统计数据的地理空间特征,为检验业务的管理提供了极大的便利。

4 结束语

此项应用技术的研究能完成设备信息登记与统计、当前状态显示等方面的管理,使主管部门可以方便实时了解特种设备的安装信息、检测结果、使用状况、历史记录与当前状态等,为地方政府在发生特重大事故时的紧急救援以及事故防范、控制和最大限度减轻特大和重大事故灾害提供先进的管理手段,能有效地对特种设备进行监督与管理,弥补当前管理上的不足,实现“特种设备安全监察无死角”的目标。

［1］谭民,等.RFID技术系统工程及应用指南［M］.北京:机械工业出版社,2007.

［2］Tagging towers·《Cranes Today》·17 September 2007.

［3］Barcodes on steroids·《Cranes Today》·15 November 2007.

［4］王来忠.射频识别车辆信息管理系统［J］.中国安全科学学报,2006,16(4):76一80.

［5］王来忠.GPS车辆行驶记录定位监控信息管理系统［J］.中国安全科学学报,2008,18(6):89一94.

［6］陆文昌,徐贤,修彩靖.基于GPS与GSM的交通事故自动呼救系统的设计［J］.中国安全科学学报,2008,18(4):94一98.

［7］王斌,魏庆朝,杨松林.G3技术集成及其在青藏铁路信息化中的应用研究［J］.中国安全科学学报,2005,15(5):71一74.

［8］张乃禄,张源,徐竞天,等.基于通用无线分组业务(GPRS)的油田生产安全监控系统［J］.中国安全科学学报, 2006,16(8):124一127.

Design and ImPlementation of SPecial EquiPment Safety InsPection System Base on RFID/GPRS/GIS

Dong Tiandong
(Henan Special EquipmentInspection Institute,Zhengzhou Henan 450000)

On basis of the characteristics of special equipment safety inspection and the specific application environment of equipment,this paper studiedspecial equipment interconnection technology and its application in safety inspection based on RFID and wireless communication technology,thus extending the inspection management characterized with RFID automatic recognition and computer networking technology to the on一site inspection.Geographic spatial distribution management of special equipment is also realized by GIS technology,thus providing a new method for improving special equipment safety inspection by information technology.

RFID;GIS;Special Equipment;Safety Inspection

TP311.52

A

1003一5168(2015)07一0037一3

2015一6一28

董天东(1966一),男,大专,研究方向:特种设备安全检验。