基于LBS的换热站智能巡检系统

梁　涛，徐冠楠，杨伟达，邹继行

(河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130)



基于LBS的换热站智能巡检系统

梁涛，徐冠楠*，杨伟达，邹继行

(河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130)

针对目前人工巡检换热站数据更新不及时、智能化程度不高、设备信息获取困难等问题，在充分考虑供热管网系统对空间地理信息数据需求的同时，为摆脱控制中心对办公地点的限制，开发了一种以Android智能手机为平台，基于LBS的换热站智能巡检系统.系统结合GPS技术与RFID技术对传统热网巡检监控平台加以改进，融入非接触式RFID智能卡密钥验证技术对移动终端数据进行加密保护.论述了系统的体系结构与功能设计，经实践验证:换热站智能巡检系统安全可靠，对提高巡检人员工作效率、保障热网稳定运行有重要作用.

换热站；智能巡检；Android平台；基于位置的服务；RFID技术

随着互联网+概念的逐步深入，各行各业都在朝着自动化、智能化、网络化的方向发展，其创新成果融合于各个领域.供热行业作为国民经济发展中重要的基础能源产业，其基础设施的正常有效运行对我国经济发展和社会进步意义重大.定时巡检热站设施，及时发现并解决供热故障，保证民用和公共建筑的稳定供热显得十分重要.然而，换热站目前依旧采用人工抄写巡检信息的巡检方式，工作量大，也很难监督巡检人员定时定轨迹巡检到位，不利于前期统筹规划与后期统计分析.

随着热网覆盖面积的不断扩大，对热网管线的维护工作量与日俱增.由于热网管道的大部分均埋藏于地下，其特殊性导致更新换代困难，故障频率增加，且一旦发生故障，难以迅速检修影响热网正常供暖.另一方面设备所安装的各类检测仪表可在小范围进行故障报警与故障显示，但统筹智能化程度不高，需大量巡检人员待命.目前，已开发较成熟的热网SCADA系统大多以计算机为操作平台，限制了工作人员的办公地点，不利于巡检人员边检测边记录.为解决此类问题，将监控平台与底层巡检人员需求相结合，引入Android移动终端，增强系统可移动性，开发了一种基于LBS的换热站智能巡检系统.

1　热网运行原理及系统监控点

热网运行流程如图1所示，高温水蒸气由热源流经一次供水管网进入换热器转化为高温热水，流经二次供水管网进入热用户室内散热，低温水从二次回水管网回到换热器，最后流经一次回水管网返回热源，进行循环加热.为保证热用户室温稳定达到预设温度，即控制目标为二次网供水温度，对热网进行闭环控制，主要分为一次网流量控制、二次网供回水压差控制、二次网回水压力控制和软化水箱液位控制4个部分.

主要监控参数包含：一次供回水管网压力、温度，二次供回水管网压力、温度，一次供水管网电动调节阀开度，二次回水管网循环水泵频率，二次回水管网补水泵频率，二次回水管网泄压阀阀门开度，水箱液位，室外温度，一次网热量表、二次网热量表、补水流量计、水电表数据等.

图1　热网运行流程Fig.1　The heat-supply operation process

2　体系结构与系统设计中的技术

Android平台下的换热站智能巡检系统较控制中心的上位机平台而言有着其独特的优势，可丰富系统的功能性、完善工作人员需求.如将移动终端便利的拍照、视频、录音等功能集成入系统，巡检人员可随时随地在巡检过程中对现场情况作记录，丰富信息采集手段.代替传统的人工查询设备数据方式，借助扫描RFID标签准确快速的读取设备信息，采集热站实时运行数据.依靠无线通讯技术，将巡检人员采集到的数据上传至后台服务器进行管理和分析.

换热站巡检系统由数据层、服务器层、移动终端三层架构组成，其结构如图2所示.

图2　系统结构图Fig.2　The structure of system

2.1服务器与数据库

巡检系统数据量大，为保障数据的有效管理，采用SQL Server存储方式，划分为系统运行数据、设备信息数据、私有空间数据三大部分.其中系统运行数据存储来自于底层设备的实时运行参数，如供热管网的温度、压力、阀门开度、变频泵频率等.设备信息数据存储整个供热管网的设备信息，如安装地址、时间、所属公司等.私有空间数据则主要存储各热站、热网管线及供热区域的空间坐标信息，用以绘制私有地图层.由于原上位机监控平台的数据连接情况，保障系统数据安全性，改进开发的Android移动终端继续采用WebService搭建Web服务器的方式间接访问数据库.正确配置固定IP，并开启IIS服务将WebService发布出去，供移动终端调取数据.

2.2LBS基于位置的服务

LBS(基于位置的服务)通过GSM网、CDMA网、WIFI等无线电通讯网络或者GPS定位方式来获取移动终端用户的位置信息，在地理信息系统GIS平台的支持下，达到为终端用户提供所需求服务的目的.LBS系统可划分为5个模块，分别是空间位置获取系统、地理信息系统、业务服务系统、信息传送系统和移动智能终端.智能巡检系统依托百度地图API为开发者提供的地图数据，叠加热网私有数据，形成换热站巡检动态地图，结合移动终端GPS技术在移动GIS平台下为用户提供基于位置的服务LBS，确定用户所在位置，提供与位置相关的多种信息服务.

2.3Android平台

Android 是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动操作系统，在系统的设计过程中主要运用到GPS定位技术与NFC技术.

2.3.1GPS 定位技术

移动设备定位方式分为3种，分别为GPS、移动通讯网络及无线WIFI 方式.在本系统中，选择GPS 定位，获得用户所在的位置，其定位更精准.在移动设备上，GPS定位技术已极为普及，可实现跟踪定位、轨迹回放、区域报警、路程统计等多种功能.

2.3.2NFC技术

NFC近场通信技术是由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换.在本系统中，利用NFC技术实现在用户登录过程中的身份验证，从而对行业数据进行保护.

3　系统功能设计

采用以上体系结构，设计了基于LBS的换热站智能巡检系统，采用如下的开发环境.

3.1硬件开发环境

(1)移动设备：512MB内存的Android手机，内置GPS与NFC，存储卡1GB以上.

(2)计算机：CPU为Intel(R)Core(TM)i5，内存2.00GB，磁盘驱动器500GB.

3.2软件开发环境

(1)移动设备操作系统：Android 2.1或以上.

(2)软件开发环境搭建：Windows7操作系统下，服务器端开发需安装VS2010与SQL Server 2008；移动终端开发需首先需要安装JDK并配置环境变量，其次下载并安装Eclipse 4.2.1版本，安装 ADT插件23.0.2、下载更新SDK至最新版.

3.3功能设计

基于LBS的换热站智能巡检系统其功能主要分为移动GIS模块与数据管理模块.其结构如图3所示.

图3　系统功能设计Fig.3　The system function design

(1)我的位置：在有GPS信号的前提下，可现场定位到用户当前所处位置，并将坐标数据显示于屏幕下方，免去了现场查找参考物，无法知道自己所处位置的情况，并通过罗盘判断所处方位.

(2)巡检轨迹：巡检人员点击开始巡检按钮后，即开启GPS功能，记录巡检人员巡检路线，其时间、位置等信息，并保存路径，后期可按时间、人员信息进行查询.

(3)距离测量：移动缩放地图将测量范围置于屏幕中心，长按选择预测算的距离两端点或双击区域，点击“计算”按钮即可显示距离长度或面积大小；点击“清除”可清除点测量轨迹和测量结果.

(4)设备管理：在人工录入设备信息的基础上添加了利用移动终端读取现场设备上的RFID标签功能，在标签内记录了设备的生产厂家、安装时间、地点、维修记录等信息，便于巡检人员快速获取信息，实现设备的图片管理、查询、属性修改、设备维修及维修查询等功能.

(5)运行数据查询：通过树形列表选择待查询的换热站名称进入数据显示界面，菜单标签可切换一次网与二次网，显示对应热网的供水、回水温度、压力、液位等.后台数据库每隔5s自动刷新，调取最新实时数据.

(6)统计分析：连接数据库，对各个站点的温度、压力、液位等数据进行图标绘制.若超出设定的阈值，则在故障诊断界面显示此故障的站点、故障原因、故障时间等详细信息，并传递故障信息.

4　关键技术分析

4.1在Baidu地图上叠加巡检路径

4.1.1在Android平台中显示Baidu地图

使用百度地图之前，首先需申请一个百度地图API key，在百度API控制台中创建新应用，输入应用名称，设置应用类型Android SDK，选择启用服务，在 Eclipse 中打开 Window -> Preferances -> Android -> Build粘贴数字签名(SHA1)字符串，最后填写包名提交即可获得新建应用的访问应用AK.第二步创建并配置工程.第三步在Android Manifest中添加开发密钥、所需权限等信息；在布局xml文件中添加地图控件；在应用程序创建时初始化SDK引用的Context 全局变量；创建地图Activity，管理地图生命周期；运行程序，即可显示Baidu地图.

4.1.2巡检路径叠加

巡检路径信息通过Web服务器从SQL Server数据库中根据巡检人员、时间等信息调取出来.将这些坐标数据按每个时次的路径点经纬度与Baidu地图上的经纬度进行匹配，绘制出巡检路径曲线.数据库中存储的各坐标均为原始数据坐标，其统一于连接的百度地图坐标.若将其显示在移动终端屏幕上，需通过Windows API中的LptoDp函数将图形坐标转换为适用于移动终端的设备坐标.其原理是通过屏幕大小与地图大小的比例转化而来.

4.2Android通过Webservice连接SQL Server

由于供热管网数据量巨大，Android开发自带的SQLite轻量型数据库不能满足热网需求，因此采用SQL Server本地数据库存储数据.考虑到供热系统对数据安全性的高要求，采用WebService作为Android连接SQL Server的桥梁，其实质是通过HTTP协议在服务器端调用并访问数据库.通过在客户端定义一个HttpConnSoap类，通过SOAP协议传递数据，其架构为Windows7 + SQL Server + WebService + IIS + Android的组合.将信息发布到网络需配置Internet 信息服务(IIS)，使用服务器IP、端口号以及数据库的用户名及密码连接数据库与服务器.

4.3基于NFC的移动终端数据保护

Android移动终端存在数据易泄露问题，为防止热网监控系统通过移动终端遭受攻击破坏，采用了一种使用非接触式RFID智能卡结合Android移动终端提供终端数据安全的保护方案.终端硬件只需具备 NFC 功能即可对非接智能卡进行操作.首先将PIN码及卡密钥写入非接智能卡中，一户一卡一终端，通过验证PIN码实现非接智能卡与移动终端的匹配.验证成功后，移动终端加解密程序调取卡密钥进行数据处理.非接触智能卡的使用在用户口令密码的基础上增强了安全性，保证密钥不被任意读取，同时一刷登陆便于携带.

5　系统界面实现

根据系统功能设计，通过Java编程开发实现了基于LBS的换热站智能巡检系统.经大量测试后，验证了系统的可行性.由于GIS功能占用内存较大，虚拟机测试运行缓慢，故选用直接在Android真机运行.只需连接USB数据线，打开调试模式，即可在Eclipse中搜索到测试手机，运行程序，自动下载至真机.在软件的实际应用中，用户首先需在热网公司进行注册，获得包含身份信息的非接智能卡，与移动终端进行匹配.系统程序的权限设置，决定了用户可访问于操作的软件功能.其次，应保证智能手机连接于移动通信网络中，且GPS处于开启状态，预留一定内存.图4为登陆成功后的模拟巡检路径显示界面截图.

图4　巡检路径显示界面Fig.4　The interface of inspection path

可以看到地图数据清晰，人员定位准确，路线规划与记录同步.点击“路径规划”预设巡检路径，点击“开始巡检”向后台发送巡检开始位置与时间、巡检人员信息，点击“完成巡检”则再次向后台发送巡检结束位置与时间，并记录巡检路径.图5为热网运行数据的统计分析界面，将数据以柱状图方式显示并进行对比，增强数据可读性.

图5　统计分析显示界面Fig.5　The interface of statistics

6　结束语

基于LBS的换热站智能巡检系统，针对目前人工巡检换热站数据更新不及时、智能化程度不高、设备信息获取困难、工作地点不定等问题，对传统热网巡检监控平台加以改进，实现在空间意义上的热网数据可视化.并融入非接触式RFID智能卡密钥验证技术对移动终端数据进行加密保护；借助扫描RFID标签准确快速的读取设备信息，采集热站实时

运行数据.依靠无线通讯技术，将巡检采集到的数据上传至后台服务器进行管理和分析.提高了巡检的便捷性与可靠性，实现了巡检的智能化，具有广泛的应用前景.下一步，将继续完善功能，不断增强系统的实用性.

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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 *通讯作者徐冠楠，研究方向：网络自动化，E-mail：793034438@qq.com

梁涛(1975-)，男，教授，博士，研究方向：自动控制、计算机智能控制和现场总线技术，E-mail：54008214@qq.com

河北省教育厅重点资助项目(ZH2012066)

TP39

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1672-4321(2016)03-0092-05