基于MobileGIS的智能巡检系统的研究与实现

邹波 刘东 李刚 何蓓 骆凯波

摘 要：针对传统电力设备巡检中存在的巡检过程难以追踪、巡检数据难以共享等问题，提出一种由表示层、WAP服务层、应用层和數据服务层四个逻辑层组成的基于J2EE结构的分布式移动GIS体系架构。基于该架构实现了一种使用移动手机作为主要巡检终端设备的智能巡检系统，并在该系统中采用移动定位、二维码识别等技术手段实现了巡检过程的实时追踪以及巡检数据的实时共享。通过系统性能和功能测试表明，该智能巡检系统具有操作效率较高、运行稳定的特性，能够有效解决传统巡检工作的管理痛点。

关键字：GIS，J2EE，巡检系统，移动互联网，二维码识别

中图分类号：C934 文献标识码：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

电力设备的安全高效运行直接关系到电力系统的安全，高质量的巡检是确保电力设备安全运行的必要措施[1]。随着大数据、网络、移动互联网等信息技术的快速发展，以智能手机为代表的智能移动设备迅速普及。由于智能手机具有众多标准功能和优点，比如体积小重量轻便于携带，集成相机功能能够实时视频，具有实时音频与文字传输功能，能够便捷的实现GPS定位，以及通信功能等，因此智能手机的应用越来越广泛应用于电力系统巡检工作[2-3]。基于移动终端的智能巡检系统不仅可以减少人为疏忽造成的巡检错误，还可以减轻巡检工作量，提高巡检工作质量。

文献[4]针对解决针对电力设备分布式远程实时监控问题设计了基于无线专网的配电变压器实时监控管理系统。通信通道利用先进的APN技术建立无线专网，保证整个系统的快速，可靠，安全运行。在文献[5]中，研究了移动GIS，无线网络，移动定位和数据加密等技术，设计了地理信息系统巡检移动导航定位系统，在天津电力公司白庙变电站。在[6]中，一个具有二维码读写功能的智能设备被用作水电站检测管理系统的移动检测终端。

基于对已有研究成果的分析，提出一种基于Mobile GIS的智能巡检系统。该系统采用J2EE架构的分布式Mobile GIS体系结构，结合了二维码读取识别等习惯技术，实现了在巡视过程的移动智能终端的实时定位和巡检数据的高效上传。

2 基于移动终端的GIS体系结构

移动地理信息系统（Mobile GIS）是基于移动计算和移动互联网的地理信息系统。它不是修改成在移动终端上运行的传统GIS，而是将Web GIS扩展到包括WIFI和移动通信网络的移动互联网。由于无线网络带宽低，移动设备多样化，移动设备处理能力有限，屏幕显示限制以及移动系统平台的多样性等原因，基于Web的 GIS体系结构不适合Mobile GIS[7-8]。

因此提出了一种基于J2EE的Mobile GIS分布式体系结构。该分布式体系结构由从客户端到服务器端的四个逻辑层组成：表示层，WAP服务层，应用层和数据服务层[9]。如图1所示。

4.1 表示层

表示层是基于WAP的Mobile GIS智能终端的载体，主要负责实现GIS数据的表示逻辑。通常，没有本地存储数据的Mobile GIS智能终端是一个WAP微型浏览器，它控制着GUI，类似于一个标准的Web浏览器。 WAP微型浏览器不需要执行任何GIS业务逻辑，也不需要直接连接到后端数据库服务器，也不需要存储自己的状态信息，所以它是一个真正的“瘦客户端”[9-10]。

4.2 WAP服务层

WAP服务层包括WAP代理（通常称为WAP网关）和Web服务器。 WAP网关需要处理客户端之间的协议互通和Web服务器[11]。如图1所示，

WAP网关由WML编码器和WMLScript解码器组成。 WAP网关可以优化通信过程并且可以提供移动服务增强，例如位置，隐私和基于在场的服务。 WAP网关使用WAP协议与客户端（WAP微型浏览器）进行通信，并使用标准Internet协议（如HTTP / HTTPS）与Web服务器进行通信。一旦WAP网关收到来自客户端的WAP请求，它就将请求转换成HTTP请求，然后将它们发送到Web服务器。一旦WAP网关从网络服务器接收到HTTP响应（网页内容），它就会将网页内容转换成紧凑的编码二进制格式，以减少通过无线网络传输到客户端的数据包的大小和数量，以便进行显示和/或处理。

Web服务器包括Web容器和Web协议支持，安全支持等等。地理空间信息的Web缓存机制Web容器负责管理Java Servlet Engine和Java Server Pagers（JSP）。基于Java的Internet GIS系统通常使用Java Applet和/或Servlet来扩展Web浏览器的动态显示功能。Servlet Engine相对于在Web Server内运行Applets和/或Servlet，具有以下几个优点：

1.Servlet引擎在Web服务器内运行[12]。但Web Server内部的小程序必须动态下载到客户端进行处理，这将增加无线和移动设备的负载（尤其是WAP手机没有运行小程序的能力）。

2.Servlet Engine可以托管Servlet并为它们提供标准的Java Servlet API。

3.Servlet引擎将Servlet处理从Web服务器的特定实现细节中分离出来[13]。这增加了系统架构的灵活性，因为它允许Web服务器在不影响整个系统的情况下进行更改。 Servlet引擎还可以提供各种管理功能，帮助将Servlet处理的负载从Web服务器转移出去。

Mobile GIS的智能终端的显示和呈现能力有一定的差异，所以在服务器端必须有一个机制，即Web服务器可以确定移动智能终端设备的类型，并为移动智能终端生成相应的表示逻辑[14]。Servlet Engine可以提供两种Servlet：一种是根据客户端的客户端类型来呈现Servlet，负责生成相应的表示逻辑；或者识别负责确定客户端设备类型（通过访问移动网络的客户端设备的唯一ID）的Servlet，然后通知呈现Servlet。

Servlet Engine负责管理Servlet并为JSP提供支持。由于Servlets在Web服务器内运行，每个线程都不需要GUI，同一个servlet引擎中的Servlet可以共享资源并链接在一起[15]。因此，Web服务器可以通过运行Servlet（即呈现Servlet）来响应CGI等客户端请求来生成动态Web内容。而且Servlet比CGI方法和Fast-CGI方法更有效率。通过Servlet和/或JSP，客户端可以在应用服务器内部间接执行EJB组件来实现GIS业务逻辑，如空间分析，空间和属性查询，路线规划，地理编码和地名录等。

4.3 应用层

应用程序层是架构的核心。它对应于通过远程方法调用（RMI）与WAP服务层中的Web服务器进行通信的GIS应用程序服务器[16]。 Application Server中的EJB容器是包括GIS会话Bean和GIS实体Bean的EJB组件的运行时环境，并控制这些组件的执行和传输。同时，容器还为这些组件提供分布式计算环境所需的全部服务。因此，这些EJB组件可以在Application Server中更高效地执行。 EJB组件可以使用JDBC（Java数据库连接）技术访问数据库服务器，并使用JMS（Java消息服务）技术连接到后端遗留系统。应用服务器有一个特殊的定位实体Bean，用于与提供地理位置信息的移动位置中心，移动位置协议（MLP）进行通信[17]。移动终端使用GPS和北斗定位技术实时捕获移动终端的位置信息。

4.4 数据服务层

数据服务层对应于用于管理和存储整个系统的地理空间和属性数据的数据库服务器。本文采用的解决方案是使用对象关系数据库系统DB2来管理和存储GIS数据，同时空间数据引擎（SDE）也可以被开发来构建数据服务层和应用层之间的通信。

3 移动智能巡检系统

3.1 移动智能巡检系统需要解决的问题

传统检验方法存在的主要问题传统检测方法存在的主要问题主要表现在以下几点。

现场巡检工作人员的情况无法查询。漏检和误检的现象仍然存在，难以杜绝。手写巡检数据费时费力，并且形成的数据难以有效积累，研究和分享。传统的检测手段无法获得一些检验数据，如实况图片，视频和位置信息。巡检信息反馈不及时，导致异常的导向和指导检查结果不是马上。巡检现场检查的实时情况难以及时、准确、全面地回传到管理中心。巡检的跟踪和巡检的历史数据查询十分不便。

移动智能检测系统是将计算机技术，移动互联网技术，数据通信技术，GPS定位技术和可靠性理论相结合的新型变电站检测管理系统。 它可以有效地防止傳统的变电站设备检测缺陷，如检测质量不高，检测错误，检测路线不符合规定，异常表面信息检测不及时，反馈延迟，数据不完整，不准确等。 查询和管理相对困难。

由上所述，移动智能检测管理系统的设计目标归纳为以下几点。

系统可以有效地得到现场检查人员的位置和回放检查轨迹，避免遗漏或错误检查等问题。

手机智能检测终端可以直接以数字形式记录手机的数据和信息，从而提高工作效率。

移动智能终端可以及时发现现场情况，拍照，录音，录像，并能实时提交报警和位置信息，以便快速定位现场检查人员，分析并给出解决方案。

现场检查人员可以完善统计分析报告，统计检查计划执行情况，统计异常情况和时间数量，并进行分类分析，进一步优化管理流程。

系统可以与后台监控管理系统集成，提高整个电网管理的效率。

3.2 系统实现

基于Mobile GIS的智能巡检系统由巡检监控管理中心、通信网络和移动智能终端组成，如图2所示。

巡检管理中心由硬件和软件组成。硬件包括服务器，显示器，打印机，UPS，主站通讯网络设备，大屏幕显示系统等。软件包括实时数据库软件，数据库管理软件，网络发布软件，数据采集软件等。

移动智能终端以及巡检APP软件均支持Android和IOS设备。巡检人员随身携带配备有APP巡检功能的移动智能终端，可以利用GPRS / 4G网络，GPS定位功能，方便检查操作。

移动智能终端作为巡检系统的主要设备，在现场采集巡检信息，实现与管理中心后台服务器的数据同步，实现巡检管理中心平台的有效整合。

普通的智能手机可以安装智能巡检APP。智能巡检APP支持Android和iOS设备，不需要额外配置硬件设备。移动手机终端自动从巡检管理中心接收巡检任务，并查看巡检标准。手机APP可以查看完成的任务，异常统计等信息。每个电力设备对应一个二维码，如图3所示。

移动终端支持读取二维码和条码，自动接收卫星定位信号，并将当前位置实时发送到服务器。在巡检过程中使用手机终端采集电力设备二维码如图4所示。

巡检记录可以用文字、图片、视频等数字数据直接上传到服务器，如图5所示。数字化巡检数据很容易存储、统计和分析，也便于管理人员实时、直观地了解巡检的情况。

巡检管理人员可以实时查看当前的位置信息，并检查巡检设备的位置，以提高工作效率。

4 系统测试

首先使用不同的智能手机终端对巡检设备的位置定位和上传数据的时间进行测试。测试结果如表1所示。

由表1可以看出，设备定位和数据上传的时间最大为1.86 s，最小为1.39 s，平均用时约1.59 s，因此可以总结对于不同平台的手机终端，基于Mobile GIS的智能巡检系统均具有较好的运行效率。

采用黑盒测试法对移动终端APP的功能模块进行测试。由于巡检系统的移动APP的功能都是非流程性的，因此采用边界数值法进行测试，即用一组正常数据和一组异常数据对功能模块进行测试。巡检定位、二维码识别和数据上传的功能性测试报告如表2所示。

由表2可以看出，移动APP的主要功能模块均能够正常运行。

采用模拟多用户操作对系统的处理能力和响应速度进行测试，并通过长时间的压力测试，确定系统运行的稳定性。测试工具使用Loadrunner，压力值初始设置为6个用户并发，在测试过程中逐步提高到20人并发，压力测试时间为5小时。测试中平均每秒点击数和平均数据吞吐量分别如表3和表4所示。

对表2和表3的数据进行对比分析可以发现，在相同的并发数下，每秒点击数和数据吞吐量的接近的数值表明系统的处理速度相近，系统响应时间的波动不明显。随着并发数的增加，系统响应时间的增加较为缓慢，这表明系统性能平稳，在较大的操作压力和数据吞吐量下能够稳定工作。

5 结 论

提出了基于J2EE的分布式Mobile GIS体系架构，并基于该架构实现了一种使用移动手机作为主要巡检设备的智能巡检系统。通过系统性能和功能测试表明，该系统能够有效解决传统电力设备巡检中存在的问题，并且具有硬件平台稳定，使得管理效率得到有效提升，有利于提高电力设备巡检水平，有利于电网的安全运行，从而提高供电的经济效益。

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