嵌入式GIS技术在输油管道巡检系统中的应用研究
摘 要：分析了当前石油长输管道日常巡检工作所存在问题，提出了基于嵌入式GIS技术的输油管道巡检系统原型，用于解决输油管道巡检过程中巡检不到位、设备漏检以及巡检信息传输滞后等方面的问题。介绍了系统的设计目的、系统组成、工作原理以及关键技术，为嵌入式GIS在输油管道巡检系统中的应用提出了一个可行的方案。
关键词：嵌入式GIS 输油管道巡检 SqlServerCE 无线数据库同步
１、引言
上世纪八、九十年代，利用先进技术的欧美管道管理模式逐步转向总部直接对现场进行维护管理，90年代中后期的北美和欧洲在管道行业全面提出和实施完整性管理。完整性管理是为了保障管道长久有效地使用，通过先进技术手段，分析风险，并采取有效措施进行防范和规避，保证管道处于受控的安全运行状态，包括对管道经过的所有环境因素、第三方因素及管道自身因素的数据分析和管理。为此，需要对大量基础数据进行收集和分析，给出评价建议，在危险没有发生之前进行预防。
近年来地理空间信息科学飞速发展，为输油管道的完整性管理提供了技术手段和保证，
其突出特点就是使用丰富的地理信息系统方法来描述输油管道沿线精确详细的运行状况，构筑一个“数字管道”，使用它可以实时详尽地了解输油管道的各类信息并辅助工作人员进行业务操作与管理决策。
与此同时，随着掌上电脑PDA处理速度的提高，基于PDA，集成嵌入式GIS、GPS、GPRS的石油管道巡线系统，可以准确地把生产现场的管道、设备运行状态、巡检人员的工作状况等信息实时地进行采集和传输，在调度管理中心统一进行管理，实现无线远程的办公自动化。
本文提出了基于嵌入式GIS技术的输油管道巡线管理系统原型，介绍了其中的关键技术。
２、输油管道巡检现状
输油管道的特点是跨度大、距离长、地质环境复杂。输油管道的日常巡检工作需要对自然环境的变化对管线造成的损坏，人为的对管道的破坏，设备老化情况，附属设备运行情况等进行巡查，是石油管道运输领域的难点。对输油管道的日常巡检工作进行有效的管理是保证输油管道及其设备安全运行的一项基础工作。
传统的输油管道管理模式为三级管理即总部管理——区域管理——站场管理，通过电话在总部和区域和各个站场之间逐级进行联系，实现对管道的管理和维护。传统的第一代安全巡检系统采取人工记录方式，该工作模式在生产中存在很大弊病，可能造成巡检不到位、操作失误、观察不仔细等现象，使得巡检数据不准确，设备故障隐患得不到及时的发现和处理。
利用信息钮和条形码等较为先进的自动识别技术进行计算机管理的第二代安全巡检系统曾得到普遍推广应用并在安全生产管理中发挥了巨大作用。但第二代系统也存在许多不足之处，产品安装复杂，而且长期暴露在野外，容易遭到损坏，不便于有效的管理，而且巡检信息仍然是手工记录；费时、费力且填写内容不规范，使得线路巡检信息汇总分析的工作量没有实质性的减少。
综上所诉，当前输油管道巡检信息化程度不高，缺乏对输油管道巡线人员的监管，不能实现实时的数据采集和传输，导致管理的效率较低、管理的信息化程度不高。
３ 基于嵌入式GIS的输油管道巡检系统设计
系统的服务端为输油管道监管中心，监管中心采用WebGIS技术，以输油管道电子地图为基础，实现对管道及其附属设施的监控，实现对巡检人员的位置监控，实现巡检任务下达、巡检报警处理、以及巡查日志的管理与统计分析等功能。
4 输油管道巡检系统功能
4.1 嵌入式GIS
嵌入式GIS，它是运行在嵌入式设备(掌上电脑、PDA、智能手机)上的GIS系统。嵌入式设备，与台式PC机相比具有运算能力低、存储能力小、系统功能弱等特点，而GIS空间数据包括图形数据、拓扑数据以及属性数据等，其数据结构复杂、数据运算量大，因此针对嵌入式设备的特点并结合GIS应用程序的需求要重新设计GIS平台。嵌入式GIS，是新一代地理信息系统发展的方向之一，尤其与GPS、GPRS技术相结合，使得PDA成为智能终端并广泛地运用于导航定位、应急救灾、巡线巡检等领域。
通过运用嵌入式GIS技术，系统把输油管道管线、管道附属设施、管线周围地形地貌以及建筑物等地物要素通过电子地图的方式显示在PDA上，巡检人员可以对地图进行漫游、放大、缩小以及地物属性查询等操作。系统缓冲区分析功能，可根据当前巡检人员GPS定位信息，自动的搜索50米范围内需要巡检的设备，并通过语音提示以及在地图上高亮显示的方式提示巡检人员，尽可能的减少漏检情况。
4.2 GPS巡检导航
PDA中内置的GPS接收设备，通过串口与PDA连接。系统通过实时地读取串口中的数据来获取当前定位信息。定位信息获取后，系统将其与电子地图配准，巡检人员可以清楚的知道自己当前的位置；同时定位信息通过GPRS网络实时地传回到输油管道监控中心，监控中心可以及时地了解每一个巡线人员当前的位置，实现对巡检人员的远程监控，同时监控中心数据库详细记录巡线人员的位置信息，可以对任意巡检人员的运动轨迹进行回放。
系统巡检导航功能，可以自动的求出下一个巡检设备与当前GPS定位之间的最短路径，
为巡检人员指路，避免了由于对管道线路不熟悉，而出现的漏检，同时提高了巡线的效率。
4.3 数据采集与数据传输
系统巡检PDA终端可以采集的数据包括GPS定位数据、突发事件报警图片与报警声音以及巡检任务表单等。数据采集完后可以实时地通过GPRS无线网络上传到监控中心。
1、GPRS无线网络连接
巡检终端PDA通过GPRS网络接入到Internet，实现与监控中心的网络连接。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术。GPRS具有数据传输高速、永远在线等特点，其传输速率可达到56Kbps甚至114Kbps速度10倍于GSM，能够满足系统数据传输需求，还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件，同时由于建立新的连接几乎无需任何时间(即无需为每次数据的访问建立呼叫连接)，因而随时都可与网络保持联系。
2、 定位数据的传输
GPS定位数据通过读取GPS接收设备串口得到，数据结构比较简单，仅包括当前位置的经度和纬度坐标的坐标对以及巡检人员的代码信息。由于定位数据的数据量小，对实时性要求高，因此系统采用UDP协议来上传定位数据，UDP协议具有单向性，效率高能够满足系统需求。巡检终端PDA中不存储定位数据，可以减轻PDA的存储压力。
3、SqlServer CE无线数据库同步与多媒体数据传输
巡检终端PDA后台采用SQL Server CE数据库来存储日常巡查记录表。MS SQL Server CE是Microsoft SQL Server Windows CE Edition的简称，是微软公司开发的，运行于移动设备（WinCE操作系统）上的嵌入式数据库系统，它将Microsoft SQL Server功能延伸到PDA设备上。同时它为开发者提供了一套编程模型，基于该模型，开发者可以快速建立基于PDA的数据库应用程序。
与基于PC机的程序开发不同，基于移动设备的程序开发，首先是在桌面开发环境（如VS.NET ， EVC）中开发，然后编译并部署到客户端移动设备中运行。开发环境中SQL Server CE提供了一套嵌入式数据库引擎类，用以在应用程序中操作嵌入式数据库；客户端环境中SQL Server CE提供基于移动设备的数据库控制台，操作移动设备中的嵌入式数据库；服务器端环境中，SQL Server CE提供基于IIS的SQL Server CE服务，远程数据访问模型（RDA）与合并复制（Merge Replication）就可以通过IIS与SQL Server数据库进行同步通讯。Sq l Server CE的总体架构如下图所示：
系统PDA巡检终端，与传统输油管道巡线系统相比，采用手持PDA设备，通过集成GIS、GPS、GPRS技术，不但能在第一时间采集到现场数据，而且能对线路问题、设备故障、安全隐患进行精确定位，并通过GPRS传回控制中心，实现对输油管道巡检过程的全过程监控。
巡检员遇到突发事件后，点击地图上相应事发位置，系统将弹出报警表单，报警表单上包括巡检员姓名、报警时间、报警设备以及报警内容等项目。其中巡检员姓名、报警时间、报警设备是系统自动添加，无需巡视员填写，以缩短操作时间，同时巡检员还可以通过系统直接采集报警图片与报警声音等多媒体信息。
一条报警信息采集完毕以后，系统将其所有相关内容包括声音和图片信息保存为SQL Server CE数据库中报警表单里的一条新记录，SQL Server CE是基于WinCE操作系统的嵌入式关系型数据库，系统通过嵌入式ADO类来操作数据库中的表单，图片、声音等多媒体数据分别以二进制数据格式即BLOB格式保存到报警信息表的记录中。将一条报警信息保存为数据库中的一条记录，保证了报警信息的完整性与一致性，避免了在相同PDA中不同报警信息内容的混淆与丢失，也避免了不同PDA同时向服务器端上传报警信息时，报警内容的混淆。
SQL Server CE数据库中的报警表单与服务器端SQL Server数据库中报警表单的无线同步，就实现了报警信息的上传。
5 结束语
基于PDA，集成GIS、GPS与GPRS的输油管道巡检系统，解决了传统输油管道巡检过程中巡检人员监控、管道设备数据采集、巡检历史记录归档以及巡检日志查询等方面的难题。实践证明基于嵌入式GIS技术的输油管道巡检系统的应用，极大的促进了输油管道管理的信息化进程，使得对输油管道的管理工作更加规范、高效。
随着PDA性能的不断提高,以及嵌入式移动GIS技术、无线数据传输技术的发展，基于PDA设备以嵌入式GIS作为平台、以无线数据同步更新为数据流的应用，将普遍运用到包括灾害应急、设施巡检、日常巡查等领域。
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