基于射頻識別技術的燃氣管道電子標識系統(tǒng)

柴家鳳 劉慧 徐欣 耿淑琴 周生遠

摘 要：地下管線是城市的“血液管道”和“神經(jīng)網(wǎng)絡”，燃氣管道與給水、排水、電力、通信等地下管線，形成了一張龐大復雜的地下管線網(wǎng)絡。因此，如何利用RFID技術在地面實時監(jiān)測燃氣管道的工作狀態(tài)和維護燃氣管道的安全工作，成為人們要應對的重大挑戰(zhàn)。該文主要從 RFID技術在電子標識系統(tǒng)中的應用為切入點，為眾多基于RFID技術形成的電子標識系統(tǒng)的研究者提供參考。

關鍵詞：燃氣管道；RFID；電子標識系統(tǒng)；線圈天線

中圖分類號：TP31 文獻標志碼：A

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市的基礎設施也在迅猛發(fā)展，城市地下管線越來越多，燃氣與給水、排水、電力、通信等地下管線，形成了一張龐大復雜的地下管線網(wǎng)絡，是城市的“血液管道”和“神經(jīng)網(wǎng)絡”，其構成了保證城市運行的“生命線”。但是地下管線龐大復雜、縱橫交錯，隨著城市快速發(fā)展，由于地面設施、道路變化頻繁等原因，使地下管道的信息更新與城市發(fā)展需求不同步，因此由于第三方施工造成的地下燃氣管線泄漏事故越來越多。第三方破壞導致燃氣管道本體受損進而引起燃氣泄漏，其特點是燃氣泄漏量大，燃燒、爆炸所造成的人身、財產(chǎn)損失巨大，嚴重危及城市的公共安全。燃氣管道一般埋深在1.5 m以內(nèi)，但是隨著我國城市的快速建設發(fā)展，各行業(yè)地下管線越來越多，由于施工影響地下管線交叉也越來越多，越來越復雜。燃氣地下管線敷設時為躲避其他管線，敷設深度會增加，因此埋深在超過1.5 m的管道可能會越來越多。由于地下管線縱橫交錯，全面掌控燃氣地下管線的準確位置信息是施工管理、日常巡檢、泄漏檢測、應急搶修等工作的基礎；也可有效避免“挖爆管”和誤開挖事故的發(fā)生，降低第三方破壞的風險。如何完善和監(jiān)控地下燃氣管道的保障機制是我們國家建設智慧城市、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展要解決的突出問題之一。該文以RFID技術為切入點，全面的綜述了電子標識系統(tǒng)在燃氣管道上應用的相關文獻，希望能給有興趣的研究者提供參考。

1 燃氣管道探測方法在國內(nèi)外發(fā)展的綜述

國內(nèi)外目前在地下燃氣管道示蹤檢測方面主要有3種探測手段：探地雷達探測、聲學管道探測和電磁感應探測。

1.1 探地雷達探測（Ground Penetrating Radar簡稱GPR）

探地雷達又稱地面探測雷達、地質(zhì)雷達，在頻率為106 Hz～109 Hz，是通過電磁波來探測介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)特性和分布規(guī)律的一種電磁波探測方法。探地雷達探測多采用發(fā)射機通過天線向探測目標發(fā)射高頻脈沖電磁波信號，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發(fā)生反射，接收機和接收天線接收來自地下反射回來的電磁波，通過主機發(fā)出的控制命令開始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采樣、量化再進一步通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被顯示和保存。探地雷達在地下管道定位方面的應用效果較好，但需要結合管道的檔案資料進行分析，不能直接分辨出是什么屬性和用途的管道；在管道周圍有間隙、水穴等干擾時，容易產(chǎn)生錯誤信息。除此之外，探地雷達檢測需專業(yè)人員才能準確識別，而且成本昂貴，無法大面積的應用于地下管道。

1.2 聲學管道探測

聲學管道探測主要是利用聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性來檢測和定位地下目標的，截止到今天仍然是比較新的探測手段。聲學管道探測時，由發(fā)射器向地下目標發(fā)射短聲波脈沖，當遇到地下不連續(xù)或不匹配的界面時，會反射回聲波，接收器接收來自地表表面波和管道反射波，進而將數(shù)據(jù)傳遞到控制面板，顯示出地下管道的各種參數(shù)信息。聲學管道探測主要應用于管道撿漏和電力電纜故障的定位中，但檢測的距離有限，往往不能達到工程中地下管道探測的最大距離。

1.3 電磁感應探測

電磁感應探測是地下管道探測的主要方法之一，是在地下管線與周圍介質(zhì)的導電性和導磁性差異的基礎上，根據(jù)電磁感應原理來分析和研究電磁場時間與空間的分布規(guī)律，從而推測出地下金屬管線的位置信息。電磁感應探測只對金屬管線有顯著的效果，對于確定非金屬管線在地下的位置，要通過示蹤裝置沿著金屬管道發(fā)射電磁波信號，再利用探測儀和地下反射回來的電磁信號來定位。目前為止，我國國內(nèi)的示蹤探測法僅能解決部分地下管線定位問題，其他由于受外界壓力等破壞或自身腐蝕斷頭等問題使其無法被探測。除了示蹤探測法以外，還有一種方法是電子標識探測法。這種方法是在施工時在管道正上方埋設電子標識器，通過探測儀在地面與標識器里的線圈產(chǎn)生電磁耦合，檢測出電子標簽內(nèi)部存儲的管道直徑、埋設時間、地理位置和拐點等信息，從而快速準確的定位。電子標識系統(tǒng)在歐美國家已經(jīng)有40多年的歷史，然而我國燃氣行業(yè)在20世紀末才逐漸應用于電子標識系統(tǒng)。電子標識器主要有釘型、球型、盤型等，1.5 m深的地下燃氣管道主要以釘型為主，2.4 m和3 m深埋的地下燃氣管道主要以盤型為主。電子標識器主要部分是通用標簽芯片，成本低，適合大面積應用。

綜上分析對比，電磁感應探測的成本較低，電子標識探測效果較好，建議燃氣公司首選以電子標識探測為手段的電磁感應探測方法。

2 RFID技術的綜述

2.1 RFID技術的發(fā)展概況

RIFD技術起源于第二次世界大戰(zhàn)期間，并且逐漸發(fā)展至今，在服務業(yè)、制造業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、國防以及醫(yī)療領域都有重要應用。我國RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還有待提高，在超高頻RFID方面還有很大的進步空間，但是在低高頻方面技術還是比較成熟。RFID產(chǎn)業(yè)主要由芯片設計、標簽封裝、讀寫設備的設計和制造、系統(tǒng)集成、中間件、應用軟件等環(huán)節(jié)組成。我國目前還未形成成熟的RFID產(chǎn)業(yè)鏈，一些核心技術還掌握在國外手中，還不能應用在金屬材料和液體環(huán)境上。該文主要是綜述低頻RFID標簽天線技術，應用低頻RFID技術在燃氣管道上設計電子標識系統(tǒng)。

2.2 RFID技術的工作原理

射頻識別（RFID）技術，是一種利用射頻通信方式實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術。RFID技術產(chǎn)品大概有無源、有源和半有源3大類產(chǎn)品，其中無源標簽也稱被動標簽，是當標簽進入磁場后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，通過耦合出來的感應電流獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的存儲信息，而有源標簽也稱主動標簽是由標簽主動發(fā)送某一頻率的射頻信號，通過讀寫器讀取信息并解碼后，發(fā)送到帶相關應用軟件的計算機中進行相關的數(shù)據(jù)處理。

該文主要綜述無源低頻標簽的應用，無源標簽無須供電，在地下可以長期運行，而且成本低。RFID系統(tǒng)由電子標簽（即電子信息標簽）、讀寫器和應用軟件3個部分組成。電子標簽由IC芯片和耦合線圈天線組成，當主電路線圈產(chǎn)生諧振時，會給電子標簽側(cè)的線圈傳遞能量，電子標簽芯片會做出應答，發(fā)出標簽芯片內(nèi)的唯一標識碼，由讀寫器接收解讀數(shù)據(jù)，并且傳送到帶應用軟件的計算機進行數(shù)據(jù)處理。RFID系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2.3 RFID技術的應用

RFID技術在超高頻、高頻、低頻段都有很多應用：

在超高頻段有供應鏈上的管理和應用、生產(chǎn)線自動化的管理和應用、 航空包裹的管理和應用、集裝箱的管理和應用、鐵路包裹的管理和應用、后勤管理系統(tǒng)的應用。RFID技術在超高頻領域還可以應用于智慧交通，解決視頻監(jiān)視系統(tǒng)的不足之處，使汽車在各種天氣環(huán)境下都能遠距離、不接觸、高效率的被識別。

在高頻段有圖書管理系統(tǒng)的應用、瓦斯鋼瓶的管理應用、服裝生產(chǎn)線和物流系統(tǒng)的管理和應用、三表預收費系統(tǒng)、酒店門鎖的管理和應用、大型會議人員通道系統(tǒng)、固定資產(chǎn)的管理系統(tǒng)、醫(yī)藥物流系統(tǒng)的管理和應用、智能貨架的管理和應用。

在低頻段有畜牧業(yè)的管理系統(tǒng)、汽車防盜和無鑰匙開門系統(tǒng)的應用、馬拉松賽跑系統(tǒng)的應用、自動停車場收費和車輛管理系統(tǒng)、自動加油系統(tǒng)的應用、酒店門鎖系統(tǒng)的應用、門禁和安全管理系統(tǒng)以及該文綜述的地下燃氣管道的管理和應用等。

3. 電子標識系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 電子標識系統(tǒng)概念

電子標識系統(tǒng)是用于精確定位地下管線及設備的技術，主要由探測儀、發(fā)射電路、RFID系統(tǒng)、接收電路和軟件系統(tǒng)組成。電子標識系統(tǒng)是通過射頻識別技術，應用電磁感應原理來顯示地下管線的相關信息。電子標識系統(tǒng)中每個電子標簽都有全球唯一的ID編碼，同時還有存儲空間，可以存放管線信息，象管徑、埋深、拐點等。軟件系統(tǒng)設計應用了曼徹斯特編碼，還對標簽信息進行了鈍化處理，通過犧牲空間來換取數(shù)據(jù)的準確率，使數(shù)據(jù)能更準確、更高效地被讀出。

3.2 電子標識系統(tǒng)工作原理

探測儀通過間斷的方式發(fā)送一連串相同頻率的電磁波信號，同時，產(chǎn)生相同頻率諧振的地下電子標簽接收，并且存儲通過探測儀發(fā)送的信號。探測儀在指定時間內(nèi)發(fā)送信號，之后會暫時停止發(fā)送信號，而是轉(zhuǎn)入信號接收模式來接收地下電子標簽發(fā)送出的信號波。這些信號波包括了電子標簽唯一標識碼信息、管道深埋信息以及管道的拐點、出口、壓力等信息。當探測儀接收返回的信號波強度最強時，探測儀與電子標簽間的耦合線圈產(chǎn)生的諧振頻率最佳，此時能準確定位地下管道的位置，也就是在電子標識器正下方。

諧振現(xiàn)象是對于任何含有電感和電容的一端口電路，在一定條件下可呈現(xiàn)電阻性，其端口電壓與端口電流相位相同。一端口網(wǎng)絡發(fā)生諧振的條件是端口輸入阻抗或?qū)Ъ{的虛部為零，呈電阻性。諧振電路有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振2種形式，在電子標識系統(tǒng)中的電子標簽側(cè)應用了并聯(lián)諧振。在調(diào)諧時除了頻率確定諧振特性外，品質(zhì)因數(shù)也能反映出諧振特性。諧振現(xiàn)象屬于正弦穩(wěn)態(tài)電路的一種特殊工作狀態(tài)，諧振時的電源頻率也是電路的諧振頻率。

工程中線圈的選材要考慮品質(zhì)因數(shù)Q、線圈半徑、趨膚深度，在實驗時還要注意線圈的間距和線圈半徑。由于不同地區(qū)的土壤特性差別很大，趨膚深度不同，對電磁場信號的影響會有所不同，從而影響地下環(huán)境通信。趨膚深度是場穿透距離的下限，依靠趨膚深度來推測地下通信的距離是比較可靠的。常見地下介質(zhì)（象不同的巖石、沉積物、礦石等物質(zhì)）的趨膚深度在不同頻率下的（1 kHz、100 kHz、1×104 kHz）趨膚深度，如圖2、圖3所示。

4 基于RFID技術的電子標識系統(tǒng)的發(fā)展問題

如今基于RFID技術的地下管道電子標識系統(tǒng)在實際工程中深埋探測已經(jīng)達到了2.4 m，然而在實驗室環(huán)境下最大深埋達到了3 m，可在實際中應用還存在著一些不足。因此，基于RFID技術的地下管道電子標識系統(tǒng)在現(xiàn)有條件下還需做進一步的改進。

（1）隨著自然環(huán)境的變化，土壤的溫度、水分等條件也會變化，這些因素會對地下物質(zhì)的電導率和介電質(zhì)常數(shù)產(chǎn)生影響，從而影響線圈的電感值和線圈的諧振頻率，使電子標識系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，不利于信號的采集和提取。若能將自動調(diào)頻技術應用進去，可以使電子標識系統(tǒng)做出時時地調(diào)整，從而能達到固定的諧振頻率。

（2）隨著RFID技術的發(fā)展，構建大規(guī)模適用普遍環(huán)境下的電子標識系統(tǒng)網(wǎng)絡架構是未來應用的趨勢。

（3）將各個管道反饋回來的信息進行綜合處理，并與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術、數(shù)據(jù)庫技術和三維技術結合，直觀顯示地下管道的空間層次和位置，使地下管道的管理更加準確安全。

（4）加強各類定位算法的研究和改進，進一步提高定位算法的精度，使電子標識系統(tǒng)準確定位地下管道的位置。

5 結語

該文介紹了RFID系統(tǒng)和電子標識系統(tǒng)的基本原理和結構，對現(xiàn)有地下管道探測技術進行了對比分析，綜述了采用低頻RFID技術的地下電子標識系統(tǒng)，為地下燃氣管道更好地在地下應用做鋪墊。隨著RFID技術的發(fā)展，已經(jīng)對越來越多的行業(yè)產(chǎn)生影響，在未來將會對國防和經(jīng)濟做出更大貢獻。希望該電子標識系統(tǒng)在燃氣管道上應用面臨的不足，能在未來得以解決，也希望未來能將此技術在全國范圍內(nèi)進行普及，為智慧城市添磚加瓦。

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