CN203054241U - 一种地下管线的定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及定位技术，旨在提供一种地下管线的定位系统，该系统包括电子标识器和探测仪，电子标识器为类低负载的LC谐振电路结构电子标识器；探测仪为手持式，能发送低频电磁波信号振荡该LC谐振电路，并根据接收到的反射信号的强弱来确定所述电子标识器的位置以及埋设深度；探测仪还可通过可移动的读取设备访问后台计算机管理系统，或者通过硬线接口直接和后台计算机管理系统相连。本实用新型可以将地下管线的地理位置、管线走向、管线关键点信息、管线周围情况等信息直观、准确的通过手持终端、GIS地图展现出来，从而极大地提高工作效率。

Description

一种地下管线的定位系统

技术领域

本实用新型涉及定位技术，具体地说，是一种地下管线的定位系统。 

背景技术

地下管线是城市的生命线，水、油、煤气、电信、电缆等公共事业的地下管道都在地表面下纵横交错地铺设，造成地下管路网络的错综复杂化。在城市建设中，常常需要对旧的管线维护或改造，或者新铺一道管线或者新开挖建造一幢建筑物等等情况，这就需要对原有的地下管线重新探测，需要越精准才会破坏的危险性越小。以往对这些地下管线的资料通常以竣工图和管线的属性卡片、表册等来记录表示，但这种手工的、纸件方式的管理模式已远远跟不上时代的变化，纸质的管线图表信息本身存在着保管难、修改难等问题，而且图表中作为参照物的位置点，比如道路、桥梁、房屋、树木、电线杆、沟渠等，在日后实际中都有可能发生变动或灭失，从而失去原有坐标的参照意义，无法精准定位，从而加大了探测工作的难度，使得开挖面不断变大，危险性也加大；如果参照电子地图，由于电子地图本身存有人为上的偏差，同样探测工作面要很大。因此，如果没有预先精准定位的管线地图，在后面施工过程中很容易造成挖断管路等重大事故。 

深圳市杰瑞特科技有限公司在2010年8月9日提交了“地下管道定位方法及其系统”的申请专利（申请号：201010248381.7），公开了一种对地下管道的定位方法，分为预埋步骤、探测步骤、验证步骤和定位步骤，采用RFID（Radio Frequency Identification无线射频识别技术）原理，先在埋地标签（无线射频定位标识器） 上设置射频芯片，射频芯片上预先储存ID码及管道信息等；探测过程中，先由探测定位设备向标识器发送电磁波信号，标识器上的LC振荡电路收到信号后开始储能以供射频芯片反馈信号，探测定位设备收到LC振荡电路发射的射频芯片中存储的ID码及管道信息后，经校验处理后读出具体信息，该信息还包括有相邻的标识器的方位的指示，因此可以确定了管线的下一步走向，通过依次读出射频芯片中预存的管道信息，从而确定了地下管线的整个走势图。深圳市杰瑞特科技有限公司同时也提交“地下管道定位标识器”（申请号201020285555.2）专利申请，并在2011年2月23日又提交了“地下管线探测定位设备”（申请号201120046121.1）专利申请，用于应用这种地下管道定位的方法。上述3项专利都是用无线射频芯片存储管道信息来确定地下管线的定位（图），由于不是实测数据，因此容易与后来发生的实际情况产生偏差，特别是路面埋土深度；而且该专利里的管线走向是依据前一芯片上所指示的数据（方向、距离），因此只能指出大概的位置，不能有精确的坐标定位，操作性差。另外，该专利中的无线射频技术也存有以下缺陷： 

1、传输ID码及管道信息的无线射频信号弱，作用距离短，不适于在深埋的地下管线上应用。 

2、射频芯片需要专厂定制，而且成本昂贵。 

3、射频识别模块的结构复杂，制造成本高。 

4、管道信息非实测，容易与地图产生实际误差。 

5、失效风险高。如果射频芯片一旦失效，就将彻底失去管道的信息，从而不能再以非挖的方式重新探测。 

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种地下管线的定位系统。 

为了实现上述目的，本实用新型是的技术方案如下： 

一种地下管线的定位系统，包括电子标识器和探测仪，所述电子 标识器为类低负载的LC谐振电路结构电子标识器；所述探测仪为手持式，能发送低频电磁波信号振荡该LC谐振电路，并根据接收到的反射信号的强弱来确定所述电子标识器的位置以及埋设深度；所述探测仪还可通过可移动的读取设备访问后台计算机管理系统，或者通过硬线接口直接和后台计算机管理系统相连。 

作为一种优选，所述探测仪上设置有GPS（Global Positioning System全球定位系统）模块，用来获取电子标识器所在的经纬度坐标。 

作为一种优选，所述探测仪上设置有功能键盘和显示屏，以及电子指南针和信号蜂鸣器；功能键盘和显示屏用于人机交互操作，电子指南针用于指示方向和纠偏，信号蜂鸣器用于提示探测信息。 

作为一种优选，所述可移动的读取设备为平板电脑或智能手机。 

作为一种优选，所述平板电脑或智能手机与探测仪用硬线接口或蓝牙连接，与后台计算机管理系统用无线网络或硬线接口连接。 

作为一种优选，所述后台计算机管理系统是以电子标识器的坐标为基础，在电子地图上虚拟展现地下管线的分布情况和路由情况，以及电子标识器埋设处的地下管线的工程信息。 

作为一种优选，所述工程信息包括地下管线的建设年代、施工单位、压力、管径、材质，以及管线的三通、弯头、变径或穿越处的位置信息和图表信息；对每一个电子标识器一般存放4幅现场参照物照片，便于以后管线的查找定位。 

作为一种优选，所述电子标识器的外形为圆盘状，线圈缠绕在圆盘的圆周；电子标识器可采用防潮防腐的耐挤压材料制作。。 

作为一种优选，所述电子标识器埋设在：地下管线T型分支点，预埋管线的端口，护管的两端，阀门处，转弯路径处，深度变化处，中间接头处，铁路交越处，道路交越处，河流交越处，管线交越处；对于直线管道，每隔不大于50米设置一个电子标识器。 

作为一种优选，所述电子标识器埋设在管线的正上方，埋设深度1.2-1.5米，便于日后定位查找。 

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于： 

1、及时获取地下管线精确路由及深度。 

2、现场快速定位地下管道设施。 

3、现场快速识别不同地下管线设施。 

4、有效避免误开挖，提高抢修速度。 

5、可实时监控，动态循线，实现地下管线动态管理。 

6、极大节省人力，物力与财力，工作效率极大提高，运营成本极大降低。 

附图说明

图1为本实用新型地下管线定位系统的结构图； 

图2为地下管线定位系统的流程框架图； 

图3为本实用新型中的GIS管线管理系统结构图； 

图4为电子标识器埋设位置示意图； 

图5为电子标识器探测工作示意图； 

图6为电子标识器的查找方式路线图； 

图7为本实用新型具体实施例的结构示意图； 

具体实施方式

下面通过说明书附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。 

结合图1和图7所示，本实用新型的地下管线的定位系统主要由三部分组成，分为：电子标识器及电子标识器探测仪部分、平板电脑或智能手机整合系统部分和计算机后台管理系统部分。 

（一）电子标识器及电子标识器探测仪（包括GPS模块、蓝牙适配器及相应软件） 

1、电子标识器是电子标识系统的核心组成部分，用于精确标识地下管线特征点，是一种可被相应的探测仪从地面以非开挖方式探测到的无源电子器件，至少50年免维护。 

在施工时，将电子标识器埋设于主要地下管线设施之上，或在管维护时标注现有地下设施。允许用户在地下管线建设和维护过程中对管线路径和重要地下设施进行标记，以便日后对地下管线进行精确路由定位和深度测量。 

2、电子标识器探测仪用于从地面以非开挖方式精确探测地下电子标识器，可以测量电子信息标识器的深度。 

电子标识器探测仪对地下电子标识器进行查找定位时，可以首先GPS信息在图纸上确定电子标识器的大概位置，到现场利用GPS模块粗略定位后，然后在这块区域用电子标识器探测仪进行S型查找，如图6所示。 

如果按以上操作，用电子标识器探测仪找到该点确实有地下电子标识器，但无法精确查找，信号范围无法确定，则考虑： 

（1）周围是否有高压线等干扰；某种干扰电波（如国防部等军事机构）； 

（2）电子标识器的埋设深度是否超过施工要求，或路面是否有可能加高； 

（3）电子标识器探测仪电量是否充足。 

本实用新型是将GPS定位技术、无线传输技术、电子标识探测技术三者有机结合后内置于电子标识器探测仪中。 

（二）平板电脑或智能手机整合系统（包括PDA、蓝牙适配器及相应软件） 

在地下管线运行维护、抢修、补测、技术改造等各项工作中可现场利用平板电脑（PDA）或智能手机访问计算机后台管理系统，实现管线具体位置的查找，以及查找管线的具体信息，如建设年代，施工单位，压力、管径、材质、管线的三通、弯头、变径、穿越等特殊关键点的具体位置等等详细信息。 

（三）计算机后台管理系统 

对电子标识器的发放情况、埋设情况、验收情况进行管理，可以对日后管线的日常维护、数据查询、统计、分析、汇总。通过对历史数据的收集和汇总分析，对制定管线维护计划和处理突发事件提供有益的帮助。 

将电子标识器的信息直观的体现在GIS平台软件上，以电子标识器坐标为基础，直观准确的展现虚拟地下管线分布情况和路由情况，以及电子标签埋设处的地下管线的工程信息。通过这些电子标识器的信息可掌握地下管线的分布情况及关键点情况，直观明了。 

本实用新型的管线定位系统可适用新发工程，技术改造，基建工程，切接线工程，补测工程，抢修工程等全面进行电子标识器的工程实施方案，应用方法大致步骤可分为： 

1设计：地下管线设计之初，根据测量的情况、现场核查情况以及电子标识器设计规范，确定电子标识器的现场埋设情况，主要确定标识器的埋设位置、埋设深度以及埋设方式。 

2施工：施工方根据图纸上标识的电子标识器的相关属性信息，按照图纸要求，结合施工规范将电子标识器埋在指定位置。同时使用GPS系统定位电子标识器坐标，并将数据信息通过硬线直接连接，或者通过平板电脑（PDA）或智能手机上传到中心服务器GIS系统中。 

3验收：根据施工图纸，使用电子标识器探测仪对每一个地下电子标识器进行验证，确认图纸与实际相符。 

4运营维护：结合GPS系统和GIS系统对管线进行快速准确定位查找。 

对本实用新型具体实施例中的各部件功能说明如下： 

电子标识系统由电子标识器和电子标识器探测仪两大部分组成，其原理基于射频原理。当使用电子标识器探测仪对地下电子标识器进行探测时，探测仪先向地下发出一定频率的电磁波信号，当 靠近标识器时，电子标识器会反射电子标识器探测仪发出的信号，从而被探测仪发现和接收，并通过声音和读数来告知操作者地下设施的相关信息（埋设位置和埋深）。本系统采用低频信号，能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离，最大理论读取距离可达2m，完全可以满足系统设计需要。 

电子标识器是电子标识系统的核心组成部分之一，本身是一个无源体，内部是一个特定低频的谐振电路，外壳防潮、防盐酸、防腐蚀、耐挤压。后台数据库中包含客户的细节信息，如设备数据，危险级别，应用类型，放置日期和其他重要详细资料。安装电子标识器与管线同步进行，设置在管件上方10cm左右。 

平板电脑（PDA）或智能手机接收来自电子标识器探测仪信息并解码，基于移动GIS技术开发的数据处理软件，调用和编辑接收到的管线资源相关信息，实现管线资源的移动管理。移动GIS数据库与后台管线资源管理系统数据库可通过无线网络或硬线接口实现数据交换。如图3所示，基于GIS的后台信息管理系统是整体系统的数据处理核心，是建立在GIS基础上的地下管线管理系统，采用先进的计算机图形技术、数据库技术、计算机网络技术和地理信息系统技术，满足公共设施管理、企业行业技术规范、生产流程和管理制度的企业级自动制图与设施管理应用系统。 

结合图1和图2，整套系统的工作流程是：操作人员利用平板电脑（PDA）或智能手机从后台管理系统中下载已录入好的工程信息，后将平板电脑（PDA）或智能手机通过蓝牙与电子标识器探测仪相连，探测到电子标签后，再利用GPS技术测量出该标识器的坐标信息(经度、纬度)，平板电脑（PDA）或智能手机自动将电子标识器信息储存在一条记录中，自动保存到文件中，然后进行下一个标识器的定位工作。随后将现场信息通过无线网络传输到后台管理系统数据库中(或手动通过硬线接口上传)，便于日后管理、查询、统计。 

（1）电子标识器探测仪模块 

本模块主要包括以下部件：键盘输入、液晶屏显示、声音输出、 GPS获取、电子指南针、存储系统、人机交互与射频控制的通信接口、人机交互与平板电脑（PDA）的通信接口等。 

模块工作概况如下： 

1、用户通过键盘选择需显示的功能，液晶屏响应并改变显示信息； 

2、若改变射频模块的工作参数，则从键盘输入，然后通过“人机交互与射频控制的通信接口”把参数传送至“射频控制板”，并在液晶屏显示“射频控制板回传的工作状态； 

3、在扫描标签时，声音输出会根据与标签的距离响出不同频率的声音； 

4、在需要GPS时打开GPS功能，定位成功后会提示数据可用。 

5、电子指南针打开时会在液晶屏显示方向，属于辅助施工或扫描标签的的功能。 

6、存储系统是用于在没有平板电脑的情况下存储标签信息，然后再统一传入后台数据库的。 

部件概述如下： 

1、键盘输入：采用按钮式的键盘，直读式（非扫描式）以缩短键盘读取程序加快处理速度，若系统整体的运行周期控制得好则可以降低微处理器的运行速度，可以降低功耗。 

2、液晶屏显示：采用纵横均为160像素的黑白单色屏，FSTN正显工艺的COG屏。由于是半透半反工艺，可以在阳光下看得很清晰。背光控制通过多路限流电阻的通断来改变亮度，由于背光的电流在50mA以上，所以将会加入背光使用时间提醒，提醒用户已经长时间打开背光，请尽量关掉或者调低亮度，但是会加入光敏电阻检测环境光度，若是处于黑暗环境中则关闭提醒。液晶屏的显示采用emWin系统，并加入中文字库函数。 

3、声音输出：手持机机身带有喇叭进行提示，另外再提供音频输出口给用户连接耳塞，这样就可以在比较嘈杂的环境中工作，并且推荐用户使用入耳式耳塞，隔离环境音的效果更好。由于入耳 式耳塞属于不宜多人共用的产品，将不作为标准产品，提供选配件，用户可以按需要人均采购一套。声音的输出是通过微控制器的PWM输出驱动音频功放电路，提供鸣响功能。 

4、GPS获取：采用U-blox第六代的芯片、全向天线（四臂螺旋式天线），这是目前民用级最好性能的方案，提供2.5米的定位精度，最大海拔高度为5000米，最大速度为500m/s，冷启动时间为26s，热启动时间与再捕获时间均为1s。GPS通过波特率为9600（8N1）的UART与微处理器连接，通信方式为标准的NMEA，MCU读取每帧数据后解析坐标，然后按需传送至平板电脑或记录在本机。 

5、电子指南针：采用LSM303DLH芯片，加速计、磁力计、A/D转化器及信号条理电路集成在一起，通过I2C总线和处理器通信，一颗芯片就实现了6轴的数据检测和输出。加速度计与磁力计的组合可以修正非水平时的偏差。 

6、存储系统：机内固化有SD卡，用于保存定位标签的信息，等施工完毕后把手持机连接到电脑，再一次性把标签信息传送至电脑。这是在手持机脱离了平板电脑时才使用的功能。MCU通过SPI控制SD卡，采用FATFS文件系统管理。 

7、人机交互与射频控制的通信接口：人机交互模块与射频控制板的通信通过UART，把射频输出参数和锁相放大参数传送给射频控制板，射频控制板把工作状态参数回传给人机交互，并显示在屏幕上。 

8、人机交互与平板电脑的通信接口：人机交互模块要与平板电脑交流信息，把标签信息传送到平板电脑中。 

（2）软件设计 

在地下管网系统中，管网的数据包含管段管径，管材，气压，节点经纬度等等，需要一个后台数据管理系统管理管网数据，该后台管理系统称为管网数据管理系统。管网数据管理系统的功能的基本功能如下：存储数据，保存管网相关数据和图片；支持双机数据备份，以防服务器出现故障而丢失数据；提供网页查询，可在施工 现场使用平板电脑（PDA）获取该地区的管网数据；拥有专门的数据库管理软件，可以方便管理数据，如数据的添加、修改、和修改，以及从平板电脑（PDA）直接获取来至施工现场的数据；服务器进行安全可靠的设计。 

标签GPS定位应用软件，开发平台是基于Android(安卓)操作系统的手机移动应用领域上进行开发的，软件开发环境采用了Eclipse3.4+Android SDK集成环境，编程语言采用了Java，硬件直接采用android操作系统的平板。标签GPS定位应用软件，PDA手持机和服务器的桥梁。PDA可以在施工现场作为指挥者的工具，获取手持仪对标签进行测试的埋深（单位：m）、经纬度（单位：度），并上传到后台服务器，对数据进行保存管理。实现地下管道在平板的电子地图上的可视化，标签的埋设位置也一一反应在电子地图上，无论在施工或者是维护阶段，都起到一个信息的录入、查看标签详细信息、传输和管理等功能，对现场的施工人员起到非常重要的作用。 

软件功能概述： 

1、建立PDA本地数据库：实现标签信息、照片和文件等的存储。数据包括：登录人员信息、标签信息表和照片存储文件。 

2、现场照片：为实现快速寻找到标签点，在埋设标签时候调用拍照功能，对现场环境进行拍照，并存储在本地文件里，在开启WIFI,上传图片到服务器。 

3、接口访问：通过WIFI或手机网络信号，访问接口服务器，实现上传、下载标签信息和现场照片，使用蓝牙或者硬线接口接口获取手持仪的数据。 

4、地图：调用地图供应商的接口API，实现地图的本地调用，GPS位置定位获取经纬度信息、标签点信息在地图上X/Y坐标显示、根据不同的单位管理进行标签点与点的虚线管道绘制、根据不同的查询信息，显示对应查询标签点在地图上的显示、区域下载标签信息、显示。 

5、数据库需求分析：管网系统涉及的数据库表包含四个：管段信息表，节点信息表，管网图表，标签图片数量表，施工信息表，施工队信息表，其他公司信息表。管段信息表主要储存管段相关信息。节点信息表主要储存节点相关信息，如邻近节点号，经纬度等。管网图表主要保存管网相关图片。标签图片数量表主要用于储存该标签的图片数量。施工信息表用于保存施工后的相关信息。施工队信息表用于保存施工队信息。发现附近有其他公司单位的管线，信息将保存在其他公司信息表里。用户信息表用于保存用户的信息。标签分配表用于保存已分配的标签号码段和标签总数，其中标签总数由数据库管理软件修改，已分配的标签号码段有PDA修改。 

6、服务器的整体设计：数据库为MYSQL，中间件为TOMCAT，设有一个共享文件夹，用于存储图片；支持双机数据备份，使用花生壳软件作为动态域名解析。 

本实用新型中的软件部分主要由后台服务端软件、智能现场管理软件和手持设备控制软件三大部分组成。后台服务端软件是整个系统的核心，主要应用软、硬件冗余等技术实现数据的固化存储、多形式查询、统一管理；智能现场管理软件是在安卓操作系统基础上开发的现场调度、管理软件。该软件实现现场施工管理、调度、位置查询和项目检修等功能，是后台服务端软件和手持设备控制软件的重要节点；手持设备控制软件是结合手持设备开发的软件控制平台，提供方便易用的软件操作平台，使手持设备能人性化、智能化操作。 

最后，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其流程、技术内容所取名称等可以不同。凡依本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。 

Claims (8)

1.一种地下管线的定位系统，包括电子标识器和探测仪，其特征在于，所述电子标识器为类低负载的LC谐振电路结构电子标识器；所述探测仪为手持式，能发送低频电磁波信号振荡该LC谐振电路，并根据接收到的反射信号的强弱来确定所述电子标识器的位置以及埋设深度；所述探测仪还可通过可移动的读取设备访问后台计算机管理系统，或者通过硬线接口直接和后台计算机管理系统相连。 

2.根据权利要求1所述地下管线的定位系统，其特征在于，所述探测仪上设置有GPS模块，用来获取电子标识器所在的经纬度坐标。 

3.根据权利要求2所述地下管线的定位系统，其特征在于，所述探测仪上设置有功能键盘和显示屏，以及电子指南针和信号蜂鸣器。 

4.根据权利要求1所述地下管线的定位系统，其特征在于，所述可移动的读取设备为平板电脑或智能手机。 

5.根据权利要求4所述地下管线的定位系统，其特征在于，所述平板电脑或智能手机与探测仪用硬线接口或蓝牙连接，与后台计算机管理系统用无线网络或硬线接口连接。 

6.根据权利要求1所述地下管线的定位系统，其特征在于，所述电子标识器的外形为圆盘状，线圈缠绕在圆盘的圆周。 

7.根据权利要求1所述地下管线的定位系统，其特征在于，所述电子标识器埋设在：地下管线T型分支点，预埋管线的端口，护管的两端，阀门处，转弯路径处，深度变化处，中间接头处，铁路交越处，道路交越处，河流交越处，管线交越处；对于直线管道，每隔不大于50米设置一个电子标签。 

8.根据权利要求7所述地下管线的定位系统，其特征在于，所述电子标识器埋设在管线的正上方，埋设深度1.2-1.5米。 

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