程 奕 ， 李雪梅， 魯長江

（1. 四川省地震局， 成都 610041； 2. 四川賽思特科技有限責任公司， 成都 610041）3. 成都理工大學， 成都 610059）

0 引言

2008年5月12日發(fā)生在四川省汶川縣的里氏8.0 級特大地震， 是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍最廣、 救災難度最大的一次地震。 北川縣城、 汶川縣映秀鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)幾乎被夷為平地。 溫家寶總理5月22日在重返重災區(qū)北川考察時對當?shù)馗刹勘硎荆?“要再造一個新北川， 北川老縣城可以作為地震遺址保留， 變成地震博物館?！?在北川建立世界首座整體保存地震遺址原貌且規(guī)模最大的災難性遺址博物館， 可以向人們展示發(fā)生的重大災難， 警示人們在大災面前如何更好地保護生命， 產(chǎn)生顯著的社會、 經(jīng)濟效益。 由于地震遺址現(xiàn)場的特殊性， 如何確保參觀人員安全是一個迫切需要解決的問題[1]。 鑒于此， 本文提出基于RFID、 GIS 和無線通訊技術研究和設計一套地震遺址智能化導覽系統(tǒng)。

1 RFID 技術系統(tǒng)的工作原理

RFID 技術利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸， 以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的[2]。 與傳統(tǒng)的條型碼、 磁卡及IC 卡相比， 射頻卡具有非接觸、 閱讀速度快、 無磨損、 不受環(huán)境影響、 壽命長、 便于使用的特點和防沖突功能， 能同時處理多張卡片[2]。 最基本的RFID 技術系統(tǒng)由標簽（Tag， 即射頻卡）、 閱讀器和天線三部分組成。

系統(tǒng)的基本工作流程是： 閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號， 當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流， 射頻卡獲得能量被激活； 射頻卡將自身編碼等信息通過內置天線發(fā)送出去； 系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號， 經(jīng)天線調節(jié)器傳送到閱讀器， 閱讀器對接收的信號進行解調和解碼后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理； 主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性， 針對不同的設定做出相應的處理和控制， 發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作[3]。

2 智能化導覽系統(tǒng)的組成及工作原理

對于北川地震遺址參觀者來說， 安全問題是一個不得不考慮的因素。 任何一個博物館都可能發(fā)生安全問題（如火災等）， 而北川地震遺址最大的安全隱患便是這些不同程度倒損的房屋和建筑。 因此， 我們需要能夠實時監(jiān)控到參觀者的行跡， 以便禁止參觀人員靠近或者接觸這些建筑物。 當他們接近這些危險物或者闖入禁區(qū)時， 系統(tǒng)能夠主動獲取信息并自動報警， 同時提醒參觀者遠離危險區(qū)域；當發(fā)生人員失蹤時， 我們也能夠及時發(fā)現(xiàn)并快速尋找到失蹤者。 根據(jù)地震現(xiàn)場的實際情況， 該系統(tǒng)的組成結構包括三部分， 如圖1 所示。

圖1 北川地震遺址智能化導覽系統(tǒng)組成結構框圖Fig.1 Structure diagram of the intelligent navigation system of Beichuan earthquake site

2.1 系統(tǒng)的硬件架構

（1）移動終端設備。 包括信息采集設備和移動通信模塊， 主要用于信息采集和傳輸；

（2）服務器端設備。 包括數(shù)據(jù)處理服務器和網(wǎng)絡設備， 主要用于接收、 存儲移動終端采集的數(shù)據(jù)， 并進行匯總處理。

根據(jù)業(yè)務需要， 移動終端設備還可以具備地圖顯示、 實時定位、 智能導覽、 報警、 信息錄入和無線通信等功能。

2.2 網(wǎng)絡系統(tǒng)配置

（1）移動終端和服務器之間的網(wǎng)絡連接。 移動終端通過2G/3G 移動無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡， 以VPN 方式接入地震遺址博物館專網(wǎng)； 服務器端通過無線VPN 網(wǎng)關匯接所有接入的移動終端。 針對移動終端的頻繁數(shù)據(jù)連接、 讀取、 傳輸請求， 服務器端應保持必要的響應速度， 以保證完成數(shù)據(jù)傳輸和處理工作。

（3）移動終端設備之間的數(shù)據(jù)連接。 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、 快速， 移動終端中的分體式通信模塊既可以藍牙或無線Wi-Fi 的方式與信息采集設備進行數(shù)據(jù)鏈接， 又可以通過串口數(shù)據(jù)線直接物理連接[4-5]。

2.3 系統(tǒng)的軟件構架

整個系統(tǒng)的軟件構架如圖2 所示。根據(jù)系統(tǒng)要求， 對整個系統(tǒng)需進行如下配置：

（1）運 行 環(huán) 境。 Windows Server 2003、 .Net Framework 2.0 及以上；

（2）GIS 平臺。 ArcGIS Engine 9.3；

（3）網(wǎng)絡協(xié)議。 TCP/IP、 VPN。

圖2 系統(tǒng)軟件架構圖Fig.2 Architecture diagram of system software

該系統(tǒng)的工作流程： 事先在地震現(xiàn)場對地震遺址遺跡和危險區(qū)域進行劃分， 并在其周圍布置電子標簽（RFID 卡）。 地震遺址區(qū)參觀人員手持移動終端設備可以采集到電子標簽信息， 當采集到地震遺址遺跡附近的電子標簽， 在手持移動終端設備自動彈出景點介紹、 所處的位置和行走路線等信息； 當采集到地震遺址危險區(qū)域的電子標簽， 手持移動終端設備將發(fā)布報警聲音， 并有語音提示其離開現(xiàn)場。 同時， 手持移動終端設備將采集到的電子標簽信息通過無線網(wǎng)絡實時傳送到系統(tǒng)管理平臺。 系統(tǒng)管理平臺包括數(shù)據(jù)管理、 地圖管理、 游客統(tǒng)計、 危險區(qū)劃、 軌跡追蹤和安全監(jiān)控等模塊。 系統(tǒng)管理平臺可將采集到的信息結合GIS 技術， 實時圖形展示游客數(shù)量、 分布和運動軌跡， 實現(xiàn)安全監(jiān)控和危險報警等功能[6]。 系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示。

圖3 北川地震遺址智能化導覽系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Work flow diagram of the intelligent navigation system of Beichuan earthquake site

3 智能化導覽系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

3.1 手持移動終端設備

手持移動終端設備主要用于讀取地震遺址電子標簽， 將讀取信息利用CDMA 無線網(wǎng)絡傳輸?shù)较到y(tǒng)管理平臺。 其中手持移動終端設備集成了PDA、 RFID、 CDMA 和藍牙等功能。 根據(jù)系統(tǒng)要求， 手持移動終端設備的功能主要包括： 自動識別和讀取RFID 卡； 以圖文的形式介紹北川地震遺址，并在電子地圖上顯示景點的位置； 自動提示游客道路方向， 實現(xiàn)智能導覽； 自動檢測危險區(qū)， 并以語音形式發(fā)出警報提醒參觀人員遠離危險； 具有無線通信能力[7]。 手持移動終端設備運行環(huán)境為WINCE操作系統(tǒng)， 軟件架構流程如圖4 所示。

圖4 手持移動終端軟件架構流程圖Fig.4 Flow chart of mobile terminal software

手持移動終端設備開機界面和電子地圖如圖5、 圖6 所示。 圖6 中藍色原點代表景點區(qū)， 紅色的原點代表危險區(qū)。 參觀人員手持移動終端當采集到藍色原點區(qū)域的電子標簽， 在手持移動終端設備自動彈出景點介紹、 所處的位置和行走路線等信息； 當采集到紅色原點區(qū)域的電子標簽， 手持移動終端設備將發(fā)布報警聲音， 并有語音提示其離開現(xiàn)場。

圖5 開機界面Fig.5 Boot interface

圖6 電子地圖Fig.6 Electronic map

3.2 系統(tǒng)管理平臺

系統(tǒng)管理平臺包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件。 其中硬件包括網(wǎng)絡平臺和服務器， 網(wǎng)絡平臺主要有路由器、 交換機和防火墻， 用于接收手持移動終端發(fā)出的信息； 服務器主要用于支撐數(shù)據(jù)分析、處理。 軟件主要是將采集到的數(shù)據(jù)信息， 實現(xiàn)存儲和管理、 處理和分析， 完成指令推送、 數(shù)據(jù)交互、 圖形化展示等功能， 實現(xiàn)北川地震遺址的有效安全監(jiān)控及游客軌跡追蹤工作， 進一步提高北川地震遺址的承載能力、 管理效率和服務質量， 實現(xiàn)游客的個性化主觀體驗和保證游客的安全[8]。 本軟件主要功能模塊如圖7 所示。

圖7 北川地震遺址遺跡智能導覽及安全監(jiān)控軟件功能圖Fig.7 Function chart of the intelligent navigation and safety monitoring system of Beichuan earthquake site system software

（1）系統(tǒng)管理。 包括系統(tǒng)登錄、 用戶管理、系統(tǒng)幫助等三個功能模塊。 主要實現(xiàn)系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)庫管理， 用戶權限管理， 登陸退出管理， 密碼安全管理及系統(tǒng)顯示管理等。

（2）數(shù)據(jù)管理。 主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫的管理， 包括數(shù)據(jù)插入、 刪除、 添加、 索引、 存儲等功能。

（3）地圖管理。 通過ArcGIS 數(shù)據(jù)平臺， 實現(xiàn)電子地圖的導入、 縮放、 漫游、 圖層管理等基礎功能。

（4）游客統(tǒng)計。 實現(xiàn)根據(jù)可選擇的時間段進行游客統(tǒng)計。

（5）危險區(qū)劃。 根據(jù)設定的危險源信息， 利用GIS 空間分析功能， 得出北川地震遺址的相應危險區(qū)劃， 并可以動態(tài)修改。

（6）軌跡追蹤。 軌跡追蹤模塊實時跟蹤監(jiān)控參觀者游覽軌跡， 在管理中心圖形化直觀展示出游客軌跡和分布情況。

圖8 北川地震遺址智能化導覽軟件主界面Fig.8 Main interface of the intelligent navigation system of Beichuan earthquake site

（7）安全監(jiān)控。 當游客闖入系統(tǒng)預先定義的危險區(qū)， 系統(tǒng)自動判別并觸發(fā)報警器。

北川地震遺址智能化導覽軟件已經(jīng)完成， 該軟件主界面如圖8 所示， 并已經(jīng)申請國家版權局計算機軟件著作權， 登記號為： 2012SR000158 。

4 總結

本系統(tǒng)首次將RIFD 技術應用于地震危險區(qū)域的監(jiān)控， 實現(xiàn)了地震遺址區(qū)的參觀人員動態(tài)的智能化導覽， 提高了北川地震遺址區(qū)管理水平。 該系統(tǒng)的實現(xiàn)， 不僅拓展了RFID 技術和無線網(wǎng)絡傳輸技術的應用范圍， 而且提出了一個信息化、 科學化和低碳的遺址參觀管理模式， 為地震應急救援、 地震災害研究、 建筑結構抗震研究和防震減災科普知識教育提供了真實的案例。

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