張 棟，陳圣波，李 健

(吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院，長春130026)

基于北斗衛(wèi)星的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張 棟，陳圣波，李 健

(吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院，長春130026)

為提高油田管網(wǎng)巡檢效率，降低管道傳輸事故，提出了基于北斗衛(wèi)星的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)的設計方法，給出了系統(tǒng)開發(fā)總體設計方案，詳細闡述了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與關(guān)鍵功能的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)通過使用北斗短報文技術(shù)進行通信，取代傳統(tǒng)管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)自建基站及使用GPRS(General Packet Radio Service)的通信方式，解決了當前巡檢系統(tǒng)在沒有無線公網(wǎng)覆蓋區(qū)無法通信的問題，同時確立了更適合油區(qū)野外作業(yè)環(huán)境的Dijkstra算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的A*算法建立路徑導航模型。通過兩種算法的實際運行比較結(jié)果表明，該軟件的路徑導航處理效率較同類A*算法模型提高了30%以上。該油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)可較好地提高油田管網(wǎng)巡檢效率，降低管網(wǎng)傳輸事故率。

油田管網(wǎng);巡線系統(tǒng);Android系統(tǒng);北斗導航系統(tǒng);短報文通信;矢量地圖

0 引 言

隨著油田油區(qū)管道鋪設的密度越來越大、越來越復雜，管道的日常巡檢和問題檢修變得越來越困難［1］。管網(wǎng)巡檢對于及時發(fā)現(xiàn)缺陷和故障，有計劃地安排線路和設施檢修，提高油田管網(wǎng)的可靠性具有重要意義［2］。當前，市場上針對油田管網(wǎng)、城市建設項目中流體管道等的巡檢設計了較多的實現(xiàn)系統(tǒng)，可在一定程度上提高管網(wǎng)巡檢效率，降低管網(wǎng)傳輸隱患［3］，如針對城市燃氣管網(wǎng)巡檢設計的燃氣管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，針對油田設計的基于GIS(Geographic Information System)的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)等［4］。然而，這類系統(tǒng)多是使用GIS、GPRS(General Packet Radio Service)等技術(shù)進行系統(tǒng)研發(fā)［5］，巡檢人員對管網(wǎng)進行巡檢，將巡檢信息通過公網(wǎng)信號或自建的信號基站進行傳輸，建造、運營成本很高［6］，甚至在沒有無線公網(wǎng)覆蓋的地區(qū)無法使用［7］。筆者基于當前最為先進的國產(chǎn)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行研發(fā)，使用北斗衛(wèi)星獨有的北斗短報文通信技術(shù)替代公網(wǎng)通信手段進行數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)的巡檢系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)運營成本低，僅需要每年支付少量的北斗通信費用(類似于手機短信費用)，傳輸效率高，且在沒有無線公網(wǎng)覆蓋的地區(qū)也可穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，對于保障油田管網(wǎng)巡檢安全，促進油田管網(wǎng)巡檢智能化發(fā)展具有較好的指導作用。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 系統(tǒng)開發(fā)思想

開發(fā)油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)是為了給油田提供一種穩(wěn)定、高效的輸油管網(wǎng)巡檢方式。系統(tǒng)向巡檢人員下發(fā)巡檢任務，生成巡檢軌跡，為巡檢人員的日常巡邏提供主動而合理的引導。通過北斗衛(wèi)星及時與野外工作人員溝通，掌握管網(wǎng)信息，處理管網(wǎng)異常，提高油田管網(wǎng)巡檢效率，同時用戶可通過本系統(tǒng)對各巡檢管線進行查詢，在巡線過程中若發(fā)現(xiàn)傳輸管線異常點，可通過拍照、攝像或文字表單等形式及時上傳異常點信息，交予后臺服務器分析處理。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計采用基于分層和面向服務的SOA(Service-Oriented Architectute)設計思想，以達到手持終端和服務器之間的數(shù)據(jù)交互［8］。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)流程分為3個層次。

1)數(shù)據(jù)采集層。該層主要指部署有管網(wǎng)巡檢終端軟件的北斗手持終端，用于現(xiàn)場照片、視頻等信息采集，獲取巡檢軌跡，更新巡檢任務，上報巡檢位置等。是巡檢人員日常巡檢使用的設備，用于巡檢過程中對傳輸管線異常信息的采集。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計圖Fig.1 System structure design process

2)數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸層主要負責把巡檢人員的巡檢任務列表、電子圍欄以及在巡檢過程中拍攝的異常點照片、視頻或文字表單信息，以及巡檢結(jié)束后生成的巡檢軌跡、巡檢報表通過北斗衛(wèi)星上傳到后臺服務器。

3)數(shù)據(jù)處理層。該層指后臺服務器，主要負責向巡檢終端發(fā)送任務列表，查看終端巡檢軌跡，接收終端發(fā)送的信息，并根據(jù)信息級別做出相應處理。同時能與終端以短報文的形式進行通信。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括用于系統(tǒng)顯示的圖層數(shù)據(jù)和用于分析的屬性數(shù)據(jù)，如油田管網(wǎng)構(gòu)成圖和管網(wǎng)周邊建筑物、水域分布圖及其屬性數(shù)據(jù)、油區(qū)道路網(wǎng)圖形和屬性數(shù)據(jù)等。然而為了方便數(shù)據(jù)建模，進行網(wǎng)絡分析，需要先使用ArcGIS軟件對這些數(shù)據(jù)建立拓撲關(guān)系，具體步驟如下。

1)在ArcMap中編輯所需要的數(shù)據(jù)層，在Editor菜單下的Options→Topology的屬性頁中選擇適當?shù)腃lusterTolerance值，然后對整幅圖進行Integrate，確保所有的線沒有拓撲錯誤。

2)在 ArcCatalog中將剛才所編輯的 shape文件轉(zhuǎn)換成 Coverage格式，打開該文件的 Coverage Properties，用Build建立Node。

3)用ArcMap打開建立拓樸后的Coverage數(shù)據(jù)的Arc和Node層，并分別將其導成一個線狀的和一個點狀的Shape文件。

3 系統(tǒng)模塊與功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能模塊

油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星研發(fā)，在沒有無線公網(wǎng)覆蓋的地區(qū)仍能穩(wěn)定運行。軟件可智能化地為巡檢人員預設巡檢軌跡，下發(fā)巡檢任務，同時能上傳異常點信息并及時處理管線異常，為油田提供一種高效穩(wěn)定的巡檢巡邏方式。系統(tǒng)主要功能模塊如下。

1)工具模塊。提供基礎(chǔ)地圖、影像、管網(wǎng)和采集業(yè)務數(shù)據(jù)等多源信息綜合顯示功能;提供放大、縮小、平移等各種常用地圖工具;提供空間距離量算、面積量算、標注標繪等野外作業(yè)的實用工具。

2)通信模塊。能通過北斗短報文通信功能或其他通信手段與上級或友鄰單元進行通信，實現(xiàn)位置狀態(tài)信息和現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的接入，為終端協(xié)同提供支撐。

3)巡線業(yè)務模塊。能采集管網(wǎng)及其附屬設施的異常點、泄露點等信息，并通過移動通信網(wǎng)向后臺服務器上報現(xiàn)場信息，提供位置記錄、軌跡記錄、行動路線規(guī)劃和路徑導航功能以及軌跡回放功能。

4)設置模塊。提供對軟件使用的信息設置功能，包括預定義地圖類型、指北針等。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

3.2.1 采用Dijkstra算法構(gòu)建路徑選擇模型

系統(tǒng)軟件關(guān)鍵功能之一是能為巡檢人員預設巡檢路徑，這需要構(gòu)建算法模型，找尋地圖上兩點之間的最短最優(yōu)路徑。目前常見的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，其選擇的算法多是較成熟的導航軟件所使用的雙向A *導航算法，該算法對日常的公共路網(wǎng)系統(tǒng)處理效率較高，但油田管網(wǎng)多鋪設在野外公共路網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū)，在這種情況下，該算法的處理效率被大大限制。該系統(tǒng)充分考慮油田工作環(huán)境與常見的公共路網(wǎng)系統(tǒng)的區(qū)別，相對于其他管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了更適合油田野外巡檢作業(yè)的Dijkstra算法，通過對兩種算法處理效率實際運行后的比較，該系統(tǒng)可將當前常見的路徑規(guī)劃模型處理效率提高30%以上，算法實現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下。

3.2.2 “分包模式”實現(xiàn)大數(shù)據(jù)傳輸

目前人們所研發(fā)的管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，都要面對大數(shù)據(jù)傳輸這一棘手的問題。因為有時終端拍攝的視頻、圖片文件較大，傳輸?shù)椒掌餍枰^多時間，容易造成終端與服務器連接中斷，導致傳輸失敗。而市場上許多巡檢系統(tǒng)大多是采用簡單的一次性壓縮打包傳輸?shù)姆绞剑摲绞綄ξ募膲嚎s力度有限，對相對較小的文件尚可，而對較大的視頻文件，由于傳輸時間過長，極易導致傳輸失敗。

為了解決這一問題，提高文件傳輸速率，系統(tǒng)采用分包傳輸模式，在終端將視頻、圖片數(shù)據(jù)通過字節(jié)流讀取，分成若干個小包，再按順序通過3G網(wǎng)絡依次上傳到服務器;服務器端接收數(shù)據(jù)，再依次讀取。該方式通過增加終端與服務器的通信次數(shù)，將較大的數(shù)據(jù)分成若干等份，分批傳輸，減少了單次傳輸數(shù)據(jù)的時間，有效提高了傳輸?shù)姆€(wěn)定性。圖2為終端將拍攝的圖片發(fā)送到服務器的效果圖。

3.2.3 北斗短報文通信模式

目前人們研發(fā)的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，其終端之間的通信模式多是自建基站或使用GPRS兩種方式。然而第1種方式其建設成本太高，第2種方式過于依賴無線公網(wǎng)信號，在偏遠地區(qū)尤其是在沒有無線公網(wǎng)覆蓋的地區(qū)無法使用［9］。筆者設計的系統(tǒng)充分利用北斗衛(wèi)星所獨有的北斗短報文通信功能，即在衛(wèi)星定位終端和北斗衛(wèi)星或北斗地面服務站之間能直接通過衛(wèi)星信號進行雙向的信息傳遞。通過該方式，可實現(xiàn)油田野外終端之間的文字通信服務，且該方式所依賴的是北斗衛(wèi)星信號，覆蓋范圍廣，即使在沒有無線公網(wǎng)信號覆蓋的地區(qū)也能穩(wěn)定運行，解決了其他管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)過于依賴無線公網(wǎng)信號的問題。該系統(tǒng)運營成本低廉，每條通信信息的成本類似于手機短信費用，相對于自建基站的管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)的運營成本。終端通信功能界面如圖3所示。

圖2 終端上傳圖片效果圖Fig.2 Illustration of picture-uploading through mobile terminal

圖3 通信功能效果圖Fig.3 Illustration of communication function

通信功能實現(xiàn)方式是通過系統(tǒng)廣播的形式發(fā)送點對點短信，并在廣播接收相關(guān)方法中接收服務器回復的短信，發(fā)送與接收的短信都保存在sqlite數(shù)據(jù)庫中，每次打開軟件，都將檢索數(shù)據(jù)表中的短信記錄，并將最近的幾條短信內(nèi)容顯示在界面上。相關(guān)代碼如下。

3.2.4 軌跡回放顯示

目前常見的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，其軌跡回放功能僅在終端界面上顯示一條曲線，用以表示巡檢人員的移動軌跡，用戶無法對該曲線進行操作，更不能從曲線上讀取任何數(shù)字信息。筆者所設計的系統(tǒng)充分考慮油田工作需求以及人性化的設計理念，添加了對路徑的統(tǒng)計功能，包括該路徑的巡檢人員、采集點個數(shù)等信息，用以顯示在終端屏幕，效果圖如圖4所示。

系統(tǒng)通過設計相關(guān)算法，首先將獲取的地理坐標轉(zhuǎn)化為屏幕坐標，再將坐標數(shù)據(jù)保存到sqlite數(shù)據(jù)庫中。待用戶點擊軌跡回放功能后，終端會讀取數(shù)據(jù)庫中保存的坐標數(shù)據(jù)，并將其按照時間順序投射到屏幕指定的位置，再將各坐標點連接成線，從而形成一條路徑。

圖4 軌跡回放效果圖Fig.4 Illustration of track replay

4 結(jié) 語

筆者研發(fā)了基于北斗衛(wèi)星的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)。系統(tǒng)基于Android操作平臺開發(fā)，綜合應用北斗短報文通信技術(shù)，北斗衛(wèi)星導航定位技術(shù)及移動網(wǎng)絡通信技術(shù)，覆蓋范圍廣，且在沒有無線公網(wǎng)覆蓋的地區(qū)也可穩(wěn)定運行，具有較強的環(huán)境適應能力。系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，通過自己設計的一套編譯解譯算法對數(shù)據(jù)進行壓縮傳輸，同時采用分包傳輸技術(shù)，解決了大數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。系統(tǒng)可為巡檢人員預設巡檢軌跡，通過與后臺服務器通信，為巡檢人員指派巡檢任務等。同時，巡檢人員在巡檢過程中可實時上傳異常點信息到服務器，再由服務器迅速做出回應，指派搶修車輛到達現(xiàn)場排除異常，智能化地輔助巡檢人員進行管線巡檢工作。

系統(tǒng)有效地提高了油田管網(wǎng)巡檢效率，使企業(yè)能及時、準確、全面地掌握各條管線的信息，保障了油田管網(wǎng)傳輸?shù)陌踩煽?。該系統(tǒng)在石油、石化、電力、供水等行業(yè)具有廣泛的應用推廣價值［10］。

［1］王建功，張常清，晏西國，等.基于Android的拼接屏智能移動控制系統(tǒng)［J］.吉林大學學報:信息科學版，2015，33(2):187-194. WANG Jiangong，ZHANG Changqing，YAN Xiguo，et al.Mosaic Screen Mobile Intelligent Control System Based on Android［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2015，33(2):187-194.

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［6］王國強.手持機GPS巡檢系統(tǒng)終端軟件設計與實現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學軟件工程學院，2011. WANG Guoqiang.Hand-Held GPSTerminal Software Design and Implementation of Inspection System［D］.Chengdu:School of Software Engineering，University of Electronic Science and Technology，2011.

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(責任編輯:何桂華)

Design and Implementation of Oil Field Pipeline Inspection System Based on BeiDou Navigation Satellite

ZHANG Dong，CHEN Shengbo，LIJian

(College of Geoexploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China)

In order to improve the efficiency of oil field pipe network inspection，reduce the pipeline accident，we present the design and implementation method of the oil field pipeline inspection system based on the Beidou satellite navigation，list the overall design scheme of the system development and describe the realizationmethod of basic data processing and key functions of each functionalmodule in detail.The system replaces the way of building a base station themselves or use GPRS(General Packet Radio Service)in traditional network inspection system with Beidou shortmessage communication technology to solve the problem of current inspection system in the absence of public wireless network coverage area.We choose Dijkstra algorithm which ismore suitable for oil field work environment instead of A* to build path navigation model，by practical operation comparison，the processing efficiency of the software is improved more than 30%compared with the same A* algorithm model. Practical application shows that this oil field pipeline inspection system can improve the efficiency of oil field pipe network inspection，reduce the network transmission rate.

oil field pipeline;inspection system;Android system;beidou navigation system;shortmessage communication;vectormap

TP311;TP75

A

1671-5896(2015)06-0694-06

2015-05-03

國家發(fā)改委衛(wèi)星及應用產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項基金資助項目(發(fā)改辦高技［2013］2140號)

張棟(1990— )，男，山東萊州人，吉林大學碩士研究生，主要從事地理信息系統(tǒng)及Android軟件開發(fā)研究，(Tel)86-13756556114(E-mail)812315277@qq.com;通訊作者:陳圣波(1967— )，男，河南信陽人，吉林大學教授，博士生導師，主要從事衛(wèi)星技術(shù)應用及遙感研究，(Tel)86-13689805788(E-mail)chensb@jlu.edu.cn。