孟超越,李宏偉,許棟浩,張鐵映

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450001)

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基于二維碼的城市部件移動巡查系統(tǒng)研究

孟超越,李宏偉,許棟浩,張鐵映

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450001)

摘要：針對市政部門在數(shù)字城市建設(shè)中提高城市基礎(chǔ)部件巡查維護效率的需求，引入二維碼技術(shù)到城市部件移動巡查系統(tǒng)架構(gòu)中，剖析系統(tǒng)的主要功能模塊，研究二維碼技術(shù)應(yīng)用、ArcGIS Server地圖服務(wù)發(fā)布和移動終端定位等系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)基于二維碼技術(shù)的城市部件移動巡查系統(tǒng)。系統(tǒng)達(dá)到提高城市部件移動巡查工作效率和質(zhì)量的效果，為提高城市部件移動巡查工作提供良好的解決方案和思路。

關(guān)鍵詞：二維碼;城市部件;移動巡查;ArcGIS;軌跡跟蹤

隨著我國城市信息化建設(shè)的飛速發(fā)展，各級政府逐步加大對數(shù)字化城市建設(shè)的投入[1]。在城市高速發(fā)展過程中如何經(jīng)濟有效地對日益增加的城市部件進(jìn)行科學(xué)管理和快速維護已成為困擾全國市政管理部門的一個難題，對數(shù)字化城市建設(shè)提出了迫切要求。移動巡查系統(tǒng)作為城市基礎(chǔ)部件管理中不可或缺的一部分，其理論和實踐研究已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，并做出了與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的嘗試，但依然存在許多問題[2-4]：城市基礎(chǔ)部件問題事件的及時發(fā)現(xiàn)、及時反饋、及時處理的服務(wù)管理機制不完善；與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合的移動巡查系統(tǒng)的建設(shè)和使用門檻相對較高，需要專業(yè)的嵌入式智能系統(tǒng)、手持移動終端以及RFID等自動識別技術(shù)，花費較高，難以普及。二維碼是從一維條碼技術(shù)發(fā)展起來的一種新興的信息傳遞介質(zhì)，是一種成本低廉、經(jīng)濟實用的信息編碼和識別技術(shù)，因其存儲容量大、識別設(shè)備簡單、安全性高而逐漸受到廣泛關(guān)注。二維碼不像射頻識別技術(shù)(RFID)[5-6]在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中占據(jù)核心地位，但它具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢和旺盛的生命力；在標(biāo)簽和讀寫器的制作上，二維碼比RFID的成本要低很多，特別是二維碼與智能手機的結(jié)合使得二維碼的讀寫不再需要使用專門的讀寫器，讓二維碼技術(shù)的使用成本進(jìn)一步降低。其次，糾錯碼的存在使二維碼具有更好的適用性和可靠性，二維碼即使在遭到污損、彎曲、穿孔等損壞時，仍然可以正常讀出數(shù)據(jù)，而且二維碼的標(biāo)簽不受高溫、靜電等惡劣環(huán)境的影響，而這些卻是RFID技術(shù)的致命缺陷。城市部件具有數(shù)量龐大的基礎(chǔ)設(shè)施，有些部件還處于地下、水下這種相對惡劣的環(huán)境中，因此，在城市部件移動巡查方面二維碼技術(shù)比RFID技術(shù)更加適用。為了適應(yīng)新形勢下的城市數(shù)字化建設(shè)，進(jìn)一步提升城市部件日常巡查工作的質(zhì)量和效率，論文引入二維碼技術(shù)到城市部件移動巡查工作中，結(jié)合移動GIS架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了基于二維碼的城市部件移動巡查系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

基于城市部件空間分布廣泛的特性和部件巡查維護的室外作業(yè)需求，系統(tǒng)結(jié)合移動GIS基本架構(gòu)，采用面向服務(wù)(SOA)思想，使用多層次的體系標(biāo)準(zhǔn)，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計；從下到上依次分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)通信層以及由移動應(yīng)用和Web應(yīng)用組成的應(yīng)用層4個層次(如圖1)。系統(tǒng)架構(gòu)充分發(fā)揮移動終端便攜性和移動性特征，借助二維碼掃描功能快速獲取巡查部件的相關(guān)信息，并通過移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)巡查終端和信息中心的即時通信，大大提高了城市部件巡查作業(yè)質(zhì)量和異常事件發(fā)現(xiàn)、反饋和處理效率。

數(shù)據(jù)層：包括部件數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。其中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫可以被服務(wù)層直接訪問，為應(yīng)用層提供服務(wù)，部件數(shù)據(jù)庫則通過空間數(shù)據(jù)引擎(AcrSDE)中間件提供空間數(shù)據(jù)。

服務(wù)層：服務(wù)主要分地理信息服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)。地理信息服務(wù)是通過ArcServer發(fā)布面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)和空間數(shù)據(jù)查詢服務(wù)；業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)主要包括業(yè)務(wù)工作流引擎，應(yīng)用接口，安全認(rèn)證和配置服務(wù)。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層：城市部件巡查的服務(wù)對象是市政管理部門，管理端系統(tǒng)接入數(shù)字城市綜合管理平臺，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)由內(nèi)部政務(wù)網(wǎng)絡(luò)和移動APN專用3G網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成。

應(yīng)用層：系統(tǒng)應(yīng)用層主要分為移動巡查終端應(yīng)用和Web管理平臺應(yīng)用,為不同的系統(tǒng)用戶提供應(yīng)用功能。

1.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求和總體架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)的具體功能模塊劃分為以下四大部分：基礎(chǔ)部件數(shù)據(jù)管理模塊，信息中心監(jiān)督指揮模塊，移動巡查客戶端模塊和系統(tǒng)管理模塊(見圖2)。

圖2　系統(tǒng)功能模塊

1)數(shù)據(jù)管理模塊。 數(shù)據(jù)管理模塊主要功能是管理通過城市基礎(chǔ)部件普查、歷史數(shù)據(jù)錄入等途徑得到的部件信息數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，提供部件數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的更新入庫、查詢統(tǒng)計、打包下載等功能，保證部件數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。

2)監(jiān)督指揮模塊。 信息中心監(jiān)督指揮模塊是城市部件移動巡查系統(tǒng)的控制核心，為信息中心管理人員提供移動巡查工作的管理功能。其主要功能包括巡查任務(wù)的發(fā)布、巡查人員軌跡跟蹤管理、巡查事件統(tǒng)計分析、緊急事件處理指揮等。

3)移動巡查模塊。 移動巡查模塊基于Android移動終端平臺開發(fā)，幫助巡查人員順利完成巡查工作。主要功能有：任務(wù)查詢、部件二維碼快速識別、巡查記錄上傳、緊急事件上報、數(shù)據(jù)請求下載、地圖瀏覽導(dǎo)航等功能。

4)系統(tǒng)管理模塊。 系統(tǒng)管理模塊為部門領(lǐng)導(dǎo)和系統(tǒng)管理員提供管理和維護系統(tǒng)的相關(guān)功能，擁有系統(tǒng)管理的最高權(quán)限，其他用戶不能訪問和使用。該模塊主要包括用戶權(quán)限管理模塊，數(shù)據(jù)備份管理模塊，系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全認(rèn)證模塊。

2系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1二維碼技術(shù)

二維碼技術(shù)起源于一維條碼技術(shù)，自出現(xiàn)以來便保持著高速發(fā)展的態(tài)勢，在潛移默化中改善著人們的生產(chǎn)生活方式。在二維碼發(fā)展過程中產(chǎn)生了許多具有代表性的二維碼，如：PDF417條碼、Code49條碼、DataMatrix條碼、漢信碼和QR碼等。系統(tǒng)采用了應(yīng)用比較廣泛的QR碼作為部件信息的載體[7]。QRCode是一種具有360度全方位識讀能力的矩陣式二維碼，主要由尋像圖形(位置探測圖形)、定位圖形、分隔符、校正圖形等功能性圖形和編碼區(qū)域(數(shù)據(jù)信息和糾錯碼字等)組成[8]。功能性圖形主要用于符號的定位，并沒有存儲具體信息(見圖3)。

圖3　QR Code符號的結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)應(yīng)用中，部件信息QR二維碼的編碼生成主要有三個步驟：QR碼數(shù)據(jù)碼字的生成、QR碼糾錯碼字的生成和最終碼字序列構(gòu)造。編碼生成后的二維碼標(biāo)簽需要鋪設(shè)部署到城市部件設(shè)施表面，由于部件表面大多是非平整、光滑表面，有些設(shè)施還處于井下等惡劣環(huán)境，因此二維碼的糾錯等級需要選擇為最高級別，以保證在一定程度的彎曲或污損情況下仍能進(jìn)行識別。二維碼的編碼版本則選擇適應(yīng)部件數(shù)據(jù)的最小版本。

2.2地圖服務(wù)發(fā)布與訪問

系統(tǒng)通過ArcGISServer來實現(xiàn)部件信息地圖服務(wù)的發(fā)布與訪問，ArcGISServer發(fā)布的地圖服務(wù)可分為動態(tài)地圖服務(wù)和緩存地圖服務(wù)兩種[9]。后者通過預(yù)先創(chuàng)建基于金字塔模型的瓦片地圖緩存來渲染地圖的服務(wù)，支持服務(wù)端緩存和客戶端緩存；而動態(tài)地圖服務(wù)則是在每一次請求地圖時都需要服務(wù)器渲染一次地圖再傳送客戶端的服務(wù)。系統(tǒng)在實際應(yīng)用中采用動態(tài)地圖服務(wù)與緩存地圖服務(wù)相結(jié)合的方式為系統(tǒng)Android應(yīng)用終端和Web管理端提供地圖服務(wù)。系統(tǒng)對基礎(chǔ)行政區(qū)劃分?jǐn)?shù)據(jù)、道路網(wǎng)數(shù)據(jù)這類不經(jīng)常變化或即使變化對移動巡查工作影響較小的空間數(shù)據(jù)作為以緩存地圖服務(wù)的形式發(fā)布，作為系統(tǒng)GIS應(yīng)用底圖；而將經(jīng)常變化的部件空間數(shù)據(jù)發(fā)布為動態(tài)地圖服務(wù)發(fā)布，這樣可以通過降低每次加載渲染地圖時需要的數(shù)據(jù)量來大大提高終端對地圖的訪問速度。系統(tǒng)地圖服務(wù)的發(fā)布與訪問流程如圖4所示。

圖4　地圖服務(wù)發(fā)布與訪問

2.3移動終端定位跟蹤技術(shù)

為保證外業(yè)巡查工作人員的工作效率和質(zhì)量，指揮中心在系統(tǒng)的Web端需要對巡查人員的工作路線和實時位置進(jìn)行定位跟蹤。它主要包括移動終端位置信息實時獲取、位置數(shù)據(jù)定時上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器端巡查人員位置信息顯示三個部分，其主要實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5　巡查軌跡跟蹤技術(shù)的實現(xiàn)過程

當(dāng)前Android系統(tǒng)智能終端均集成了GPS定位芯片，常用的定位方式主要有GPS定位和基站定位兩種方式[10-11]。前者精度較高，但處于室內(nèi)等環(huán)境時會由于GPS信號不佳出現(xiàn)無法定位的情況；基站定位在室內(nèi)或者封閉環(huán)境中有較好的定位效果，但缺點是整體定位精度不高，系統(tǒng)采用以GPS定位為主基站定位為輔的策略獲取終端定位信息，通過實時檢查GPS信號強度選擇定位方式，對定位效果進(jìn)行優(yōu)化。

由于通過Android終端定位模塊LocationManager[12]得到的終端位置是標(biāo)準(zhǔn)WGS-84坐標(biāo)系(地心坐標(biāo)系)下坐標(biāo)，而本系統(tǒng)使用的地理空間信息數(shù)據(jù)采用的坐標(biāo)系是Xian-80坐標(biāo)系(大地坐標(biāo)系)，因此需要對得到的位置坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后才能在系統(tǒng)中使用。目前較成熟的由地心坐標(biāo)系向大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型有布爾沙-沃爾夫模型(七參數(shù)轉(zhuǎn)換)、莫洛金斯基模型以及我國的武測模型等[13]，對本系統(tǒng)，布爾沙-沃爾夫模型就可以滿足要求。式2布爾沙-沃爾夫模型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式

(1)

(2)

式中(X1，Y1,Z1)與(X2，Y2，Z2)分別表示同一個點在WGS-84坐標(biāo)系和Xian-80坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，k為無量綱的尺度因子，(ΔX0，ΔY0，ΔZ0)表示兩個坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點平移量， ωx,ωy,ωz為分別X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)角。在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程中，可以通過對已知地面控制點平差的方法求解上面的七個參數(shù)，然后通過將七個參數(shù)代入式2完成對采集所得坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)依據(jù)時間序列上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，指揮中心可通過查詢數(shù)據(jù)庫獲取查看巡查人員的實時位置和歷史軌跡。

3原型系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1巡查移動終端應(yīng)用實現(xiàn)

巡查客戶端應(yīng)用基于Android系統(tǒng)平臺開發(fā)，地圖服務(wù)訪問基于ArcGISAPIforAndroid實現(xiàn)。系統(tǒng)巡查人員在巡查過程中通過掃描記錄部件信息的二維碼，實現(xiàn)快速識別部件并獲取部件基本信息；對異常事件信息進(jìn)行采集、巡查記錄回傳和數(shù)據(jù)存儲等操作，可實現(xiàn)位置數(shù)據(jù)的更新和回傳，使指揮中心能夠?qū)崟r監(jiān)控部件異常發(fā)現(xiàn)，及時安排工作人員到現(xiàn)場進(jìn)行維護處理。

1)任務(wù)查看和地圖瀏覽。 巡查人員可以在“我的任務(wù)”里查詢信息中心Web端發(fā)布的任務(wù)列表信息，點擊任務(wù)詳情可以看到任務(wù)區(qū)域和地圖信息(圖6、圖7)。地圖瀏覽具有基本的縮放、移動、切換圖層、定位和導(dǎo)航等功能。

圖6　任務(wù)地圖信息

圖7　服務(wù)器端地圖服務(wù)瀏覽

2)二維碼掃描。 二維碼掃描功能是通過調(diào)用智能終端上帶有的攝像頭獲取二維碼圖像信息，然后根據(jù)二維碼編碼規(guī)則進(jìn)行解碼獲取其中封裝的部件基本信息，掃描界面和獲取結(jié)果界面如圖8、圖9所示。

圖8　手機掃描二維碼界面

圖9　日常巡查界面下二維碼掃描結(jié)果

3)巡查記錄和位置數(shù)據(jù)上傳。 巡查人員現(xiàn)場獲取部件基本信息后，根據(jù)巡查手冊要求檢查部件各項狀態(tài)是否正常，填寫巡查記錄表單并現(xiàn)場拍照采集圖像信息，然后上報到指揮中心并調(diào)用服務(wù)器端WebService接口保存巡查記錄到數(shù)據(jù)庫。巡查人員的位置數(shù)據(jù)則是通過Android系統(tǒng)后臺任務(wù)定時調(diào)用定位服務(wù)，將獲取的位置坐標(biāo)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后上傳到服務(wù)器端保存到數(shù)據(jù)庫，形成巡查人員的移動軌跡記錄。

3.2服務(wù)器端功能實現(xiàn)

系統(tǒng)的服務(wù)器端是依托數(shù)字城市綜合管理信息系統(tǒng)平臺存在的，主要實現(xiàn)巡查任務(wù)發(fā)布、巡查任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)查詢、巡查人員軌跡跟蹤和系統(tǒng)管理等功能。

1)任務(wù)發(fā)布。 任務(wù)發(fā)布是在指揮中心服務(wù)管理人員向巡查人員發(fā)布任務(wù)信息的功能，系統(tǒng)首先自動在地圖上沿某一條道路將沿街區(qū)域地圖進(jìn)行帶狀分幅，然后將每個帶狀分幅得到矩形范圍分配給巡查人員，保存到任務(wù)數(shù)據(jù)庫并推送到各巡查終端提示巡查人員查看并執(zhí)行。

2)任務(wù)狀態(tài)查詢。 巡查任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)查詢(圖10)功能主要是將已巡查的和未巡查的部件在地圖上用不同的符號表示出來，從而使指揮中心監(jiān)管人員對任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度有一個直觀的了解。圖10所示的綠色的點是已巡查過的部件，紅色的標(biāo)識點符號則對應(yīng)還未巡查的部件。

圖10　巡查任務(wù)狀態(tài)查詢

3)巡查軌跡跟蹤。 巡查軌跡跟蹤模塊實現(xiàn)了對巡查人員的移動軌跡查詢(見圖11)和位置動態(tài)監(jiān)控兩部分功能，實現(xiàn)對巡查人員歷史軌跡的回溯查看和當(dāng)前實時位置的展示。

4結(jié)束語

本文基于移動GIS架構(gòu)，研究城市部件移動巡查系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，引入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的二維碼技術(shù)，并使用當(dāng)前流行的3G無線網(wǎng)絡(luò)通信、ArcGISServer網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)、移動定位等技術(shù)，搭建基于二維碼的城市部件移動巡查系統(tǒng)。二維碼作為一種信息編碼和快速識別技術(shù)，在結(jié)合Android智能手機的定位功能和移動GIS應(yīng)用后，實現(xiàn)二維碼信息、業(yè)務(wù)信息和位置信息的融合；幫助巡查人員快速定位巡查對象并獲取基本信息，解決巡查人員在傳統(tǒng)工作方式下需要耗費大量時間記憶、查詢各類部件基本信息的問題，配合規(guī)范的業(yè)務(wù)流程使得巡查工作人員可以專注于巡查工作和異常發(fā)現(xiàn)，從而大大提高移動巡查工作的質(zhì)量和效率。系統(tǒng)采用ArcGISServer企業(yè)級WebGIS解決方案，使用戶可以快速的發(fā)布多種GIS地圖服務(wù)并搭建面向服務(wù)(SOA)的移動GIS應(yīng)用?；贏ndroid系統(tǒng)的移動巡查客戶端應(yīng)用實現(xiàn)地圖瀏覽、路徑導(dǎo)航等GIS功能，輔助工作人員高效快捷的執(zhí)行巡查任務(wù)，并實現(xiàn)良好的交互性。指揮中心管理端系統(tǒng)提供巡查系統(tǒng)管理人員監(jiān)督指揮工作需要的各種功能，并為巡查人員的管理和績效考核提供科學(xué)有效的解決方案和數(shù)據(jù)支持。本文為提高城市部件移動巡查維護工作的質(zhì)量和效率提供良好的思路；今后，將在增強巡查終端應(yīng)用的易用性、服務(wù)器和客戶端的負(fù)載均衡、系統(tǒng)企業(yè)級安全策略、系統(tǒng)跨平臺等方面開展進(jìn)一步研究。

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[責(zé)任編輯：路曉鴿]

Study on mobile patrol system of city components based on two-dimensional code

MENG Chaoyue, LI Hongwei, XU Donghao, ZHANG Tieying

(SchoolofGeospatialInformation,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract：This paper presents a mobile patrol system of city components, in order to meet the demand of improving the efficiency of patrol and maintenance for municipal department in the construction of digital city. Firstly, this paper designs the system architecture based on two-dimensional code, and analyses the basic functional requirements. Then, it focuses on studying some main technological problems to build this system, including the two-dimensional code recognition technological application, map service publishing in ArcGIS Server, and the mobile terminal location technology. Finally, this paper implements some professional functions of the system. The system improves the quality and efficiency of patrol and maintenance of the city components and provides a good solution to the patrol work of city components.

Key words：two-dimensional code; city components; mobile patrol; ArcGIS; trajectory tracking

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.09.010

收稿日期：2015-05-18；修回日期：2015-05-30

作者簡介：孟超越(1991-)，男，碩士研究生.

中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)09-0044-06