柴家鳳 劉慧 徐欣 耿淑琴 周生遠(yuǎn)

摘 要：地下管線是城市的“血液管道”和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，燃?xì)夤艿琅c給水、排水、電力、通信等地下管線，形成了一張龐大復(fù)雜的地下管線網(wǎng)絡(luò)。因此，如何利用RFID技術(shù)在地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃?xì)夤艿赖墓ぷ鳡顟B(tài)和維護(hù)燃?xì)夤艿赖陌踩ぷ鳎蔀槿藗円獞?yīng)對(duì)的重大挑戰(zhàn)。該文主要從 RFID技術(shù)在電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用為切入點(diǎn)，為眾多基于RFID技術(shù)形成的電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的研究者提供參考。

關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?；RFID；電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)；線圈天線

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的基礎(chǔ)設(shè)施也在迅猛發(fā)展，城市地下管線越來越多，燃?xì)馀c給水、排水、電力、通信等地下管線，形成了一張龐大復(fù)雜的地下管線網(wǎng)絡(luò)，是城市的“血液管道”和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，其構(gòu)成了保證城市運(yùn)行的“生命線”。但是地下管線龐大復(fù)雜、縱橫交錯(cuò)，隨著城市快速發(fā)展，由于地面設(shè)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?xì)夤芫€泄漏事故越來越多。第三方破壞導(dǎo)致燃?xì)夤艿辣倔w受損進(jìn)而引起燃?xì)庑孤?，其特點(diǎn)是燃?xì)庑孤┝看?，燃燒、爆炸所造成的人身、?cái)產(chǎn)損失巨大，嚴(yán)重危及城市的公共安全。燃?xì)夤艿酪话懵裆钤?.5 m以內(nèi)，但是隨著我國(guó)城市的快速建設(shè)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(fù)雜。燃?xì)獾叵鹿芫€敷設(shè)時(shí)為躲避其他管線，敷設(shè)深度會(huì)增加，因此埋深在超過1.5 m的管道可能會(huì)越來越多。由于地下管線縱橫交錯(cuò)，全面掌控燃?xì)獾叵鹿芫€的準(zhǔn)確位置信息是施工管理、日常巡檢、泄漏檢測(cè)、應(yīng)急搶修等工作的基礎(chǔ)；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(fēng)險(xiǎn)。如何完善和監(jiān)控地下燃?xì)夤艿赖谋Ｕ蠙C(jī)制是我們國(guó)家建設(shè)智慧城市、實(shí)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(shù)為切入點(diǎn)，全面的綜述了電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)在燃?xì)夤艿郎蠎?yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)，希望能給有興趣的研究者提供參考。

1 燃?xì)夤艿捞綔y(cè)方法在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的綜述

國(guó)內(nèi)外目前在地下燃?xì)夤艿朗聚櫃z測(cè)方面主要有3種探測(cè)手段：探地雷達(dá)探測(cè)、聲學(xué)管道探測(cè)和電磁感應(yīng)探測(cè)。

1.1 探地雷達(dá)探測(cè)（Ground Penetrating Radar簡(jiǎn)稱GPR）

探地雷達(dá)又稱地面探測(cè)雷達(dá)、地質(zhì)雷達(dá)，在頻率為106 Hz～109 Hz，是通過電磁波來探測(cè)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(cè)方法。探地雷達(dá)探測(cè)多采用發(fā)射機(jī)通過天線向探測(cè)目標(biāo)發(fā)射高頻脈沖電磁波信號(hào)，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的分界面時(shí)發(fā)生反射，接收機(jī)和接收天線接收來自地下反射回來的電磁波，通過主機(jī)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(jìn)一步通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被顯示和保存。探地雷達(dá)在地下管道定位方面的應(yīng)用效果較好，但需要結(jié)合管道的檔案資料進(jìn)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(shí)，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤信息。除此之外，探地雷達(dá)檢測(cè)需專業(yè)人員才能準(zhǔn)確識(shí)別，而且成本昂貴，無法大面積的應(yīng)用于地下管道。

1.2 聲學(xué)管道探測(cè)

聲學(xué)管道探測(cè)主要是利用聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性來檢測(cè)和定位地下目標(biāo)的，截止到今天仍然是比較新的探測(cè)手段。聲學(xué)管道探測(cè)時(shí)，由發(fā)射器向地下目標(biāo)發(fā)射短聲波脈沖，當(dāng)遇到地下不連續(xù)或不匹配的界面時(shí)，會(huì)反射回聲波，接收器接收來自地表表面波和管道反射波，進(jìn)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(xué)管道探測(cè)主要應(yīng)用于管道撿漏和電力電纜故障的定位中，但檢測(cè)的距離有限，往往不能達(dá)到工程中地下管道探測(cè)的最大距離。

1.3 電磁感應(yīng)探測(cè)

電磁感應(yīng)探測(cè)是地下管道探測(cè)的主要方法之一，是在地下管線與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異的基礎(chǔ)上，根據(jù)電磁感應(yīng)原理來分析和研究電磁場(chǎng)時(shí)間與空間的分布規(guī)律，從而推測(cè)出地下金屬管線的位置信息。電磁感應(yīng)探測(cè)只對(duì)金屬管線有顯著的效果，對(duì)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(hào)，再利用探測(cè)儀和地下反射回來的電磁信號(hào)來定位。目前為止，我國(guó)國(guó)內(nèi)的示蹤探測(cè)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(cè)。除了示蹤探測(cè)法以外，還有一種方法是電子標(biāo)識(shí)探測(cè)法。這種方法是在施工時(shí)在管道正上方埋設(shè)電子標(biāo)識(shí)器，通過探測(cè)儀在地面與標(biāo)識(shí)器里的線圈產(chǎn)生電磁耦合，檢測(cè)出電子標(biāo)簽內(nèi)部存儲(chǔ)的管道直徑、埋設(shè)時(shí)間、地理位置和拐點(diǎn)等信息，從而快速準(zhǔn)確的定位。電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)在歐美國(guó)家已經(jīng)有40多年的歷史，然而我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)在20世紀(jì)末才逐漸應(yīng)用于電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。電子標(biāo)識(shí)器主要有釘型、球型、盤型等，1.5 m深的地下燃?xì)夤艿乐饕葬斝蜑橹鳎?.4 m和3 m深埋的地下燃?xì)夤艿乐饕员P型為主。電子標(biāo)識(shí)器主要部分是通用標(biāo)簽芯片，成本低，適合大面積應(yīng)用。

綜上分析對(duì)比，電磁感應(yīng)探測(cè)的成本較低，電子標(biāo)識(shí)探測(cè)效果較好，建議燃?xì)夤臼走x以電子標(biāo)識(shí)探測(cè)為手段的電磁感應(yīng)探測(cè)方法。

2 RFID技術(shù)的綜述

2.1 RFID技術(shù)的發(fā)展概況

RIFD技術(shù)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(wù)業(yè)、制造業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、國(guó)防以及醫(yī)療領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。我國(guó)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(jìn)步空間，但是在低高頻方面技術(shù)還是比較成熟。RFID產(chǎn)業(yè)主要由芯片設(shè)計(jì)、標(biāo)簽封裝、讀寫設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造、系統(tǒng)集成、中間件、應(yīng)用軟件等環(huán)節(jié)組成。我國(guó)目前還未形成成熟的RFID產(chǎn)業(yè)鏈，一些核心技術(shù)還掌握在國(guó)外手中，還不能應(yīng)用在金屬材料和液體環(huán)境上。該文主要是綜述低頻RFID標(biāo)簽天線技術(shù)，應(yīng)用低頻RFID技術(shù)在燃?xì)夤艿郎显O(shè)計(jì)電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。

2.2 RFID技術(shù)的工作原理

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信方式實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID技術(shù)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(biāo)簽也稱被動(dòng)標(biāo)簽，是當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)，通過耦合出來的感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的存儲(chǔ)信息，而有源標(biāo)簽也稱主動(dòng)標(biāo)簽是由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的射頻信號(hào)，通過讀寫器讀取信息并解碼后，發(fā)送到帶相關(guān)應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)中進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。

該文主要綜述無源低頻標(biāo)簽的應(yīng)用，無源標(biāo)簽無須供電，在地下可以長(zhǎng)期運(yùn)行，而且成本低。RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽（即電子信息標(biāo)簽）、讀寫器和應(yīng)用軟件3個(gè)部分組成。電子標(biāo)簽由IC芯片和耦合線圈天線組成，當(dāng)主電路線圈產(chǎn)生諧振時(shí)，會(huì)給電子標(biāo)簽側(cè)的線圈傳遞能量，電子標(biāo)簽芯片會(huì)做出應(yīng)答，發(fā)出標(biāo)簽芯片內(nèi)的唯一標(biāo)識(shí)碼，由讀寫器接收解讀數(shù)據(jù)，并且傳送到帶應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.3 RFID技術(shù)的應(yīng)用

RFID技術(shù)在超高頻、高頻、低頻段都有很多應(yīng)用：

在超高頻段有供應(yīng)鏈上的管理和應(yīng)用、生產(chǎn)線自動(dòng)化的管理和應(yīng)用、 航空包裹的管理和應(yīng)用、集裝箱的管理和應(yīng)用、鐵路包裹的管理和應(yīng)用、后勤管理系統(tǒng)的應(yīng)用。RFID技術(shù)在超高頻領(lǐng)域還可以應(yīng)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(yuǎn)距離、不接觸、高效率的被識(shí)別。

在高頻段有圖書管理系統(tǒng)的應(yīng)用、瓦斯鋼瓶的管理應(yīng)用、服裝生產(chǎn)線和物流系統(tǒng)的管理和應(yīng)用、三表預(yù)收費(fèi)系統(tǒng)、酒店門鎖的管理和應(yīng)用、大型會(huì)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(yīng)用、智能貨架的管理和應(yīng)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(yīng)用、馬拉松賽跑系統(tǒng)的應(yīng)用、自動(dòng)停車場(chǎng)收費(fèi)和車輛管理系統(tǒng)、自動(dòng)加油系統(tǒng)的應(yīng)用、酒店門鎖系統(tǒng)的應(yīng)用、門禁和安全管理系統(tǒng)以及該文綜述的地下燃?xì)夤艿赖墓芾砗蛻?yīng)用等。

3. 電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)概念

電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)是用于精確定位地下管線及設(shè)備的技術(shù)，主要由探測(cè)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(biāo)識(shí)系統(tǒng)是通過射頻識(shí)別技術(shù)，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來顯示地下管線的相關(guān)信息。電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中每個(gè)電子標(biāo)簽都有全球唯一的ID編碼，同時(shí)還有存儲(chǔ)空間，可以存放管線信息，象管徑、埋深、拐點(diǎn)等。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了曼徹斯特編碼，還對(duì)標(biāo)簽信息進(jìn)行了鈍化處理，通過犧牲空間來換取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，使數(shù)據(jù)能更準(zhǔn)確、更高效地被讀出。

3.2 電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)工作原理

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

諧振現(xiàn)象是對(duì)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(luò)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(biāo)識(shí)系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽側(cè)應(yīng)用了并聯(lián)諧振。在調(diào)諧時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(duì)電磁場(chǎng)信號(hào)的影響會(huì)有所不同，從而影響地下環(huán)境通信。趨膚深度是場(chǎng)穿透距離的下限，依靠趨膚深度來推測(cè)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(shù)的電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的發(fā)展問題

如今基于RFID技術(shù)的地下管道電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)在實(shí)際工程中深埋探測(cè)已經(jīng)達(dá)到了2.4 m，然而在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下最大深埋達(dá)到了3 m，可在實(shí)際中應(yīng)用還存在著一些不足。因此，基于RFID技術(shù)的地下管道電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)在現(xiàn)有條件下還需做進(jìn)一步的改進(jìn)。

（1）隨著自然環(huán)境的變化，土壤的溫度、水分等條件也會(huì)變化，這些因素會(huì)對(duì)地下物質(zhì)的電導(dǎo)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(biāo)識(shí)系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，不利于信號(hào)的采集和提取。若能將自動(dòng)調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用進(jìn)去，可以使電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)做出時(shí)時(shí)地調(diào)整，從而能達(dá)到固定的諧振頻率。

（2）隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建大規(guī)模適用普遍環(huán)境下的電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是未來應(yīng)用的趨勢(shì)。

（3）將各個(gè)管道反饋回來的信息進(jìn)行綜合處理，并與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和三維技術(shù)結(jié)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(zhǔn)確安全。

（4）加強(qiáng)各類定位算法的研究和改進(jìn)，進(jìn)一步提高定位算法的精度，使電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)準(zhǔn)確定位地下管道的位置。

5 結(jié)語

該文介紹了RFID系統(tǒng)和電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有地下管道探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，綜述了采用低頻RFID技術(shù)的地下電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，為地下燃?xì)夤艿栏玫卦诘叵聭?yīng)用做鋪墊。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)對(duì)越來越多的行業(yè)產(chǎn)生影響，在未來將會(huì)對(duì)國(guó)防和經(jīng)濟(jì)做出更大貢獻(xiàn)。希望該電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)在燃?xì)夤艿郎蠎?yīng)用面臨的不足，能在未來得以解決，也希望未來能將此技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行普及，為智慧城市添磚加瓦。

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