李小龙，　陈晓勇，　张天昊，　夏元平

(1.东华理工大学 测绘工程学院, 江西 南昌　330013; 2.流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室, 江西 南昌　330013)

天然气主干管道长期置于野外，易遭受外界因素的破坏，故日常的巡检显得异常重要。然而，巡线员多为沿线居民兼职，责任心参差不齐，时常出现敷衍了事、弄虚作假等现象(张晋, 2014)。传统的管理方式对巡线员工作状态缺乏有效的监督，不利于管道安全预警与事件及时处理(于广婷等, 2013; Dey, 2001; Kim et al. , 2015)。现代常用巡检监控系统可对巡线员进行监控，但存在遥感影像底图更新慢、实施成本高等问题(耿关庆, 2016; 郭存杰等, 2013; 罗朝明等, 2012; 万青霖, 2017; 杨帆等, 2015; 周地清, 2014; 周峤, 2013; Mao et al. , 2014)。本文借助Google Earth(Google公司出品的免费全球卫星地图集成软件)可视化功能，自主研发一款全新的天然气管道巡检系统，使管理人员能高效地掌握巡检区域现场状况，直观、实时地了解巡线员工作位置和野外管线安全状况。

巡线员利用巡检终端通过GPRS将巡检情况发送至通讯管理模块，经过整理后存储数据至数据库。客户端可通过网络服务调用数据库中的巡检数据进行查看，实现实时监控、自动报警等功能，使巡检工作更加智能化、精细化，提高隐患监控质量，提升工作效率，保证管道的安全运行。

1　系统功能设计

1.1　系统架构

系统整体架构分为三层，数据层、业务逻辑层、表现层(图1)。

图1　系统架构及流程Fig.1　System architecture and flow

(1)数据层。数据层中的数据库系统采用Microsoft SQL Server，通过数据交换接口进行数据交换；数据库记录来自通讯管理模块传入的移动端信息，并响应和记录Web Service对数据的操作。

(2)业务逻辑层。通讯管理模块负责接收移动巡检终端的位置坐标、事件报警等信息，并将其存储到数据库中，同时支持短信交互；客户端负责巡检监控的主要业务逻辑，包括巡线员位置实时展示、历史轨迹回放、事件处理、短信交互等功能；而Web Service作为客户端与数据库及通讯管理模块的连接器，其中，客户端与移动巡检终端的短信功能就是通过Web Service与通讯管理模块的连接与交互来实现的。

(3)表现层。装有终端软件的巡检终端接收GPS卫星信号完成对终端的自动定位；在监控PC端采用Google Earth把监控目标显示在可视化的电子地图上，实现对巡线员的各种监控操作，并通过监控平台向巡检终端发布指令和信息。

1.2　系统功能

基于 Google Earth 平台的天然气管道巡线监控系统的具体功能主要包括：电子地图显示、实时跟踪、历史轨迹回放、数据入库、违章处理、自动报警、双向短消息等(图2)。

图2　系统功能Fig.2　System function

(1)电子地图显示。分图层叠加显示背景电子地图、管道路由、巡检管理和动态监控数据；提供树状图层列表和显示控制，以及图形窗口的放大、缩小、漫游、距离/坐标的量算等电子地图的基础功能，方便管理人员的监控和查看。

(2)实时跟踪。移动巡检终端工作后，通过GPRS将巡线员的位置信息发送至服务端通讯管理模块，再解析接收到的信息，并获得巡线员的位置，或者直接通过服务器发送指令，在地图上显示巡线员位置，避免跟踪位置滞后于实际位置的问题。

(3)历史轨迹回放。系统以天为单位进行记录巡线员的轨迹，再根据用户输入的查询条件从数据库中读取历史巡检位置信息，以连续定位点连线的方式按巡检顺序将历史轨迹显示在电子地图上。

(4)数据入库。系统接收到移动巡检终端发送的信息后，对信息数据进行解析，再将解析出的信息(巡检时间、经纬度、人员编号、事件类型等)保存至数据库，最终在显示终端读取显示。

(5)违章处理。对违章事件(如周边挖掘、碾压等)进行处理，其方式主要是现场沟通，随后通过客户端将处理结果记录在案，并可随时出具违章统计信息，同时可查询违章地点。

(6)自动报警。自动报警的主要目的是监控巡线员的巡检路线，确保计划的巡检点均得到监控，通过巡线员的巡检位置，判断其是否处于报警状态，如巡检位置距离管线超过70 m、未按规定时间巡检、或巡检速度过快(违规乘坐交通工具)等，有以上情况时，系统会自动报警。

(7)双向短消息。巡线员和管理人员之间相互通讯，PC客户端通过服务器端可以将相关指令发送至移动巡检终端或者巡线员通过巡检终端向服务器发送事件信息。

2　关键技术

2.1　KML空间位置刷新

Keyhole Markup Language(KML)是由Google收购的Keyhole公司设计的，基于XML语法标准的一种地理标记语言，现成为开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium，OGC)的数据标准。KML文件可用来描述和保存点、线、面、模型、图片等，Google Earth客户端中用户标注地理要素主要使用KML文件描述(Wernecke, 2008)。在本系统中，天然气管道走向、场站位置、巡线员位置及巡线路径就是通过KML文件标注的。

巡线员的位置坐标每隔一分钟自动传回到服务器，而当巡线员发送事件信息时则直接附带时间位置信息，要求这些位置信息及时显示于Google Earth客户端。KML的NetworkLink标签能够连接网本地或网络上的KML文档，并可设置刷新显示时间等选项。利用程序读取巡线员当前位置，并及时生成本地KML文件，再由包含NetworkLink标签的KML文件连接位置KML文件，实现巡线员位置的及时刷新显示。NetworkLink标签设置如图3所示。

图3　使用KML NetworkLink动态刷新巡线员位置的设置Fig.3　Use KML NetworkLink to dynamic refresh the location of inspectors

2.2　Web Service数据服务

Web Service是一种可以接收和响应网络请求的远程调用技术，具有轻量级、跨语言、跨平台等特征。通过SOAP在Web上提供软件功能服务，使用WSDL文件进行服务描述，并通过UDDI进行服务注册(王楠等, 2006)。由于是企业内部使用，系统采用非完全结构的Web Service(舍弃服务注册中心)进行数据库连接与数据操作，客户端是服务的请求者，Web服务端是服务提供者，与数据库部署一起。客户端绑定Web服务端，并发送请求(系统登录、获取数据、插入数据、更新报警及更新事件等)，Web服务端通过数据库操作，向客户端返回状态信息或相关数据，Web Service数据服务结构如图4所示。该结构降低客户端与数据库的耦合度，保证数据库访问安全，为系统功能扩展提供结构支撑。

图4　Web Service数据服务结构Fig.4　Data service structure using Web Service

3　系统功能实现

本系统采用C/S架构，以Windows为应用部署平台，选用MS-SQL Server作为数据库、微软IIS(Internet Information Services)作为Web服务器、Visual Studio.NET作为开发平台、Google Earth作为时空数据展示平台，通讯服务器采用TCP Server通讯台，Web服务、通讯服务和数据服务三者共同部署与一台服务器。

(1)系统非业务功能。系统需要登录，以便确定登录人(管理人员)所对应管理的巡线员；登录后客户端除了启动Google Earth展示所管辖巡线员的当前位置，其他功能都集成到托盘程序中；当有违章、报警及短信消息时，托盘程序会有所提示，界面如图5所示。

图5　系统非业务功能界面Fig.5　System interfaces of non-business functionA. 登录；B. 托盘功能；C. 托盘提示

(2)系统业务功能。系统具有巡线员位置实时显示、历史巡线轨迹回放、违章信息查看与处理、报警信息查看处理与统计、短信互动等功能，其部分功能实现如图6所示。

系统在浙江省天然气开发有限公司进行了部署与测试，取得了较好的应用效果，达到实现了对巡检员的有效监控与管理。

图6　系统业务功能测试界面Fig.6　System test interfaces of business functionA. 实时位置监控，B. 历史轨迹回放，C. 报警信息处理

4　结语

针对目前管道巡检监控的不足之处，设计出一套运用Google Earth等技术，对天然气管道巡检行为进行监控的软件系统，实现了实时定位与可视化、自动违规巡检报警、远程交互等功能，为巡检监控提供实时、客观、准确、系统的数据支持。从基本原理、特点、扩展性、经济性及实用性等五个方面比较传统巡检监控系统、现代常用巡检监控系统及Google Earth巡检监控系统的优缺点(雷宇等， 2008)，如表1所示。

表1　巡检监控系统比较