基于射频识别技术的燃气管道电子标识系统

柴家凤 刘慧 徐欣 耿淑琴 周生远

摘 要：地下管线是城市的“血液管道”和“神经网络”，燃气管道与给水、排水、电力、通信等地下管线，形成了一张庞大复杂的地下管线网络。因此，如何利用RFID技术在地面实时监测燃气管道的工作状态和维护燃气管道的安全工作，成为人们要应对的重大挑战。该文主要从 RFID技术在电子标识系统中的应用为切入点，为众多基于RFID技术形成的电子标识系统的研究者提供参考。

关键词：燃气管道；RFID；电子标识系统；线圈天线

中图分类号：TP31 文献标志码：A

0 引言

随着经济的快速发展，城市的基础设施也在迅猛发展，城市地下管线越来越多，燃气与给水、排水、电力、通信等地下管线，形成了一张庞大复杂的地下管线网络，是城市的“血液管道”和“神经网络”，其构成了保证城市运行的“生命线”。但是地下管线庞大复杂、纵横交错，随着城市快速发展，由于地面设施、道路变化频繁等原因，使地下管道的信息更新与城市发展需求不同步，因此由于第三方施工造成的地下燃气管线泄漏事故越来越多。第三方破坏导致燃气管道本体受损进而引起燃气泄漏，其特点是燃气泄漏量大，燃烧、爆炸所造成的人身、财产损失巨大，严重危及城市的公共安全。燃气管道一般埋深在1.5 m以内，但是随着我国城市的快速建设发展，各行业地下管线越来越多，由于施工影响地下管线交叉也越来越多，越来越复杂。燃气地下管线敷设时为躲避其他管线，敷设深度会增加，因此埋深在超过1.5 m的管道可能会越来越多。由于地下管线纵横交错，全面掌控燃气地下管线的准确位置信息是施工管理、日常巡检、泄漏检测、应急抢修等工作的基础；也可有效避免“挖爆管”和误开挖事故的发生，降低第三方破坏的风险。如何完善和监控地下燃气管道的保障机制是我们国家建设智慧城市、实现可持续发展要解决的突出问题之一。该文以RFID技术为切入点，全面的综述了电子标识系统在燃气管道上应用的相关文献，希望能给有兴趣的研究者提供参考。

1 燃气管道探测方法在国内外发展的综述

国内外目前在地下燃气管道示踪检测方面主要有3种探测手段：探地雷达探测、声学管道探测和电磁感应探测。

1.1 探地雷达探测（Ground Penetrating Radar简称GPR）

探地雷达又称地面探测雷达、地质雷达，在频率为106 Hz～109 Hz，是通过电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律的一种电磁波探测方法。探地雷达探测多采用发射机通过天线向探测目标发射高频脉冲电磁波信号，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射，接收机和接收天线接收来自地下反射回来的电磁波，通过主机发出的控制命令开始采集数据，经过数据采样、量化再进一步通过A/D转换成数字量被显示和保存。探地雷达在地下管道定位方面的应用效果较好，但需要结合管道的档案资料进行分析，不能直接分辨出是什么属性和用途的管道；在管道周围有间隙、水穴等干扰时，容易产生错误信息。除此之外，探地雷达检测需专业人员才能准确识别，而且成本昂贵，无法大面积的应用于地下管道。

1.2 声学管道探测

声学管道探测主要是利用声波在不同介质中的传播特性来检测和定位地下目标的，截止到今天仍然是比较新的探测手段。声学管道探测时，由发射器向地下目标发射短声波脉冲，当遇到地下不连续或不匹配的界面时，会反射回声波，接收器接收来自地表表面波和管道反射波，进而将数据传递到控制面板，显示出地下管道的各种参数信息。声学管道探测主要应用于管道捡漏和电力电缆故障的定位中，但检测的距离有限，往往不能达到工程中地下管道探测的最大距离。

1.3 电磁感应探测

电磁感应探测是地下管道探测的主要方法之一，是在地下管线与周围介质的导电性和导磁性差异的基础上，根据电磁感应原理来分析和研究电磁场时间与空间的分布规律，从而推测出地下金属管线的位置信息。电磁感应探测只对金属管线有显著的效果，对于确定非金属管线在地下的位置，要通过示踪装置沿着金属管道发射电磁波信号，再利用探测仪和地下反射回来的电磁信号来定位。目前为止，我国国内的示踪探测法仅能解决部分地下管线定位问题，其他由于受外界压力等破坏或自身腐蚀断头等问题使其无法被探测。除了示踪探测法以外，还有一种方法是电子标识探测法。这种方法是在施工时在管道正上方埋设电子标识器，通过探测仪在地面与标识器里的线圈产生电磁耦合，检测出电子标签内部存储的管道直径、埋设时间、地理位置和拐点等信息，从而快速准确的定位。电子标识系统在欧美国家已经有40多年的历史，然而我国燃气行业在20世纪末才逐渐应用于电子标识系统。电子标识器主要有钉型、球型、盘型等，1.5 m深的地下燃气管道主要以钉型为主，2.4 m和3 m深埋的地下燃气管道主要以盘型为主。电子标识器主要部分是通用标签芯片，成本低，适合大面积应用。

综上分析对比，电磁感应探测的成本较低，电子标识探测效果较好，建议燃气公司首选以电子标识探测为手段的电磁感应探测方法。

2 RFID技术的综述

2.1 RFID技术的发展概况

RIFD技术起源于第二次世界大战期间，并且逐渐发展至今，在服务业、制造业、信息产业、国防以及医疗领域都有重要应用。我国RFID产业的发展还有待提高，在超高频RFID方面还有很大的进步空间，但是在低高频方面技术还是比较成熟。RFID产业主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。我国目前还未形成成熟的RFID产业链，一些核心技术还掌握在国外手中，还不能应用在金属材料和液体环境上。该文主要是综述低频RFID标签天线技术，应用低频RFID技术在燃气管道上设计电子标识系统。

2.2 RFID技术的工作原理

射频识别（RFID）技术，是一种利用射频通信方式实现的非接触式自动识别技术。RFID技术产品大概有无源、有源和半有源3大类产品，其中无源标签也称被动标签，是当标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，通过耦合出来的感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的存储信息，而有源标签也称主动标签是由标签主动发送某一频率的射频信号，通过讀写器读取信息并解码后，发送到带相关应用软件的计算机中进行相关的数据处理。

該文主要综述无源低频标签的应用，无源标签无须供电，在地下可以长期运行，而且成本低。RFID系统由电子标签（即电子信息标签）、读写器和应用软件3个部分组成。电子标签由IC芯片和耦合线圈天线组成，当主电路线圈产生谐振时，会给电子标签侧的线圈传递能量，电子标签芯片会做出应答，发出标签芯片内的唯一标识码，由读写器接收解读数据，并且传送到带应用软件的计算机进行数据处理。RFID系统结构图如图1所示。

2.3 RFID技术的应用

RFID技术在超高频、高频、低频段都有很多应用：

在超高频段有供应链上的管理和应用、生产线自动化的管理和应用、 航空包裹的管理和应用、集装箱的管理和应用、铁路包裹的管理和应用、后勤管理系统的应用。RFID技术在超高频领域还可以应用于智慧交通，解决视频监视系统的不足之处，使汽车在各种天气环境下都能远距离、不接触、高效率的被识别。

在高频段有图书管理系统的应用、瓦斯钢瓶的管理应用、服装生产线和物流系统的管理和应用、三表预收费系统、酒店门锁的管理和应用、大型会议人员通道系统、固定资产的管理系统、医药物流系统的管理和应用、智能货架的管理和应用。

在低频段有畜牧业的管理系统、汽车防盗和无钥匙开门系统的应用、马拉松赛跑系统的应用、自动停车场收费和车辆管理系统、自动加油系统的应用、酒店门锁系统的应用、门禁和安全管理系统以及该文综述的地下燃气管道的管理和应用等。

3. 电子标识系统发展现状

3.1 电子标识系统概念

电子标识系统是用于精确定位地下管线及设备的技术，主要由探测仪、发射电路、RFID系统、接收电路和软件系统组成。电子标识系统是通过射频识别技术，应用电磁感应原理来显示地下管线的相关信息。电子标识系统中每个电子标签都有全球唯一的ID编码，同时还有存储空间，可以存放管线信息，象管径、埋深、拐点等。软件系统设计应用了曼彻斯特编码，还对标签信息进行了钝化处理，通过牺牲空间来换取数据的准确率，使数据能更准确、更高效地被读出。

3.2 电子标识系统工作原理

探测仪通过间断的方式发送一连串相同频率的电磁波信号，同时，产生相同频率谐振的地下电子标签接收，并且存储通过探测仪发送的信号。探测仪在指定时间内发送信号，之后会暂时停止发送信号，而是转入信号接收模式来接收地下电子标签发送出的信号波。这些信号波包括了电子标签唯一标识码信息、管道深埋信息以及管道的拐点、出口、压力等信息。当探测仪接收返回的信号波强度最强时，探测仪与电子标签间的耦合线圈产生的谐振频率最佳，此时能准确定位地下管道的位置，也就是在电子标识器正下方。

谐振现象是对于任何含有电感和电容的一端口电路，在一定条件下可呈现电阻性，其端口电压与端口电流相位相同。一端口网络发生谐振的条件是端口输入阻抗或导纳的虚部为零，呈电阻性。谐振电路有串联谐振和并联谐振2种形式，在电子标识系统中的电子标签侧应用了并联谐振。在调谐时除了频率确定谐振特性外，品质因数也能反映出谐振特性。谐振现象属于正弦稳态电路的一种特殊工作状态，谐振时的电源频率也是电路的谐振频率。

工程中线圈的选材要考虑品质因数Q、线圈半径、趋肤深度，在实验时还要注意线圈的间距和线圈半径。由于不同地区的土壤特性差别很大，趋肤深度不同，对电磁场信号的影响会有所不同，从而影响地下环境通信。趋肤深度是场穿透距离的下限，依靠趋肤深度来推测地下通信的距离是比较可靠的。常见地下介质（象不同的岩石、沉积物、矿石等物质）的趋肤深度在不同频率下的（1 kHz、100 kHz、1×104 kHz）趋肤深度，如图2、图3所示。

4 基于RFID技术的电子标识系统的发展问题

如今基于RFID技术的地下管道电子标识系统在实际工程中深埋探测已经达到了2.4 m，然而在实验室环境下最大深埋达到了3 m，可在实际中应用还存在着一些不足。因此，基于RFID技术的地下管道电子标识系统在现有条件下还需做进一步的改进。

（1）随着自然环境的变化，土壤的温度、水分等条件也会变化，这些因素会对地下物质的电导率和介电质常数产生影响，从而影响线圈的电感值和线圈的谐振频率，使电子标识系统读取的数据产生偏差，不利于信号的采集和提取。若能将自动调频技术应用进去，可以使电子标识系统做出时时地调整，从而能达到固定的谐振频率。

（2）随着RFID技术的发展，构建大规模适用普遍环境下的电子标识系统网络架构是未来应用的趋势。

（3）将各个管道反馈回来的信息进行综合处理，并与地理信息系统（GIS）技术、数据库技术和三维技术结合，直观显示地下管道的空间层次和位置，使地下管道的管理更加准确安全。

（4）加强各类定位算法的研究和改进，进一步提高定位算法的精度，使电子标识系统准确定位地下管道的位置。

5 结语

该文介绍了RFID系统和电子标识系统的基本原理和结构，对现有地下管道探测技术进行了对比分析，综述了采用低频RFID技术的地下电子标识系统，为地下燃气管道更好地在地下应用做铺垫。随着RFID技术的发展，已经对越来越多的行业产生影响，在未来将会对国防和经济做出更大贡献。希望该电子标识系统在燃气管道上应用面临的不足，能在未来得以解决，也希望未来能将此技术在全国范围内进行普及，为智慧城市添砖加瓦。

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