初探基于RFID技术的电子标识器在电缆网的维护管理中的应用正式

初探基于RFID技术的电子标识器在电缆网管理中的应用方嘉丽，高杨，阎树勋大连城西供电分公司摘要： RFID（射频识别技术）是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，它是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。基于该项技术而产生的电子信息标识器可以利用射频信号进行信息的储存和传递，在电缆网的维护工作过程中，现场施工人员根据标识器所传递的信息可以快速、准确的掌握故障电缆的地下管线的位置，了解电缆走向及相关设备信息，从而有效的避免误挖其他电缆或供热等他类管线，减少了土石开挖工程量，在保障施工过程的安全性的同时大幅度的提升了工作效率。本文将对RFID技术的基本工作原理，基于RFID技术产生的电子信息标识器的技术特点、实际应用方法以及未来发展趋势作以分析和介绍。关键词：RFID 电子信息标识器 电缆网管理 识别 定位引言：随着时代的进步，人们对供电企业的供电质量也逐步提升，同时为美化环境，节省土地资源，供电方式由架空线路改为地下电缆埋设已经是大势所趋，伴随着电网网架结构的不断改造，相信在不久的将来地下电缆网的维护将是供电企业日常工作的重点。但是面对供热、供气等密如蛛网的各类地下管线，如何准确及时的定位出现场所需要的电缆位置，快速的了解电缆走向及相关设备信息，从而尽可能保证现场施工的安全性，避免误挖其他电缆或供热等他类管线，减少土石开挖工程量，这些将是我们今后工作过程中需要共同探讨和学习的地方。1. 目前的电缆网维护管理现状及常见问题目前，大部分电力电缆除了敷设在主干道路旁侧的电缆沟或隧道外,依旧大量采取了直埋方式。对于故障电缆路径的找寻方法大多采取标识物识别或应用其他定位仪器查找，在实际的运用过程中时常存在以下几个问题致使因无法确定电缆路径而使故障排除工作陷入僵局。1.1标识物缺失。在日常的电缆网维护管理工作中，由于地区经济的飞速发展，市政建设、房屋建筑、道路、绿化及各种管线建设对地理环境引起的变化等诸多因素，原有电缆地上标志物已经缺失。根本无法再利用当初的标识物或图纸相关参照物进行对照找寻电缆路径。1.2传统的探测设备受外界条件干扰强烈，容易出现较大误差。传统地下管线探测设备易受到金属物、强电场等环境影响，以及信号接入条件不同所造成的检测误差，甚至是较大的误差。例如：2008年4月XX2#开关站进线电缆中间接头进水故障，由于该地区房地产开发地理位置变化较大，原资料图纸电缆地上标注物已经缺失，电缆位置无法查询，致使故障点迟迟未能找到，虽然动用各种仪器查找，但效果皆不十分明显，整个电缆故障查找和排除故障总共花费时间长达两天半之久.1.3受气候条件干扰，在恶劣天气条件下无法进行。例：2008年8月16日18:05分，XX变XX干11至XX2环网箱101段电缆被建筑工地挖掘机挖断，导致相间短路，造成两条10kV线路跳闸。肇事人在电缆被挖断后将事故点掩埋，同样因为图纸资料不准确，电缆位置不清楚，加之当天有较大降雨，地面都被较深积水覆盖，造成全线三段电缆无法准确检测故障点，进而负荷不敢轻易导出，运用各项设备仪器查寻，直到第二天下午14：05分，检测确定事故点，才恢复送电并将负荷导出。此次停电时间持续20余个小时，对故障停电平均持续时长影响最大，严重影响分公司可靠性指标的同业对标工作。2. RFID（射频识别技术）简介RFID技术的问世无疑是为电缆网的维护管理工作提供了一个全新的方法及理念，我们可以利用该项技术大幅度的提升供电公司的电缆故障维修工作的工作效率。首先我们将对RFID技术作以简介。2.1什么是RFID技术射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID）是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。1948年哈里斯托克曼发表的利用反射功率的通信奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。 2.2RFID技术的工作原理 RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成感应偶合(Inductive Coupling) 及后向散射偶合(Backscatter Coupling)两种, 一般低频的RFID大都采用第一种式, 而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。 在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。3. RFID技术的延伸电子信息标识器利用RFID技术而研制的电子信息标识器可以有效的应用于电缆网的日常维护管理工作之中。只要我们根据设计要求预先在电缆埋设的过程中安放标识器，在日后的维护工作中，我们就可以轻松的找到该电缆的相关信息。并且该设备利用的是RFID技术，根据标识器反映的信号强弱来加以区分，从而有效的克服了传统探测设备受天气、金属、地质等条件的约束，即使在恶劣的自然条件下也可以充分的发挥功效，因此无论是从便捷性还是实用性角度，相对目前的电缆故障探测的方法和仪器都达到了质的飞跃。3.1电子信息标识器的组成电力电缆电子信息标识系统主要有电子信息标识器和标识器探测仪两个部分组成。为区别通信、供水、石油天然气等地下设施，电力电缆电子信息标识器外观颜色使用红色，谐振频率必须为169.8HZ。电子标识器通常分为球型ID电子标识器、球型普通电子标识器、钉型普通电子标识器、中程普通电子标识器和全程普通电子标识器五种，目前应用比较普遍的为球型ID电子标识器（如图1所示），不同种类的电子标识器最大埋深不等（详细埋深参照表1）。探测仪主要用于将编程信息读入和写入球状标识器，同时还可以读取标识器的ID编码及记录的相关信息。（图1）产品名称型号最大埋深（米）建议埋深（米）球型ID电子标识器1425-XR/ID1.50.81.2球型普通电子标识器1405-XR1.50.81.2钉型普通电子标识器14360.60.20.4中程普通电子标识器12591.81.01.5全程普通电子标识器12542.41.02.0（表1）3.2电子信息标识器的工作原理（1）探测仪以间断方式发送一定频率的信号脉冲。（2）相同谐振频率的地下标识器吸收并存储信号能量。（3）探测仪短时间发送信号后,停止发送并进入信号接收模式。（4）当探测仪停止发送信号,标识器将储存的能量释放并反射回探测仪。（5）探测仪检测返回的信号强度来确定标识器具体地点。（6）当探测仪与标识器最接近时，信号最强，也就是标识器的正上方。（7）电子信息标识器采用RFID技术存储并传输数据信息。（如图2）所示。（图2）3.3电子信息标识器简介国内外应用情况电力电缆电子信息标识系统是对3M公司开发的电子标识系统技术的应用。最早是为美国公共设施应用而开发 ，用于对现场事件点的重定位。近期开发出的带信息存取的信息标识器及与之相应的定位设备，更增加了电子标识系统使用的可靠性和方便性。据资料介绍，我国香港地区已对地下燃气、给水、排水、电力、通信等管线全面埋设了电子标识器并制定了相关管线施工维护规范，从而为有效地降低了事故发生率，在提高劳动生产率和地下管线的安全性方面提供了良好的技术保障手段。在世博场馆的燃气配套工程中，浦东燃气应用了3MDynatel电子信息标识系统，用于精确定位和准确识别管道、阀门、弯头、三通和其他地下管道设施等。使用RFID技术后，既能避免为了寻找管道而大面积开挖路面对居民生活产生的影响，又保证了对城市地下管道的精确识别和安全管理，真正体现了上海世博会的主题：城市，让生活更加美好！3.4电子信息标识系统的较传统探测设备的优越性3.4.1由于电子标识系统是通过探测仪对地下电子标识器的信号强度的探测来达到确认标识器位置的，它克服了传统地下管线探测设备易受到金属物、强电场等环境影响，以及信号接入条件不同所造成的检测误差，甚至是较大的误差。3.4.2电子标识器的内部是一个无源电路，其内部有防冻液，外部防潮防腐，能抵抗外界环境的剧烈变化，例如一些极端温度的出现。3.4.3电子标识器寿命较长，可以达到50年，远远超过了地下电缆30年的寿命。3.4.4电子标识器系统所受的干扰和影响很小，相应的精确度高，因而能较好地发挥其精确定位功能。如果结合全球定位系统GPS使用，以全球定位系统寻找发生故障的大致地区，再以电子标识系统在一定区段内进行快速地精确定位，或者在不同种类地下设施密集复用地区及同沟敷设地区，分别选用不同频率的电子标识器加以区分，其作用则更为明显。4. RFID技术的实际应用方法电子信息标识系统的建立和应用电子信息标识系统能够有效的利用RFID技术，在电缆网的运行维护管理工作中通过快速的定位帮助现场施工人员快速、精确的确定电缆路径及相关设备信息，从而缩短工作时间，保障施工安全性，避免因大量开挖土石方或挖断其他管线而引起不必要的工程延误。其应用方法大致分为两个阶段：1.建立电子信息标识系统。将标识器按工作流程准确的放入埋设电缆的规范位置，并建立相关信息备份。2.应用电子信息标识系统。根据标识器反映的位置判断电缆走向及相关设备信息。4.1电子信息标识系统的建立。根据地区性质不同电子信息标识器的选用大致分为三种情况：1.城区大部分地区选择球型电子标示器。2.野外或郊区等维护人员很少到达的地方多采用中程或远程电子标示器。3.在硬质路面上补埋电子标识器时多采用钉型电子标识器。电子信息标识器的应用流程大致分为五个步骤（如图3所示）：4.1.1现场设计。经过现场勘察后，将电子信息标识器位置、埋深深度及埋设要求在施工图纸中进行标注。（1）设计人员在对现场进行勘察后，根据电缆敷设的路径按照一定间隔确定电子信息标识器埋设位置，同时为每个电子标识器发配编码，并在设计图纸中对电子标识器的位置、埋深及安装要求作以说明和标注。（2）在电子标识信息表（如表2所示）中填写相关信息，并将此表随设计图纸一同校验转出。（如图4所示）4.1.2根据设计图纸要求按设计规范现场施工，将电子信息标识器埋设于相应位置。施工方在施工过程中应严格按照设计图纸规范要求施工，根据图纸准确的放置电子信息标识器。在这里，我们有必要了解一下电子信息标识器安装时的注意事项和安装位置。(1)电子信息标识器通常使用扎带绑扎在电缆上，确保其位置相对固定。如果受现场条件限制无法进行绑扎固定时，可采用直接敷设在电缆上方的方法，但之间必须保持至少10厘米的距离。(2)球型ID电子信息标识器在埋设时无方向要求，但必须注意埋深深度必须小于其规定的最大埋深。埋设过程中应先铺垫细土后放置标识器，再回填至少15厘米细土后方可夯实或机械回填至路面（如图5所示）。（3）电子信息标识器埋设于相应电缆设施的正上方，相邻两个电子标识器之间的水平距离必须大于1米且不大于50米，建议埋设间隔为1020米，以保证能被清晰的识别出来。（4）电缆电子信息标识器安装位置。在进行地下电缆建设和维护过程中，电子标识器可沿电缆按照一定的间隔埋设，但在以下几处事件点处应重点安装标识器:电缆拐弯处通常沿弯道埋设三个电子标识器并保证间距至少大于1米，其主要作用在于进行电缆探测时可以准确的测出电缆的拐点;当电缆埋深深度发生时，在电缆埋深变化的两端分别放置电子标识器，并保证最小距离大于1M小于50米;电缆中间接头处;电缆护管两侧分别安装电子信息标识器;接续点、井盖、T型分支等事件点处;与供水、供暖、通信等其他管线交叉跨域处。（如图6所示）4.1.3建立或变更电子标识器信息档案。标识器设计有可存储相关信息的芯片，而且每个标识预先写入了一个10位数的唯一序列号标识码，壳体外部也有一相同的条形码标签，使用单位在安装前取下并粘贴在施工图上或记录单上。对标识器相应ID编号及对应环境深度等信息进行记录，并由专人负责及时进行维护，保证数据的及时性和准确性。4.1.4竣工验收。根据施工图纸，使用定位仪对每个电子标识器进行验证，读取其ID号和信息，并与电子标识信息表进行对照。利用GPS全球定位系统对电子标识器进行现场定位，将其记录位置导入配电地理信息系统（GIS系统）中，并根据此位置进行电缆绘制。确认无误后方可履行签字手续。（如图7所示）4.1.5 资料归档。将电子信息标识器的ID编号及对应环境深度与验收资料共同归档，信息维护员根据资料建立相关数据库信息并做好维护。现场设计按设计规范施工建立信息档案竣工验收资料归档（图3）电子标识信息记录表工程名称 施工日期施工单位记录人序号ID条形码描述井号埋设位置经度纬度123456（表2）现场勘察电缆路径及管线设计确定埋设标识器位置及安装注意事项为每个标识器分配编码在电子标识信息表中填写相关信息校验出图 （图4）（图5）（图6）（图7）4.2电子信息标识系统的应用当某段电缆发生故障时，应用电子信息标识系统较通常电缆查找方法来说，其查找速度可以提升80%以上，根本原因在于：电子信息标识系统对电子标识器的记录和定位可以使施工人员快捷的找寻到标识器的相应位置，而后通过对标识器“点”的定位，实现对电缆的“线”定位的效果。我们现在假设在K地区的一段电缆L，同时还有另一条电缆M敷设在电缆L旁并与电缆M平行埋设，每条电缆有四个电子标识器，其地下电缆走向（如图8）所示。（图8）当这条电缆L发生故障时，如果按照常规方法去找寻电缆，在图纸不清的情况下，我们无法判断出我们所查到的电缆是L电缆还是M电缆且查找定位困难，从而造成土石开挖工程量过大，甚至可能因为埋深不清误将M电缆挖断，引发停电事故。应用电子信息标识系统后，在图纸不清的情况下，我们可以按照如下步骤找寻目标电缆位置（如图9所示）：4.2.1将GIS系统中的相应电缆及电子标识器座标导入至手持电脑中。4.2.2利用GPS全球定位系统对电缆管线所在区域进行大致定位。4.2.3施工人员应用探测仪沿路成“S”形路线进行扫描(如图10所示)，找到最近的电缆标识。4.2.4读取ID标识。如果读到ID标识编码与标识器A相符，则A点为目标电缆经过的点；如果读到ID标识编码与标识器E相符，则需再次找寻电子标识。4.2.5运用同样方法分别找寻出ABCD四点，则目标电缆路径确定，同时根据电子标识信息记录表可以查出目标电缆的埋深、长度、型号、材质等相关信息。将GIS系统中的目标电缆座标位置及相应ID编码信息导入手持电脑中利用GPS定位系统对目标电缆的大致位置进行定位沿路找寻最近的电子信息标识器并读取其ID编码（图11）ID编码与目标电缆的标识器ID编码是否相符是否找寻下一标识器（图9）（图10）5. 应用电子信息标识器的辩证分析5.1建立地下电缆电子信息识别系统的意义通过上述分析，我们不难发现电缆电子信息识别系统具备如下优点：5.1.1提升安全性，有效保护地下设施。5.1.2快速和正面地对地下设施图纸记录予以认证。5.1.3在没有图纸记录的情况下快速和正面地对地下设施予以辨识。5.1.4确切帮助管线维护和施工人员知晓地下设施所有者的信息。5.1.5在极其恶劣的条件下仍能保证极其精确而有效。5.1.6减少事故、损失和重复劳动。5.1.7从根本上防患于未然。5.2电子标识器的不足由于该项技术存在时间尚短，在技术,系统管理和流程管理上依旧存在几点的不足有待于进一步的提升。5.2.1技术方面：目前普遍使用的球型ID电子信息标识器的地下探测深度最多只能达到1.5米，超过1.5米则信号反应不够灵敏，所以对于部分埋深超过1.5米的电缆只能使用全程电子标识器，但全程电子标识器主要用于维护人员很少到达的地区，应用程序较为繁琐且成本较高。因此，需要加大对电子信息标识器的技术研究，增强电子信息标识器，尤其是球状ID电子信息标识器的地下探测深度。5.2.2系统管理方面：电子信息标识器虽然可以充当地下网络的管家作用，但如果只有电力电缆或几种管线安装了该系统，而其他的管线未安装，则施工时依旧有可能对安装了电子标识系统的电缆或其他线路造成损害。因此，建立完善全面的电子信息标识系统可谓任重而道远，它需要全社会各系统的全面普及，以及相关政府部门的协调。5.2.3流程管理方面：电子信息标识系统的建立和应用虽然可以有效的提升电缆网的维护工作，但在日常的标识器信息维护过程中，如果仅限于目前采用的简单的EXCEL工作表进行记录的话，其过程缺少流程化管理，进而会由于不规范的管理流程致使标识器数据丢失。因此，为便于以后更大的发挥其关键作用，应根据实际工作流程配备适当的工作软件，将整个工作流程由数据化转为表单化和流程化，进而实现该项工作数据信息的集约化管理。6. 结论对于电力电缆来说，电缆查找速度的提升无疑加快了供电企业对于电缆故障排