物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)助力城市道路水生態(tài)監(jiān)測預(yù)警

劉雅莉

物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)助力城市道路水生態(tài)監(jiān)測預(yù)警

劉雅莉

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

針對目前城市道路管理中排水不暢這一頑疾，重點(diǎn)研究采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析建模等主要技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)城市道路排水精細(xì)化管理，并延伸到整個(gè)城市水生態(tài)系統(tǒng)的管理。

物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；水生態(tài)；監(jiān)測預(yù)警

1 前言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)達(dá)和城市化進(jìn)度的加快，國內(nèi)各個(gè)城市的道路建設(shè)發(fā)展尤其迅速。十三五規(guī)劃建議當(dāng)中提到：推進(jìn)市政設(shè)施智慧建設(shè)，提高安全運(yùn)行管理水平，實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”市政基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃。深度融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等科技信息技術(shù)在市政基礎(chǔ)設(shè)施中的使用。促進(jìn)智慧管網(wǎng)的發(fā)展，尤其是供水排水全過程的信息化，包括水壓、水量、水質(zhì)、水設(shè)施的信息采集、處理與控制體系的信息化；實(shí)現(xiàn)城市地下空間、地下綜合管廊、地下管網(wǎng)管理信息化和運(yùn)行智能化，加強(qiáng)各類市政設(shè)施管理數(shù)字化平臺建設(shè)和功能整合；建設(shè)一套綜合性城市運(yùn)行管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)多源信 息整合和共享，探索建立全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化監(jiān)管 體系[1]。

在城市排水管網(wǎng)建設(shè)中，雨水控制的基本理念以兩方面為主，分別是“快速排除”和“末端集中”。大量雨水排走，一般利用粗糙的管渠系統(tǒng)，如果遇到暴雨，徑流量增大、徑流匯流時(shí)間變短，增大了高峰徑流量，而規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)前瞻性和預(yù)見性不高，沒有考慮到城市化進(jìn)程加快引起的水文等變化，造成道路積水不能及時(shí)導(dǎo)入城市排水系統(tǒng)。由于道路積水導(dǎo)致的車輛被淹事故越來越頻繁，給社會造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。較短時(shí)間內(nèi)大量雨水徑流被輸送至管網(wǎng)末端，就會導(dǎo)致城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)加大。鑒于此，需要建立一套完善的能夠監(jiān)測和預(yù)警城市道路積水狀況的系統(tǒng)。

2 遍布城市水系的智能神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)

將傳感設(shè)備植入城市排水系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測城市排水系統(tǒng)中檢查井內(nèi)水位的變化情況，為道路積水預(yù)警裝置提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)通過水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究管道模型。利用人工智能AI將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺建模運(yùn)算，分析管道和排水系統(tǒng)的水流規(guī)律，快速顯示監(jiān)測預(yù)警重要區(qū)域、未來降雨量容易形成城市積水的預(yù)計(jì)時(shí)間段和疏導(dǎo)方案，從而實(shí)現(xiàn)對道路積水的監(jiān)測預(yù)警。

城市道路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過分布在排水系統(tǒng)各個(gè)安裝點(diǎn)的水位傳感設(shè)備，將收集到的信息轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）大數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)排水系統(tǒng)正常運(yùn)行和解決道路積水應(yīng)急處置問題[2]。監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

2.1 智能傳感器

傳感器是一種檢測裝置，它由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，當(dāng)給出被測量物時(shí)，傳感器能精確感受到，得到檢測和感受信息，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號，比如以電流、電壓或者相位的形式輸出。最終，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能可以利用此輸出信息作為數(shù)據(jù)來源，進(jìn)行分析運(yùn)算建模。

智能傳感器使用嵌入式技術(shù)，將傳感器與微處理器集成為一體，這種終端設(shè)備具備的功能有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、智能控制和數(shù)據(jù)通信。另外，智能傳感器還具有自學(xué)習(xí)、自診斷和自補(bǔ)償能力。正是具備這些功能，智能傳感器在感知物理世界的時(shí)候反饋給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)就會更準(zhǔn)確、全面，達(dá)到精確感知的目的。

2.2 NB-IoT技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，按照約定的協(xié)議將任何東西和互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)跟蹤、定位、識別和監(jiān)控等功能的一種網(wǎng)絡(luò)概念。NB-IoT技術(shù)是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要分支，具有低功耗、大連接、廣覆蓋和低成本等優(yōu)點(diǎn)。利用NB-IoT建立一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺，當(dāng)傳感器發(fā)生預(yù)警時(shí)，預(yù)警信息通過 傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳給平臺，管理平臺派出維護(hù)人員到現(xiàn)場及時(shí)處理。

2.3 人工智能大數(shù)據(jù)分析

傳感器采集到大量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行過濾，將有效信息再進(jìn)行上傳，由此將真正有效的各類水壓、水質(zhì)、水量等大數(shù)據(jù)通過NB-IOT無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)匠阒行?，在后臺數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上利用人工智能自學(xué)習(xí)能力，快速對收集來的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)研究，提取有用的信息和結(jié)論，輸出各類趨勢報(bào)告、應(yīng)急預(yù)案，幫助維護(hù)人員作出判斷，采取適當(dāng)行動。

3 以智能井蓋作為水生態(tài)系統(tǒng)的切入點(diǎn)

城市中的井蓋是一個(gè)很好的道路水生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)切入點(diǎn)。它是地表、地下的兩大過程的一個(gè)界面，任何一個(gè)點(diǎn)積水時(shí)間、積水范圍、水的淹沒深度、水質(zhì)的情況都可以通過井蓋上面的傳感器感知出來。

城市中污水管網(wǎng)和雨水管網(wǎng)合用一條管網(wǎng)，下雨時(shí)污水管網(wǎng)無法儲存過多的雨水，就會造成污水井逆流，污水井的逆流對河流、湖泊的清理是一個(gè)很大的沖擊，所以井蓋上的傳感器能把下雨時(shí)候各個(gè)管道的引流情況呈現(xiàn)出來。通過傳感器上傳的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模型，從水量、水質(zhì)、雨水資源化這三大內(nèi)涵數(shù)學(xué)模型進(jìn)行診斷，進(jìn)行三大耦合平衡設(shè)計(jì)，這樣，整套數(shù)學(xué)模型把城市雨水是怎樣分流、怎么散流、怎么下滲、怎么聚集、怎么排、怎么利用全都有了感知，能及時(shí)進(jìn)行道路積水預(yù)警，并提出解決管理措施。

4 智能井蓋在城市精細(xì)化管理中的應(yīng)用

4.1 智能井蓋原理

城市智能井蓋系統(tǒng)采用GRPS技術(shù)、NB-IoT技術(shù)、Web技術(shù)和大數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警，傳輸數(shù)據(jù)給監(jiān)管平臺，實(shí)現(xiàn)平臺一體化作業(yè)，監(jiān)管中心將數(shù)據(jù)的信息化存儲、統(tǒng)計(jì)與分析，為道路積水監(jiān)測預(yù)警提供有效理論依據(jù)[3]。

在易澇區(qū)域的重要地段、地點(diǎn)設(shè)置智能井蓋水位監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時(shí)接收水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)，每隔一段固定時(shí)間傳輸給監(jiān)控中心。系統(tǒng)通過人工智能進(jìn)行建模運(yùn)算，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合水位變化曲線，輸出水位趨勢報(bào)告。根據(jù)水位變化圖得出設(shè)定值，超出這個(gè)值，系統(tǒng)就會報(bào)警，同時(shí)判斷事故的等級，從而啟動相應(yīng)事故聯(lián)動機(jī)制。

4.2 智能井蓋系統(tǒng)組成

智能井蓋系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)由井蓋監(jiān)測中心、通訊網(wǎng)絡(luò)、井蓋監(jiān)測儀、水位傳感器等組成。當(dāng)井下水位值超過設(shè)定的警戒值時(shí)，傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測儀，監(jiān)測儀采用NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)管中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警。這個(gè)系統(tǒng)除了監(jiān)測功能外，還可以提供管網(wǎng)運(yùn)行預(yù)警信息，診斷排水管網(wǎng)中的瓶頸管段，為評估積水、易澇區(qū)域的排水能力提供分析數(shù)據(jù)。

城市智能井蓋系統(tǒng)軟件采用J2EE的企業(yè)級應(yīng)用架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server企業(yè)級數(shù)據(jù)庫。采用2臺服務(wù)器，其中一臺為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用于保存監(jiān)測數(shù)據(jù)；另一臺為系統(tǒng)Web服務(wù)器，提供應(yīng)用程序的安裝部署，同時(shí)為管理人員提供系統(tǒng)的訪問承載[4]。

圖2 智能井蓋系統(tǒng)架構(gòu)

4.3 智能井蓋系統(tǒng)特點(diǎn)

智能井蓋系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：①系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)定報(bào)警規(guī)則，對異常情況進(jìn)行緊急報(bào)警，當(dāng)水位正常時(shí)，傳感器休眠，當(dāng)水位異常時(shí)，傳感器立即發(fā)出報(bào)警信息，有利于相關(guān)部門采取應(yīng)急措施；②系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)異常，會及時(shí)將數(shù)據(jù)上報(bào)給監(jiān)管中心，將以前工作人員“查巡事故”演變?yōu)楣ぷ魅藛T“等待報(bào)警”，巡檢人員的工作效率得到了極大的提高，工作強(qiáng)度也有所減輕，同時(shí)，更降低了管理成本；③系統(tǒng)收到報(bào)警，在第一時(shí)間內(nèi)上傳至平臺，平臺派出工作人員根據(jù)報(bào)警信息具體情況及時(shí)處理，避免給行人、車輛帶來安全隱患，也避免了城市洪澇災(zāi)害發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失；④系統(tǒng)對井蓋狀態(tài)等監(jiān)測數(shù)據(jù)可以查詢、存儲、瀏覽，對運(yùn)維部門的工作真正做到有據(jù)可查，所有后臺信息永久保存為大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化管理；⑤系統(tǒng)促進(jìn)市政管網(wǎng)公司或企業(yè)信息化、智能化、規(guī)范化水平的提升；⑥系統(tǒng)操作簡捷、顯示直觀。

5 建設(shè)水生態(tài)監(jiān)測預(yù)警的目的和意義

近兩年，國家相關(guān)綱要、意見和規(guī)劃中，都強(qiáng)調(diào)了“管理的精細(xì)化、服務(wù)的智能化、機(jī)制的高效化”等，積極利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，建設(shè)新型的示范性智慧城市。建立城市道路水生態(tài)監(jiān)測預(yù)警的意義在于：①解決了道路積水安全問題，保證人民出行安全及生命安全；②防洪除澇，及時(shí)進(jìn)行排水調(diào)度；③緩解交通壓力，保障出行暢通。

今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，在智慧城市管理領(lǐng)域，需要搭建一個(gè)技術(shù)監(jiān)控平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測城市道路供排水狀況，降低市政管理運(yùn)營成本，提高運(yùn)營效率，促進(jìn)市政管理標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，這是實(shí)現(xiàn)智慧城市的必要條件之一。

［1］北京市東城區(qū)城市管理監(jiān)督中心.GB/T 30428—2013 數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng)［S］.出版社不詳，2013.

［2］北京市東城區(qū)城市管理監(jiān)督中心.CJJ/T 106—2010 城市市政綜合監(jiān)管信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］杭州市城市管理委員會，杭州市數(shù)字城管信息處置中心，北京市東城區(qū)城市管理監(jiān)督中心，等.CJT 422—2013 城市市政綜合監(jiān)管信息系統(tǒng)管理部件和事件信息采集［S］.北京：中國質(zhì)檢出版社，2013.

［4］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部信息中心，北京市東城區(qū)城市管理監(jiān)督中心，杭州市城市管理信息中心，等.CJ/T 315—2009 城市市政綜合監(jiān)管信息系統(tǒng)監(jiān)管案件立案、處置與結(jié)案［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

U417.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.024

2095－6835（2020）22－0062－02

劉雅莉，女，研究生，河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程。

〔編輯：王霞〕