基于情境感知的雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安珊 李啟龍 汪海波

關(guān)鍵詞：情境感知；雨污井蓋；智能；服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 相關(guān)概念解析

1.1 情境感知

“情境”是可以用來描述實(shí)體情況的任何信息，包括時(shí)間、位置、系統(tǒng)、服務(wù)等。由于研究對象的不同，情境因素的分類也有所不同。因此在研究中，需要依據(jù)研究對象對情境因素進(jìn)行劃分。Schilit 從來源的角度將情境劃分為計(jì)算情境、用戶情境、物理情境[1]，隨后Chen 與Kotz 在此基礎(chǔ)上增加了時(shí)間情境[2]。陳媛嫄從人機(jī)交互系統(tǒng)的角度將情境劃分為任務(wù)、用戶以及環(huán)境情境。

情境感知可以理解為智能設(shè)備如有耳目，會(huì)察言觀色，能夠?qū)崟r(shí)感知理解自身狀態(tài)以及環(huán)境中的各種信息[3]，并依據(jù)這些信息，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，以適當(dāng)?shù)姆绞接枰杂脩舴答乕4]，為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。其服務(wù)流程主要包括收集、分析情境信息、預(yù)測并反饋用戶需求三個(gè)階段，并且這三個(gè)階段又是不斷循環(huán)往復(fù)的。

1）收集情境信息。情境感知是通過傳感技術(shù)感知、采集被服務(wù)對象的情境信息[5]。在“用戶—設(shè)備—環(huán)境”構(gòu)成的交互系統(tǒng)中，用戶作為服務(wù)主體、任務(wù)作為服務(wù)目標(biāo)、環(huán)境作為設(shè)備完成任務(wù)的主要情境和重要載體，三者在整個(gè)交互系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[6]。因此，情境大致可以分為用戶情境、任務(wù)情境以及環(huán)境情境[7]。

2）分析情境信息。分析情境信息是將所收集到的情境信息進(jìn)行模式識(shí)別、解釋和評估[8]。在對情境信息進(jìn)行分析時(shí)，需要依據(jù)關(guān)鍵情境特征，通過普適計(jì)算等算法框架從眾多情境因素中提取出關(guān)鍵信息，予以優(yōu)先考慮，以得出用戶需求或下一步目標(biāo)預(yù)期，尋找提供服務(wù)的機(jī)會(huì)點(diǎn)。其中關(guān)鍵情境特征的確定一般采用調(diào)研和理論演繹的方式[9]。

3）預(yù)測并反饋用戶需求。用戶操作的發(fā)生往往與時(shí)間、地點(diǎn)、事件有關(guān)，同時(shí)，還具有一定的邏輯性和順序性，因此預(yù)測并反饋用戶需求的系統(tǒng)動(dòng)作的觸發(fā)可以分為基于時(shí)間、地點(diǎn)、事件以及流程的觸發(fā)。

1.2 服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)是從系統(tǒng)的角度出發(fā)，將有形的產(chǎn)品與以產(chǎn)品為核心的服務(wù)連接起來，從而創(chuàng)造新的價(jià)值。而服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)則是對產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)中所涉及到的產(chǎn)品、使用、流程、管理等進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)[10]。好的服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的作用主要體現(xiàn)在兩方面。其一，能夠滿足用戶多元化的需求，為用戶創(chuàng)造舒適便捷的工作和生活環(huán)境，提升用戶體驗(yàn)；其二，拓展延伸了企業(yè)與用戶之間的交互關(guān)系，優(yōu)化工作系統(tǒng)的規(guī)劃配置，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)點(diǎn)和利益點(diǎn)，二者實(shí)現(xiàn)了用戶與企業(yè)之間的雙贏，達(dá)到價(jià)值共享。

2 雨污井蓋現(xiàn)存問題

雨污井蓋是專門用于遮蓋雨水和污水窨井的井蓋，而雨污水窨井則具有防澇排污的功能特點(diǎn)。通過桌面調(diào)研和文獻(xiàn)分析對雨污井蓋的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究，總結(jié)出雨污井蓋的存在問題。

1）排水量無法滿足降水量。雨污井蓋主要依靠井蓋上的兩個(gè)孔洞來排放路面積水，因此其能夠排放的水量很有限。當(dāng)遇到強(qiáng)降雨時(shí)，由于無法及時(shí)排放路面的大量積水，就會(huì)導(dǎo)致城市內(nèi)澇。

2）破損異位、偷盜丟失導(dǎo)致安全事故。周而復(fù)始的車輛碾壓和風(fēng)雨侵蝕，很容易導(dǎo)致雨污井蓋破損異位。同時(shí)，井蓋偷盜案件的發(fā)生，使得暴露的井口成為安全隱患。

3）溢液、可燃?xì)怏w等井下安全隱患。雨水窨井的作用是向地下補(bǔ)充并排放多余的雨水，而污水窨井則是用于城市排污的下水井，二者井下都有大量的雨污水，當(dāng)管道堵塞時(shí)，井下的雨污水就會(huì)上溢，破壞城市環(huán)境。而井下長期密封，易產(chǎn)生沼氣等易燃?xì)怏w，威脅路面安全。

4）巡檢難度大且效率低。作為城市地下綜合管廊中的重要設(shè)施，雨污窨井?dāng)?shù)目龐大且分布廣泛，目前主要依靠人工巡查得知窨井狀況，使得投入的人力和時(shí)間成本都較高，而且經(jīng)常因?yàn)闄z查不及時(shí)或不到位而造成監(jiān)管疏漏，并引發(fā)安全事故[11]。

5）傳感器和無線通信技術(shù)的應(yīng)用。在發(fā)展智慧城市的時(shí)代背景下，城市井蓋已經(jīng)由遮蓋井口的普通井蓋轉(zhuǎn)化為監(jiān)測并傳遞窨井狀態(tài)信息的智能井蓋。智能井蓋通過傳感器感知井蓋異位破損、井下環(huán)境異常等狀況，并通過無線通信技術(shù)上報(bào)給管理人員，減輕巡查重?fù)?dān)的同時(shí)有效防治窨井安全事故。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于智能設(shè)備自身怕水、耗電等局限性，導(dǎo)致智能井蓋出現(xiàn)水浸損壞、信息誤報(bào)、電量耗盡、信息中斷等問題。

3 雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)中的情境因素分析

為了解決上述雨污井蓋現(xiàn)存問題，需要對井蓋破損狀態(tài)、排水情況、井下氣體濃度等情境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)上報(bào)維管人員。文章將雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)的情境因素分為用戶情境、環(huán)境情境、任務(wù)情境三類，其中用戶情境包括維管人員的基本個(gè)人信息、工作內(nèi)容、人身安全狀況等；對于雨污井蓋來說，所涉及到的環(huán)境情境包括井上和井下兩個(gè)方面，其中井上環(huán)境情境包括降雨量、路面積水量、井蓋地理位置等，井下環(huán)境情境則包括溫濕度、易燃?xì)怏w濃度、液位高度等；任務(wù)情境主要是智能井蓋自身及維管人員操作APP 執(zhí)行任務(wù)的目標(biāo)、狀態(tài)及操作過程，包括井蓋及智能設(shè)備自身狀態(tài)、傳感器和通信設(shè)備感知并傳遞信息、設(shè)備自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)的過程以及維管人員整理分析井蓋狀態(tài)信息和派發(fā)維護(hù)任務(wù)時(shí)的操作目標(biāo)及過程。

4 基于情境感知的雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

4.1 借助傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控雨污窨井所處情境狀態(tài)

傳統(tǒng)的窨井巡查工作主要是信息采集員來完成的，但由于城市中的窨井?dāng)?shù)量龐大且分布廣泛，這種依靠人力的信息采集方式并不能及時(shí)、全面地發(fā)現(xiàn)窨井問題。同時(shí)，這種信息采集方式對人力物力的消耗也是巨大的。而情境感知技術(shù)通過傳感器實(shí)時(shí)感知情境信息、自主提供服務(wù)的能力，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)人力管理方式的缺陷，及時(shí)為用戶提供窨井狀態(tài)信息。

雨污窨井所面臨的使用問題可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測分析。（1）井上狀況監(jiān)測。通過電子水尺度量路面積水高度，異動(dòng)破損的雨污井蓋通常會(huì)出現(xiàn)位移、傾角或壓力上的變化，可以借助北斗定位、傾角傳感器、壓敏傳感器對其進(jìn)行監(jiān)測。（2）排水受阻監(jiān)測。雨污井蓋堵塞狀況可以通過水流量進(jìn)行反映，因此可以利用水流量傳感器對井蓋進(jìn)水量進(jìn)行監(jiān)測，并將得到的數(shù)據(jù)與降雨量進(jìn)行對比，若不相符則說明井蓋有堵塞情況。（3）井下狀況監(jiān)測。雨污窨井常出現(xiàn)氣體外泄爆炸、污水外溢等情況，可以通過井下氣體濃度、溫度、濕度以及液位進(jìn)行反映，因此可以借助氣體傳感器、溫/ 濕度傳感器、液位傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

4.2 構(gòu)建互聯(lián)互通的雨污井蓋智能通信系統(tǒng)

智能井蓋將感知到的窨井狀態(tài)信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過整理分析后，數(shù)據(jù)中心再將各類窨井信息與維護(hù)任務(wù)分別共享給各個(gè)窨井權(quán)屬單位，權(quán)屬單位再派遣維護(hù)人員前去維修。當(dāng)維修任務(wù)完成后，還需要將維修結(jié)果逐級上報(bào)，直至數(shù)據(jù)中心審核結(jié)案。整個(gè)過程中涉及到多次的信息傳遞和反饋。

由于雨污井蓋數(shù)量眾多且分布廣泛，為保證異常信息和工作任務(wù)能夠及時(shí)便捷地在數(shù)據(jù)中心、權(quán)屬單位以及維護(hù)人員之間傳遞，就需要構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的互聯(lián)互通的雨污井蓋智能通信系統(tǒng)。可以通過無線通信模塊將各個(gè)井蓋上的傳感器串聯(lián)起來，構(gòu)成雨污井蓋無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)區(qū)域的雨污井蓋狀態(tài)信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心管理人員通過PC 端系統(tǒng)將井蓋狀態(tài)信息和維護(hù)任務(wù)派發(fā)給下級雨污井蓋權(quán)屬單位及維護(hù)人員。另外，當(dāng)維修任務(wù)完成后，維護(hù)人員還需要將維修結(jié)果逐級上報(bào)，直至數(shù)據(jù)中心審核結(jié)案。

4.3 井蓋結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)整功能

傳統(tǒng)井蓋主要通過井蓋上窄小的孔洞來進(jìn)行排水，當(dāng)出現(xiàn)路面大量積水時(shí)，就只能通過人工打開井蓋的方式來增大排水量。而出現(xiàn)強(qiáng)降雨時(shí)，就會(huì)由于排水不及時(shí)而導(dǎo)致城市內(nèi)澇。為了能夠及時(shí)排放路面積水，就需要對排水井蓋進(jìn)行再設(shè)計(jì)，通過可調(diào)節(jié)的排水結(jié)構(gòu)使井蓋能夠依據(jù)降雨量來增大排水量。另外，當(dāng)井蓋破損或異位丟失時(shí)，易因井口暴露而導(dǎo)致行人或車輛墜落，為防治此類安全事故的發(fā)生，為智能井蓋添加可以自動(dòng)設(shè)置的防護(hù)欄和醒目的燈光警示部件。

4.4 提高雨污井蓋智能服務(wù)的準(zhǔn)確性和可靠性

目前，已有的智能井蓋在實(shí)際運(yùn)用過程中存在信息誤報(bào)、智能設(shè)備故障等問題，這些問題降低了智能井蓋的準(zhǔn)確性和可靠性，也為維管人員的工作帶來了麻煩。其中，信息誤報(bào)主要是由于車輛輾軋井蓋產(chǎn)生震動(dòng)而導(dǎo)致的誤判，可以通過軌跡分析算法對智能井蓋的位移和傾角軌跡進(jìn)行分析，當(dāng)位移與傾角在正常范圍內(nèi)時(shí)，則為安全狀態(tài)。同時(shí)，還可以為井蓋與井座增加更加穩(wěn)固的連接結(jié)構(gòu)，減少井蓋自身的震動(dòng)，以保證智能設(shè)備對井蓋狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。智能設(shè)備故障主要包括電量耗盡、信息中斷、水浸損壞等問題，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，需要對智能井蓋進(jìn)行定時(shí)“心跳”喚醒，上報(bào)電池電量，并分析正常工作條件下電池還能持續(xù)供電的時(shí)間。還可以為人行道上的智能井蓋安裝太陽能充電板，以保證電量供應(yīng)。同時(shí)，通過無線電監(jiān)測設(shè)備對信號(hào)發(fā)射參數(shù)和頻段的穩(wěn)定性等信息進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常后及時(shí)告知維管人員。另外，通過電子水尺實(shí)時(shí)監(jiān)測井下液面高度，并加強(qiáng)井下智能設(shè)備的密封性，用以減少水浸損壞。

5 基于情境感知的雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)對象包括數(shù)據(jù)中心和下級井蓋權(quán)屬單位管理人員、維護(hù)人員。服務(wù)系統(tǒng)意在借助情境感知、無線通信等智能技術(shù)與設(shè)備，構(gòu)建服務(wù)于雨污窨井管理人員、維護(hù)人員的雨污窨井管理平臺(tái)和問題解決方案。服務(wù)系統(tǒng)借助各種傳感器、通信設(shè)備來采集和傳遞情境信息，幫助維管人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決窨井問題，提供雨污窨井問題信息采集、自主改善井蓋自身及其所處情境狀況、協(xié)助維護(hù)人員維修作業(yè)等服務(wù)，以使城市窨井問題能夠得到及時(shí)的解決，并使維管人員的工作過程更加輕松快捷。具體服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)容如圖1 所示。

5.1 定制模塊設(shè)計(jì)

定制模塊設(shè)計(jì)主要包括改變內(nèi)井蓋形態(tài)、增加一個(gè)帶有四個(gè)阻水塞的環(huán)形圓盤兩個(gè)方面。其一，內(nèi)井蓋的改變包括在外圈與內(nèi)圈的上下左右各增加一個(gè)條狀孔洞，同時(shí)為了形式上的統(tǒng)一，將傳統(tǒng)雨污井蓋上的點(diǎn)狀紋理更改為環(huán)形水紋；其二，增加的帶有阻水塞的環(huán)形圓盤由軸承等結(jié)構(gòu)與內(nèi)井蓋進(jìn)行連接，并由感知路面水深的電子水尺控制旋轉(zhuǎn)，水流量越大，錯(cuò)開的縫隙也就越大，而當(dāng)水流量減少后，錯(cuò)開的縫隙也會(huì)隨之減小，以達(dá)到依據(jù)路面積水量調(diào)控排水量的目的。如圖2 所示。

5.2 智能雨污井蓋設(shè)計(jì)

智能雨污井蓋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要從機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車區(qū)域兩個(gè)方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

機(jī)動(dòng)車道智能雨污井蓋是用于機(jī)動(dòng)車道等對井蓋承重能力要求較高的使用環(huán)境，為保證其穩(wěn)固性，機(jī)動(dòng)車道使用的智能井蓋只包括井蓋下的傳感器、可調(diào)節(jié)排水結(jié)構(gòu)以及井蓋，如圖3 所示。

非機(jī)動(dòng)車區(qū)域的智能雨污井蓋主要用于人行道與非機(jī)動(dòng)車道。其中燈管由紅外線傳感器依據(jù)光照和是否有行人經(jīng)過而控制開關(guān)?？烧{(diào)節(jié)排水結(jié)構(gòu)則需要依據(jù)井蓋功能進(jìn)行選擇性設(shè)置，若為雨污井蓋則需要設(shè)置，而燃?xì)?、通信、供電等未涉及到排水功能的井蓋則不需要。另外，由于示例井蓋為雨污井蓋，為了體現(xiàn)雨污窨井的功能類型類型，在井蓋上增設(shè)了體現(xiàn)井蓋功能的浪花紋理，如圖4所示。

5.3 智能雨污井蓋APP 界面設(shè)計(jì)

軟件產(chǎn)品是對硬件產(chǎn)品的功能拓展，并為智能雨污井蓋與維管人員進(jìn)行交互提供輔助性服務(wù)。智能井蓋APP 界面設(shè)計(jì)內(nèi)容主要依據(jù)維管人員的工作內(nèi)容而設(shè)定，其中管理人員的工作內(nèi)容主要包括報(bào)警案件受理、維護(hù)任務(wù)派遣、設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及系統(tǒng)管理等，維護(hù)人員的工作內(nèi)容主要包括接收并執(zhí)行維護(hù)任務(wù)管理、告警設(shè)備信息管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。因此，智能井蓋APP 主要包括報(bào)警任務(wù)信息、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備管理以及我四個(gè)模塊。

6 結(jié)語

文章基于傳統(tǒng)雨污井蓋現(xiàn)存問題及情境感知，從智能雨污井蓋的用戶、環(huán)境及任務(wù)情境特征出發(fā)，提出雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略?；谇榫掣兄挠晡劬w智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效提升維管人員對雨污井蓋的監(jiān)管能力，減少雨污井蓋破損丟失、排水困難、氣體外泄等事故的發(fā)生，賦予傳統(tǒng)雨污井蓋依據(jù)降雨量調(diào)控排水量的能力。另外，雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)、分析傳遞信息的能力有效提高了市政維管人員的工作效率，同時(shí)也為城市居民創(chuàng)造了更加安全舒適的生活環(huán)境。