物聯網大數據助力城市道路水生態監測預警

劉雅莉

物聯網大數據助力城市道路水生態監測預警

劉雅莉

（河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000）

針對目前城市道路管理中排水不暢這一頑疾，重點研究采用物聯網、大數據分析建模等主要技術手段實現城市道路排水精細化管理，并延伸到整個城市水生態系統的管理。

物聯網；大數據；水生態；監測預警

1 前言

隨著中國經濟的日益發達和城市化進度的加快，國內各個城市的道路建設發展尤其迅速。十三五規劃建議當中提到：推進市政設施智慧建設，提高安全運行管理水平，實施“互聯網+”市政基礎設施計劃。深度融合物聯網、大數據、云計算等科技信息技術在市政基礎設施中的使用。促進智慧管網的發展，尤其是供水排水全過程的信息化，包括水壓、水量、水質、水設施的信息采集、處理與控制體系的信息化；實現城市地下空間、地下綜合管廊、地下管網管理信息化和運行智能化，加強各類市政設施管理數字化平臺建設和功能整合；建設一套綜合性城市運行管理數據庫，實現多源信 息整合和共享，探索建立全國城市市政基礎設施數字化監管 體系[1]。

在城市排水管網建設中，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，如果遇到暴雨，徑流量增大、徑流匯流時間變短，增大了高峰徑流量，而規劃設計時前瞻性和預見性不高，沒有考慮到城市化進程加快引起的水文等變化，造成道路積水不能及時導入城市排水系統。由于道路積水導致的車輛被淹事故越來越頻繁，給社會造成了重大的經濟損失。較短時間內大量雨水徑流被輸送至管網末端，就會導致城市內澇風險加大。鑒于此，需要建立一套完善的能夠監測和預警城市道路積水狀況的系統。

2 遍布城市水系的智能神經元網絡

將傳感設備植入城市排水系統，實時監測城市排水系統中檢查井內水位的變化情況，為道路積水預警裝置提供監測數據，同時通過水位監測數據，研究管道模型。利用人工智能AI將監測數據進行后臺建模運算，分析管道和排水系統的水流規律，快速顯示監測預警重要區域、未來降雨量容易形成城市積水的預計時間段和疏導方案，從而實現對道路積水的監測預警。

城市道路監測預警系統通過分布在排水系統各個安裝點的水位傳感設備，將收集到的信息轉化為電信號，經過NB-IoT（窄帶物聯網）大數據分析，指導排水系統正常運行和解決道路積水應急處置問題[2]。監測預警系統如圖1所示。

圖1 監測預警系統

2.1 智能傳感器

傳感器是一種檢測裝置，它由敏感元件和轉換元件組成，當給出被測量物時，傳感器能精確感受到，得到檢測和感受信息，并按照一定規律轉換為電信號，比如以電流、電壓或者相位的形式輸出。最終，物聯網和人工智能可以利用此輸出信息作為數據來源，進行分析運算建模。

智能傳感器使用嵌入式技術，將傳感器與微處理器集成為一體，這種終端設備具備的功能有環境感知、數據處理、智能控制和數據通信。另外，智能傳感器還具有自學習、自診斷和自補償能力。正是具備這些功能，智能傳感器在感知物理世界的時候反饋給物聯網系統的數據就會更準確、全面，達到精確感知的目的。

2.2 NB-IoT技術

物聯網是在互聯網基礎上延伸和擴展的一種網絡，按照約定的協議將任何東西和互聯網連接，進行信息交換，實現跟蹤、定位、識別和監控等功能的一種網絡概念。NB-IoT技術是基于蜂窩的窄帶物聯網的一個重要分支，具有低功耗、大連接、廣覆蓋和低成本等優點。利用NB-IoT建立一個物聯網監控平臺，當傳感器發生預警時，預警信息通過 傳輸網絡上傳給平臺，管理平臺派出維護人員到現場及時處理。

2.3 人工智能大數據分析

傳感器采集到大量的數據信息進行過濾，將有效信息再進行上傳，由此將真正有效的各類水壓、水質、水量等大數據通過NB-IOT無線網絡傳輸到超算中心，在后臺數據模型的基礎上利用人工智能自學習能力，快速對收集來的大量數據進行詳細研究，提取有用的信息和結論，輸出各類趨勢報告、應急預案，幫助維護人員作出判斷，采取適當行動。

3 以智能井蓋作為水生態系統的切入點

城市中的井蓋是一個很好的道路水生態物聯網切入點。它是地表、地下的兩大過程的一個界面，任何一個點積水時間、積水范圍、水的淹沒深度、水質的情況都可以通過井蓋上面的傳感器感知出來。

城市中污水管網和雨水管網合用一條管網，下雨時污水管網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、湖泊的清理是一個很大的沖擊，所以井蓋上的傳感器能把下雨時候各個管道的引流情況呈現出來。通過傳感器上傳的數據，建立數據模型，從水量、水質、雨水資源化這三大內涵數學模型進行診斷，進行三大耦合平衡設計，這樣，整套數學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，能及時進行道路積水預警，并提出解決管理措施。

4 智能井蓋在城市精細化管理中的應用

4.1 智能井蓋原理

城市智能井蓋系統采用GRPS技術、NB-IoT技術、Web技術和大數據庫技術，實現監測設備的實時動態監控，當系統報警，傳輸數據給監管平臺，實現平臺一體化作業，監管中心將數據的信息化存儲、統計與分析，為道路積水監測預警提供有效理論依據[3]。

在易澇區域的重要地段、地點設置智能井蓋水位監測點，實時接收水位監測數據，通過物聯網NB-IoT技術，每隔一段固定時間傳輸給監控中心。系統通過人工智能進行建模運算，利用監測數據擬合水位變化曲線，輸出水位趨勢報告。根據水位變化圖得出設定值，超出這個值，系統就會報警，同時判斷事故的等級，從而啟動相應事故聯動機制。

4.2 智能井蓋系統組成

智能井蓋系統架構如圖2所示。智能井蓋監測系統由井蓋監測中心、通訊網絡、井蓋監測儀、水位傳感器等組成。當井下水位值超過設定的警戒值時，傳感器將數據傳輸給監測儀，監測儀采用NB-IoT技術將數據傳輸給監管中心，進行實時監測報警。這個系統除了監測功能外，還可以提供管網運行預警信息，診斷排水管網中的瓶頸管段，為評估積水、易澇區域的排水能力提供分析數據。

城市智能井蓋系統軟件采用J2EE的企業級應用架構，數據庫采用SQL Server企業級數據庫。采用2臺服務器，其中一臺為數據庫服務器，用于保存監測數據；另一臺為系統Web服務器，提供應用程序的安裝部署，同時為管理人員提供系統的訪問承載[4]。

圖2 智能井蓋系統架構

4.3 智能井蓋系統特點

智能井蓋系統主要特點如下：①系統可預先設定報警規則，對異常情況進行緊急報警，當水位正常時，傳感器休眠，當水位異常時，傳感器立即發出報警信息，有利于相關部門采取應急措施；②系統一旦發現異常，會及時將數據上報給監管中心，將以前工作人員“查巡事故”演變為工作人員“等待報警”，巡檢人員的工作效率得到了極大的提高，工作強度也有所減輕，同時，更降低了管理成本；③系統收到報警，在第一時間內上傳至平臺，平臺派出工作人員根據報警信息具體情況及時處理，避免給行人、車輛帶來安全隱患，也避免了城市洪澇災害發生，減少經濟損失；④系統對井蓋狀態等監測數據可以查詢、存儲、瀏覽，對運維部門的工作真正做到有據可查，所有后臺信息永久保存為大數據，實現了精細化管理；⑤系統促進市政管網公司或企業信息化、智能化、規范化水平的提升；⑥系統操作簡捷、顯示直觀。

5 建設水生態監測預警的目的和意義

近兩年，國家相關綱要、意見和規劃中，都強調了“管理的精細化、服務的智能化、機制的高效化”等，積極利用大數據、云計算和物聯網等新技術，建設新型的示范性智慧城市。建立城市道路水生態監測預警的意義在于：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，及時進行排水調度；③緩解交通壓力，保障出行暢通。

今天，物聯網技術迅猛發展，在智慧城市管理領域，需要搭建一個技術監控平臺，利用物聯網、大數據、人工智能等技術實時監測城市道路供排水狀況，降低市政管理運營成本，提高運營效率，促進市政管理標準化和規范化，這是實現智慧城市的必要條件之一。

［1］北京市東城區城市管理監督中心.GB/T 30428—2013 數字化城市管理信息系統［S］.出版社不詳，2013.

［2］北京市東城區城市管理監督中心.CJJ/T 106—2010 城市市政綜合監管信息系統技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

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

［4］住房和城鄉建設部信息中心，北京市東城區城市管理監督中心，杭州市城市管理信息中心，等.CJ/T 315—2009 城市市政綜合監管信息系統監管案件立案、處置與結案［S］.北京：中國標準出版社，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，河南交通職業技術學院講師，研究方向為農業水土工程。

〔編輯：王霞〕