基于情境感知的雨污井蓋智能服務系統設計

安珊 李啟龍 汪海波

關鍵詞：情境感知；雨污井蓋；智能；服務系統設計

1 相關概念解析

1.1 情境感知

“情境”是可以用來描述實體情況的任何信息，包括時間、位置、系統、服務等。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，需要依據研究對象對情境因素進行劃分。Schilit 從來源的角度將情境劃分為計算情境、用戶情境、物理情境[1]，隨后Chen 與Kotz 在此基礎上增加了時間情境[2]。陳媛嫄從人機交互系統的角度將情境劃分為任務、用戶以及環境情境。

情境感知可以理解為智能設備如有耳目，會察言觀色，能夠實時感知理解自身狀態以及環境中的各種信息[3]，并依據這些信息，在適當的時機，以適當的方式予以用戶反饋[4]，為用戶提供優質服務。其服務流程主要包括收集、分析情境信息、預測并反饋用戶需求三個階段，并且這三個階段又是不斷循環往復的。

1）收集情境信息。情境感知是通過傳感技術感知、采集被服務對象的情境信息[5]。在“用戶—設備—環境”構成的交互系統中，用戶作為服務主體、任務作為服務目標、環境作為設備完成任務的主要情境和重要載體，三者在整個交互系統中發揮著舉足輕重的作用[6]。因此，情境大致可以分為用戶情境、任務情境以及環境情境[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行模式識別、解釋和評估[8]。在對情境信息進行分析時，需要依據關鍵情境特征，通過普適計算等算法框架從眾多情境因素中提取出關鍵信息，予以優先考慮，以得出用戶需求或下一步目標預期，尋找提供服務的機會點。其中關鍵情境特征的確定一般采用調研和理論演繹的方式[9]。

3）預測并反饋用戶需求。用戶操作的發生往往與時間、地點、事件有關，同時，還具有一定的邏輯性和順序性，因此預測并反饋用戶需求的系統動作的觸發可以分為基于時間、地點、事件以及流程的觸發。

1.2 服務系統設計

產品服務系統是從系統的角度出發，將有形的產品與以產品為核心的服務連接起來，從而創造新的價值。而服務系統設計則是對產品服務系統中所涉及到的產品、使用、流程、管理等進行系統性的設計[10]。好的服務系統設計的作用主要體現在兩方面。其一，能夠滿足用戶多元化的需求，為用戶創造舒適便捷的工作和生活環境，提升用戶體驗；其二，拓展延伸了企業與用戶之間的交互關系，優化工作系統的規劃配置，為企業創造了更多的機會點和利益點，二者實現了用戶與企業之間的雙贏，達到價值共享。

2 雨污井蓋現存問題

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。通過桌面調研和文獻分析對雨污井蓋的應用現狀進行調查研究，總結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孔洞來排放路面積水，因此其能夠排放的水量很有限。當遇到強降雨時，由于無法及時排放路面的大量積水，就會導致城市內澇。

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

3）溢液、可燃氣體等井下安全隱患。雨水窨井的作用是向地下補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，當管道堵塞時，井下的雨污水就會上溢，破壞城市環境。而井下長期密封，易產生沼氣等易燃氣體，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施，雨污窨井數目龐大且分布廣泛，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間成本都較高，而且經常因為檢查不及時或不到位而造成監管疏漏，并引發安全事故[11]。

5）傳感器和無線通信技術的應用。在發展智慧城市的時代背景下，城市井蓋已經由遮蓋井口的普通井蓋轉化為監測并傳遞窨井狀態信息的智能井蓋。智能井蓋通過傳感器感知井蓋異位破損、井下環境異常等狀況，并通過無線通信技術上報給管理人員，減輕巡查重擔的同時有效防治窨井安全事故。但在實際應用過程中，由于智能設備自身怕水、耗電等局限性，導致智能井蓋出現水浸損壞、信息誤報、電量耗盡、信息中斷等問題。

3 雨污井蓋智能服務系統中的情境因素分析

為了解決上述雨污井蓋現存問題，需要對井蓋破損狀態、排水情況、井下氣體濃度等情境信息進行實時監測，并將發現的問題及時上報維管人員。文章將雨污井蓋智能服務系統的情境因素分為用戶情境、環境情境、任務情境三類，其中用戶情境包括維管人員的基本個人信息、工作內容、人身安全狀況等；對于雨污井蓋來說，所涉及到的環境情境包括井上和井下兩個方面，其中井上環境情境包括降雨量、路面積水量、井蓋地理位置等，井下環境情境則包括溫濕度、易燃氣體濃度、液位高度等；任務情境主要是智能井蓋自身及維管人員操作APP 執行任務的目標、狀態及操作過程，包括井蓋及智能設備自身狀態、傳感器和通信設備感知并傳遞信息、設備自適應狀態調節的過程以及維管人員整理分析井蓋狀態信息和派發維護任務時的操作目標及過程。

4 基于情境感知的雨污井蓋智能服務系統設計策略

4.1 借助傳感技術實時監控雨污窨井所處情境狀態

傳統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數量龐大且分布廣泛，這種依靠人力的信息采集方式并不能及時、全面地發現窨井問題。同時，這種信息采集方式對人力物力的消耗也是巨大的。而情境感知技術通過傳感器實時感知情境信息、自主提供服務的能力，可以有效彌補傳統人力管理方式的缺陷，及時為用戶提供窨井狀態信息。

雨污窨井所面臨的使用問題可以從以下三個方面進行監測分析。（1）井上狀況監測。通過電子水尺度量路面積水高度，異動破損的雨污井蓋通常會出現位移、傾角或壓力上的變化，可以借助北斗定位、傾角傳感器、壓敏傳感器對其進行監測。（2）排水受阻監測。雨污井蓋堵塞狀況可以通過水流量進行反映，因此可以利用水流量傳感器對井蓋進水量進行監測，并將得到的數據與降雨量進行對比，若不相符則說明井蓋有堵塞情況。（3）井下狀況監測。雨污窨井常出現氣體外泄爆炸、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、液位傳感器進行監測。

4.2 構建互聯互通的雨污井蓋智能通信系統

智能井蓋將感知到的窨井狀態信息發送至數據中心，經過整理分析后，數據中心再將各類窨井信息與維護任務分別共享給各個窨井權屬單位，權屬單位再派遣維護人員前去維修。當維修任務完成后，還需要將維修結果逐級上報，直至數據中心審核結案。整個過程中涉及到多次的信息傳遞和反饋。

由于雨污井蓋數量眾多且分布廣泛，為保證異常信息和工作任務能夠及時便捷地在數據中心、權屬單位以及維護人員之間傳遞，就需要構建一個統一的互聯互通的雨污井蓋智能通信系統。可以通過無線通信模塊將各個井蓋上的傳感器串聯起來，構成雨污井蓋無線傳感器網絡，將各個區域的雨污井蓋狀態信息發送至數據中心，數據中心管理人員通過PC 端系統將井蓋狀態信息和維護任務派發給下級雨污井蓋權屬單位及維護人員。另外，當維修任務完成后，維護人員還需要將維修結果逐級上報，直至數據中心審核結案。

4.3 井蓋結構再設計以實現自適應狀態調整功能

傳統井蓋主要通過井蓋上窄小的孔洞來進行排水，當出現路面大量積水時，就只能通過人工打開井蓋的方式來增大排水量。而出現強降雨時，就會由于排水不及時而導致城市內澇。為了能夠及時排放路面積水，就需要對排水井蓋進行再設計，通過可調節的排水結構使井蓋能夠依據降雨量來增大排水量。另外，當井蓋破損或異位丟失時，易因井口暴露而導致行人或車輛墜落，為防治此類安全事故的發生，為智能井蓋添加可以自動設置的防護欄和醒目的燈光警示部件。

4.4 提高雨污井蓋智能服務的準確性和可靠性

目前，已有的智能井蓋在實際運用過程中存在信息誤報、智能設備故障等問題，這些問題降低了智能井蓋的準確性和可靠性，也為維管人員的工作帶來了麻煩。其中，信息誤報主要是由于車輛輾軋井蓋產生震動而導致的誤判，可以通過軌跡分析算法對智能井蓋的位移和傾角軌跡進行分析，當位移與傾角在正常范圍內時，則為安全狀態。同時，還可以為井蓋與井座增加更加穩固的連接結構，減少井蓋自身的震動，以保證智能設備對井蓋狀態的準確判斷。智能設備故障主要包括電量耗盡、信息中斷、水浸損壞等問題，為及時發現設備故障，需要對智能井蓋進行定時“心跳”喚醒，上報電池電量，并分析正常工作條件下電池還能持續供電的時間。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。同時，通過無線電監測設備對信號發射參數和頻段的穩定性等信息進行監測，發現異常后及時告知維管人員。另外，通過電子水尺實時監測井下液面高度，并加強井下智能設備的密封性，用以減少水浸損壞。

5 基于情境感知的雨污井蓋智能服務系統設計實踐

服務系統的服務對象包括數據中心和下級井蓋權屬單位管理人員、維護人員。服務系統意在借助情境感知、無線通信等智能技術與設備，構建服務于雨污窨井管理人員、維護人員的雨污窨井管理平臺和問題解決方案。服務系統借助各種傳感器、通信設備來采集和傳遞情境信息，幫助維管人員及時發現和解決窨井問題，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、協助維護人員維修作業等服務，以使城市窨井問題能夠得到及時的解決，并使維管人員的工作過程更加輕松快捷。具體服務系統內容如圖1 所示。

5.1 定制模塊設計

定制模塊設計主要包括改變內井蓋形態、增加一個帶有四個阻水塞的環形圓盤兩個方面。其一，內井蓋的改變包括在外圈與內圈的上下左右各增加一個條狀孔洞，同時為了形式上的統一，將傳統雨污井蓋上的點狀紋理更改為環形水紋；其二，增加的帶有阻水塞的環形圓盤由軸承等結構與內井蓋進行連接，并由感知路面水深的電子水尺控制旋轉，水流量越大，錯開的縫隙也就越大，而當水流量減少后，錯開的縫隙也會隨之減小，以達到依據路面積水量調控排水量的目的。如圖2 所示。

5.2 智能雨污井蓋設計

智能雨污井蓋產品的設計主要從機動車道和非機動車區域兩個方面進行實現。

機動車道智能雨污井蓋是用于機動車道等對井蓋承重能力要求較高的使用環境，為保證其穩固性，機動車道使用的智能井蓋只包括井蓋下的傳感器、可調節排水結構以及井蓋，如圖3 所示。

非機動車區域的智能雨污井蓋主要用于人行道與非機動車道。其中燈管由紅外線傳感器依據光照和是否有行人經過而控制開關。可調節排水結構則需要依據井蓋功能進行選擇性設置，若為雨污井蓋則需要設置，而燃氣、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，為了體現雨污窨井的功能類型類型，在井蓋上增設了體現井蓋功能的浪花紋理，如圖4所示。

5.3 智能雨污井蓋APP 界面設計

軟件產品是對硬件產品的功能拓展，并為智能雨污井蓋與維管人員進行交互提供輔助性服務。智能井蓋APP 界面設計內容主要依據維管人員的工作內容而設定，其中管理人員的工作內容主要包括報警案件受理、維護任務派遣、設備數據統計分析以及系統管理等，維護人員的工作內容主要包括接收并執行維護任務管理、告警設備信息管理、數據統計等。因此，智能井蓋APP 主要包括報警任務信息、數據統計分析、設備管理以及我四個模塊。

6 結語

文章基于傳統雨污井蓋現存問題及情境感知，從智能雨污井蓋的用戶、環境及任務情境特征出發，提出雨污井蓋智能服務系統設計策略。基于情境感知的雨污井蓋智能服務系統設計，可以有效提升維管人員對雨污井蓋的監管能力，減少雨污井蓋破損丟失、排水困難、氣體外泄等事故的發生，賦予傳統雨污井蓋依據降雨量調控排水量的能力。另外，雨污井蓋智能服務系統自適應狀態調節、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，同時也為城市居民創造了更加安全舒適的生活環境。