基于物聯網技術的智慧海綿城市研究進展

蔣程伊

（紹興職業技術學院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

近些年，隨著我國不斷推進城鎮化建設，城市化水平已經顯著提高。但因在高速發展的同時城市發展方式的粗疏，城市病問題日益嚴峻，出現天然資源、不可再生資源過度消耗，生態環境慘遭破壞等一系列嚴重的資源與環境問題[1]。尤其是伴隨著城市水污染的加劇和生態系統的惡化，大量綠色植被區域如草地、林野和水域等被低透水或難以透水的灰色設施所替代，難透水區域的面積不斷擴大，雨水難以下滲，入滲及蒸發量減少，易形成徑流等問題，阻礙城市地下水的補給進程，大幅降低地下水儲量，造成洪水等災害頻頻出現，嚴重破壞了城市的自然水文循環。目前，內澇已成為城市內最常見、危害范圍最廣、最大的水災害之一，給人們的生命財產安全以及社會建設發展帶來了嚴重威脅和損失。數據表明，我國在2007—2015 年間，超過300多個城市遭遇內澇，更有城市多次遭受重大內澇，造成了極其嚴重的經濟損失[2-4]。

國家提出，改善城市排水環境，要以截流為首要任務，充分發揮“自然蓄積、滲透和凈化”的三方面作用，建設并實現科學治理的海綿城市。海綿城市的理念及其建設推廣受到多方關注。按照國家有關“海綿城市”的規劃，截至2020 年，全國海綿城市建成區域面積應達到城市總面積的20%以上；到2030 年，實現80%以上的城鎮建成區域建設用地指標。在此背景下，大力推進海綿城市建設，將成為緩解城市內澇和改善城市氣候環境的關鍵戰略。因此，在我國推進建設海綿城市，已成為迫切的任務。

通常，海綿城市建設的思路為源頭減排、過程控制和系統治理[5]，這需要將解決城市內澇災害、加強水污染治理力度以及推進水資源綜合利用設定為主要方向。建設自然積存、自然滲透與凈化的海綿城市[6]，需要有效地監測并調控各城市的降雨徑流，通過戰略方針，降低城市開發建設過程中對原有自然水文條件和環境造成的負面影響。海綿城市建設是“十三五”規劃提出的建設生態文明、美麗中國的重大戰略，是我國城鎮建設的重要內容[7]。我國已經選定30 個城市，分兩批進行海綿城市建設，務必建立一個能夠對城市規劃建設、運營維護和指揮調度進行有效指導的信息平臺[8]。

隨著物聯網（Internet of Things，IoT）技術的出現，IoT 技術被研究人員應用于智能領域，為世界提供了一種智能化管理的方式。這也為推動海綿城市的發展進程、建設海綿城市以及智能化管理提供了新方向。近年來，我國提出發展智能化產業、拓展智能生活、建設智慧型社會的目標，推動智慧城市建設。智能海綿城市歸屬于智能城市建設的一部分，緊隨著智能城市建設進程。近年來，基于人工智能、大數據、云計算和IoT等領域技術的高速更迭，尤其是IoT 技術不斷推陳出新，成為促進海綿城市智慧化應用的主要動力之一。智慧化海綿城市建設協同管理平臺以及智慧監測管控系統等應用已經成為各個城市推進智慧海綿城市建設的具體表現。這一趨勢會持續有效地加強和擴散。智慧化海綿城市監測管控系統作為智慧城市管理的重要分支，在我國具有巨大的市場潛力。隨著國家財政投入的增加，這一趨勢還會持續上升。因此，有必要進行智慧化海綿城市建設相關的研究，對智慧化海綿城市監測管控系統進行評價，主要從智慧性和使用者評價的角度進行考慮。這將有助于為城市水生態、水環境、水資源以及水安全的合理開發建設及運維管理提供智慧化的管理方法，同時促進智慧化海綿城市監測管控系統的評價發展[9]。

1 物聯網技術的研究進展

1.1 物聯網技術概念及特點

物聯網技術是麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）于1999 年提出的一種基于因特網，通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、無線數據通信等技術搭建的覆蓋世界范圍內所有事物的網絡，以實現對人、物品的自動識別以及信息的互聯共享，即網絡化無線射頻識別（RFID）系統[10-11]。2005 年，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）明確了IoT 作為因特網應用的擴展之一，同時指出RFID、傳感器、納米和智能嵌入等四項主要技術將成為IoT 的四大核心技術[12]。IoT 技術可以將各種信號傳感器串聯起來，還可以將這些設備與互聯網進行協同，從而構成一個巨大的網絡系統[13]。該裝置能夠利用傳感器、嵌入式系統等采集數據，并利用無線通信技術將數據傳送至云中進行處理、存儲。

IoT 技術具有眾多獨有的特征。該技術能夠串聯連接大量的設備和物品，并且連入全球聯網系統，使它們之間具備隨時隨地交換信息和數據的能力，因此具備實況監控、實時控制和與其他設備交互聯動進行大數據分析的功能。同時，IoT 基于集成傳感器和嵌入式系統，能夠賦予特定設備智能化的功能，比如自適應、自學習和自適應控制等特征。此外，IoT 聯網設備和系統可以通過預定義的規則和條件，實現自動化控制和操作，降低人工干預的成本和風險。IoT 技術采用多重認證、加密和防御措施，確保設備和數據的安全性[14]。

1.2 物聯網技術的研究進展

隨著智慧城市建設的不斷發展，IoT 技術的作用日益凸顯。目前，IoT 技術被應用于各種領域，比如農業[15-16]、智能家居[17]、智能制造[18]、智能交通[19]以及智能醫療等。在智慧海綿城市數字化建設中，從城市公共排水設施、公共照明系統、智能交通系統等方面來看，IoT 技術對公共設施智能化具有重要意義。

IoT 的感知全面、傳輸可靠以及智能化處理的特征符合制造業需求，能夠高效完成數據實時采集，透明化生產過程及精準化、精細化控制與管理等。黃少華[18]等人利用云制造、信息物理系統等技術，研究IoT 對離散制造車間的作用。研究發現，IoT能夠對制造資源管理、生產過程以及物流進行可視化、實時管理，從而實現對生產、物流的實時控制與優化。例如，對物料配送車間的工作設計不同的智能算法，從而實現動態化調度和實時配送路徑優化的目的。上述結論與其他學者的研究結果相似[20-21]。基于此，在制造業中，可以通過IoT 技術對產品生產過程的信息進行實時采集，利用可靠傳輸手段、智能計算與大數據分析，處理大量數據并優化其管控與決策，從而提高其效率和性能。

IoT 技術應用于農業，從生產到服務全過程、全產業鏈中，逐漸形成了農業物聯網，改變了傳統農業的生產經營模式，促進了農業向智能化、精細化發展[22-23]。李瑾[24]等人認為，農業物聯網能夠采用信息通知裝置，收集農產業中動植物的要素信息，并且對全過程進行智能監測、定位和管理等，從而實現農業生產全過程智能化的目的。熊澤豪[25]研究發現，農業物聯網能夠基于物聯網設備實現多尺度農業信息的傳輸。鄭紀業[23]等人研究發現，IoT技術的廣泛應用，能夠實現對農業生產環境、動植物生物信息的智能化、實時化和高效化管理，并且能夠有效監控農機作業情況以及農產品的質量管控和安全追溯。IoT 的應用，已經對農業生產方式、服務理念帶來新的思考方向與變革，不僅提高了農業生產、管理與服務的效率和質量，而且從源頭上更好地保護了農產品的安全與品質。

水生態環境IoT 監測是一種利用信息監控技術實現水生態環境數據實時獲取與智能應用的服務。研究人員利用IoT 將海綿城市建設與濾水養魚、水質監控等結合起來，共同涵養水資源[26-27]。

智能海綿城市基于上述領域，尤其是水生態環境物聯網，能夠通過各類傳感設備對城市水生態環境進行監控與信息采集。比如，通過水位計、攝像頭等傳感器，實時感知雨水的變化；通過水質監測設備，實時監測雨水和污水的水質；通過視頻監控設備，實時掌握管網排水情況和路面積水情況。智能海綿城市利用云空間對采集數據進行分析，進而通過遠程智能設備對不同區域進行實時化、智能化調控。

2 智慧海綿城市

2.1 海綿城市的概念及特點

海綿城市建設使城市具備了海綿特性，其核心在于雨洪管理，即對城市雨水的控制和利用。具體表現為，在雨季狀態時，能夠起到吸收水分、儲藏水分、滲透水分、凈化水分的作用；在城市缺水狀態下，能夠釋放所儲存的水分，以緩解城市水資源緊張的問題。海綿城市建設與傳統的排水系統不同，在傳統系統的基礎上進行了改進，并且采用自然治理與人工調控等途徑，促進城市水資源的利用，加強對水環境的保護。

其他國家也提出了相似概念。例如，美國的低影響開發（Low Impact Development，LID）體系、澳大利亞的水敏感城市設計（Water Sensitive Urban Design，WSUD）和英國的可持續排水系統（Sustainable Drainage System，SUDS）等[28]。海綿城市建設要求綜合考慮生態環境保護和水安全保障兩個方面，其核心是低影響開發。低影響開發是指城市發展規劃中確定的雨水源頭、過程和最終歸宿的全過程，強調在規劃設計階段就充分考慮雨水徑流、利用、排放和生態修復等多種因素，通過優化排水系統提高城市防洪排澇能力。LID 指的是以低影響開發為核心，將水系統和生態系統有機地結合起來，充分利用天然生態系統對降雨徑流的吸收、蓄滲和緩釋功能，從而達到保護城市水環境、水生態和水資源的目的。

在海綿城市建設中，需要對城市水系及原有的天然植被進行保護，利用雨水花園、下陷綠地、植草溝等方式來提高雨水的滯留時間。在此基礎上，建立人工濕地和蓄水池，以此實現地下水儲量的實時調控與補充，加強雨水資源的利用率，保護城市地下水含量。

智慧海綿城市是指，通過生態、景觀、社會經濟和技術手段等多方面的創新，在城市計劃、建筑和規劃中融入海綿概念，對城市的水資源進行更加高效的管理、利用和重建。智慧海綿城市是城市未來可持續發展的重要方式，主要通過對于天然雨水的循環利用、對城市排水系統的智能優化等舉措，進一步實現水資源的有效節約與利用。海綿城市的治理和發展需要實現智能高效、系統集成和可持續生態供給的提升目標，通過應用數據科學思維，結合網絡設施、電子設備和信息技術的優勢，改變傳統城市管理建設思路，實現城市管理的數字化和智能化；借助信息系統，實現軟件、硬件有機結合，形成統一整體；打造功能齊備、模塊化的海綿城市管理子系統網絡，以實現管理目標為主體的智能化、數字化管理；通過系統的分工，實現海綿城市管理子系統間高效傳遞水環境監測、決策和反饋信息，從而實現智能高效的城市管理。海綿城市智慧化與海綿城市系統化需要齊頭并進，以期達到城市生態環境供給效率的明顯提升，實現城市水生態環境的改善，在增強生態效益的同時控制管理成本，推動城市可持續健康發展[29]。

智慧海綿城市需要通過環境效益、社會經濟和技術手段的創新，將“海綿”理念融入城市規劃和建設中，對城市水環境進行有效控制，實現對城市水資源的高效管理、一次利用和二次再利用。海綿城市的智能化管理主要體現在對水環境的智能化和信息化的及時控制。海綿城市管理信息系統利用大數據和云計算等現代信息技術手段，對徑流總量、污染程度和峰值等關鍵指標進行實時監測，以實現更加精準的管理[30-31]，最終達到城市生態環境供給效率與環境生態改善的目的，同時城市水生態環境大幅改善，管理成本有效降低，從供給側幫助城市實現可持續健康發展。

2.2 物聯網在智慧海綿城市中的應用

云計算、大數據、IoT 這三大核心技術對智慧海綿城市的建設和管理起到了舉足輕重的作用。云計算能將海量數據的處理過程分解、精煉，由服務器系統運用大數據技術對數據進行處理、分析，并在一定的時間內對其進行提取、整理，將其轉化為更有針對性的信息，最后將其反饋給使用者。智慧海綿城市建設需要關注城市的各個方面，城市各個部門和機構產生海量數據，包括氣候、交通、人流等。一方面，云計算技術可以用來實現數據的共享和存儲，另一方面，需要使用大數據分析技術，對采集的數據信息進行分析處理，從而更好地了解城市的運轉和問題所在。這些數據經過云計算技術進行匯總和大數據分析管理后，供其他相關部門和機構使用。通過IoT 技術，各種傳感器設備可以實現互聯互通，將各種信息匯聚在一起，從而實現對城市運轉的全面監管，以便更好地維護城市的管理。

在智慧海綿城市中，城市的環境系統可以充分利用生態系統，對自來水、雨水和污水等水資源進行有效的管理，從而為城市提供更可持續的環境。這就要求利用傳感技術對環境進行實時采集和智能管理。先進傳感器技術能夠實時監測水資源、城市污染、交通、城市能源及天氣等數據[32]，以此實現更加智能化的城市管理和可持續的城市環境。賈新會[33]等人利用先進的物聯傳感技術對海綿城市中的核心區域進行水位、水質和降雨量等多要素實時監測，并結合相關建設指標體系，為管控人員提供實時可視化數據，推進海綿城市建設，解決了海綿城市建設中的監測和管理難題。吳琳琳[34]等人基于水生態IoT，研究發現在流域尺度開展的水生態環境監測技術能夠實現監測、預警及治理能效管理，并且提出，隨著精準靈敏的IoT 在水生態智慧應用技術的不斷發展，對要素全面感知和數據高效處理等方面綜合提升，進而通過構建水生態環境質量實時遠程監測和智能預警預報，由此實現覆蓋范圍更廣、應用類型更多、效率更高的水生態環境管理區域化監測監管手段。李婷睿[35]研發了一套園區智能水務系統并應用于實際工程。結果證明，在海綿城市設施中運用智慧水務系統，能夠提升城市運營管理的合理性與高效性，實現智慧管理，促進海綿城市內部調度作用。李文強[36]等人基于海綿城市理念、物聯網及云計算技術，開發了一套無人值守泵、閘群智慧運管系統。此系統實現了各泵站、閘門之間的數據信息共享，并達到了點控和群控雙重功能。通過預測模型算法，該系統可提供輔助決策功能，使泵、閘群能夠充分協同作用，加強了城市的防洪、排澇能力，緩解城市黑臭水體現象，為建設智慧海綿城市提供了新的技術。

智慧海綿城市是未來城市可持續發展的重要方式，通過循環利用雨水、優化城市排水系統等措施，實現對水資源的有效節約和利用。李嘉煒[37]等人利用IoT 技術對城市地下排水管網的徑流流量和水質狀況進行環境數據的監測與分析處理，利用氣象站等官方降水數據和歷史記錄，預測低洼地區積水深度的變化規律，并通過大量數據分析計算、評估城市內澇情況，并及時對相關部門或人群分布預警響應。這個措施已經減少了經濟損失約500 萬元，具有良好的經濟和環保效益。

3 結 語

本文針對海綿城市理念和先進的科技，尤其是IoT技術的協同作用，介紹智慧海綿城市的研究進展。通過海綿城市建設，城市可以更好地應對洪澇災害，同時改善生態環境質量。然而，在實際應用和開發建設過程中，海綿城市的建設與發展依然面臨著成本高昂、多部門協同效率低下、信息共享難度大等多重挑戰。因此，智慧海綿城市的建設有利于解決上述問題，推動各部門共同協調合作，同時運用先進的技術降低昂貴的人工成本，提高監測效率，協助管理人員做出針對性強和高效的調控措施。