1.1 傳統(tǒng)管網(wǎng)井蓋管理模式

相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，因井蓋位移、丟失和損壞，每年均造成一定數(shù)量的財(cái)產(chǎn)損失。我國研究者針對井蓋造成財(cái)產(chǎn)損失的問題從技術(shù)角度進(jìn)行了研究和探討，分別從井蓋材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、防盜技術(shù)等方面提出改進(jìn)措施。

井蓋管理采取傳統(tǒng)人工巡檢、紙質(zhì)記錄方式。供水區(qū)域被分割為若干片區(qū)，每個(gè)片區(qū)設(shè)置專職巡檢人員定期對管線和設(shè)備井進(jìn)行人工巡檢、記錄，及時(shí)消除安全隱患。

1.2 井蓋管理需求與挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)管理模式一定程度上提高了管網(wǎng)精細(xì)化管理水平，但對巡檢人員過度依賴，不可避免地出現(xiàn)漏檢、錯(cuò)檢、記錄不完整、不規(guī)范等問題，其主要暴露出以下問題:

• 過度依賴巡檢人員，對巡檢人員要求較高。巡檢人員需對供水管網(wǎng)相當(dāng)熟悉，知曉設(shè)備井位置，要求其必須具備較長工齡、經(jīng)驗(yàn)豐富、記憶力好及責(zé)任心強(qiáng)。

• 時(shí)效性差。巡檢人員對井蓋巡檢存在一定的周期性，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測井蓋開啟狀態(tài)。

• 效率低。設(shè)備井?dāng)?shù)量龐大，傳統(tǒng)管理模式下存在信息量大、信息源分散、傳輸效率低與渠道不暢等問題。

• 特殊區(qū)域巡檢困難。對于一些政治敏感區(qū)或單位，巡檢人員無法進(jìn)入此類區(qū)域。

1.3 智能井蓋的引入

傳統(tǒng)井蓋管理過程中暴露的不足已成為井蓋管理工作中亟待解決的關(guān)鍵。隨著信息化技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，結(jié)合打造智慧城市、智慧管網(wǎng)的需求和發(fā)展思路，智能井蓋管理系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)模式下存在的井蓋管理問題提供了新思路和解決方案。

整個(gè)智能井蓋管理系統(tǒng)由感知層（智能模塊）、網(wǎng)絡(luò)層（網(wǎng)絡(luò)傳輸）和應(yīng)用層（管理平臺(tái)）三部分組成。

2.1 智能模塊

智能模塊基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊，集成井蓋姿態(tài)檢測模型、壓敏傳感器模型、RFID技術(shù)模型、重力傳感器模型、光線傳感器模型等多種模型，實(shí)現(xiàn)對井蓋位置、狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。其主要性能及功能如下：

（1）智能模塊性能。

①防護(hù)等級：防護(hù)級別達(dá)IP68防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。智能模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用三級防護(hù)措施，其外殼相互連接的縫隙處安裝防水膠圈，外殼間相互擠壓防水膠圈起防水作用，同時(shí)，膠圈周圍涂抹防水膠水，并采用機(jī)械連接方式進(jìn)一步保證智能模塊防水性能。

②電池壽命：電池壽命保證5年以上。謝蘭青等研究表明，影響電池使用時(shí)長的主要因素為信號(hào)強(qiáng)度；任小強(qiáng)研究顯示，按犧牲智能模塊休眠機(jī)制的做法，信號(hào)強(qiáng)度弱時(shí)的耗電量為信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)的4倍。不考慮待機(jī)時(shí)電池電量損耗和信號(hào)強(qiáng)度影響，強(qiáng)制智能模塊持續(xù)發(fā)送報(bào)警信息至電量耗盡，按一天發(fā)送一次信號(hào)的頻率為基準(zhǔn)推算，其電池耗電時(shí)長可達(dá)25年，推算其在極端條件下電池壽命可達(dá)6年以上。

（2）智能模塊功能。

①定時(shí)“心跳”功能：每24h發(fā)送一次“心跳”至管理平臺(tái)，告知當(dāng)前智能模塊狀態(tài)。

②水平校“0”功能：安裝后初次上傳“心跳”至管理平臺(tái)時(shí)，上傳當(dāng)前井蓋傾斜角度，管理平臺(tái)默認(rèn)此角度為井蓋處于水平位置。

③井蓋異常開啟報(bào)警功能：當(dāng)井蓋開啟產(chǎn)生一定傾斜角度（可遠(yuǎn)程設(shè)置）時(shí)，智能模塊上傳報(bào)警信息至管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井蓋位移、異常開啟的實(shí)時(shí)報(bào)警。

④電量上報(bào)功能：電量信息隨“心跳”信息一起發(fā)送至管理平臺(tái)。

⑤定位功能：兼?zhèn)鋮^(qū)域定位功能和精準(zhǔn)定位功能。區(qū)域定位功能通過多個(gè)基站上報(bào)的RSSI及對應(yīng)基站的位置實(shí)現(xiàn)，因基站的布設(shè)位置具有分散性和特殊性，此定位信息存在一定誤差；根據(jù)智能模塊安裝時(shí)上傳的井蓋位置坐標(biāo)信息實(shí)現(xiàn)智能模塊的精準(zhǔn)定位。

⑥壓力、漏失監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及上傳功能：以智能模塊為依托，聯(lián)合運(yùn)用LoRa技術(shù)、無線電技術(shù)和NB-IoT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)、漏失監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和上傳。

2.2 網(wǎng)絡(luò)

（1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

（2）服務(wù)器系統(tǒng)：為保證智能井蓋系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，服務(wù)器采用LAMP框架。采用開放型通用數(shù)據(jù)庫格式，同時(shí)考慮到后期運(yùn)行維護(hù)及數(shù)據(jù)擴(kuò)展的可能性，服務(wù)器存儲(chǔ)空間、支撐軟件等預(yù)留相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化容量擴(kuò)展接口和功能接口。

（3）安全保障體系：網(wǎng)絡(luò)層是信息安全防護(hù)的重點(diǎn)。智能模塊與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商智慧云平臺(tái)間的數(shù)據(jù)交互采用NB-IoT技術(shù)傳輸，智慧云平臺(tái)與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互采用專網(wǎng)（光纖網(wǎng)絡(luò)）傳輸。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與安全保障體系采用分層理念進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，分為專網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)雙層結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的保密性、完整性和可控性較高，有效保證了數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)安全，管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)在應(yīng)用層通過內(nèi)網(wǎng)查詢、調(diào)閱。

（4）NB-IoT傳輸效果：通訊基站分布、網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量及周圍環(huán)境因素對無線通信傳輸效果影響較大。筆者分別選取地理位置偏遠(yuǎn)、GPRS、2G、3G信號(hào)較弱的區(qū)域及NB-IoT網(wǎng)絡(luò)用戶集中、可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的區(qū)域，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行高峰期多次現(xiàn)場測試，結(jié)果顯示NB-IoT技術(shù)能正常傳輸報(bào)警信息。為保證井蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，自來水井蓋通常采用金屬鑄造（球墨鑄鐵），經(jīng)筆者現(xiàn)場多次測試，金屬井蓋對NB-IoT信號(hào)屏蔽衰減強(qiáng)度平均為20dB左右，在井蓋上沒有遮擋物時(shí)，智能模塊能正常上傳報(bào)警信息和管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，NB-IoT技術(shù)適用于金屬井蓋。

2.3 管理平臺(tái)

智能井蓋管理平臺(tái)以智能模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸為依托，集數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)推送于一體，實(shí)現(xiàn)井蓋與數(shù)據(jù)管理的智能化、可視化。

• 展示功能：引入電子地圖，展示井蓋定位及開啟狀態(tài)、授權(quán)狀態(tài)和信號(hào)強(qiáng)度；以多媒體形式展示站點(diǎn)情況、智能模塊在線率、漏失監(jiān)測效果、管網(wǎng)設(shè)備類型占比、站點(diǎn)維修受理情況等。

• 報(bào)警功能：以聲光報(bào)警形式實(shí)現(xiàn)各類異常信息報(bào)警。

• 授權(quán)開啟井蓋功能：通過多功能授權(quán)，實(shí)現(xiàn)單井蓋、多井蓋、區(qū)域內(nèi)井蓋及明細(xì)表上的井蓋在特定連續(xù)完整時(shí)間段或特定非連續(xù)分段時(shí)間內(nèi)的遠(yuǎn)程授權(quán)。

• 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析：通過手動(dòng)輸入、掃碼輸入和表格批量導(dǎo)入方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入與更新；匯總、分析、處理智能模塊上傳的數(shù)據(jù)信息，選擇性地預(yù)覽、導(dǎo)出、打印數(shù)據(jù)信息。

• 日志管理功能：加強(qiáng)操作日志管理，是完善智能井蓋系統(tǒng)、加強(qiáng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和監(jiān)測追蹤的重要手段。永久保存所有操作記錄，并可按需求多功能檢索、導(dǎo)出所需日志記錄信息。

• 權(quán)限管理功能：井蓋管理平臺(tái)功能多樣性取決于不同管理者對管理平臺(tái)功能需求的差異性。設(shè)置不同用戶賬號(hào)、密碼和身份訪問和控制管理平臺(tái)，平臺(tái)根據(jù)登錄用戶身份進(jìn)入其對應(yīng)的應(yīng)用界面，避免因權(quán)限控制缺失或操作不當(dāng)引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 案例一

近年來，隨著北京市A區(qū)科技園區(qū)發(fā)展和居住小區(qū)人口增加，日用水量逐年攀升，部分用戶在用水高峰時(shí)段出現(xiàn)水壓不足問題，供水規(guī)劃、建設(shè)的滯后性問題日漸突出，亟須增加該區(qū)供水能力。為保證該區(qū)人民群眾生活、生產(chǎn)正常用水，自來水集團(tuán)在先后在該區(qū)內(nèi)增設(shè)加壓泵站和調(diào)蓄水廠各一座。

調(diào)蓄水廠投入運(yùn)行前，該區(qū)布設(shè)固定壓力監(jiān)測點(diǎn)28處，為解決該區(qū)水壓不足問題提供了有力數(shù)據(jù)支撐，但壓力數(shù)據(jù)需定時(shí)安排專人現(xiàn)場讀取，時(shí)效性較差。安裝智能井蓋后，壓力數(shù)據(jù)通過采集器上傳至智能模塊，智能模塊按照設(shè)定的上傳周期定時(shí)將壓力數(shù)據(jù)上傳至管理平臺(tái)，壓力超出設(shè)置的壓力報(bào)警值時(shí)管理平臺(tái)發(fā)出報(bào)警提示。調(diào)蓄水廠投入運(yùn)行當(dāng)天，為實(shí)時(shí)監(jiān)測A區(qū)供水管網(wǎng)壓力，保證管網(wǎng)運(yùn)行安全，遠(yuǎn)程調(diào)控采集器數(shù)據(jù)采集周期和智能模塊數(shù)據(jù)上傳周期。

3.2 案例二

為保證北京市某重要區(qū)域（B區(qū)）供水安全，自來水集團(tuán)在該區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)固定漏失監(jiān)測記錄儀24處。因傳輸技術(shù)條件限制，漏失監(jiān)測數(shù)據(jù)需專人現(xiàn)場采集；同時(shí)根據(jù)該區(qū)域管理單位的管理需求，數(shù)據(jù)采集人員進(jìn)入該區(qū)域需進(jìn)行審批和報(bào)備，數(shù)據(jù)采集存在一定的滯后性。安裝智能井蓋后，漏失監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)無線電通訊技術(shù)上傳至智能模塊，智能模塊定時(shí)將漏失監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至智能井蓋管理平臺(tái)，經(jīng)管理平臺(tái)判斷存在管網(wǎng)漏損風(fēng)險(xiǎn)時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。

信息化管理系統(tǒng)已成為提升管理效率、完善管理手段的重要途徑。智能井蓋以NB-IoT及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，依托智能模塊終端，擴(kuò)展應(yīng)用近場傳輸技術(shù)（LoRa技術(shù)、無線電技術(shù)）以實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)定時(shí)讀取、存儲(chǔ)、集中上傳。在此基礎(chǔ)上，打造集報(bào)警、數(shù)據(jù)采集功能為一體的智能井蓋管理平臺(tái)，采用B/S架構(gòu)、通用數(shù)據(jù)庫格式及API和數(shù)據(jù)庫兩種接口和通道，拓展智能模塊終端應(yīng)用場景，為未來整合自來水業(yè)務(wù)相關(guān)系統(tǒng)對接預(yù)留可能。

智能井蓋推廣應(yīng)用可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)井蓋數(shù)字化、智能化、可控化、流程化管理，為智慧城市進(jìn)程加油助力。其作為供水企業(yè)管網(wǎng)管理的新生事物，在推廣應(yīng)用中應(yīng)從以下方面改進(jìn)：

• 智能井蓋是數(shù)據(jù)獲取和傳輸?shù)闹匾溃蚰K終端受外力、環(huán)境等不可控因素的影響較大，智能井蓋建設(shè)及運(yùn)維需進(jìn)一步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，從創(chuàng)新運(yùn)營模式、科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)、完善制度建設(shè)等方面推動(dòng)和保障智能井蓋長效運(yùn)營。

• 智能井蓋系統(tǒng)是構(gòu)成智慧城市的重要組成部分，不應(yīng)作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行。需根據(jù)并服務(wù)于供水企業(yè)和城市頂層設(shè)計(jì)理念，借助數(shù)據(jù)治理手段，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，同時(shí)預(yù)留相應(yīng)的容量擴(kuò)展接口和功能接口，建立數(shù)據(jù)資源互訪接口，規(guī)范和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理和資源共享，避免存在數(shù)據(jù)孤島；與其它相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和政府政務(wù)服務(wù)系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)；針對性開發(fā)手持應(yīng)用端和應(yīng)用系統(tǒng)，擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用場景。

• 智能井蓋信號(hào)傳輸依賴于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的專線傳輸和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，不同區(qū)域范圍各運(yùn)營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)信號(hào)存在差異性。智能模塊模組應(yīng)選用全網(wǎng)通三網(wǎng)融合模組，根據(jù)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度選用不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，同時(shí)，與網(wǎng)運(yùn)營商有效溝通，結(jié)合現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)實(shí)際合理調(diào)整信號(hào)強(qiáng)度。

• 管網(wǎng)數(shù)據(jù)多為保密數(shù)據(jù)，在確保技術(shù)防護(hù)安全前提下，加強(qiáng)安全保密制度建設(shè)和思想教育，提高員工保密安全意識(shí)。