1.1 傳統(tǒng)管網(wǎng)井蓋管理模式

相關(guān)統(tǒng)計資料表明，因井蓋位移、丟失和損壞，每年均造成一定數(shù)量的財產(chǎn)損失。我國研究者針對井蓋造成財產(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)驗豐富、記憶力好及責(zé)任心強(qiáng)。

• 時效性差。巡檢人員對井蓋巡檢存在一定的周期性，不能實時監(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）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，實現(xiàn)對井蓋位置、狀態(tài)等信息的實時監(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)計時采用三級防護(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，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，影響電池使用時長的主要因素為信號強(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，信號強(qiáng)度弱時的耗電量為信號強(qiáng)度強(qiáng)時的4倍。不考慮待機(jī)時電池電量損耗和信號強(qiáng)度影響，強(qiáng)制智能模塊持續(xù)發(fā)送報警信息至電量耗盡，按一天發(fā)送一次信號的頻率為基準(zhǔn)推算，其電池耗電時長可達(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“心跳”功能：每24h發(fā)送一次“心跳”至管理平臺，告知當(dāng)前智能模塊狀態(tài)。

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

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

④電量上報功能：電量信息隨“心跳”信息一起發(fā)送至管理平臺。

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基站上報的RSSI及對應(yīng)基站的位置實現(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)智能模塊安裝時上傳的井蓋位置坐標(biāo)信息實現(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)合運用LoRa技術(shù)、無線電技術(shù)和NB-IoT技術(shù)，實現(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，同時考慮到后期運行維護(hù)及數(shù)據(jù)擴(kuò)展的可能性，服務(wù)器存儲空間、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。智能模塊與網(wǎng)絡(luò)運營商智慧云平臺間的數(shù)據(jù)交互采用NB-IoT技術(shù)傳輸，智慧云平臺與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互采用專網(wǎng)（光纖網(wǎng)絡(luò)）傳輸。為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時監(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，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信號屏蔽衰減強(qiáng)度平均為20dB左右，在井蓋上沒有遮擋物時，智能模塊能正常上傳報警信息和管網(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

智能井蓋管理平臺以智能模塊和網(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、數(shù)據(jù)推送于一體，實現(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)和信號強(qiáng)度；以多媒體形式展示站點情況、智能模塊在線率、漏失監(jiān)測效果、管網(wǎng)設(shè)備類型占比、站點維修受理情況等。

• 報警功能：以聲光報警形式實現(xiàn)各類異常信息報警。

• 授權(quán)開啟井蓋功能：通過多功能授權(quán)，實現(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)完整時間段或特定非連續(xù)分段時間內(nèi)的遠(yuǎn)程授權(quán)。

• 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析：通過手動輸入、掃碼輸入和表格批量導(dǎo)入方式實現(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：井蓋管理平臺功能多樣性取決于不同管理者對管理平臺功能需求的差異性。設(shè)置不同用戶賬號、密碼和身份訪問和控制管理平臺，平臺根據(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。

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)蓄水廠投入運行前，該區(qū)布設(shè)固定壓力監(jiān)測點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)需定時安排專人現(xiàn)場讀取，時效性較差。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)定的上傳周期定時將壓力數(shù)據(jù)上傳至管理平臺，壓力超出設(shè)置的壓力報警值時管理平臺發(fā)出報警提示。調(diào)蓄水廠投入運行當(dāng)天，為實時監(jiān)測A區(qū)供水管網(wǎng)壓力，保證管網(wǎng)運行安全，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，智能模塊定時將漏失監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至智能井蓋管理平臺，經(jīng)管理平臺判斷存在管網(wǎng)漏損風(fēng)險時發(fā)出報警提示。

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)）以實現(xiàn)供水管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)定時讀取、存儲、集中上傳。在此基礎(chǔ)上，打造集報警、數(shù)據(jù)采集功能為一體的智能井蓋管理平臺，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?，因模塊終端受外力、環(huán)境等不可控因素的影響較大，智能井蓋建設(shè)及運維需進(jìn)一步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，從創(chuàng)新運營模式、科學(xué)規(guī)劃設(shè)計、完善制度建設(shè)等方面推動和保障智能井蓋長效運營。

• 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)作為獨立系統(tǒng)運行。需根據(jù)并服務(wù)于供水企業(yè)和城市頂層設(shè)計理念，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，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間聯(lián)動；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。

• 智能井蓋信號傳輸依賴于網(wǎng)絡(luò)運營商的專線傳輸和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，不同區(qū)域范圍各運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)信號存在差異性。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)信號強(qiáng)度選用不同的網(wǎng)絡(luò)運營商，同時，與網(wǎng)運營商有效溝通，結(jié)合現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)實際合理調(diào)整信號強(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。