1.1 傳統管網(wǎng)井蓋管理模式

相關(guān)統計資料表明，因井蓋位移、丟失和損壞，每年均造成一定數量的財產(chǎn)損失。我國研究者針對井蓋造成財產(chǎn)損失的問(wèn)題從技術(shù)角度進(jìn)行了研究和探討，分別從井蓋材質(zhì)、結構、防盜技術(shù)等方面提出改進(jìn)措施。

井蓋管理采取傳統人工巡檢、紙質(zhì)記錄方式。供水區域被分割為若干片區，每個(gè)片區設置專(zhuān)職巡檢人員定期對管線(xiàn)和設備井進(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

傳統管理模式一定程度上提高了管網(wǎng)精細化管理水平，但對巡檢人員過(guò)度依賴(lài)，不可避免地出現漏檢、錯檢、記錄不完整、不規范等問(wèn)題，其主要暴露出以下問(wèn)題:

• 過(guò)度依賴(lài)巡檢人員，對巡檢人員要求較高。巡檢人員需對供水管網(wǎng)相當熟悉，知曉設備井位置，要求其必須具備較長(cháng)工齡、經(jīng)驗豐富、記憶力好及責任心強。

• 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)監測井蓋開(kāi)啟狀態(tài)。

• 效率低。設備井數量龐大，傳統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(wèn)題。

• 特殊區域巡檢困難。對于一些政治敏感區或單位，巡檢人員無(wú)法進(jìn)入此類(lèi)區域。

1.3 智能井蓋的引入

傳統井蓋管理過(guò)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(zhù)信息化技術(shù)的不斷創(chuàng )新和發(fā)展，結合打造智慧城市、智慧管網(wǎng)的需求和發(fā)展思路，智能井蓋管理系統為解決傳統模式下存在的井蓋管理問(wèn)題提供了新思路和解決方案。

整個(gè)智能井蓋管理系統由感知層（智能模塊）、網(wǎng)絡(luò )層（網(wǎng)絡(luò )傳輸）和應用層（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)數據傳輸模塊，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(xiàn)傳感器模型等多種模型，實(shí)現對井蓋位置、狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)監測。其主要性能及功能如下：

（1）智能模塊性能。

①防護等級：防護級別達IP68防護標準。智能模塊設計時(shí)采用三級防護措施，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?chē)磕ǚ浪z水，并采用機械連接方式進(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(cháng)的主要因素為信號強度；任小強研究顯示，按犧牲智能模塊休眠機制的做法，信號強度弱時(shí)的耗電量為信號強度強時(shí)的4倍。不考慮待機時(shí)電池電量損耗和信號強度影響，強制智能模塊持續發(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推算，其電池耗電時(shí)長(cháng)可達25年，推算其在極端條件下電池壽命可達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，告知當前智能模塊狀態(tài)。

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

③井蓋異常開(kāi)啟報警功能：當井蓋開(kāi)啟產(chǎn)生一定傾斜角度（可遠程設置）時(shí)，智能模塊上傳報警信息至管理平臺，實(shí)現井蓋位移、異常開(kāi)啟的實(shí)時(shí)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：兼備區域定位功能和精準定位功能。區域定位功能通過(guò)多個(gè)基站上報的RSSI及對應基站的位置實(shí)現，因基站的布設位置具有分散性和特殊性，此定位信息存在一定誤差；根據智能模塊安裝時(shí)上傳的井蓋位置坐標信息實(shí)現智能模塊的精準定位。

⑥壓力、漏失監測數據采集及上傳功能：以智能模塊為依托，聯(lián)合運用LoRa技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和NB-IoT技術(shù)，實(shí)現壓力數據、漏失監測數據的采集和上傳。

2.2 網(wǎng)絡(luò )

（1）網(wǎng)絡(luò )架構：網(wǎng)絡(luò )系統架構如圖1。

圖1 系統網(wǎng)絡(luò )拓撲

（2）服務(wù)器系統：為保證智能井蓋系統運行的可靠性和穩定性，系統采用B/S架構，服務(wù)器采用LAMP框架。采用開(kāi)放型通用數據庫格式，同時(shí)考慮到后期運行維護及數據擴展的可能性，服務(wù)器存儲空間、支撐軟件等預留相應的標準化容量擴展接口和功能接口。

（3）安全保障體系：網(wǎng)絡(luò )層是信息安全防護的重點(diǎn)。智能模塊與網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商智慧云平臺間的數據交互采用NB-IoT技術(shù)傳輸，智慧云平臺與服務(wù)器間的數據交互采用專(zhuān)網(wǎng)（光纖網(wǎng)絡(luò )）傳輸。為實(shí)現網(wǎng)絡(luò )系統的實(shí)時(shí)監控及保證系統數據安全，系統網(wǎng)絡(luò )與安全保障體系采用分層理念進(jìn)行整體設計，分為專(zhuān)網(wǎng)和內網(wǎng)雙層結構，網(wǎng)絡(luò )的保密性、完整性和可控性較高，有效保證了數據傳輸及存儲安全，管網(wǎng)監測數據在應用層通過(guò)內網(wǎng)查詢(xún)、調閱。

（4）NB-IoT傳輸效果：通訊基站分布、網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)數量及周?chē)h(huán)境因素對無(wú)線(xiàn)通信傳輸效果影響較大。筆者分別選取地理位置偏遠、GPRS、2G、3G信號較弱的區域及NB-IoT網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)集中、可能出現網(wǎng)絡(luò )擁堵的區域，在網(wǎng)絡(luò )運行高峰期多次現場(chǎng)測試，結果顯示NB-IoT技術(shù)能正常傳輸報警信息。為保證井蓋的結構強度，自來(lái)水井蓋通常采用金屬鑄造（球墨鑄鐵），經(jīng)筆者現場(chǎng)多次測試，金屬井蓋對NB-IoT信號屏蔽衰減強度平均為20dB左右，在井蓋上沒(méi)有遮擋物時(shí)，智能模塊能正常上傳報警信息和管網(wǎng)監測數據，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，集數據收集、數據展示、數據融合、數據分析與統計、數據推送于一體，實(shí)現井蓋與數據管理的智能化、可視化。

• 展示功能：引入電子地圖，展示井蓋定位及開(kāi)啟狀態(tài)、授權狀態(tài)和信號強度；以多媒體形式展示站點(diǎn)情況、智能模塊在線(xiàn)率、漏失監測效果、管網(wǎng)設備類(lèi)型占比、站點(diǎn)維修受理情況等。

• 報警功能：以聲光報警形式實(shí)現各類(lèi)異常信息報警。

• 授權開(kāi)啟井蓋功能：通過(guò)多功能授權，實(shí)現單井蓋、多井蓋、區域內井蓋及明細表上的井蓋在特定連續完整時(shí)間段或特定非連續分段時(shí)間內的遠程授權。

• 數據統計與分析：通過(guò)手動(dòng)輸入、掃碼輸入和表格批量導入方式實(shí)現數據導入與更新；匯總、分析、處理智能模塊上傳的數據信息，選擇性地預覽、導出、打印數據信息。

• 日志管理功能：加強操作日志管理，是完善智能井蓋系統、加強數據統計分析和監測追蹤的重要手段。永久保存所有操作記錄，并可按需求多功能檢索、導出所需日志記錄信息。

• 權限管理功能：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。設置不同用戶(hù)賬號、密碼和身份訪(fǎng)問(wèn)和控制管理平臺，平臺根據登錄用戶(hù)身份進(jìn)入其對應的應用界面，避免因權限控制缺失或操作不當引發(fā)風(fēng)險。

3.1 案例一

近年來(lái)，隨著(zhù)北京市A區科技園區發(fā)展和居住小區人口增加，日用水量逐年攀升，部分用戶(hù)在用水高峰時(shí)段出現水壓不足問(wèn)題，供水規劃、建設的滯后性問(wèn)題日漸突出，亟須增加該區供水能力。為保證該區人民群眾生活、生產(chǎn)正常用水，自來(lái)水集團在先后在該區內增設加壓泵站和調蓄水廠(chǎng)各一座。

調蓄水廠(chǎng)投入運行前，該區布設固定壓力監測點(diǎn)28處，為解決該區水壓不足問(wèn)題提供了有力數據支撐，但壓力數據需定時(shí)安排專(zhuān)人現場(chǎng)讀取，時(shí)效性較差。安裝智能井蓋后，壓力數據通過(guò)采集器上傳至智能模塊，智能模塊按照設定的上傳周期定時(shí)將壓力數據上傳至管理平臺，壓力超出設置的壓力報警值時(shí)管理平臺發(fā)出報警提示。調蓄水廠(chǎng)投入運行當天，為實(shí)時(shí)監測A區供水管網(wǎng)壓力，保證管網(wǎng)運行安全，遠程調控采集器數據采集周期和智能模塊數據上傳周期。

3.2 案例二

為保證北京市某重要區域（B區）供水安全，自來(lái)水集團在該區范圍內布設固定漏失監測記錄儀24處。因傳輸技術(shù)條件限制，漏失監測數據需專(zhuān)人現場(chǎng)采集；同時(shí)根據該區域管理單位的管理需求，數據采集人員進(jìn)入該區域需進(jìn)行審批和報備，數據采集存在一定的滯后性。安裝智能井蓋后，漏失監測數據經(jīng)無(wú)線(xiàn)電通訊技術(shù)上傳至智能模塊，智能模塊定時(shí)將漏失監測數據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(shí)發(fā)出報警提示。

信息化管理系統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，依托智能模塊終端，擴展應用近場(chǎng)傳輸技術(shù)（LoRa技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電技術(shù)）以實(shí)現供水管網(wǎng)監測數據定時(shí)讀取、存儲、集中上傳。在此基礎上，打造集報警、數據采集功能為一體的智能井蓋管理平臺，采用B/S架構、通用數據庫格式及API和數據庫兩種接口和通道，拓展智能模塊終端應用場(chǎng)景，為未來(lái)整合自來(lái)水業(yè)務(wù)相關(guān)系統對接預留可能。

智能井蓋推廣應用可進(jìn)一步實(shí)現井蓋數字化、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，在推廣應用中應從以下方面改進(jìn)：

• 智能井蓋是數據獲取和傳輸的重要渠道，因模塊終端受外力、環(huán)境等不可控因素的影響較大，智能井蓋建設及運維需進(jìn)一步規范化、標準化，從創(chuàng )新運營(yíng)模式、科學(xué)規劃設計、完善制度建設等方面推動(dòng)和保障智能井蓋長(cháng)效運營(yíng)。

• 智能井蓋系統是構成智慧城市的重要組成部分，不應作為獨立系統運行。需根據并服務(wù)于供水企業(yè)和城市頂層設計理念，借助數據治理手段，提高數據質(zhì)量，統一數據格式，同時(shí)預留相應的容量擴展接口和功能接口，建立數據資源互訪(fǎng)接口，規范和實(shí)現數據集中管理和資源共享，避免存在數據孤島；與其它相關(guān)業(yè)務(wù)系統和政府政務(wù)服務(wù)系統對接，實(shí)現不同系統間聯(lián)動(dòng)；針對性開(kāi)發(fā)手持應用端和應用系統，擴展系統應用場(chǎng)景。

• 智能井蓋信號傳輸依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的專(zhuān)線(xiàn)傳輸和NB-IoT網(wǎng)絡(luò )，不同區域范圍各運營(yíng)商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò )信號存在差異性。智能模塊模組應選用全網(wǎng)通三網(wǎng)融合模組，根據NB-IoT網(wǎng)絡(luò )信號強度選用不同的網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商，同時(shí)，與網(wǎng)運營(yíng)商有效溝通，結合現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)際合理調整信號強度。

• 管網(wǎng)數據多為保密數據，在確保技術(shù)防護安全前提下，加強安全保密制度建設和思想教育，提高員工保密安全意識。