给水排水小井盖大乾坤，智慧井盖如何助力智慧城市？

1.1 传统管网井盖管理模式

相关统计资料表明，因井盖位移、丢失和损坏，每年均造成一定数量的财产损失。我国研究者针对井盖造成财产损失的问题从技术角度进行了研究和探讨，分别从井盖材质、结构、防盗技术等方面提出改进措施。

井盖管理采取传统人工巡检、纸质记录方式。供水区域被分割为若干片区，每个片区设置专职巡检人员定期对管线和设备井进行人工巡检、记录，及时消除安全隐患。

1.2 井盖管理需求与挑战

传统管理模式一定程度上提高了管网精细化管理水平，但对巡检人员过度依赖，不可避免地出现漏检、错检、记录不完整、不规范等问题，其主要暴露出以下问题:

• 过度依赖巡检人员，对巡检人员要求较高。巡检人员需对供水管网相当熟悉，知晓设备井位置，要求其必须具备较长工龄、经验丰富、记忆力好及责任心强。

• 时效性差。巡检人员对井盖巡检存在一定的周期性，不能实时监测井盖开启状态。

• 效率低。设备井数量庞大，传统管理模式下存在信息量大、信息源分散、传输效率低与渠道不畅等问题。

• 特殊区域巡检困难。对于一些政治敏感区或单位，巡检人员无法进入此类区域。

1.3 智能井盖的引入

传统井盖管理过程中暴露的不足已成为井盖管理工作中亟待解决的关键。随着信息化技术的不断创新和发展，结合打造智慧城市、智慧管网的需求和发展思路，智能井盖管理系统为解决传统模式下存在的井盖管理问题提供了新思路和解决方案。

整个智能井盖管理系统由感知层（智能模块）、网络层（网络传输）和应用层（管理平台）三部分组成。

2.1 智能模块

智能模块基于NB-IoT物联网数据传输模块，集成井盖姿态检测模型、压敏传感器模型、RFID技术模型、重力传感器模型、光线传感器模型等多种模型，实现对井盖位置、状态等信息的实时监测。其主要性能及功能如下：

（1）智能模块性能。

①防护等级：防护级别达IP68防护标准。智能模块设计时采用三级防护措施，其外壳相互连接的缝隙处安装防水胶圈，外壳间相互挤压防水胶圈起防水作用，同时，胶圈周围涂抹防水胶水，并采用机械连接方式进一步保证智能模块防水性能。

②电池寿命：电池寿命保证5年以上。谢兰青等研究表明，影响电池使用时长的主要因素为信号强度；任小强研究显示，按牺牲智能模块休眠机制的做法，信号强度弱时的耗电量为信号强度强时的4倍。不考虑待机时电池电量损耗和信号强度影响，强制智能模块持续发送报警信息至电量耗尽，按一天发送一次信号的频率为基准推算，其电池耗电时长可达25年，推算其在极端条件下电池寿命可达6年以上。

（2）智能模块功能。

①定时“心跳”功能：每24h发送一次“心跳”至管理平台，告知当前智能模块状态。

②水平校“0”功能：安装后初次上传“心跳”至管理平台时，上传当前井盖倾斜角度，管理平台默认此角度为井盖处于水平位置。

③井盖异常开启报警功能：当井盖开启产生一定倾斜角度（可远程设置）时，智能模块上传报警信息至管理平台，实现井盖位移、异常开启的实时报警。

④电量上报功能：电量信息随“心跳”信息一起发送至管理平台。

⑤定位功能：兼备区域定位功能和精准定位功能。区域定位功能通过多个基站上报的RSSI及对应基站的位置实现，因基站的布设位置具有分散性和特殊性，此定位信息存在一定误差；根据智能模块安装时上传的井盖位置坐标信息实现智能模块的精准定位。

⑥压力、漏失监测数据采集及上传功能：以智能模块为依托，联合运用LoRa技术、无线电技术和NB-IoT技术，实现压力数据、漏失监测数据的采集和上传。

2.2 网络

（1）网络架构：网络系统架构如图1。

图1 系统网络拓扑

（2）服务器系统：为保证智能井盖系统运行的可靠性和稳定性，系统采用B/S架构，服务器采用LAMP框架。采用开放型通用数据库格式，同时考虑到后期运行维护及数据扩展的可能性，服务器存储空间、支撑软件等预留相应的标准化容量扩展接口和功能接口。

（3）安全保障体系：网络层是信息安全防护的重点。智能模块与网络运营商智慧云平台间的数据交互采用NB-IoT技术传输，智慧云平台与服务器间的数据交互采用专网（光纤网络）传输。为实现网络系统的实时监控及保证系统数据安全，系统网络与安全保障体系采用分层理念进行整体设计，分为专网和内网双层结构，网络的保密性、完整性和可控性较高，有效保证了数据传输及存储安全，管网监测数据在应用层通过内网查询、调阅。

（4）NB-IoT传输效果：通讯基站分布、网络用户数量及周围环境因素对无线通信传输效果影响较大。笔者分别选取地理位置偏远、GPRS、2G、3G信号较弱的区域及NB-IoT网络用户集中、可能出现网络拥堵的区域，在网络运行高峰期多次现场测试，结果显示NB-IoT技术能正常传输报警信息。为保证井盖的结构强度，自来水井盖通常采用金属铸造（球墨铸铁），经笔者现场多次测试，金属井盖对NB-IoT信号屏蔽衰减强度平均为20dB左右，在井盖上没有遮挡物时，智能模块能正常上传报警信息和管网监测数据，NB-IoT技术适用于金属井盖。

2.3 管理平台

智能井盖管理平台以智能模块和网络传输为依托，集数据收集、数据展示、数据融合、数据分析与统计、数据推送于一体，实现井盖与数据管理的智能化、可视化。

• 展示功能：引入电子地图，展示井盖定位及开启状态、授权状态和信号强度；以多媒体形式展示站点情况、智能模块在线率、漏失监测效果、管网设备类型占比、站点维修受理情况等。

• 报警功能：以声光报警形式实现各类异常信息报警。

• 授权开启井盖功能：通过多功能授权，实现单井盖、多井盖、区域内井盖及明细表上的井盖在特定连续完整时间段或特定非连续分段时间内的远程授权。

• 数据统计与分析：通过手动输入、扫码输入和表格批量导入方式实现数据导入与更新；汇总、分析、处理智能模块上传的数据信息，选择性地预览、导出、打印数据信息。

• 日志管理功能：加强操作日志管理，是完善智能井盖系统、加强数据统计分析和监测追踪的重要手段。永久保存所有操作记录，并可按需求多功能检索、导出所需日志记录信息。

• 权限管理功能：井盖管理平台功能多样性取决于不同管理者对管理平台功能需求的差异性。设置不同用户账号、密码和身份访问和控制管理平台，平台根据登录用户身份进入其对应的应用界面，避免因权限控制缺失或操作不当引发风险。

3.1 案例一

近年来，随着北京市A区科技园区发展和居住小区人口增加，日用水量逐年攀升，部分用户在用水高峰时段出现水压不足问题，供水规划、建设的滞后性问题日渐突出，亟须增加该区供水能力。为保证该区人民群众生活、生产正常用水，自来水集团在先后在该区内增设加压泵站和调蓄水厂各一座。

调蓄水厂投入运行前，该区布设固定压力监测点28处，为解决该区水压不足问题提供了有力数据支撑，但压力数据需定时安排专人现场读取，时效性较差。安装智能井盖后，压力数据通过采集器上传至智能模块，智能模块按照设定的上传周期定时将压力数据上传至管理平台，压力超出设置的压力报警值时管理平台发出报警提示。调蓄水厂投入运行当天，为实时监测A区供水管网压力，保证管网运行安全，远程调控采集器数据采集周期和智能模块数据上传周期。

3.2 案例二

为保证北京市某重要区域（B区）供水安全，自来水集团在该区范围内布设固定漏失监测记录仪24处。因传输技术条件限制，漏失监测数据需专人现场采集；同时根据该区域管理单位的管理需求，数据采集人员进入该区域需进行审批和报备，数据采集存在一定的滞后性。安装智能井盖后，漏失监测数据经无线电通讯技术上传至智能模块，智能模块定时将漏失监测数据上传至智能井盖管理平台，经管理平台判断存在管网漏损风险时发出报警提示。

信息化管理系统已成为提升管理效率、完善管理手段的重要途径。智能井盖以NB-IoT及物联网技术为基础，依托智能模块终端，扩展应用近场传输技术（LoRa技术、无线电技术）以实现供水管网监测数据定时读取、存储、集中上传。在此基础上，打造集报警、数据采集功能为一体的智能井盖管理平台，采用B/S架构、通用数据库格式及API和数据库两种接口和通道，拓展智能模块终端应用场景，为未来整合自来水业务相关系统对接预留可能。

智能井盖推广应用可进一步实现井盖数字化、智能化、可控化、流程化管理，为智慧城市进程加油助力。其作为供水企业管网管理的新生事物，在推广应用中应从以下方面改进：

• 智能井盖是数据获取和传输的重要渠道，因模块终端受外力、环境等不可控因素的影响较大，智能井盖建设及运维需进一步规范化、标准化，从创新运营模式、科学规划设计、完善制度建设等方面推动和保障智能井盖长效运营。

• 智能井盖系统是构成智慧城市的重要组成部分，不应作为独立系统运行。需根据并服务于供水企业和城市顶层设计理念，借助数据治理手段，提高数据质量，统一数据格式，同时预留相应的容量扩展接口和功能接口，建立数据资源互访接口，规范和实现数据集中管理和资源共享，避免存在数据孤岛；与其它相关业务系统和政府政务服务系统对接，实现不同系统间联动；针对性开发手持应用端和应用系统，扩展系统应用场景。

• 智能井盖信号传输依赖于网络运营商的专线传输和NB-IoT网络，不同区域范围各运营商的NB-IoT网络信号存在差异性。智能模块模组应选用全网通三网融合模组，根据NB-IoT网络信号强度选用不同的网络运营商，同时，与网运营商有效沟通，结合现场网络实际合理调整信号强度。

• 管网数据多为保密数据，在确保技术防护安全前提下，加强安全保密制度建设和思想教育，提高员工保密安全意识。