摘要：针对目前城市道路管理中排水不畅这一顽疾，重点研究采用物联网、大数据分析建模等主要技术手段实现城市道路排水精细化管理，并延伸到整个城市水生态系统的管理。
关键词：物联网；大数据；水生态；监测预警
1前言
随着中国经济的日益发达和城市化进度的加快，国内各个城市的道路建设发展尤其迅速。十三五规划建议当中提到：推进市政设施智慧建设，提高安全运行管理水平，实施“互联网+”市政基础设施计划。深度融合物联网、大数据、云计算等科技信息技术在市政基础设施中的使用。促进智慧管网的发展，尤其是供水排水全过程的信息化，包括水压、水量、水质、水设施的信息采集、处理与控制体系的信息化；实现城市地下空间、地下综合管廊、地下管网管理信息化和运行智能化，加强各类市政设施管理数字化平台建设和功能整合；建设一套综合性城市运行管理数据库，实现多源信息整合和共享，探索建立全国城市市政基础设施数字化监管体系[1]。在城市排水管网建设中，雨水控制的基本理念以两方面为主，分别是“快速排除”和“末端集中”。大量雨水排走，一般利用粗糙的管渠系统，如果遇到暴雨，径流量增大、径流汇流时间变短，增大了高峰径流量，而规划设计时前瞻性和预见性不高，没有考虑到城市化进程加快引起的水文等变化，造成道路积水不能及时导入城市排水系统。由于道路积水导致的车辆被淹事故越来越频繁，给社会造成了重大的经济损失。较短时间内大量雨水径流被输送至管网末端，就会导致城市内涝风险加大。鉴于此，需要建立一套完善的能够监测和预警城市道路积水状况的系统。
2遍布城市水系的智能神经元网络
将传感设备植入城市排水系统，实时监测城市排水系统中检查井内水位的变化情况，为道路积水预警装置提供监测数据，同时通过水位监测数据，研究管道模型。利用人工智能AI将监测数据进行后台建模运算，分析管道和排水系统的水流规律，快速显示监测预警重要区域、未来降雨量容易形成城市积水的预计时间段和疏导方案，从而实现对道路积水的监测预警。城市道路监测预警系统通过分布在排水系统各个安装点的水位传感设备，将收集到的信息转化为电信号，经过NB-IoT（窄带物联网）大数据分析，指导排水系统正常运行和解决道路积水应急处置问题[2]。监测预警系统如图1所示。
2.1智能传感器。传感器是一种检测装置，它由敏感元件和转换元件组成，当给出被测量物时，传感器能精确感受到，得到检测和感受信息，并按照一定规律转换为电信号，比如以电流、电压或者相位的形式输出。最终，物联网和人工智能可以利用此输出信息作为数据来源，进行分析运算建模。智能传感器使用嵌入式技术，将传感器与微处理器集成为一体，这种终端设备具备的功能有环境感知、数据处理、智能控制和数据通信。另外，智能传感器还具有自学习、自诊断和自补偿能力。正是具备这些功能，智能传感器在感知物理世界的时候反馈给物联网系统的数据就会更准确、全面，达到精确感知的目的。
2.2NB-IoT技术。物联网是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，按照约定的协议将任何东西和互联网连接，进行信息交换，实现跟踪、定位、识别和监控等功能的一种网络概念。NB-IoT技术是基于蜂窝的窄带物联网的一个重要分支，具有低功耗、大连接、广覆盖和低成本等优点。利用NB-IoT建立一个物联网监控平台，当传感器发生预警时，预警信息通过传输网络上传给平台，管理平台派出维护人员到现场及时处理。
2.3人工智能大数据分析。传感器采集到大量的数据信息进行过滤，将有效信息再进行上传，由此将真正有效的各类水压、水质、水量等大数据通过NB-IOT无线网络传输到超算中心，在后台数据模型的基础上利用人工智能自学习能力，快速对收集来的大量数据进行详细研究，提取有用的信息和结论，输出各类趋势报告、应急预案，帮助维护人员作出判断，采取适当行动。
3以智能井盖作为水生态系统的切入点
城市中的井盖是一个很好的道路水生态物联网切入点。它是地表、地下的两大过程的一个界面，任何一个点积水时间、积水范围、水的淹没深度、水质的情况都可以通过井盖上面的传感器感知出来。城市中污水管网和雨水管网合用一条管网，下雨时污水管网无法储存过多的雨水，就会造成污水井逆流，污水井的逆流对河流、湖泊的清理是一个很大的冲击，所以井盖上的传感器能把下雨时候各个管道的引流情况呈现出来。通过传感器上传的数据，建立数据模型，从水量、水质、雨水资源化这三大内涵数学模型进行诊断，进行三大耦合平衡设计，这样，整套数学模型把城市雨水是怎样分流、怎么散流、怎么下渗、怎么聚集、怎么排、怎么利用全都有了感知，能及时进行道路积水预警，并提出解决管理措施。
4智能井盖在城市精细化管理中的应用
4.1智能井盖原理。城市智能井盖系统采用GRPS技术、NB-IoT技术、Web技术和大数据库技术，实现监测设备的实时动态监控，当系统报警，传输数据给监管平台，实现平台一体化作业，监管中心将数据的信息化存储、统计与分析，为道路积水监测预警提供有效理论依据[3]。在易涝区域的重要地段、地点设置智能井盖水位监测点，实时接收水位监测数据，通过物联网NB-IoT技术，每隔一段固定时间传输给监控中心。系统通过人工智能进行建模运算，利用监测数据拟合水位变化曲线，输出水位趋势报告。根据水位变化图得出设定值，超出这个值，系统就会报警，同时判断事故的等级，从而启动相应事故联动机制。
4.2智能井盖系统组成。智能井盖系统架构如图2所示。智能井盖监测系统由井盖监测中心、通讯网络、井盖监测仪、水位传感器等组成。当井下水位值超过设定的警戒值时，传感器将数据传输给监测仪，监测仪采用NB-IoT技术将数据传输给监管中心，进行实时监测报警。这个系统除了监测功能外，还可以提供管网运行预警信息，诊断排水管网中的瓶颈管段，为评估积水、易涝区域的排水能力提供分析数据。城市智能井盖系统软件采用J2EE的企业级应用架构，数据库采用SQLServer企业级数据库。采用2台服务器，其中一台为数据库服务器，用于保存监测数据；另一台为系统Web服务器，提供应用程序的安装部署，同时为管理人员提供系统的访问承载[4]。
4.3智能井盖系统特点。智能井盖系统主要特点如下：①系统可预先设定报警规则，对异常情况进行紧急报警，当水位正常时，传感器休眠，当水位异常时，传感器立即发出报警信息，有利于相关部门采取应急措施；②系统一旦发现异常，会及时将数据上报给监管中心，将以前工作人员“查巡事故”演变为工作人员“等待报警”，巡检人员的工作效率得到了极大的提高，工作强度也有所减轻，同时，更降低了管理成本；③系统收到报警，在第一时间内上传至平台，平台派出工作人员根据报警信息具体情况及时处理，避免给行人、车辆带来安全隐患，也避免了城市洪涝灾害发生，减少经济损失；④系统对井盖状态等监测数据可以查询、存储、浏览，对运维部门的工作真正做到有据可查，所有后台信息永久保存为大数据，实现了精细化管理；⑤系统促进市政管网公司或企业信息化、智能化、规范化水平的提升；⑥系统操作简捷、显示直观。
5建设水生态监测预警的目的和意义
近两年，国家相关纲要、意见和规划中，都强调了“管理的精细化、服务的智能化、机制的高效化”等，积极利用大数据、云计算和物联网等新技术，建设新型的示范性智慧城市。建立城市道路水生态监测预警的意义在于：①解决了道路积水安全问题，保证人民出行安全及生命安全；②防洪除涝，及时进行排水调度；③缓解交通压力，保障出行畅通。今天，物联网技术迅猛发展，在智慧城市管理领域，需要搭建一个技术监控平台，利用物联网、大数据、人工智能等技术实时监测城市道路供排水状况，降低市政管理运营成本，提高运营效率，促进市政管理标准化和规范化，这是实现智慧城市的必要条件之一。
作者:刘雅莉 单位:河南交通职业技术学院