物联网在城市雨洪智能管理中的应用分析

汉京超，王红武，高学珑，刘 燕

（1.复旦大学 环境科学与工程系，上海200433；2.同济大学 环境科学与工程学院，上海200092；3.福州市规划设计研究院，福州350003）

近年来，我国许多城市和地区先后遭受特大暴雨袭击，造成部分城市严重雍水和内涝，极大危害了广大人民群众的人身和财产安全.为此，进一步加强城市雨洪管理，尤其是排水系统的综合调度和统筹管理已经成为业内专家学者的共识.城市雨洪管理的相关措施基本可以分为工程性（建筑性）和管理性（非建筑性）两大类[1].两类措施并非格格不入、彼此排斥，而是相辅相成、互为补充，甚至很多时候，管理性措施比工程性措施性价比更高，效果也更加理想[2].

与此同时，近年来，物联网（Internet of Things，IOT）的概念逐渐兴起，并在很多领域内掀起探索和应用的热潮.在国家大力推进和加强环保产业信息化建设的大背景下，如果能够将物联网与城市雨洪管理进行智能动态结合，实现对城市排水管网的预警预报、跟踪监测、实时调控和系统优化等诸多需求，将不仅为管理者及时准确地提供决策依据，更将极大地提升我国环保产业的信息化水平，具有重要的理论和实际意义.

1 城市雨洪智能管理的概念辨析

1.1 城市雨洪智能管理的概念

1999年和2005年，国际灌溉和排水协会分别颁布了《洪水管理的管理性（非建筑性）措施指南》和《洪水管理的工程性（建筑性）措施指南》[1]，对于城市雨洪管理的理论和实践具有较强的指导意义.根据上述指南，城市雨洪管理（控制利用）的管理性措施主要是指改变生命和财产对洪水的应对方式，力图通过不建设洪水引导建筑物的方式减轻乃至避免洪水的负面影响.一般包括:集水区管理、洪泛区土地的规划和发展控制、洪水模拟和验算、洪水预测预警、洪水应急反应预案、人口疏散、洪水对抗、洪水保险和灾后恢复等[1，2].

在此基础上，笔者又将上述管理性措施分为2类:一类为智能管理措施（Intelligent Management Approaches），一类为常规管理措施（Conventional Management Approaches）.智能管理措施主要指基于计算机技术、网络技术和电子技术建立起来的，以预警预报、模型模拟、系统优化和实时监控为主要手段的雨洪管理性措施；而常规管理措施则是除智能管理措施之外的不依赖于上述现代高端信息技术的管理性措施.

1.2 城市雨洪智能管理措施的范畴

根据近年来国内外专家学者在城市雨洪管理方面，尤其是其中非工程措施方面的研究进展，笔者认为，城市雨洪智能管理措施主要可分为4大类10个小类，如图1所示.

图1 城市雨洪智能管理措施的分类Fig.1 Categories of intelligent management approaches in urban stormwater management

2 物联网的定义，起源和发展

2.1 物联网的定义

目前，由于物联网及相关技术方兴未艾，国际上尚未对物联网的定义达成广泛共识.流传范围较广的是欧盟委员会信息、社会和媒体总局下属的射频识别（Radio－frequency identification，RFID）部门负责人Lorent Ferderix博士所给出的定义，在2009年北京举办的物联网与企业环境中欧研讨会上，他将物联网定义为:“物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并可与信息网络无缝整合[3].”此外，在2010年的国家政府工作报告中，物联网被注释为:“通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪监控和管理的一种网络，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络[4].”

或许上述2个定义尚无法完全涵盖物联网的全部内涵及主要技术和应用领域，但是必须承认，它们在较大程度上促进了物联网产业的进一步发展，具有重要的指导意义.

2.2 物联网技术的起源和发展

物联网最早由美国麻省理工学院Auto－ID中心的Ashton教授在1999年提出[5]，当时的物联网概念主要基于射频识别技术，并随着理论和技术的不断发展逐步引起更多的关注和认可.2005年，国际电信联盟（ITU）发表了关于物联网的第一份系统报告[6]，报告从物联网的范畴、技术、市场机遇、挑战、关注、应用和前景等7个方面对物联网进行了较为详细的介绍和阐述，进一步促进了物联网概念的发展.

2008年，第一届国际物联网大会在苏黎世召开[7]，会议从工业和学术界的理念设想、相关的尖端研究进展、经验丰富的从业者的用户体验和现有技术展示等4个方面总结介绍了物联网技术的现状、不足和前景.第二届国际物联网大会则于2010年在日本东京召开，会议共有来自27个国家的350多名专家和学者参与[8]，深入探讨了物联网发展的技术需求和商业挑战，也进一步推动了物联网技术的发展和应用.

此外，需要指出的是，目前美国已将物联网上升为国家创新战略的重点之一，而欧盟则制定了促进物联网发展的14点行动计划[9].日本和韩国也已分别于2004年和2006年提出了“U－Japan”和“U－Korea”战略计划[3]，可见各国对于物联网的发展均十分重视，国际竞争日趋激烈.

2.3 物联网在中国的发展

与此同时，近年来物联网在中国也获得了良好的发展机遇.我国中科院早在1999年就启动了传感网的相关研究，并取得了一定的成果[10]，成为物联网在中国发展和应用的开端.而从2006年开始，在政府的大力支持下，包括中国科学院、上海微系统和信息技术研究所、南京大学航空航天学院、西北工业大学等数家机构均已开始对物联网的技术及应用进行探索，并且成效显著[5].

2009年8月，温家宝总理首次提出“感知中国”的理念，随后物联网在中国蓬勃发展，被正式列为国家五大战略性新兴产业之一，并写入2010年政府工作报告[4].2012年2月14日，工业和信息化部发布了《物联网“十二五”发展规划》，为加快我国物联网的发展和应用，进一步培育和壮大新一代信息技术产业提供了宝贵的理论依据和政策支持.此外，第三届国际物联网大会也在2012年11月无锡召开[11]，相信会议的召开对于我国物联网相关技术的突破和相关产业的拓展也将产生一定的推动作用.

不仅如此，物联网在应用范围上，也呈现出良好的发展态势.目前，物联网已经被尝试应用于包括智能交通系统、灾害防治、危机处理、卫生保健、职业发展、资产管理、教育、大气监测、智能家居、航运服务等在内的诸多领域[12].在最近的几年来，物联网更是逐渐被应用于环境保护和环境监测领域[13，14]，取得了一定的成效.当然，必须指出的是，在雨洪管理，尤其是城市排水系统的管理和优化中，物联网的概念及其应用还几乎没有被涉及.

总体而言，由于我国在物联网领域起步较早，相应的研发水平和部分关键技术已经居世界前列，并且与德国、美国、日本等发达国家一起，成为国际标准制定的主要国家之一[15]，发展势头良好.

3 物联网在城市雨洪智能管理系统中的应用途径

结合物联网和雨洪管理的自身特征，以及目前中国的国情，对于物联网在城市雨洪智能管理中的应用，笔者认为主要有以下几个途径.

3.1 与气象信息结合，建立预警预报系统，增强防汛抗洪的实时控制能力

通过物联网与气象信息，尤其是卫星云图和天气预报的结合，实现对降雨时刻、雨量、强度和时长等信息的预判，进行城市防洪的预报预警，并与雨水管网及城市内河河网的动态信息结合，及时掌握各处雨水管道、雨水泵站、排洪口以及城市内河的运行和水位状况，并根据实际情况采取管道、泵站、排水沟渠预抽空等措施，有效降低洪涝灾害的潜在风险和危害.

3.2 在排水管网末端进行水量和水质的实时监控，削减雨天溢流污染

通过物联网与排水管网的智能动态结合，结合物联网数据采集端的及时反馈，对排水管网进行水量和水质监控，使管理者在降雨后的第一时间全面、准确地掌握排水管网水量负荷状况和点／面源排放情况.在此基础上，迅速做出相应决策，对污染严重的出流（尤其是初期雨水）进行有效截留，充分利用初期雨水调蓄池、高效溢流净化池等设施进行调蓄净化，减少合流制管道和雨水管道的雨天溢流污染，从而减轻对城市河网水系的污染.

3.3 与CCTV等技术结合，加强对排水管道的日常检修和维护

目前，排水管道的日常运行维护也逐渐成为一个值得关注的问题.由于许多城市的市政规划缺乏延续性，排水管道设计标准不一，取材不等，负责管理和维护的部门各不相同，重视力度也各有千秋，导致管道管理和维护的频率及强度千差万别，部分城市的排水管道亟待系统地检修和维护.与此同时，近年来管道闭路电视检测系统（CCTV）被广泛接受和应用于管道运行和维护状况的检测[16，17].在此基础上，将物联网技术与CCTV技术有效结合，可以实现对管道的日常化监控，变事后被动处理为事先主动监控预防，将极大提升我国雨污管网的信息化监管水平.

3.4 与水力学模型结合，进行城市内涝及洪水的风险评估

首先根据城市排水管网的设计和维护资料，建立系统的管网水力学模型，结合城市内河、内湖等受纳水体的水位变化以及城市多年降雨资料，对不同流域不同排水管网在不同降雨雨型、雨量、历时、强度、间隔、分布等条件下的水位水量变化进行模拟及优化分析，同时进行风险评估，确定不同降雨所存在的潜在风险及相应危害程度，从而制定不同危险等级的防洪抗灾应急预案，最终建立决策支持数据库，为城市雨洪的智能化管理和调度奠定基础.

4 物联网技术在雨洪智能管理中应用所存在的问题

虽然目前物联网概念逐渐升温，相关的新闻和报道也层出不穷，但是距离其在环保领域，尤其是雨洪智能管理中大规模的实施和应用，仍然存在着一系列的问题和障碍，主要表现在以下几个方面.

4.1 物联网技术成熟度不够

虽然从技术结构上来看，物联网的框架和层次已经相对比较清晰，然而目前其大多数应用仅停留在理论的高度或初步探索阶段，概念炒作多于实际应用，并缺少内涵挖掘.如何将物联网与城市雨洪智能管理有机结合，尤其是借助现有技术手段，将相对成熟的雨洪管网商业模拟软件与物联网技术平台有效链接，仍然值得探索.

4.2 相关硬件设备价格居高不下，影响大规模应用

物联网作为一个力求实现物与物、物与人、物与网络有效连接的综合智能网络，信息获取是首要的也是最基础的环节.然而作为信息获取主要途径的传感器，其价格居高不下，一个能测定多项基本水质指标的多功能传感器价格就高达数万甚至十余万元，其他的相关硬件设备也价格不菲，严重阻碍了物联网技术的广泛应用.

4.3 相关配套软件标准不一，难以有效整合

除了硬件方面的欠缺，在物联网的应用软件方面，也尚欠缺大量基本开发成熟的商业软件.而且物联网兴起时间尚短，国际上的通用标准还在制定和协商当中.虽然我国已于2010年6月成立了中国物联网标准联合工作组，但是何时标准能够最终出台并与国际接轨仍不容乐观，而标准颁布后各类相关软件的开发和不断完善则需要更多的时间和努力.

4.4 缺少复合型专业技术人员

2009年，南京邮电大学成立了全国高校首家物联网研究院；2010年，江南大学则将信息工程学院和通信与控制工程学院合并，成立了全国第一个“物联网工程学院”，并开设物联网工程、传感网技术等相关专业.然而，从全国范围来看，物联网的专业技术人员还很稀缺，而能够将物联网技术与排水工程、环境工程等专业领域有机结合的复合型人才更是凤毛麟角.

4.5 资金投入缺口较大，且一次性投入后，系统缺乏管理和维护，可持续性较弱

虽然目前物联网概念及相关产业在中国呈现出蓬勃发展的态势，国家也下大力度进行引导和推广，但是由于核心技术成熟度不足，应用的范围相对有限，在环保领域尚未出现大规模成功运用的典型案例.部分探索性应用仍缺乏足够资金支持，并且在一次性投入后缺乏后续的维护和优化，可持续性较差.

4.6 信息安全及用户隐私缺乏保障

由于物联网本身的特性，应用于城市雨洪管理中后，需要获取和传输大量的水质、水量等数据，这些数据与城市防汛抗洪的应急决策息息相关.如何保障信息传输过程的安全值得重视.另外，在监测不同企业排污状况和其他有关信息时，如何既能实现检测目的，又能保护企业和用户的隐私，防止信息被非法泄漏、破坏甚至篡改，都是值得考虑的问题.

5 关于物联网在雨洪智能管理中应用的可行性分析

对于物联网技术在雨洪智能管理中应用的可行性，笔者认为主要可以概括为以下2个层面.

（1）空间广阔，潜力巨大.物联网作为一个新兴的理念，目前在雨洪智能管理中应用较少，相关研究也鲜有报道，而这恰恰说明该领域目前存在较大的研究空白，非常值得进一步的深入研究.与此同时，随着国家对于环保领域，尤其是给排水行业的不断重视，提高给排水系统的智能化水平已经迫在眉睫，而物联网的应用无疑是一个很好的突破口.

（2）存在应用瓶颈，现状不容乐观.上文已经提到，由于技术、经济、安全等多方面因素的影响，目前物联网技术体系的成熟度不足，大规模的整体运作仍存在相当多的困难，这些困难需要在国家相关部门的引导下花大力气解决.因此，物联网在雨洪智能管理中应用的现状仍不容乐观.

6 关于促进物联网在雨洪智能管理中应用的相关建议

为了更好地促进物联网在我国城市雨洪智能管理中的应用，特提出以下几条建议，仅供参考.

（1）进一步加强政策支持，在《物联网“十二五”发展规划》的基础上，由环保部和其他政府主管部门研究和制定物联网在环保领域的应用实施导则，进行政策倾斜，并加大科研资金的支持力度，促进该行业进一步发展.

（2）加强相关理论和技术研究，首先在几个重点方面，如物联网与城市雨洪水的预警预报、与排水管网的实时监控的结合上取得突破，然后以点带面，逐步积累经验，推广运用，最终实现在环保领域内的面面开花.

（3）探索和开发环境领域内传感器数据融合（Multi－Sensor Data Fusion，MSDF）技术[18]，对于不同来源的海量传感器数据按照一定的规则进行综合分析和统筹运用，从而全面和准确的反映客观状况，为雨洪智能管理提供数据支持.

（4）加强硬件设备及相关软件研发和应用，对物联网关键技术和设备进行攻关，尤其是终端传感器的稳定性、灵敏性等，拓宽其对各类水质指标的检测范围及检测准度，并尽可能降低成本，以便大量应用.同时引导相关企业逐步开发可用的商业软件，并在实践中逐步完善.

（5）大力培养复合型技术人才.相应的人才不仅要掌握物联网的相关技术和知识，也要对雨洪智能管理和城市排水系统有充分的认知和经验，这样才能将二者有机结合，有效推动物联网在城市雨洪智能管理中的应用.

（6）引入商业机制，加强公众宣传与公众参与.在已有的政府大力引导和媒体有效宣传的基础上，探索在雨洪管理中引入商业运营机制的可行性，引导企业探索和开发基于物联网的雨洪智能管理和决策支持系统，同时引导公众参与，全面提升我国城市雨洪管理的信息化水平.

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