基于情境感知的雨污井盖智能服务系统设计

安珊 李启龙 汪海波

关键词：情境感知；雨污井盖；智能；服务系统设计

1 相关概念解析

1.1 情境感知

“情境”是可以用来描述实体情况的任何信息，包括时间、位置、系统、服务等。由于研究对象的不同，情境因素的分类也有所不同。因此在研究中，需要依据研究对象对情境因素进行划分。Schilit 从来源的角度将情境划分为计算情境、用户情境、物理情境[1]，随后Chen 与Kotz 在此基础上增加了时间情境[2]。陈媛嫄从人机交互系统的角度将情境划分为任务、用户以及环境情境。

情境感知可以理解为智能设备如有耳目，会察言观色，能够实时感知理解自身状态以及环境中的各种信息[3]，并依据这些信息，在适当的时机，以适当的方式予以用户反馈[4]，为用户提供优质服务。其服务流程主要包括收集、分析情境信息、预测并反馈用户需求三个阶段，并且这三个阶段又是不断循环往复的。

1）收集情境信息。情境感知是通过传感技术感知、采集被服务对象的情境信息[5]。在“用户—设备—环境”构成的交互系统中，用户作为服务主体、任务作为服务目标、环境作为设备完成任务的主要情境和重要载体，三者在整个交互系统中发挥着举足轻重的作用[6]。因此，情境大致可以分为用户情境、任务情境以及环境情境[7]。

2）分析情境信息。分析情境信息是将所收集到的情境信息进行模式识别、解释和评估[8]。在对情境信息进行分析时，需要依据关键情境特征，通过普适计算等算法框架从众多情境因素中提取出关键信息，予以优先考虑，以得出用户需求或下一步目标预期，寻找提供服务的机会点。其中关键情境特征的确定一般采用调研和理论演绎的方式[9]。

3）预测并反馈用户需求。用户操作的发生往往与时间、地点、事件有关，同时，还具有一定的逻辑性和顺序性，因此预测并反馈用户需求的系统动作的触发可以分为基于时间、地点、事件以及流程的触发。

1.2 服务系统设计

产品服务系统是从系统的角度出发，将有形的产品与以产品为核心的服务连接起来，从而创造新的价值。而服务系统设计则是对产品服务系统中所涉及到的产品、使用、流程、管理等进行系统性的设计[10]。好的服务系统设计的作用主要体现在两方面。其一，能够满足用户多元化的需求，为用户创造舒适便捷的工作和生活环境，提升用户体验；其二，拓展延伸了企业与用户之间的交互关系，优化工作系统的规划配置，为企业创造了更多的机会点和利益点，二者实现了用户与企业之间的双赢，达到价值共享。

2 雨污井蓋现存问题

雨污井盖是专门用于遮盖雨水和污水窨井的井盖，而雨污水窨井则具有防涝排污的功能特点。通过桌面调研和文献分析对雨污井盖的应用现状进行调查研究，总结出雨污井盖的存在问题。

1）排水量无法满足降水量。雨污井盖主要依靠井盖上的两个孔洞来排放路面积水，因此其能够排放的水量很有限。当遇到强降雨时，由于无法及时排放路面的大量积水，就会导致城市内涝。

2）破损异位、偷盗丢失导致安全事故。周而复始的车辆碾压和风雨侵蚀，很容易导致雨污井盖破损异位。同时，井盖偷盗案件的发生，使得暴露的井口成为安全隐患。

3）溢液、可燃气体等井下安全隐患。雨水窨井的作用是向地下补充并排放多余的雨水，而污水窨井则是用于城市排污的下水井，二者井下都有大量的雨污水，当管道堵塞时，井下的雨污水就会上溢，破坏城市环境。而井下长期密封，易产生沼气等易燃气体，威胁路面安全。

4）巡检难度大且效率低。作为城市地下综合管廊中的重要设施，雨污窨井数目庞大且分布广泛，目前主要依靠人工巡查得知窨井状况，使得投入的人力和时间成本都较高，而且经常因为检查不及时或不到位而造成监管疏漏，并引发安全事故[11]。

5）传感器和无线通信技术的应用。在发展智慧城市的时代背景下，城市井盖已经由遮盖井口的普通井盖转化为监测并传递窨井状态信息的智能井盖。智能井盖通过传感器感知井盖异位破损、井下环境异常等状况，并通过无线通信技术上报给管理人员，减轻巡查重担的同时有效防治窨井安全事故。但在实际应用过程中，由于智能设备自身怕水、耗电等局限性，导致智能井盖出现水浸损坏、信息误报、电量耗尽、信息中断等问题。

3 雨污井盖智能服务系统中的情境因素分析

为了解决上述雨污井盖现存问题，需要对井盖破损状态、排水情况、井下气体浓度等情境信息进行实时监测，并将发现的问题及时上报维管人员。文章将雨污井盖智能服务系统的情境因素分为用户情境、环境情境、任务情境三类，其中用户情境包括维管人员的基本个人信息、工作内容、人身安全状况等；对于雨污井盖来说，所涉及到的环境情境包括井上和井下两个方面，其中井上环境情境包括降雨量、路面积水量、井盖地理位置等，井下环境情境则包括温湿度、易燃气体浓度、液位高度等；任务情境主要是智能井盖自身及维管人员操作APP 执行任务的目标、状态及操作过程，包括井盖及智能设备自身状态、传感器和通信设备感知并传递信息、设备自适应状态调节的过程以及维管人员整理分析井盖状态信息和派发维护任务时的操作目标及过程。

4 基于情境感知的雨污井盖智能服务系统设计策略

4.1 借助传感技术实时监控雨污窨井所处情境状态

传统的窨井巡查工作主要是信息采集员来完成的，但由于城市中的窨井数量庞大且分布广泛，这种依靠人力的信息采集方式并不能及时、全面地发现窨井问题。同时，这种信息采集方式对人力物力的消耗也是巨大的。而情境感知技术通过传感器实时感知情境信息、自主提供服务的能力，可以有效弥补传统人力管理方式的缺陷，及时为用户提供窨井状态信息。

雨污窨井所面临的使用问题可以从以下三个方面进行监测分析。（1）井上状况监测。通过电子水尺度量路面积水高度，异动破损的雨污井盖通常会出现位移、倾角或压力上的变化，可以借助北斗定位、倾角传感器、压敏传感器对其进行监测。（2）排水受阻监测。雨污井盖堵塞状况可以通过水流量进行反映，因此可以利用水流量传感器对井盖进水量进行监测，并将得到的数据与降雨量进行对比，若不相符则说明井盖有堵塞情况。（3）井下状况监测。雨污窨井常出现气体外泄爆炸、污水外溢等情况，可以通过井下气体浓度、温度、湿度以及液位进行反映，因此可以借助气体传感器、温/ 湿度传感器、液位传感器进行监测。

4.2 构建互联互通的雨污井盖智能通信系统

智能井盖将感知到的窨井状态信息发送至数据中心，经过整理分析后，数据中心再将各类窨井信息与维护任务分别共享给各个窨井权属单位，权属单位再派遣维护人员前去维修。当维修任务完成后，还需要将维修结果逐级上报，直至数据中心审核结案。整个过程中涉及到多次的信息传递和反馈。

由于雨污井盖数量众多且分布广泛，为保证异常信息和工作任务能够及时便捷地在数据中心、权属单位以及维护人员之间传递，就需要构建一个统一的互联互通的雨污井盖智能通信系统。可以通过无线通信模块将各个井盖上的传感器串联起来，构成雨污井盖无线传感器网络，将各个区域的雨污井盖状态信息发送至数据中心，数据中心管理人员通过PC 端系统将井盖状态信息和维护任务派发给下级雨污井盖权属单位及维护人员。另外，当维修任务完成后，维护人员还需要将维修结果逐级上报，直至数据中心审核结案。

4.3 井盖结构再设计以实现自适应状态调整功能

传统井盖主要通过井盖上窄小的孔洞来进行排水，当出现路面大量积水时，就只能通过人工打开井盖的方式来增大排水量。而出现强降雨时，就会由于排水不及时而导致城市内涝。为了能够及时排放路面积水，就需要对排水井盖进行再设计，通过可调节的排水结构使井盖能够依据降雨量来增大排水量。另外，当井盖破损或异位丢失时，易因井口暴露而导致行人或车辆坠落，为防治此类安全事故的发生，为智能井盖添加可以自动设置的防护栏和醒目的灯光警示部件。

4.4 提高雨污井盖智能服务的准确性和可靠性

目前，已有的智能井盖在实际运用过程中存在信息误报、智能设备故障等问题，这些问题降低了智能井盖的准确性和可靠性，也为维管人员的工作带来了麻烦。其中，信息误报主要是由于车辆辗轧井盖产生震动而导致的误判，可以通过轨迹分析算法对智能井盖的位移和倾角轨迹进行分析，当位移与倾角在正常范围内时，则为安全状态。同时，还可以为井盖与井座增加更加稳固的连接结构，减少井盖自身的震动，以保证智能设备对井盖状态的准确判断。智能设备故障主要包括电量耗尽、信息中断、水浸损坏等问题，为及时发现设备故障，需要对智能井盖进行定时“心跳”唤醒，上报电池电量，并分析正常工作条件下电池还能持续供电的时间。还可以为人行道上的智能井盖安装太阳能充电板，以保证电量供应。同时，通过无线电监测设备对信号发射参数和频段的稳定性等信息进行监测，发现异常后及时告知维管人员。另外，通过电子水尺实时监测井下液面高度，并加强井下智能设备的密封性，用以减少水浸损坏。

5 基于情境感知的雨污井盖智能服务系统设计实践

服务系统的服务对象包括数据中心和下级井盖权属单位管理人员、维护人员。服务系统意在借助情境感知、无线通信等智能技术与设备，构建服务于雨污窨井管理人员、维护人员的雨污窨井管理平台和问题解决方案。服务系统借助各种传感器、通信设备来采集和传递情境信息，帮助维管人员及时发现和解决窨井问题，提供雨污窨井问题信息采集、自主改善井盖自身及其所处情境状况、协助维护人员维修作业等服务，以使城市窨井问题能够得到及时的解决，并使维管人员的工作过程更加轻松快捷。具体服务系统内容如图1 所示。

5.1 定制模块设计

定制模块设计主要包括改变内井盖形态、增加一个带有四个阻水塞的环形圆盘两个方面。其一，内井盖的改变包括在外圈与内圈的上下左右各增加一个条状孔洞，同时为了形式上的统一，将传统雨污井盖上的点状纹理更改为环形水纹；其二，增加的带有阻水塞的环形圆盘由轴承等结构与内井盖进行连接，并由感知路面水深的电子水尺控制旋转，水流量越大，错开的缝隙也就越大，而当水流量减少后，错开的缝隙也会随之减小，以达到依据路面积水量调控排水量的目的。如图2 所示。

5.2 智能雨污井盖设计

智能雨污井盖产品的设计主要从机动车道和非机动车区域两个方面进行实现。

机动车道智能雨污井盖是用于机动车道等对井盖承重能力要求较高的使用环境，为保证其稳固性，机动车道使用的智能井盖只包括井盖下的传感器、可调节排水结构以及井盖，如图3 所示。

非机动车区域的智能雨污井盖主要用于人行道与非机动车道。其中灯管由红外线传感器依据光照和是否有行人经过而控制开关。可调节排水结构则需要依據井盖功能进行选择性设置，若为雨污井盖则需要设置，而燃气、通信、供电等未涉及到排水功能的井盖则不需要。另外，由于示例井盖为雨污井盖，为了体现雨污窨井的功能类型类型，在井盖上增设了体现井盖功能的浪花纹理，如图4所示。

5.3 智能雨污井盖APP 界面设计

软件产品是对硬件产品的功能拓展，并为智能雨污井盖与维管人员进行交互提供辅助性服务。智能井盖APP 界面设计内容主要依据维管人员的工作内容而设定，其中管理人员的工作内容主要包括报警案件受理、维护任务派遣、设备数据统计分析以及系统管理等，维护人员的工作内容主要包括接收并执行维护任务管理、告警设备信息管理、数据统计等。因此，智能井盖APP 主要包括报警任务信息、数据统计分析、设备管理以及我四个模块。

6 结语

文章基于传统雨污井盖现存问题及情境感知，从智能雨污井盖的用户、环境及任务情境特征出发，提出雨污井盖智能服务系统设计策略。基于情境感知的雨污井盖智能服务系统设计，可以有效提升维管人员对雨污井盖的监管能力，减少雨污井盖破损丢失、排水困难、气体外泄等事故的发生，赋予传统雨污井盖依据降雨量调控排水量的能力。另外，雨污井盖智能服务系统自适应状态调节、分析传递信息的能力有效提高了市政维管人员的工作效率，同时也为城市居民创造了更加安全舒适的生活环境。