基于物联网的智慧窨井盖预警平台设计研究

摘 要：窨井盖作为社会运行过程中重要的基础设施，与居民的出行、生活，以及社会的正常运转密不可分，推动窨井盖市场向智慧化、系统化方向发展具有重大意义。文章通过对窨井盖行业市场现有问题及痛点进行分析，在新型基础设施建设大力发展的背景下，基于大数据、物联网、云平台等技术，推行窨井盖智慧化升级改造，强化城市运行安全保障。通过配套防盗装置、运用监控及报警技术、开发安全警示技术、构建物联网系统，探索智慧窨井盖监控与报警平台的搭建的可行性方案，为智慧窨井盖传感器部署与平台运营打下基础。

关键词：交通新基建；智慧窨井盖；物联网；大数据

中图分类号：TN929.5；TU990.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）17-0185-04

0 引 言

随着我国交通新基建的快速发展，以智慧公路、智慧航道、智慧港口等为代表的交通新基建，已经由试点示范逐步发展到全面布局、统筹推进的战略关口。新型基础设施是现代化基础设施体系的重要组成部分，是实施创新驱动发展战略、推动经济社会高质量发展的重要支撑。加快新型基础设施建设，是扩大有效投资、抢占数字经济新赛道的重要手段，是推进数字化转型、塑造未来发展新优势的关键抓手。

作为基础设施的一部分，窨井盖遍布城市的大街小巷，且功能广泛，与居民的出行、生活密不可分。然而，传统窨井盖尚未能以科技力量赋能城市管理。在我国交通新基建迅速发展和技术加速迭代的大背景下，研究如何推动智慧窨井盖的系统建设，如何进一步将新型技术同传统窨井盖相结合，对于助力我国新型基础设施建设具有重要意义[1-2]。

通过对近年来我国的新型基础设施建设行动方案进行研究，本文结合智慧窨井盖系统建设需求和国内外新型窨井盖发展现状，运用大数据、云计算、物联网等信息技术，聚焦智能窨井盖监测预警体系，提供智慧窨井盖一站式解决方案。

1 我国窨井盖市场分析

2020年国家信息中心发布了《我国新型智慧城市发展现状、形势与政策建议》，其中明确指出“加快推进基础设施的智能化，大力发展智慧管网、智慧水务，推动智慧灯杆、智慧井盖等应用，促进市政设施智慧化”。智慧井盖被视为现代城市建设的重点项目之一，契合不断加速的现代城市化进程，满足城市基础设施建设的需求，是国家基础设施建设的重要规划。

立足国家新基建的发展战略和民生，智慧窨井盖的发展引起广泛关注。近几年，全国范围内因井盖缺失导致伤人、损车的事件时有发生，其中不乏一些儿童、老人、孕妇“受害者”[3]。因此反映出我国窨井盖市场目前存在着的多方面痛点问题：传统窨井盖尚未安装保护装置，因此极易造成异常事故，对人身安全构成威胁；传统窨井盖缺乏应急预警机制，无法及时有效为周边行人传递危险信号；现如今该行业缺乏各类窨井盖权属关系和责任主体，无法有效提供问题清单，落实窨井盖更新改造问题、建立巡查维护和应急处置以及窨井盖责任保险制度；窨井盖种类有限，在地下管线施工时，无法科学合理选择合适的窨井盖，做到因地制宜。窨井盖作为现代城镇生活、新农村建设中基础设施之一，每个城镇乡村都有成千上万的窨井盖。它们承担着给水、排水、电力、通信、燃气等多重功能，可谓无处不在。但是近年来发生的关于窨井盖缺失、破损或管理维护不当导致的坠井事故不断发生，给人们的人身财产安全造成隐患。传统窨井盖已经无法适应时代的发展，所以智慧窨井盖必将取代传统窨井盖是大势所趋，因此未来对于智慧窨井盖的需求量会非常庞大。我国窨井盖市场的痛点问题亟待解决，因此我国智慧窨井盖的系统设计与发展任重而道远[4]。

随着物联网发展，智慧井盖出现并持续发展[5]。在井盖中内嵌入智能监控设备平台，可实时监测到井盖开合状态、井上路面积水、井下水位等情况，并进行动态分析，有效解决传统井盖痛点。基于传统井盖改造后的智慧窨井盖将实现以下功能：能够对井盖的状态进行实时的监控，当出现开启、位移、倾斜、丢失等异常状态时，可以及时通知警报；能够通过电磁锁等设备进行井盖管理，对井盖和管道资源进行保护；能够对井内情况进行实时监测，实时掌控井内气体成分、水质、水位、温度等多种因素，出现异常可以及时发出警报；搭载相关小型数字化设备，如搭载5G信号通信设备，从而解决5G信号空洞区域覆盖问题；完整成熟的智能井盖监测系统，实现对井盖的统一管理，解决传统管理方式带来的痛。

智慧窨井盖是一种集传感、通信、定位、监控等于一体的智能化装置。它的应用领域非常广泛，可以在城市化建设、交通管理、防洪排涝、环境治理、公共安全等多个领域得到应用[6]。在城市化建设方面，智慧井盖可以帮助城市管理部门实现对城市井盖的智能化管理，包括对井盖的实时监控、远程控制和智能维护等，从而提高城市基础设施的安全性、可靠性和智能化程度；在交通管理方面，智慧井盖可以通过实时监控井盖情况、及时报警和快速处理等方式，减少因井盖问题引发的交通事故，提高道路交通的安全性和通行效率；在防洪排涝方面，在暴雨天气和地下水位较高的情况下，智慧井盖可以通过实时监控井盖内部水位、流量等情况，及时报警和快速处理，减少水灾的发生，提高城市抗洪能力；在环保治理方面，智慧井盖可以通过实时监控管道情况，及时发现管道问题并进行处理，减少污水泄漏和浪费现象的发生，提高城市环保治理水平；在公共安全方面，智慧井盖可以通过实时监控井盖的情况，及时发现问题并进行处理，从而保障公众的人身安全和财产安全。

目前，全国城市井盖保有量达数亿套，全国每年新增和更换的井盖数量至少在1 500万套，平均每个城市的井盖数量高达数十万套，年新增及更换总量超2万套，可见智能井盖的市场广阔。2021年2月，住房和城乡建设部、工业和信息化部、公安部、交通运输部、国家新闻出版广电总局、能源局印发和发布《关于加强窨井盖安全管理的指导意见》，相信全国各个城市智能井盖的普及率将会进一步提升，智能井盖市场将迎来激增。

2 智慧窨井盖技术措施

智慧井盖融合了物联网、云计算、传感器等高科技技术的城市基础设施，可以对城市道路下的各种情况进行实时监测和管理。其主要功能是检测井盖的状态、防止井盖失窃、提供垃圾投放指导以及实现城市管理自动化等。

在理念上，智慧井盖呼应了“智慧城市”建设的趋势，致力于将城市基础设施数字化、智能化、网络化、信息化，以提高城市运行效率、优化城市管理、提升城市生活品质。同时，智慧井盖也注重充分利用现有资源，实现可持续发展，为未来城市发展留下空间。

2.1 配套防盗装置

将传统窨井盖与电磁开锁防盗装置相结合，目前团队针对该防盗装置技术已成功申请“一种窨井盖的防盗装置”专利（专利号：CN201620655193.9）同时申请的“智慧窨井盖外观设计”专利已受审。

电磁开锁防盗装置，即在电磁铁连接电瓶，电瓶的导线通过开关和电磁铁的线圈相连成一体，电磁铁上连接磁棒，磁棒将电磁铁所产生的磁性传导到磁棒的顶端，磁棒和套管在磁性的吸力作用下相连成一体，旋转电磁铁通过磁棒带动套管旋转一个角度，套管通过拉线使插销的销子抽出井圈的锁孔，从而打开锁紧的井盖。这种利用电磁开锁的方式，增加了非法开锁的成本和难度，有效地解决了窨井盖偷盗问题[7]。一种窨井盖防盗装置的侧视图如图1所示。

2.2 开发智能井盖监控及预警技术

监测预警平台基于龙芯2K1000AL建立智能井盖监控及警报系统，在井盖中嵌入龙芯2K1000AL，当井盖发生破损、移位时，芯片自动发出信号，上报管理单位，实现及时地维修处理。井盖下方装上有害气体的传感器和水位测量器、通信传感器、蜂鸣器以及定位器，当水位超过警戒线时，井盖会通过感应系统自动打开井盖额外小孔，以此避免水压过高导致井盖移位及井盖外部水积聚[8]；与此同时，井盖也能通过芯片上的电化学式传感器，实现智能勘测井盖下方有毒气体的含量。有毒气体与电解质内的工作电极发生氧化还原反应，电极平衡电位发生变化，变化的值与气体浓度成正比。当毒气浓度过高时，通过判断变化值，会由通信传感器向电脑传输毒气浓度过高信号，同时引起蜂鸣器报警，以提醒路人切勿靠近。龙芯芯片（2K1000AL）操作平面图如图2所示。

2.3 搭建智能井盖监控及警报系统

智慧井盖监测系统利用传感器、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）技术实现对井盖的追溯监管[9]。通过云平台、移动端、计算机网络以及数据通信技术等实现远程智能化管理。同时，收集和传输数据，将数据上传到云平台后就可以处理数据，再将处理后的结果反馈给设备端，设备端实现相应的动作，以达到智能化、自动化的目的，可以不受距离的限制，并在最短时间内处理，达到智慧的状态。

通过接收井盖终端传感器的各类信息数据，经NB-IOT基站利用射频网络传输至服务器对数据进一步分析与储存，之后将这些数据发送至预警平台，并进行异常数据报警，通过传输层向外发布。网络平台流程图如图3所示。

2.4 物联网搭建技术

搭建物联网时结合物联网技术和大数据技术，将RFID标签和智能锁与井盖结合，使每一个井盖都成为一个物联节点[10]。在井盖上应用RFID标签，可以给井盖进行编号，且RFID防盗系统内置稳定高效的读写器，输出功率大，灵敏度高，读写标签的识别速度快，最快可以高达400/s以上，能够立马扫描识别任何经过的可疑物体并快速触发报警系统，通知相关人员采取措施。此外，RFID标签外壳小巧，重量轻，不占体积，更方便应用，且内置安装防盗消磁器，可以抵抗外界的复杂影响。井盖智能锁的内置传感器包括角度传感器和力传感器。为传感器设定一个合适的（角度/受力）阈值，当井盖状态异常时，其自动报警并将报警信息发送至信息管理中心，发送位置信息。这个阈值的设定可以通过大数据计算而防cdDIqg4Fb47IC6B58BaZoMj/ZI9Fbf+IhfbkLbphdDI=止误触。对于采用云计算平台，还有提高效率、降低成本、数据安全、流动性、动态可扩展等的优点。物联网技术的应用框图如图4所示。

2.5 安全警示技术

智慧窨井盖的安全警示装置是利用无线传感技术，其中可以采用红外感应，对于井盖表面的破损或缺失情况以及井盖的整体水平平整度或倾角检测（反映井盖凸起或凹陷问题）进行感知获取信息，将信号传给控制器，控制器判断后通知处理器运行，处理器打开开关，井盖边缘（井圈）压缩隐藏的弹簧弹出形成大范围的弹簧墙，弹簧墙表面为极其亮眼的明黄色，可有效地吸引路人注意从而使其避开危险井盖。

3 预警平台搭建

预警平台主要实现井盖状态信息数据的接收、统计、分析与展示。

对各区域井盖进行编号，为传感器设定一个合适的（角度/受力）阈值，当井盖状态异常时，监测中心接收集中器发来的井盖状态信息其自动报警并将报警信息发送至信息管理中心。并将井盖的剩余电量与倾角值等存储至数据库以便实时查询井盖状态信息。监测系统平台与井盖信息查看页面如图5、图6所示。

窨井盖预警平台的测试分析与改进能够帮助更好地完成平台上线后的后期维护工作。通过对功能和性能的测试，可以确定合适的维护方案，以保证平台的长期稳定运行。此外，当平台出现故障时，必须确保在最短的时间内确定解决方案，以最小化停机时间，确保平台的正常运行。因此，测试工作后制定有效的维护策略对于保障窨井盖预警平台的可靠性和持续性至关重要。

4 结 论

智慧窨井盖的开发与应用可以有效减少政府管理成本，通过大数据连接每个智慧井盖，减少人工现场巡检；可以有效降低被盗风险、减少窨井盖异常造成的事故。

智慧窨井盖项目将助力行业高质量创新发展。现在我国窨井盖行业的主体仍然为老式金属混凝土井盖，智慧窨井盖产品的研发将为窨井盖行业提供新的参考，塑造新的产品标杆，会对老式窨井盖行业带来冲击，促进窨井盖行业的创新发展。智慧窨井盖预警平台的搭建将助力智慧窨井盖项目的铺设与发展，更好促进智慧窨井盖发挥效能。结合物联网技术和大数据技术，实时监测井盖状态，实现对窨井盖精细化管理，推动我国新型基础建设高质量发展。

参考文献：

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[9] 孙钢灿，张宁宁，赵传勇.智能井盖锁云端监测管理系统设计与实现 [J].计算机应用与软件，2022，39（2）：16-20+25.

[10] 陈斌，黄凯宁，林金玉，等.基于物联网的供水监管系统设计与应用 [J].现代信息科技，2023，7（19）：176-180.

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.036

收稿日期：2024-02-19

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（202310878037）

作者简介：王硕（2002—），女，回族，安徽淮南人，本科在读，研究方向：基础设施评估；桑子瑞（2005—），女，汉族，安徽亳州人，本科在读，研究方向：计算机科学与技术；于梦蝶（2003—），女，汉族，安徽淮南人，本科在读，研究方向：商法、民事诉讼法、刑事诉讼法；汪晓庆（2004—），女，汉族，安徽芜湖人，本科在读，研究方向：物联网工程。

Design and Research of Intelligent Manhole Cover Warning Platform Based on Internet of Things

WANG Shuo， SANG Zirui， YU Mengdie， WANG Xiaoqin

（Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China）

Abstract： Manhole covers， as an important part of urban infrastructure in the social operation process， is closely related to people's travel， life and normal social operations， and promoting the intelligent and systematic development of the manhole cover market carries great significance. By analyzing the existing problems and pain points of the manhole cover industry market， and in the context of the vigorous development of new infrastructure construction， based on technologies such as Big Data， Internet of Things， and cloud platform， this paper promotes the intelligent upgrading and transformation of manhole covers， and strengthens the security guarantee of urban operation. By supporting anti-theft devices， utilizing monitoring and alarm technology， developing security warning technology， and building an Internet of Things system， this paper explores the feasibility of building an intelligent manhole cover monitoring and alarm platform， laying a foundation for the deployment of intelligent manhole cover sensors and platform operation.

Keywords： new transport infrastructure; intelligent manhole cover; Internet of Things; Big Data