道路井蓋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息化管理技術(shù)研究
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戴孫放
(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院上海200125)
摘要：因井蓋缺失而形成的“城市陷阱”已成為一種社會(huì)問(wèn)題，有必要建立有效的信息化管理體系，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路井蓋的狀態(tài)，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)解決問(wèn)題。針對(duì)道路井蓋可能出現(xiàn)的各類問(wèn)題，提出實(shí)時(shí)臨測(cè)的內(nèi)容和方法，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建井蓋信息化管理系統(tǒng)，并進(jìn)行了初步測(cè)試。
關(guān)鍵詞：檢查井；井蓋；井蓋監(jiān)測(cè)；信息化管理
中圖分類號(hào)：TU99文章編號(hào)：1004-4655( 2016) 03-0104-04
現(xiàn)代城市中，給排水、供電、通信、燃?xì)�、熱力等各類設(shè)施的管線密集交織，設(shè)置在道路上的檢查井或工作井更是星羅棋布。這些井的井蓋經(jīng)常會(huì)發(fā)生損壞、移位、缺失等現(xiàn)象，在道路上留下孔洞，形成嚴(yán)重的安全隱患。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多城市均發(fā)生因井蓋問(wèn)題而引起的人身傷害事故。
以上海為例，全市有超過(guò)19家單位的650萬(wàn)個(gè)檢查井，井蓋破損、缺失、位移等情況時(shí)有發(fā)生，由此引起的交通事故和人員傷亡事件時(shí)有發(fā)生。
井蓋是市政基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，因井蓋缺失而形成的“城市陷阱”已成為百姓關(guān)心、政府煩心、受害者揪心的社會(huì)問(wèn)題。有必要建立一個(gè)有效的信息化管理體系，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路井蓋的狀態(tài)，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)解決問(wèn)題。
1井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法
正常情況下，道路井蓋覆蓋在井座上，處于水平狀態(tài)，平服穩(wěn)定，無(wú)破損，頂部與路面平齊，車輛或行人壓過(guò)時(shí)無(wú)變形、無(wú)翻翹。
1.1基于井座和井蓋耦合的監(jiān)測(cè)方法
傳感器安裝在井座上，通過(guò)機(jī)械或磁感應(yīng)方式探測(cè)井蓋位置是否正常，工作原理簡(jiǎn)單，通過(guò)井座連接線纜。圖1為該方法的應(yīng)用實(shí)例。
機(jī)械式探測(cè)一般利用井蓋的重力推動(dòng)行程開關(guān)。井蓋缺失時(shí)，重力消失，行程開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警信息。由于機(jī)械式探測(cè)在惡劣環(huán)境下難以保障可靠性，目前多采用磁感應(yīng)方式。
圖2為上述實(shí)例中采用的干簧管傳感器，其工作原理：井蓋位置正常時(shí)，干簧管靠近磁鐵而閉合。井蓋缺失時(shí)磁場(chǎng)消失，干簧管分?jǐn)啵|發(fā)MCU向管理中心報(bào)警。
圖3是磁感應(yīng)方式在光纖傳感器上應(yīng)用的原理。井蓋移動(dòng)時(shí)，磁鐵位置移動(dòng)，懸臂應(yīng)力變化，光纖光柵反射的激光波長(zhǎng)隨之變化，波長(zhǎng)分析儀測(cè)出變化并發(fā)出報(bào)警信息。
基于井座和井蓋耦合的監(jiān)測(cè)方法能有效探測(cè)到井蓋的缺失，但對(duì)于井蓋翻翹、破損以及變形可能探測(cè)不到，功能上有一定的局限。另外，盡管傳感器設(shè)在井座有供電和通信方面的便利，但由于電纜敷設(shè)成本高，在實(shí)際應(yīng)用中仍會(huì)受到許多制約。例如上述基于光纖傳感器的井蓋監(jiān)測(cè)裝置，應(yīng)用于電力和通信設(shè)施有較大優(yōu)勢(shì)，但用于水務(wù)和其他管道設(shè)施面臨沿線敷設(shè)光纜的問(wèn)題。
1.2傾斜監(jiān)測(cè)方法
井蓋傾斜探測(cè)裝置固定在井蓋上。由于井蓋的變形或翻翹方向不可預(yù)測(cè)，所以井蓋的傾斜探測(cè)也應(yīng)該是無(wú)方向性的，本文采用圖4所示的滾珠式傾斜開關(guān)。
該開關(guān)裝置主要包括4個(gè)部件：圓環(huán)狀電極，圓盤狀電極，滾珠，安裝上述3個(gè)部件的充滿阻尼液體的外殼部件。該開關(guān)處于水平狀態(tài)時(shí)，滾珠依重力落在圓盤狀電極底部，兩電極之間分?jǐn)�。該開關(guān)在任意方向傾斜達(dá)到一定程度時(shí)，滾珠滾動(dòng)接觸圓環(huán)狀電極，使兩電極閉合，發(fā)出傾斜信號(hào)。
該裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單，可做成全封閉結(jié)構(gòu)以適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能在傾斜狀態(tài)下接通電路，不消耗電能，利于延長(zhǎng)電池使用壽命。
1.3光照度監(jiān)測(cè)方法
井蓋的缺失或嚴(yán)重破損導(dǎo)致白天有光線進(jìn)入井內(nèi)，利用光敏元件探測(cè)。如圖5所示，半導(dǎo)體光敏元件受到光照后導(dǎo)通，A點(diǎn)電位下降，觸發(fā)MCU啟動(dòng)與監(jiān)測(cè)管理中心的通信，報(bào)告井蓋狀態(tài)變化信息。
光敏元件封固在透明的膠裝物質(zhì)中，使其適合在惡劣的環(huán)境中。由于塵土和污垢的覆蓋會(huì)導(dǎo)致感光能力的下降，甚至完全失去功能。所以光照度監(jiān)測(cè)的方法不適用于污染嚴(yán)重并且不便于維護(hù)的環(huán)境中。
1.4其他監(jiān)測(cè)方法
道路井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容還可以包括加速度、震動(dòng)、位移、衛(wèi)星定位( GPS/BDS)等，以獲得更多的井蓋狀態(tài)信息。從城市安全和綜合信息采集出發(fā)，還可以附加溫度、水位、有毒有害氣體等監(jiān)測(cè)內(nèi)容。
增加信息采集內(nèi)容必然會(huì)增加裝置的成本和電能消耗，所以信息采集需綜合各方面需求和裝置的成本等進(jìn)行統(tǒng)籌。
2井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置構(gòu)成
井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置是由傳感器、微控制器、無(wú)線通信裝置、手動(dòng)檢查裝置、電源等部件組成（見圖6）。
其中微控制器( MCU)是監(jiān)測(cè)裝置的核心部件，負(fù)責(zé)實(shí)施邏輯控制和狀態(tài)編碼，控制通信裝置工作。
電源采用低自放電電池，使用壽命不低于3a。為延長(zhǎng)電池供電時(shí)間，需降低電力消耗。
按目前的芯片制造技術(shù)，低功耗微控制器( MCU)的工作電流可以做到微安(μA)級(jí)，時(shí)鐘關(guān)閉時(shí)的休眠功耗甚至小于1μA。
井蓋監(jiān)測(cè)裝置中能耗大戶是無(wú)線通信裝置，尤其在通信條件差的區(qū)域，必須有足夠的發(fā)射功率才能夠保持有效的通信連接。為減少耗電，可以使無(wú)線通信裝置處于停止工作狀態(tài)（切斷電源，接收部分也停止工作），需要時(shí)供給電源，啟動(dòng)通信。
無(wú)線通信裝置的能耗與通信方式有關(guān)。對(duì)于采用直接應(yīng)答的無(wú)線通信裝置，啟動(dòng)時(shí)間短，通信時(shí)間短，耗電相對(duì)較低；而GPRS/3G/4G等方式的無(wú)線通信裝置，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，通信時(shí)間長(zhǎng)，耗電相對(duì)較高。
道路井蓋監(jiān)測(cè)裝置可以每隔一段時(shí)間自動(dòng)檢測(cè)井蓋狀態(tài)，將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)監(jiān)測(cè)管理中心。
3井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的工作環(huán)境
井蓋監(jiān)測(cè)裝置做成標(biāo)準(zhǔn)模塊部件，能適應(yīng)不同井蓋的安裝。
對(duì)于鑄鐵井蓋，監(jiān)測(cè)裝置可以安裝在腹板內(nèi)側(cè)，使其不易遭受撞擊而損壞（見圖7）。
由于鑄鐵井蓋的屏蔽作用，某些情況下無(wú)線通信無(wú)法正常T作，需采用特殊天線和在井蓋上開窗等方式予以解決。
對(duì)于其他材質(zhì)的井蓋，可以在底部中間位置按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格預(yù)留監(jiān)測(cè)裝置的安裝孔洞。
井蓋監(jiān)測(cè)裝置需要適應(yīng)極端惡劣的工作條件，包括最高溫和最低溫、長(zhǎng)時(shí)間的日光暴曬和風(fēng)霜雨雪、積水浸泡、重壓、撞擊、震動(dòng)、泥漿和油污的浸潤(rùn)和包覆、窨井內(nèi)各種有害氣體的熏陶等，還要承受運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的碰撞和敲擊。井蓋監(jiān)測(cè)裝置組合封裝在1個(gè)密封盒中，防護(hù)等級(jí)為IP67，抗沖擊能力為30 g，工作環(huán)境溫度為-40~60℃，相對(duì)濕度為100%。
4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳送
為實(shí)現(xiàn)道路井蓋狀態(tài)的實(shí)施監(jiān)測(cè)，在井蓋和井蓋監(jiān)測(cè)管理中心之間需建立有效的數(shù)據(jù)通信。
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)有線和無(wú)線2種方式傳送。有線通信方式適用于傳感器安裝在井座，通過(guò)線纜將井蓋監(jiān)測(cè)裝置直接連接到監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)已成熟。
無(wú)線通信方式包括公共無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、WIFI網(wǎng)絡(luò)、短距離無(wú)線通信等技術(shù)。其中短距離無(wú)線通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)（通常為數(shù)十米）的圖像、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息傳輸，是目前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要采用的無(wú)線通信技術(shù)，也非常適用于構(gòu)建井蓋監(jiān)測(cè)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，尤其是基于路燈桿的綜合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
城市道路沿線均設(shè)有路燈，井蓋監(jiān)測(cè)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)若與路燈監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)合并，就能從路燈桿上獲得電源和通信組網(wǎng)資源，路燈桿和道路井蓋之間的距離滿足道路井蓋信息短距離傳輸?shù)囊�。所以利用路燈桿布設(shè)用于道路井蓋狀態(tài)信息傳輸?shù)亩叹嚯x無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的可實(shí)施性，也符合城市信息化設(shè)施的發(fā)展方向（見圖8）。
5井蓋信息化管理的要求與方法
5.1井蓋編碼
為實(shí)現(xiàn)井蓋信息化管理，首先對(duì)井蓋進(jìn)行編碼，使每只井蓋都對(duì)應(yīng)唯一的標(biāo)識(shí)碼，從標(biāo)識(shí)碼判定井蓋的類別。
根據(jù)城市網(wǎng)格化管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，道路井蓋屬于市政公共區(qū)域內(nèi)的管理部件，其標(biāo)識(shí)碼應(yīng)由16位數(shù)字組成，依次為：6位縣級(jí)及縣級(jí)以上行政區(qū)劃代碼、2位大類代碼、2位小類代碼、6位序列編號(hào)，遵從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 214-2007《城市市政綜合監(jiān)管信息系統(tǒng)、管理部件和事件分類、編碼及數(shù)據(jù)要求》的相關(guān)規(guī)定，便于數(shù)據(jù)共享。
5.2井蓋狀態(tài)信息的編碼
井蓋狀態(tài)信息采用可變長(zhǎng)度編碼結(jié)構(gòu)，需要包括8個(gè)字節(jié)（見圖9）。
其中6字節(jié)地址標(biāo)識(shí)為井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的MAC地址，井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置安裝后，該地址標(biāo)識(shí)與井蓋標(biāo)識(shí)綁定，實(shí)時(shí)采集井蓋狀態(tài)信息能夠映射到井蓋屬性信息中。狀態(tài)代碼1個(gè)字節(jié)，用以描述井蓋的狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，其各bit代表信息內(nèi)容和定義（見圖10）。附加字節(jié)數(shù)為井蓋狀態(tài)信息的擴(kuò)充留下空間，無(wú)附加信息時(shí)，該字節(jié)為0x00。
附加信息長(zhǎng)度可達(dá)255字節(jié)，用于描述井蓋或井蓋所在檢查井的其他信息，如坐標(biāo)位置、溫度、氣體濃度等，具體應(yīng)用時(shí)定義。
5.3井蓋信息化管理系統(tǒng)
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路檢查井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、區(qū)域控制器和井蓋監(jiān)測(cè)管理中心3個(gè)層次組成（見圖11）。其中區(qū)域控制器利用專用傳輸網(wǎng)絡(luò)與井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置組成區(qū)域控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與井蓋監(jiān)測(cè)管理中心的通信。井蓋監(jiān)測(cè)管理中心采用分布式分區(qū)管理方式，對(duì)所有道路井蓋進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。
井蓋監(jiān)測(cè)管理中心集成有井蓋信息系統(tǒng)、GIS信息系統(tǒng)、告警信息系統(tǒng)等監(jiān)管平臺(tái)，具有信息采集與管理、信息查詢、GIS展示、報(bào)警處置、井蓋權(quán)屬單位協(xié)調(diào)、監(jiān)測(cè)裝置布防與撤防、統(tǒng)計(jì)與報(bào)表等功能。
6結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)裝置的測(cè)試，表明井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置能夠穩(wěn)定工作，對(duì)設(shè)定的故障能夠及時(shí)報(bào)警，試驗(yàn)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)道路井蓋信息化管理的各項(xiàng)功能。井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品化工作正在進(jìn)行，有望進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。
