摘 要：窨井蓋作為社會運行過程中重要的基礎設施，與居民的出行、生活，以及社會的正常運轉密不可分，推動窨井蓋市場向智慧化、系統化方向發展具有重大意義。文章通過對窨井蓋行業市場現有問題及痛點進行分析，在新型基礎設施建設大力發展的背景下，基于大數據、物聯網、云平臺等技術，推行窨井蓋智慧化升級改造，強化城市運行安全保障。通過配套防盜裝置、運用監控及報警技術、開發安全警示技術、構建物聯網系統，探索智慧窨井蓋監控與報警平臺的搭建的可行性方案，為智慧窨井蓋傳感器部署與平臺運營打下基礎。

關鍵詞：交通新基建；智慧窨井蓋；物聯網；大數據

中圖分類號：TN929.5；TU990.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）17-0185-04

0 引 言

隨著我國交通新基建的快速發展，以智慧公路、智慧航道、智慧港口等為代表的交通新基建，已經由試點示范逐步發展到全面布局、統籌推進的戰略關口。新型基礎設施是現代化基礎設施體系的重要組成部分，是實施創新驅動發展戰略、推動經濟社會高質量發展的重要支撐。加快新型基礎設施建設，是擴大有效投資、搶占數字經濟新賽道的重要手段，是推進數字化轉型、塑造未來發展新優勢的關鍵抓手。

作為基礎設施的一部分，窨井蓋遍布城市的大街小巷，且功能廣泛，與居民的出行、生活密不可分。然而，傳統窨井蓋尚未能以科技力量賦能城市管理。在我國交通新基建迅速發展和技術加速迭代的大背景下，研究如何推動智慧窨井蓋的系統建設，如何進一步將新型技術同傳統窨井蓋相結合，對于助力我國新型基礎設施建設具有重要意義[1-2]。

通過對近年來我國的新型基礎設施建設行動方案進行研究，本文結合智慧窨井蓋系統建設需求和國內外新型窨井蓋發展現狀，運用大數據、云計算、物聯網等信息技術，聚焦智能窨井蓋監測預警體系，提供智慧窨井蓋一站式解決方案。

1 我國窨井蓋市場分析

2020年國家信息中心發布了《我國新型智慧城市發展現狀、形勢與政策建議》，其中明確指出“加快推進基礎設施的智能化，大力發展智慧管網、智慧水務，推動智慧燈桿、智慧井蓋等應用，促進市政設施智慧化”。智慧井蓋被視為現代城市建設的重點項目之一，契合不斷加速的現代城市化進程，滿足城市基礎設施建設的需求，是國家基礎設施建設的重要規劃。

立足國家新基建的發展戰略和民生，智慧窨井蓋的發展引起廣泛關注。近幾年，全國范圍內因井蓋缺失導致傷人、損車的事件時有發生，其中不乏一些兒童、老人、孕婦“受害者”[3]。因此反映出我國窨井蓋市場目前存在著的多方面痛點問題：傳統窨井蓋尚未安裝保護裝置，因此極易造成異常事故，對人身安全構成威脅；傳統窨井蓋缺乏應急預警機制，無法及時有效為周邊行人傳遞危險信號；現如今該行業缺乏各類窨井蓋權屬關系和責任主體，無法有效提供問題清單，落實窨井蓋更新改造問題、建立巡查維護和應急處置以及窨井蓋責任保險制度；窨井蓋種類有限，在地下管線施工時，無法科學合理選擇合適的窨井蓋，做到因地制宜。窨井蓋作為現代城鎮生活、新農村建設中基礎設施之一，每個城鎮鄉村都有成千上萬的窨井蓋。它們承擔著給水、排水、電力、通信、燃氣等多重功能，可謂無處不在。但是近年來發生的關于窨井蓋缺失、破損或管理維護不當導致的墜井事故不斷發生，給人們的人身財產安全造成隱患。傳統窨井蓋已經無法適應時代的發展，所以智慧窨井蓋必將取代傳統窨井蓋是大勢所趨，因此未來對于智慧窨井蓋的需求量會非常龐大。我國窨井蓋市場的痛點問題亟待解決，因此我國智慧窨井蓋的系統設計與發展任重而道遠[4]。

隨著物聯網發展，智慧井蓋出現并持續發展[5]。在井蓋中內嵌入智能監控設備平臺，可實時監測到井蓋開合狀態、井上路面積水、井下水位等情況，并進行動態分析，有效解決傳統井蓋痛點。基于傳統井蓋改造后的智慧窨井蓋將實現以下功能：能夠對井蓋的狀態進行實時的監控，當出現開啟、位移、傾斜、丟失等異常狀態時，可以及時通知警報；能夠通過電磁鎖等設備進行井蓋管理，對井蓋和管道資源進行保護；能夠對井內情況進行實時監測，實時掌控井內氣體成分、水質、水位、溫度等多種因素，出現異常可以及時發出警報；搭載相關小型數字化設備，如搭載5G信號通信設備，從而解決5G信號空洞區域覆蓋問題；完整成熟的智能井蓋監測系統，實現對井蓋的統一管理，解決傳統管理方式帶來的痛。

智慧窨井蓋是一種集傳感、通信、定位、監控等于一體的智能化裝置。它的應用領域非常廣泛，可以在城市化建設、交通管理、防洪排澇、環境治理、公共安全等多個領域得到應用[6]。在城市化建設方面，智慧井蓋可以幫助城市管理部門實現對城市井蓋的智能化管理，包括對井蓋的實時監控、遠程控制和智能維護等，從而提高城市基礎設施的安全性、可靠性和智能化程度；在交通管理方面，智慧井蓋可以通過實時監控井蓋情況、及時報警和快速處理等方式，減少因井蓋問題引發的交通事故，提高道路交通的安全性和通行效率；在防洪排澇方面，在暴雨天氣和地下水位較高的情況下，智慧井蓋可以通過實時監控井蓋內部水位、流量等情況，及時報警和快速處理，減少水災的發生，提高城市抗洪能力；在環保治理方面，智慧井蓋可以通過實時監控管道情況，及時發現管道問題并進行處理，減少污水泄漏和浪費現象的發生，提高城市環保治理水平；在公共安全方面，智慧井蓋可以通過實時監控井蓋的情況，及時發現問題并進行處理，從而保障公眾的人身安全和財產安全。

目前，全國城市井蓋保有量達數億套，全國每年新增和更換的井蓋數量至少在1 500萬套，平均每個城市的井蓋數量高達數十萬套，年新增及更換總量超2萬套，可見智能井蓋的市場廣闊。2021年2月，住房和城鄉建設部、工業和信息化部、公安部、交通運輸部、國家新聞出版廣電總局、能源局印發和發布《關于加強窨井蓋安全管理的指導意見》，相信全國各個城市智能井蓋的普及率將會進一步提升，智能井蓋市場將迎來激增。

2 智慧窨井蓋技術措施

智慧井蓋融合了物聯網、云計算、傳感器等高科技技術的城市基礎設施，可以對城市道路下的各種情況進行實時監測和管理。其主要功能是檢測井蓋的狀態、防止井蓋失竊、提供垃圾投放指導以及實現城市管理自動化等。

在理念上，智慧井蓋呼應了“智慧城市”建設的趨勢，致力于將城市基礎設施數字化、智能化、網絡化、信息化，以提高城市運行效率、優化城市管理、提升城市生活品質。同時，智慧井蓋也注重充分利用現有資源，實現可持續發展，為未來城市發展留下空間。

2.1 配套防盜裝置

將傳統窨井蓋與電磁開鎖防盜裝置相結合，目前團隊針對該防盜裝置技術已成功申請“一種窨井蓋的防盜裝置”專利（專利號：CN201620655193.9）同時申請的“智慧窨井蓋外觀設計”專利已受審。

電磁開鎖防盜裝置，即在電磁鐵連接電瓶，電瓶的導線通過開關和電磁鐵的線圈相連成一體，電磁鐵上連接磁棒，磁棒將電磁鐵所產生的磁性傳導到磁棒的頂端，磁棒和套管在磁性的吸力作用下相連成一體，旋轉電磁鐵通過磁棒帶動套管旋轉一個角度，套管通過拉線使插銷的銷子抽出井圈的鎖孔，從而打開鎖緊的井蓋。這種利用電磁開鎖的方式，增加了非法開鎖的成本和難度，有效地解決了窨井蓋偷盜問題[7]。一種窨井蓋防盜裝置的側視圖如圖1所示。

2.2 開發智能井蓋監控及預警技術

監測預警平臺基于龍芯2K1000AL建立智能井蓋監控及警報系統，在井蓋中嵌入龍芯2K1000AL，當井蓋發生破損、移位時，芯片自動發出信號，上報管理單位，實現及時地維修處理。井蓋下方裝上有害氣體的傳感器和水位測量器、通信傳感器、蜂鳴器以及定位器，當水位超過警戒線時，井蓋會通過感應系統自動打開井蓋額外小孔，以此避免水壓過高導致井蓋移位及井蓋外部水積聚[8]；與此同時，井蓋也能通過芯片上的電化學式傳感器，實現智能勘測井蓋下方有毒氣體的含量。有毒氣體與電解質內的工作電極發生氧化還原反應，電極平衡電位發生變化，變化的值與氣體濃度成正比。當毒氣濃度過高時，通過判斷變化值，會由通信傳感器向電腦傳輸毒氣濃度過高信號，同時引起蜂鳴器報警，以提醒路人切勿靠近。龍芯芯片（2K1000AL）操作平面圖如圖2所示。

2.3 搭建智能井蓋監控及警報系統

智慧井蓋監測系統利用傳感器、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）技術實現對井蓋的追溯監管[9]。通過云平臺、移動端、計算機網絡以及數據通信技術等實現遠程智能化管理。同時，收集和傳輸數據，將數據上傳到云平臺后就可以處理數據，再將處理后的結果反饋給設備端，設備端實現相應的動作，以達到智能化、自動化的目的，可以不受距離的限制，并在最短時間內處理，達到智慧的狀態。

通過接收井蓋終端傳感器的各類信息數據，經NB-IOT基站利用射頻網絡傳輸至服務器對數據進一步分析與儲存，之后將這些數據發送至預警平臺，并進行異常數據報警，通過傳輸層向外發布。網絡平臺流程圖如圖3所示。

2.4 物聯網搭建技術

搭建物聯網時結合物聯網技術和大數據技術，將RFID標簽和智能鎖與井蓋結合，使每一個井蓋都成為一個物聯節點[10]。在井蓋上應用RFID標簽，可以給井蓋進行編號，且RFID防盜系統內置穩定高效的讀寫器，輸出功率大，靈敏度高，讀寫標簽的識別速度快，最快可以高達400/s以上，能夠立馬掃描識別任何經過的可疑物體并快速觸發報警系統，通知相關人員采取措施。此外，RFID標簽外殼小巧，重量輕，不占體積，更方便應用，且內置安裝防盜消磁器，可以抵抗外界的復雜影響。井蓋智能鎖的內置傳感器包括角度傳感器和力傳感器。為傳感器設定一個合適的（角度/受力）閾值，當井蓋狀態異常時，其自動報警并將報警信息發送至信息管理中心，發送位置信息。這個閾值的設定可以通過大數據計算而防cdDIqg4Fb47IC6B58BaZoMj/ZI9Fbf+IhfbkLbphdDI=止誤觸。對于采用云計算平臺，還有提高效率、降低成本、數據安全、流動性、動態可擴展等的優點。物聯網技術的應用框圖如圖4所示。

2.5 安全警示技術

智慧窨井蓋的安全警示裝置是利用無線傳感技術，其中可以采用紅外感應，對于井蓋表面的破損或缺失情況以及井蓋的整體水平平整度或傾角檢測（反映井蓋凸起或凹陷問題）進行感知獲取信息，將信號傳給控制器，控制器判斷后通知處理器運行，處理器打開開關，井蓋邊緣（井圈）壓縮隱藏的彈簧彈出形成大范圍的彈簧墻，彈簧墻表面為極其亮眼的明黃色，可有效地吸引路人注意從而使其避開危險井蓋。

3 預警平臺搭建

預警平臺主要實現井蓋狀態信息數據的接收、統計、分析與展示。

對各區域井蓋進行編號，為傳感器設定一個合適的（角度/受力）閾值，當井蓋狀態異常時，監測中心接收集中器發來的井蓋狀態信息其自動報警并將報警信息發送至信息管理中心。并將井蓋的剩余電量與傾角值等存儲至數據庫以便實時查詢井蓋狀態信息。監測系統平臺與井蓋信息查看頁面如圖5、圖6所示。

窨井蓋預警平臺的測試分析與改進能夠幫助更好地完成平臺上線后的后期維護工作。通過對功能和性能的測試，可以確定合適的維護方案，以保證平臺的長期穩定運行。此外，當平臺出現故障時，必須確保在最短的時間內確定解決方案，以最小化停機時間，確保平臺的正常運行。因此，測試工作后制定有效的維護策略對于保障窨井蓋預警平臺的可靠性和持續性至關重要。

4 結 論

智慧窨井蓋的開發與應用可以有效減少政府管理成本，通過大數據連接每個智慧井蓋，減少人工現場巡檢；可以有效降低被盜風險、減少窨井蓋異常造成的事故。

智慧窨井蓋項目將助力行業高質量創新發展。現在我國窨井蓋行業的主體仍然為老式金屬混凝土井蓋，智慧窨井蓋產品的研發將為窨井蓋行業提供新的參考，塑造新的產品標桿，會對老式窨井蓋行業帶來沖擊，促進窨井蓋行業的創新發展。智慧窨井蓋預警平臺的搭建將助力智慧窨井蓋項目的鋪設與發展，更好促進智慧窨井蓋發揮效能。結合物聯網技術和大數據技術，實時監測井蓋狀態，實現對窨井蓋精細化管理，推動我國新型基礎建設高質量發展。

參考文獻：

[1] 張敬琳，吳婭.智能消火栓和智能給水井蓋的建設 [J].中國建設信息化，2021（15）：28-31.

[2] 華德亞，黃俊松.新型基礎設施建設對營商環境的影響——來自國家智慧城市建設的證據 [J].吉林工商學院學報，2024，40（1）：20-28.

[3] 趙全滿，任瑞波，劉瑤，等.城市道路檢查井井周路面破壞機理 [J].重慶交通大學學報：自然科學版，2021，40（5）：87-94.

[4] 劉曉青，何睿.城市信息新基建規劃：雄安實踐與探索 [J].城市規劃學刊，2022（5）：112-118.

[5] 葛金鑫，楊慧中，崔寶同.基于物聯網的窨井數據采集系統設計 [J].傳感技術學報，2020，33（4）：601-607.

[6] 劉曉洋，許丹敏.城市井蓋設施管理的碎片化及其治理——以廣州市為例 [J].城市問題，2019（12）：79-86.

[7] 陳崇炯.壓力容器快開門安全鎖緊裝置的設計 [J].工程設計學報，2012，19（1）：67-70+80.

[8] 郭金鵬，劉彥輝，王敏，等.智能井蓋在供水管網中的建設與應用 [J].給水排水，2021，57（S2）：484-487.

[9] 孫鋼燦，張寧寧，趙傳勇.智能井蓋鎖云端監測管理系統設計與實現 [J].計算機應用與軟件，2022，39（2）：16-20+25.

[10] 陳斌，黃凱寧，林金玉，等.基于物聯網的供水監管系統設計與應用 [J].現代信息科技，2023，7（19）：176-180.

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.036

收稿日期：2024-02-19

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202310878037）

作者簡介：王碩（2002—），女，回族，安徽淮南人，本科在讀，研究方向：基礎設施評估；桑子瑞（2005—），女，漢族，安徽亳州人，本科在讀，研究方向：計算機科學與技術；于夢蝶（2003—），女，漢族，安徽淮南人，本科在讀，研究方向：商法、民事訴訟法、刑事訴訟法；汪曉慶（2004—），女，漢族，安徽蕪湖人，本科在讀，研究方向：物聯網工程。

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