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摘要：为大幅提升城市井盖管理效率，本文提出了一种基于Nb-Lot和LoRa组网技术的城市井盖监测系统。该系统能实时追踪市政工程中井盖的使用状态，无论是有线还是无线网络环境下，工作人员都能便捷地查看井盖状态。首先，设计出了井盖智能化监测系统的整体框架。其次，对系统中的硬件和软件部分进行了选型设计，选用Analog Device芯片打造出了具备报警功能的智能管理井盖。同时，通过云平台建立了井盖远程智能管理模块，实现对井盖的远程监控和管理。为确保井盖远程智能管理系统的可靠性，在现场对管理井盖的信号质量和设备控制精度进行了严格的实测。研究结果显示：基于物联网技术的智能井盖监测系统运行稳定可靠。一旦井盖出现异常打开、翻转或移位等情况，监测系统能够迅速捕捉并准确发出报警信号，同时将相关数据实时上传至云平台进行展示。

关键词：井盖；智能化；NB-Lot技术；LoRa技术；监测系统

中图分类号：TN929 文献标识码：A

1、引言

随着城市化进程的快速推进，市政基础设施的建设得以迅速发展。电力、通信等市政部门大多都有自己部门管理的井盖。在实际应用过程中由于缺乏有效的监控和管理手段，导致时长发生井盖被偷的现象。这种犯罪行为不仅影响了相关设备的正常工作，造成了巨大的直接或间接经济损失，还给道路上的车辆和行人带来了极大的安全隐患。丢失井盖的井口容易使得车辆和行人跌入，导致车损人伤的事故发生。这些负面影响不仅损害了市政部门的形象和公信力，也对整个社会的安定、安全造成了负面影响。因此相关部门迫切需要一种防止井盖被盗的手段，通过该手段减少市政工程中井盖被盗现象的发生，保证市政基础设施的正常运转和社会稳定[1，2]。目前主要的解决手段是从管理制度角度出发，通过各地政府针对井盖管理先后出台了一些规定，以实现井盖管理的规范化、制度化。

除了常规的规章制度改革，还可以通过采用新型科技技术实现对市政工程中井盖的规范化管理。目前在国内有许多学者针对智能化井盖管理方面展开了相关的研究。李松松[3]设计了一套基于IOS系统的智慧井盖监管系统，实现对井盖事前预警、事中告警、事后指挥各个过程进行可视化的管理功能；孙钢灿[4]等设计了智能井盖锁云端监测管理系统，研究中采用了NB-IoT网络实现了对井盖盗窃等异常使用情况进行实时报警的功能；庞启明等[5]采用北斗定位系统对市政中井盖的安全进行监测，通过检测井盖周围水深对井盖使用情况风险进行预警；郭金鹏等人[6]利用窄带物联网（NB-IoT）技术实现了井盖数据的定期上传，通过该物联网完成井盖状态的监测；任小强[7]、李洪等[8]将NB-IoT技术应用于井盖状态信息的获取，并借助该系统对井盖使用情况进行了详细的分析；针对市政工程中井盖的安全规范化使用国外学者也开展了相关研究，Rasheed等[9]利用物联网（IoT）技术，成功实现了井盖监控系统的数据传输，以此建立了先进的井盖监控系统；Mattheuwsen等[10]设计了一种井盖定位系统，该系统通过采用移动测绘点云数据的方式提取并准确确定井盖的位置。

为了提高市政部门对井盖的管理效率，实时监测井盖的情况，本文提出了一种基于物联网技术的解决方案。该方案旨在实现井盖实时安全监测，一旦井盖出现异常打开、翻转或移位等情况，系统将立即向管理中心平台及手机APP发送报警信息。相较于传统的井盖管理模式，本系统可以实现对井盖的全天候实时监测，可以在出现故障时自动识别并排除，确保系统的稳定运行。此外，还可以随时随地查看井盖的状态。这样，管理人员可以随时查看井盖的状态，并在收到报警信息后及时赶往现场进行维护。

2、智慧井盖安全监控管理系统功能规划

为实现对井盖的智能化管理，需要构建一套行之有效的智慧井盖安全监控管理系统。为此需要对该安全监控系统进行功能规划，如图1所示。由图可知智慧井盖安全监控管理系统分别由智能井盖、中继器设备、无线集中器（基站）和控制中心（手持手机）组成。该系统通过采用可靠性高的电子设备实现对井盖状态实时监测，以此较少实际使用过程中出现的井盖破损、丢失以及规避由于井下水位过高导致的安全事故。

2.1智慧井盖设计

为了实现对破损井盖的预警，在井盖内部安装了破损检测线圈。一旦井盖破损，井盖内部的检测线圈就会断裂，此时井盖内部的电子装置就会接收到电子警报信号。监测人员能够从系统中获得破损井盖的信息，快速前往现场对损坏井盖进行维修。当井盖出现倾斜和振动时，在井盖内部安装Analog Device专用芯片，该芯片能够对井盖倾斜程度和振动幅度进行监测。当超过设定阈值时，系统就会收到相关报警信号。另外，在井盖下方安装了水位高度传感器。当井下水位超过规定值时，系统就会收到相关报警信号。通过上述设计，一旦井盖接收到报警信号后，相关的报警状态和报警编码会通过基站发送至控制中心，提醒相关系统和现场井盖巡查人员，从而实现对现场井盖的智能化监测与管理。

2.2信号传输和接收装置

为了确保智慧井盖系统能够稳定采集与传输信号，系统中集成了中继器设备。中继器在启动时，首先执行自我检测流程，确保所有部件均处于正常工作状态。一旦完成自检，中继器以特定的闪烁模式（每500毫秒熄灭，随后100毫秒亮起）向外报告运行正常。在正常工作模式下，中继器在休眠状态持续1秒后，会迅速唤醒并接收10毫秒的信号，这样既保证信号的实时性，又有效控制了能耗。当接收到来自井盖或无线集中器的指令时，中继器会立即响应并执行相应操作。无论是何种类型的命令，中继器都会在完成操作后，向发送方返回执行成功的信号，以确保命令的有效执行与闭环控制。在井盖组网配置过程中，一旦接收到配置命令，中继器会立即记录并识别对应井盖的编号。当组网配置成功完成后，中继器的状态LED将呈现另一种闪烁模式（每20秒熄灭，随后2.5毫秒亮起），以此作为组网成功的明确指示，便于系统管理员或维护人员快速识别与监控。

2.3组网方式

为使得工作人员手机端和PC端能够稳定地接收到井盖状态信号，系统设计过程中还需要使用到低功耗广域网（LPWAN）技术。其中LoRa是一种在免费非授权频段运行的低功耗广域网（LPWAN）技术，它需要独立建设网络，因此组建成本相对较低。由于其使用的是扩频技术，所以在传输距离和抗干扰性能方面表现较好，但是通讯速度较慢。NB-loT则是在国家授权频段内使用的LPWAN技术，可以利用LTE频谱和站点来降低部署成本。相比LoRa，它具有更远的通讯距离和更快的通讯速度，但是需要支付一定的费用。因此在网络信号好的地方，使用NB-loT技术传输数据，并与现有LTE基站通讯。在网络信号不好的地方，采用LoRa和NB-loT进行混合组网。在同一个终端共用LoRa和NB-loT模块，LoRa模块与上一级的LoRa模块进行数据交互，NB-loT模块将数据传到下一级信号好的NB-loT模块。这样可以保证数据在不同信号环境下都能得到有效传输。

3、软件系统功能设计与实现

3.1软件系统功能需求规划

针对智慧井盖安全管理系统软件设计方面提出以下功能需求，分别是：1）数据传输功能 通过GPRS连接无线中继器，实现数据和指令的传输；2）井盖状态编码功能 在地图上显示井盖的精确位置以及对应的编码，并且能实时更新井盖的通讯状态；3）井盖状态查询功能 通过命令符形式对井盖状态进行查询；4）自动配网功能 向无线集中器发送网络组网命令，收到命令后井盖前端系统将自动配置网络系统；5）井盖警报开关功能 通过特定的命令向特定井盖或所有井盖发送关闭或打开报警功能的指令；6）信号输送模式切换功能 控制中心与无线集中器间默认GPRS模式进行传输，当GPRS模式异常时，系统将自动切换到短信模式，一旦GPRS信号恢复正常，系统将自动恢复到原始的GPRS模式。

3.2软件系统功能具体实现

根据智慧井盖安全管理系统软件规划的功能，将其设计完成后可以软件可以实现以下六方面的具体应用，分别是：

1）对井盖进行资产管理

每个井盖内部都刻有一个唯一的ID号，这个ID号不仅仅是井盖的唯一标识，还包含了井盖的区域位置、产权单位、联系人、电话等信息。这些信息对于管理部门来说非常重要，它们可以通过这些信息进行数据采集和处理，更好地进行井盖管理。在进行数据采集和处理时，只需通过井盖ID就能快速地查找到该井盖相关信息，如区域位置、产权单位、联系人、电话等，大大提高了管理部门的工作效率。在井盖信息核对时，只需通过井盖ID就能快速地查找到该井盖的相关信息是否正确，如产权单位、联系人、电话等，从而有效地避免了信息不一致的情况发生，确保了井盖使用过程的顺利进行。

2）对井盖进行定位监控

如图2所示该软件可以实时监测井盖的位置信息和状态信息，并结合数字地图为管理者提供直观的展示。管理者可以对各辖区内所属的井盖防盗进行统一指挥调度，及时安排出警和维护。在实时监测方面，该软件支持实时定位和轨迹跟踪，可以随时了解井盖的移动轨迹和当前位置。对于故障井盖，该软件还支持实时报警和故障通知，能够迅速提醒管理者并及时处理故障。数字地图的使用使得软件具备了更加直观和高效的管理能力。管理者可以在地图上快速查看井盖分布情况、所属辖区信息以及其它相关信息。同时，基于数字地图的指挥调度功能使得管理者的决策更加准确、便捷，并能更好地把握整体情况。此外，该软件还支持多级权限管理和多种报警方式，能够满足不同用户的需求。

3）对井盖进行防盗监管

如图3所示，该系统根据预先设定的报警规则，可以对井盖的异常情况进行有效的防盗监管。为了实现这一功能，安装在井盖上的电子标签内置了倾斜和振动感应器。当井盖状态正常时，电子标签会处于休眠状态，不会对系统产生任何额外的负担。而一旦井盖出现异常开启情况，内置的倾斜和振动感应器就会立即感知到，并向智能设备发出报警信号。在系统接收到报警信号后，智能设备会迅速进行处理。首先，它会将报警信息发送到系统的控制中心，使得管理人员能够立即了解到了井盖的异常情况。然后，系统会根据预先设定的报警规则，自动通知相关的负责部门，以便他们能够迅速采取相应的措施。

4）实现报警联动

如图4所示，该系统在产生报警信息并向报警中心发送报警信号的同时，还会将报警信息实时发送到相关责任人和管理人员的手机等移动客户端。这种信息传递方式能够确保相关人员及时获取报警信息，以便他们能够迅速采取相应的措施。接收报警信息后，相关人员可以迅速反应并安排出警和维护工作。根据报警信息内容，相关人员可以判断出报警的严重程度、地点、时间等重要信息。这些信息对于快速定位井盖故障、及时派遣救援力量以及制定合理的维护计划至关重要。此外，将报警信息发送到管理人员的手机等移动客户端还可以帮助管理人员更好地掌握井盖的安全状况，让他们可以实时了解井盖的防盗情况，并根据报警信息做出相应的决策，有助于确保整个系统的安全性和稳定性。

5）提供鉴权设置功能

如图5所示，当工程人员需要对井盖和线路进行维护时，需要由控制中心经过判断其合法性后进行解防操作。这样可以确保维护工作安全性和合法性，并防止非法人员对井盖进行非法操作。在解防操作之前，控制中心需要通过身份验证等方式核实工程人员的身份和授权信息，以确保只有经过授权的工程人员才能进行维护工作。除了通过控制中心进行解防操作外，经授权的工程人员也可以使用手持终端设备或者监管中心进行匹配解防。这为工程人员提供了更多的解防方式，使得他们可以根据实际情况选择最适合的解防方式。同时，解防操作也可以实时与系统进行数据交互和信息共享，使得解防过程更加高效和准确。

6）进行数据统计分析

通过深度挖掘系统中的大量数据，从多个不同的角度、维度和需求出发，对各种数据进行重组、汇总和对比分析，可以挖掘出更有利于提升市政管理水平和效率的有价值数据。这些有价值的数据可以为市政管理部门提供更多的参考依据和支持，帮助他们更好地做出决策和规划。例如，通过分析数据，可以了解到井盖使用和损坏的频率、程度以及原因，进而制定出更加科学的维护计划和措施。同时，还可以了解到市政设施的布局、交通情况、居民需求等信息，为城市规划和建设提供更加全面的数据支持。

4、结论

本文采用了LoRa和NB-loT技术，实现了井盖在不同网络环境下的全方位监控。通过开发安全监控系统，管理人员可以通过控制中心或手机实时了解井盖的情况，从而降低了人为损坏井盖的行为，提高了井盖在受到损坏后的维修效率。此外，通过对收集的数据进行大数据分析，可以分析井盖破坏的原因，从而提前采取预防措施，减少隐患的发生。

参考文献

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基金项目：广东省普通高校特色创新项目（2020KTSCX286）

作者简介：何学科（1970-），男，湖南益阳人，广州铁路职业技术学院教授，硕士，研究方向为大型养路机械、无损检测、轨道交通养护维修。