漢京超,王紅武,高學(xué)瓏,劉 燕
(1.復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系,上海200433;2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海200092;3.福州市規(guī)劃設(shè)計研究院,福州350003)
近年來,我國許多城市和地區(qū)先后遭受特大暴雨襲擊,造成部分城市嚴(yán)重雍水和內(nèi)澇,極大危害了廣大人民群眾的人身和財產(chǎn)安全.為此,進(jìn)一步加強(qiáng)城市雨洪管理,尤其是排水系統(tǒng)的綜合調(diào)度和統(tǒng)籌管理已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的共識.城市雨洪管理的相關(guān)措施基本可以分為工程性(建筑性)和管理性(非建筑性)兩大類[1].兩類措施并非格格不入、彼此排斥,而是相輔相成、互為補充,甚至很多時候,管理性措施比工程性措施性價比更高,效果也更加理想[2].
與此同時,近年來,物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IOT)的概念逐漸興起,并在很多領(lǐng)域內(nèi)掀起探索和應(yīng)用的熱潮.在國家大力推進(jìn)和加強(qiáng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)信息化建設(shè)的大背景下,如果能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)與城市雨洪管理進(jìn)行智能動態(tài)結(jié)合,實現(xiàn)對城市排水管網(wǎng)的預(yù)警預(yù)報、跟蹤監(jiān)測、實時調(diào)控和系統(tǒng)優(yōu)化等諸多需求,將不僅為管理者及時準(zhǔn)確地提供決策依據(jù),更將極大地提升我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)的信息化水平,具有重要的理論和實際意義.
1999年和2005年,國際灌溉和排水協(xié)會分別頒布了《洪水管理的管理性(非建筑性)措施指南》和《洪水管理的工程性(建筑性)措施指南》[1],對于城市雨洪管理的理論和實踐具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義.根據(jù)上述指南,城市雨洪管理(控制利用)的管理性措施主要是指改變生命和財產(chǎn)對洪水的應(yīng)對方式,力圖通過不建設(shè)洪水引導(dǎo)建筑物的方式減輕乃至避免洪水的負(fù)面影響.一般包括:集水區(qū)管理、洪泛區(qū)土地的規(guī)劃和發(fā)展控制、洪水模擬和驗算、洪水預(yù)測預(yù)警、洪水應(yīng)急反應(yīng)預(yù)案、人口疏散、洪水對抗、洪水保險和災(zāi)后恢復(fù)等[1,2].
在此基礎(chǔ)上,筆者又將上述管理性措施分為2類:一類為智能管理措施(Intelligent Management Approaches),一類為常規(guī)管理措施(Conventional Management Approaches).智能管理措施主要指基于計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子技術(shù)建立起來的,以預(yù)警預(yù)報、模型模擬、系統(tǒng)優(yōu)化和實時監(jiān)控為主要手段的雨洪管理性措施;而常規(guī)管理措施則是除智能管理措施之外的不依賴于上述現(xiàn)代高端信息技術(shù)的管理性措施.
根據(jù)近年來國內(nèi)外專家學(xué)者在城市雨洪管理方面,尤其是其中非工程措施方面的研究進(jìn)展,筆者認(rèn)為,城市雨洪智能管理措施主要可分為4大類10個小類,如圖1所示.
圖1 城市雨洪智能管理措施的分類Fig.1 Categories of intelligent management approaches in urban stormwater management
目前,由于物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)方興未艾,國際上尚未對物聯(lián)網(wǎng)的定義達(dá)成廣泛共識.流傳范圍較廣的是歐盟委員會信息、社會和媒體總局下屬的射頻識別(Radio-frequency identification,RFID)部門負(fù)責(zé)人Lorent Ferderix博士所給出的定義,在2009年北京舉辦的物聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)環(huán)境中歐研討會上,他將物聯(lián)網(wǎng)定義為:“物聯(lián)網(wǎng)是一個動態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,它具有基于標(biāo)準(zhǔn)和互操作通信協(xié)議的自組織能力,其中物理的和虛擬的“物”具有身份標(biāo)識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口,并可與信息網(wǎng)絡(luò)無縫整合[3].”此外,在2010年的國家政府工作報告中,物聯(lián)網(wǎng)被注釋為:“通過信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連起來,進(jìn)行信息交換和通訊,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò),它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)[4].”
或許上述2個定義尚無法完全涵蓋物聯(lián)網(wǎng)的全部內(nèi)涵及主要技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域,但是必須承認(rèn),它們在較大程度上促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,具有重要的指導(dǎo)意義.
物聯(lián)網(wǎng)最早由美國麻省理工學(xué)院Auto-ID中心的Ashton教授在1999年提出[5],當(dāng)時的物聯(lián)網(wǎng)概念主要基于射頻識別技術(shù),并隨著理論和技術(shù)的不斷發(fā)展逐步引起更多的關(guān)注和認(rèn)可.2005年,國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)表了關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的第一份系統(tǒng)報告[6],報告從物聯(lián)網(wǎng)的范疇、技術(shù)、市場機(jī)遇、挑戰(zhàn)、關(guān)注、應(yīng)用和前景等7個方面對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹和闡述,進(jìn)一步促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)概念的發(fā)展.
2008年,第一屆國際物聯(lián)網(wǎng)大會在蘇黎世召開[7],會議從工業(yè)和學(xué)術(shù)界的理念設(shè)想、相關(guān)的尖端研究進(jìn)展、經(jīng)驗豐富的從業(yè)者的用戶體驗和現(xiàn)有技術(shù)展示等4個方面總結(jié)介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀、不足和前景.第二屆國際物聯(lián)網(wǎng)大會則于2010年在日本東京召開,會議共有來自27個國家的350多名專家和學(xué)者參與[8],深入探討了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)需求和商業(yè)挑戰(zhàn),也進(jìn)一步推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用.
此外,需要指出的是,目前美國已將物聯(lián)網(wǎng)上升為國家創(chuàng)新戰(zhàn)略的重點之一,而歐盟則制定了促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的14點行動計劃[9].日本和韓國也已分別于2004年和2006年提出了“U-Japan”和“U-Korea”戰(zhàn)略計劃[3],可見各國對于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展均十分重視,國際競爭日趨激烈.
與此同時,近年來物聯(lián)網(wǎng)在中國也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇.我國中科院早在1999年就啟動了傳感網(wǎng)的相關(guān)研究,并取得了一定的成果[10],成為物聯(lián)網(wǎng)在中國發(fā)展和應(yīng)用的開端.而從2006年開始,在政府的大力支持下,包括中國科學(xué)院、上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所、南京大學(xué)航空航天學(xué)院、西北工業(yè)大學(xué)等數(shù)家機(jī)構(gòu)均已開始對物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行探索,并且成效顯著[5].
2009年8月,溫家寶總理首次提出“感知中國”的理念,隨后物聯(lián)網(wǎng)在中國蓬勃發(fā)展,被正式列為國家五大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一,并寫入2010年政府工作報告[4].2012年2月14日,工業(yè)和信息化部發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,為加快我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用,進(jìn)一步培育和壯大新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)提供了寶貴的理論依據(jù)和政策支持.此外,第三屆國際物聯(lián)網(wǎng)大會也在2012年11月無錫召開[11],相信會議的召開對于我國物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的突破和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的拓展也將產(chǎn)生一定的推動作用.
不僅如此,物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用范圍上,也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢.目前,物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)被嘗試應(yīng)用于包括智能交通系統(tǒng)、災(zāi)害防治、危機(jī)處理、衛(wèi)生保健、職業(yè)發(fā)展、資產(chǎn)管理、教育、大氣監(jiān)測、智能家居、航運服務(wù)等在內(nèi)的諸多領(lǐng)域[12].在最近的幾年來,物聯(lián)網(wǎng)更是逐漸被應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域[13,14],取得了一定的成效.當(dāng)然,必須指出的是,在雨洪管理,尤其是城市排水系統(tǒng)的管理和優(yōu)化中,物聯(lián)網(wǎng)的概念及其應(yīng)用還幾乎沒有被涉及.
總體而言,由于我國在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域起步較早,相應(yīng)的研發(fā)水平和部分關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)居世界前列,并且與德國、美國、日本等發(fā)達(dá)國家一起,成為國際標(biāo)準(zhǔn)制定的主要國家之一[15],發(fā)展勢頭良好.
結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和雨洪管理的自身特征,以及目前中國的國情,對于物聯(lián)網(wǎng)在城市雨洪智能管理中的應(yīng)用,筆者認(rèn)為主要有以下幾個途徑.
通過物聯(lián)網(wǎng)與氣象信息,尤其是衛(wèi)星云圖和天氣預(yù)報的結(jié)合,實現(xiàn)對降雨時刻、雨量、強(qiáng)度和時長等信息的預(yù)判,進(jìn)行城市防洪的預(yù)報預(yù)警,并與雨水管網(wǎng)及城市內(nèi)河河網(wǎng)的動態(tài)信息結(jié)合,及時掌握各處雨水管道、雨水泵站、排洪口以及城市內(nèi)河的運行和水位狀況,并根據(jù)實際情況采取管道、泵站、排水溝渠預(yù)抽空等措施,有效降低洪澇災(zāi)害的潛在風(fēng)險和危害.
通過物聯(lián)網(wǎng)與排水管網(wǎng)的智能動態(tài)結(jié)合,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集端的及時反饋,對排水管網(wǎng)進(jìn)行水量和水質(zhì)監(jiān)控,使管理者在降雨后的第一時間全面、準(zhǔn)確地掌握排水管網(wǎng)水量負(fù)荷狀況和點/面源排放情況.在此基礎(chǔ)上,迅速做出相應(yīng)決策,對污染嚴(yán)重的出流(尤其是初期雨水)進(jìn)行有效截留,充分利用初期雨水調(diào)蓄池、高效溢流凈化池等設(shè)施進(jìn)行調(diào)蓄凈化,減少合流制管道和雨水管道的雨天溢流污染,從而減輕對城市河網(wǎng)水系的污染.
目前,排水管道的日常運行維護(hù)也逐漸成為一個值得關(guān)注的問題.由于許多城市的市政規(guī)劃缺乏延續(xù)性,排水管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不一,取材不等,負(fù)責(zé)管理和維護(hù)的部門各不相同,重視力度也各有千秋,導(dǎo)致管道管理和維護(hù)的頻率及強(qiáng)度千差萬別,部分城市的排水管道亟待系統(tǒng)地檢修和維護(hù).與此同時,近年來管道閉路電視檢測系統(tǒng)(CCTV)被廣泛接受和應(yīng)用于管道運行和維護(hù)狀況的檢測[16,17].在此基礎(chǔ)上,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與CCTV技術(shù)有效結(jié)合,可以實現(xiàn)對管道的日?;O(jiān)控,變事后被動處理為事先主動監(jiān)控預(yù)防,將極大提升我國雨污管網(wǎng)的信息化監(jiān)管水平.
首先根據(jù)城市排水管網(wǎng)的設(shè)計和維護(hù)資料,建立系統(tǒng)的管網(wǎng)水力學(xué)模型,結(jié)合城市內(nèi)河、內(nèi)湖等受納水體的水位變化以及城市多年降雨資料,對不同流域不同排水管網(wǎng)在不同降雨雨型、雨量、歷時、強(qiáng)度、間隔、分布等條件下的水位水量變化進(jìn)行模擬及優(yōu)化分析,同時進(jìn)行風(fēng)險評估,確定不同降雨所存在的潛在風(fēng)險及相應(yīng)危害程度,從而制定不同危險等級的防洪抗災(zāi)應(yīng)急預(yù)案,最終建立決策支持?jǐn)?shù)據(jù)庫,為城市雨洪的智能化管理和調(diào)度奠定基礎(chǔ).
雖然目前物聯(lián)網(wǎng)概念逐漸升溫,相關(guān)的新聞和報道也層出不窮,但是距離其在環(huán)保領(lǐng)域,尤其是雨洪智能管理中大規(guī)模的實施和應(yīng)用,仍然存在著一系列的問題和障礙,主要表現(xiàn)在以下幾個方面.
雖然從技術(shù)結(jié)構(gòu)上來看,物聯(lián)網(wǎng)的框架和層次已經(jīng)相對比較清晰,然而目前其大多數(shù)應(yīng)用僅停留在理論的高度或初步探索階段,概念炒作多于實際應(yīng)用,并缺少內(nèi)涵挖掘.如何將物聯(lián)網(wǎng)與城市雨洪智能管理有機(jī)結(jié)合,尤其是借助現(xiàn)有技術(shù)手段,將相對成熟的雨洪管網(wǎng)商業(yè)模擬軟件與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺有效鏈接,仍然值得探索.
物聯(lián)網(wǎng)作為一個力求實現(xiàn)物與物、物與人、物與網(wǎng)絡(luò)有效連接的綜合智能網(wǎng)絡(luò),信息獲取是首要的也是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié).然而作為信息獲取主要途徑的傳感器,其價格居高不下,一個能測定多項基本水質(zhì)指標(biāo)的多功能傳感器價格就高達(dá)數(shù)萬甚至十余萬元,其他的相關(guān)硬件設(shè)備也價格不菲,嚴(yán)重阻礙了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用.
除了硬件方面的欠缺,在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用軟件方面,也尚欠缺大量基本開發(fā)成熟的商業(yè)軟件.而且物聯(lián)網(wǎng)興起時間尚短,國際上的通用標(biāo)準(zhǔn)還在制定和協(xié)商當(dāng)中.雖然我國已于2010年6月成立了中國物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合工作組,但是何時標(biāo)準(zhǔn)能夠最終出臺并與國際接軌仍不容樂觀,而標(biāo)準(zhǔn)頒布后各類相關(guān)軟件的開發(fā)和不斷完善則需要更多的時間和努力.
2009年,南京郵電大學(xué)成立了全國高校首家物聯(lián)網(wǎng)研究院;2010年,江南大學(xué)則將信息工程學(xué)院和通信與控制工程學(xué)院合并,成立了全國第一個“物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院”,并開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程、傳感網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)專業(yè).然而,從全國范圍來看,物聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)技術(shù)人員還很稀缺,而能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與排水工程、環(huán)境工程等專業(yè)領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合的復(fù)合型人才更是鳳毛麟角.
雖然目前物聯(lián)網(wǎng)概念及相關(guān)產(chǎn)業(yè)在中國呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢,國家也下大力度進(jìn)行引導(dǎo)和推廣,但是由于核心技術(shù)成熟度不足,應(yīng)用的范圍相對有限,在環(huán)保領(lǐng)域尚未出現(xiàn)大規(guī)模成功運用的典型案例.部分探索性應(yīng)用仍缺乏足夠資金支持,并且在一次性投入后缺乏后續(xù)的維護(hù)和優(yōu)化,可持續(xù)性較差.
由于物聯(lián)網(wǎng)本身的特性,應(yīng)用于城市雨洪管理中后,需要獲取和傳輸大量的水質(zhì)、水量等數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)與城市防汛抗洪的應(yīng)急決策息息相關(guān).如何保障信息傳輸過程的安全值得重視.另外,在監(jiān)測不同企業(yè)排污狀況和其他有關(guān)信息時,如何既能實現(xiàn)檢測目的,又能保護(hù)企業(yè)和用戶的隱私,防止信息被非法泄漏、破壞甚至篡改,都是值得考慮的問題.
對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在雨洪智能管理中應(yīng)用的可行性,筆者認(rèn)為主要可以概括為以下2個層面.
(1)空間廣闊,潛力巨大.物聯(lián)網(wǎng)作為一個新興的理念,目前在雨洪智能管理中應(yīng)用較少,相關(guān)研究也鮮有報道,而這恰恰說明該領(lǐng)域目前存在較大的研究空白,非常值得進(jìn)一步的深入研究.與此同時,隨著國家對于環(huán)保領(lǐng)域,尤其是給排水行業(yè)的不斷重視,提高給排水系統(tǒng)的智能化水平已經(jīng)迫在眉睫,而物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用無疑是一個很好的突破口.
(2)存在應(yīng)用瓶頸,現(xiàn)狀不容樂觀.上文已經(jīng)提到,由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等多方面因素的影響,目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的成熟度不足,大規(guī)模的整體運作仍存在相當(dāng)多的困難,這些困難需要在國家相關(guān)部門的引導(dǎo)下花大力氣解決.因此,物聯(lián)網(wǎng)在雨洪智能管理中應(yīng)用的現(xiàn)狀仍不容樂觀.
為了更好地促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在我國城市雨洪智能管理中的應(yīng)用,特提出以下幾條建議,僅供參考.
(1)進(jìn)一步加強(qiáng)政策支持,在《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的基礎(chǔ)上,由環(huán)保部和其他政府主管部門研究和制定物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用實施導(dǎo)則,進(jìn)行政策傾斜,并加大科研資金的支持力度,促進(jìn)該行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展.
(2)加強(qiáng)相關(guān)理論和技術(shù)研究,首先在幾個重點方面,如物聯(lián)網(wǎng)與城市雨洪水的預(yù)警預(yù)報、與排水管網(wǎng)的實時監(jiān)控的結(jié)合上取得突破,然后以點帶面,逐步積累經(jīng)驗,推廣運用,最終實現(xiàn)在環(huán)保領(lǐng)域內(nèi)的面面開花.
(3)探索和開發(fā)環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)融合(Multi-Sensor Data Fusion,MSDF)技術(shù)[18],對于不同來源的海量傳感器數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行綜合分析和統(tǒng)籌運用,從而全面和準(zhǔn)確的反映客觀狀況,為雨洪智能管理提供數(shù)據(jù)支持.
(4)加強(qiáng)硬件設(shè)備及相關(guān)軟件研發(fā)和應(yīng)用,對物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行攻關(guān),尤其是終端傳感器的穩(wěn)定性、靈敏性等,拓寬其對各類水質(zhì)指標(biāo)的檢測范圍及檢測準(zhǔn)度,并盡可能降低成本,以便大量應(yīng)用.同時引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)逐步開發(fā)可用的商業(yè)軟件,并在實踐中逐步完善.
(5)大力培養(yǎng)復(fù)合型技術(shù)人才.相應(yīng)的人才不僅要掌握物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)和知識,也要對雨洪智能管理和城市排水系統(tǒng)有充分的認(rèn)知和經(jīng)驗,這樣才能將二者有機(jī)結(jié)合,有效推動物聯(lián)網(wǎng)在城市雨洪智能管理中的應(yīng)用.
(6)引入商業(yè)機(jī)制,加強(qiáng)公眾宣傳與公眾參與.在已有的政府大力引導(dǎo)和媒體有效宣傳的基礎(chǔ)上,探索在雨洪管理中引入商業(yè)運營機(jī)制的可行性,引導(dǎo)企業(yè)探索和開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的雨洪智能管理和決策支持系統(tǒng),同時引導(dǎo)公眾參與,全面提升我國城市雨洪管理的信息化水平.
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