漢京超，王紅武，高學瓏，劉 燕

（1.復旦大學 環(huán)境科學與工程系，上海200433；2.同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海200092；3.福州市規(guī)劃設計研究院，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，造成部分城市嚴重雍水和內澇，極大危害了廣大人民群眾的人身和財產安全.為此，進一步加強城市雨洪管理，尤其是排水系統(tǒng)的綜合調度和統(tǒng)籌管理已經成為業(yè)內專家學者的共識.城市雨洪管理的相關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（Internet of Things，IOT）的概念逐漸興起，并在很多領域內掀起探索和應用的熱潮.在國家大力推進和加強環(huán)保產業(yè)信息化建設的大背景下，如果能夠將物聯(lián)網與城市雨洪管理進行智能動態(tài)結合，實現(xiàn)對城市排水管網的預警預報、跟蹤監(jiān)測、實時調控和系統(tǒng)優(yōu)化等諸多需求，將不僅為管理者及時準確地提供決策依據，更將極大地提升我國環(huán)保產業(yè)的信息化水平，具有重要的理論和實際意義.

1 城市雨洪智能管理的概念辨析

1.1 城市雨洪智能管理的概念

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的指導意義.根據上述指南，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對洪水的應對方式，力圖通過不建設洪水引導建筑物的方式減輕乃至避免洪水的負面影響.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、洪水預測預警、洪水應急反應預案、人口疏散、洪水對抗、洪水保險和災后恢復等[1，2].

在此基礎上，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技術、網絡技術和電子技術建立起來的，以預警預報、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)代高端信息技術的管理性措施.

1.2 城市雨洪智能管理措施的范疇

根據近年來國內外專家學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展，筆者認為，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

2 物聯(lián)網的定義，起源和發(fā)展

2.1 物聯(lián)網的定義

目前，由于物聯(lián)網及相關技術方興未艾，國際上尚未對物聯(lián)網的定義達成廣泛共識.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）部門負責人Lorent Ferderix博士所給出的定義，在2009年北京舉辦的物聯(lián)網與企業(yè)環(huán)境中歐研討會上，他將物聯(lián)網定義為:“物聯(lián)網是一個動態(tài)的全球網絡基礎設施，它具有基于標準和互操作通信協(xié)議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并可與信息網絡無縫整合[3].”此外，在2010年的國家政府工作報告中，物聯(lián)網被注釋為:“通過信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理的一種網絡，它是在互聯(lián)網基礎上延伸和擴展的網絡[4].”

或許上述2個定義尚無法完全涵蓋物聯(lián)網的全部內涵及主要技術和應用領域，但是必須承認，它們在較大程度上促進了物聯(lián)網產業(yè)的進一步發(fā)展，具有重要的指導意義.

2.2 物聯(lián)網技術的起源和發(fā)展

物聯(lián)網最早由美國麻省理工學院Auto－ID中心的Ashton教授在1999年提出[5]，當時的物聯(lián)網概念主要基于射頻識別技術，并隨著理論和技術的不斷發(fā)展逐步引起更多的關注和認可.2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)表了關于物聯(lián)網的第一份系統(tǒng)報告[6]，報告從物聯(lián)網的范疇、技術、市場機遇、挑戰(zhàn)、關注、應用和前景等7個方面對物聯(lián)網進行了較為詳細的介紹和闡述，進一步促進了物聯(lián)網概念的發(fā)展.

2008年，第一屆國際物聯(lián)網大會在蘇黎世召開[7]，會議從工業(yè)和學術界的理念設想、相關的尖端研究進展、經驗豐富的從業(yè)者的用戶體驗和現(xiàn)有技術展示等4個方面總結介紹了物聯(lián)網技術的現(xiàn)狀、不足和前景.第二屆國際物聯(lián)網大會則于2010年在日本東京召開，會議共有來自27個國家的350多名專家和學者參與[8]，深入探討了物聯(lián)網發(fā)展的技術需求和商業(yè)挑戰(zhàn)，也進一步推動了物聯(lián)網技術的發(fā)展和應用.

此外，需要指出的是，目前美國已將物聯(lián)網上升為國家創(chuàng)新戰(zhàn)略的重點之一，而歐盟則制定了促進物聯(lián)網發(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)網的發(fā)展均十分重視，國際競爭日趨激烈.

2.3 物聯(lián)網在中國的發(fā)展

與此同時，近年來物聯(lián)網在中國也獲得了良好的發(fā)展機遇.我國中科院早在1999年就啟動了傳感網的相關研究，并取得了一定的成果[10]，成為物聯(lián)網在中國發(fā)展和應用的開端.而從2006年開始，在政府的大力支持下，包括中國科學院、上海微系統(tǒng)和信息技術研究所、南京大學航空航天學院、西北工業(yè)大學等數家機構均已開始對物聯(lián)網的技術及應用進行探索，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)網在中國蓬勃發(fā)展，被正式列為國家五大戰(zhàn)略性新興產業(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“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，為加快我國物聯(lián)網的發(fā)展和應用，進一步培育和壯大新一代信息技術產業(yè)提供了寶貴的理論依據和政策支持.此外，第三屆國際物聯(lián)網大會也在2012年11月無錫召開[11]，相信會議的召開對于我國物聯(lián)網相關技術的突破和相關產業(yè)的拓展也將產生一定的推動作用.

不僅如此，物聯(lián)網在應用范圍上，也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢.目前，物聯(lián)網已經被嘗試應用于包括智能交通系統(tǒng)、災害防治、危機處理、衛(wèi)生保健、職業(yè)發(fā)展、資產管理、教育、大氣監(jiān)測、智能家居、航運服務等在內的諸多領域[12].在最近的幾年來，物聯(lián)網更是逐漸被應用于環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)測領域[13，14]，取得了一定的成效.當然，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)網的概念及其應用還幾乎沒有被涉及.

總體而言，由于我國在物聯(lián)網領域起步較早，相應的研發(fā)水平和部分關鍵技術已經居世界前列，并且與德國、美國、日本等發(fā)達國家一起，成為國際標準制定的主要國家之一[15]，發(fā)展勢頭良好.

3 物聯(lián)網在城市雨洪智能管理系統(tǒng)中的應用途徑

結合物聯(lián)網和雨洪管理的自身特征，以及目前中國的國情，對于物聯(lián)網在城市雨洪智能管理中的應用，筆者認為主要有以下幾個途徑.

3.1 與氣象信息結合，建立預警預報系統(tǒng)，增強防汛抗洪的實時控制能力

通過物聯(lián)網與氣象信息，尤其是衛(wèi)星云圖和天氣預報的結合，實現(xiàn)對降雨時刻、雨量、強度和時長等信息的預判，進行城市防洪的預報預警，并與雨水管網及城市內河河網的動態(tài)信息結合，及時掌握各處雨水管道、雨水泵站、排洪口以及城市內河的運行和水位狀況，并根據實際情況采取管道、泵站、排水溝渠預抽空等措施，有效降低洪澇災害的潛在風險和危害.

3.2 在排水管網末端進行水量和水質的實時監(jiān)控，削減雨天溢流污染

通過物聯(lián)網與排水管網的智能動態(tài)結合，結合物聯(lián)網數據采集端的及時反饋，對排水管網進行水量和水質監(jiān)控，使管理者在降雨后的第一時間全面、準確地掌握排水管網水量負荷狀況和點／面源排放情況.在此基礎上，迅速做出相應決策，對污染嚴重的出流（尤其是初期雨水）進行有效截留，充分利用初期雨水調蓄池、高效溢流凈化池等設施進行調蓄凈化，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水系的污染.

3.3 與CCTV等技術結合，加強對排水管道的日常檢修和維護

目前，排水管道的日常運行維護也逐漸成為一個值得關注的問題.由于許多城市的市政規(guī)劃缺乏延續(xù)性，排水管道設計標準不一，取材不等，負責管理和維護的部門各不相同，重視力度也各有千秋，導致管道管理和維護的頻率及強度千差萬別，部分城市的排水管道亟待系統(tǒng)地檢修和維護.與此同時，近年來管道閉路電視檢測系統(tǒng)（CCTV）被廣泛接受和應用于管道運行和維護狀況的檢測[16，17].在此基礎上，將物聯(lián)網技術與CCTV技術有效結合，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)控預防，將極大提升我國雨污管網的信息化監(jiān)管水平.

3.4 與水力學模型結合，進行城市內澇及洪水的風險評估

首先根據城市排水管網的設計和維護資料，建立系統(tǒng)的管網水力學模型，結合城市內河、內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在不同降雨雨型、雨量、歷時、強度、間隔、分布等條件下的水位水量變化進行模擬及優(yōu)化分析，同時進行風險評估，確定不同降雨所存在的潛在風險及相應危害程度，從而制定不同危險等級的防洪抗災應急預案，最終建立決策支持數據庫，為城市雨洪的智能化管理和調度奠定基礎.

4 物聯(lián)網技術在雨洪智能管理中應用所存在的問題

雖然目前物聯(lián)網概念逐漸升溫，相關的新聞和報道也層出不窮，但是距離其在環(huán)保領域，尤其是雨洪智能管理中大規(guī)模的實施和應用，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.

4.1 物聯(lián)網技術成熟度不夠

雖然從技術結構上來看，物聯(lián)網的框架和層次已經相對比較清晰，然而目前其大多數應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用，并缺少內涵挖掘.如何將物聯(lián)網與城市雨洪智能管理有機結合，尤其是借助現(xiàn)有技術手段，將相對成熟的雨洪管網商業(yè)模擬軟件與物聯(lián)網技術平臺有效鏈接，仍然值得探索.

4.2 相關硬件設備價格居高不下，影響大規(guī)模應用

物聯(lián)網作為一個力求實現(xiàn)物與物、物與人、物與網絡有效連接的綜合智能網絡，信息獲取是首要的也是最基礎的環(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指標的多功能傳感器價格就高達數萬甚至十余萬元，其他的相關硬件設備也價格不菲，嚴重阻礙了物聯(lián)網技術的廣泛應用.

4.3 相關配套軟件標準不一，難以有效整合

除了硬件方面的欠缺，在物聯(lián)網的應用軟件方面，也尚欠缺大量基本開發(fā)成熟的商業(yè)軟件.而且物聯(lián)網興起時間尚短，國際上的通用標準還在制定和協(xié)商當中.雖然我國已于2010年6月成立了中國物聯(lián)網標準聯(lián)合工作組，但是何時標準能夠最終出臺并與國際接軌仍不容樂觀，而標準頒布后各類相關軟件的開發(fā)和不斷完善則需要更多的時間和努力.

4.4 缺少復合型專業(yè)技術人員

2009年，南京郵電大學成立了全國高校首家物聯(lián)網研究院；2010年，江南大學則將信息工程學院和通信與控制工程學院合并，成立了全國第一個“物聯(lián)網工程學院”，并開設物聯(lián)網工程、傳感網技術等相關專業(yè).然而，從全國范圍來看，物聯(lián)網的專業(yè)技術人員還很稀缺，而能夠將物聯(lián)網技術與排水工程、環(huán)境工程等專業(yè)領域有機結合的復合型人才更是鳳毛麟角.

4.5 資金投入缺口較大，且一次性投入后，系統(tǒng)缺乏管理和維護，可持續(xù)性較弱

雖然目前物聯(lián)網概念及相關產業(yè)在中國呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，國家也下大力度進行引導和推廣，但是由于核心技術成熟度不足，應用的范圍相對有限，在環(huán)保領域尚未出現(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)的維護和優(yōu)化，可持續(xù)性較差.

4.6 信息安全及用戶隱私缺乏保障

由于物聯(lián)網本身的特性，應用于城市雨洪管理中后，需要獲取和傳輸大量的水質、水量等數據，這些數據與城市防汛抗洪的應急決策息息相關.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信息時，如何既能實現(xiàn)檢測目的，又能保護企業(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.

5 關于物聯(lián)網在雨洪智能管理中應用的可行性分析

對于物聯(lián)網技術在雨洪智能管理中應用的可行性，筆者認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)網作為一個新興的理念，目前在雨洪智能管理中應用較少，相關研究也鮮有報道，而這恰恰說明該領域目前存在較大的研究空白，非常值得進一步的深入研究.與此同時，隨著國家對于環(huán)保領域，尤其是給排水行業(yè)的不斷重視，提高給排水系統(tǒng)的智能化水平已經迫在眉睫，而物聯(lián)網的應用無疑是一個很好的突破口.

（2）存在應用瓶頸，現(xiàn)狀不容樂觀.上文已經提到，由于技術、經濟、安全等多方面因素的影響，目前物聯(lián)網技術體系的成熟度不足，大規(guī)模的整體運作仍存在相當多的困難，這些困難需要在國家相關部門的引導下花大力氣解決.因此，物聯(lián)網在雨洪智能管理中應用的現(xiàn)狀仍不容樂觀.

6 關于促進物聯(lián)網在雨洪智能管理中應用的相關建議

為了更好地促進物聯(lián)網在我國城市雨洪智能管理中的應用，特提出以下幾條建議，僅供參考.

（1）進一步加強政策支持，在《物聯(lián)網“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的基礎上，由環(huán)保部和其他政府主管部門研究和制定物聯(lián)網在環(huán)保領域的應用實施導則，進行政策傾斜，并加大科研資金的支持力度，促進該行業(yè)進一步發(fā)展.

（2）加強相關理論和技術研究，首先在幾個重點方面，如物聯(lián)網與城市雨洪水的預警預報、與排水管網的實時監(jiān)控的結合上取得突破，然后以點帶面，逐步積累經驗，推廣運用，最終實現(xiàn)在環(huán)保領域內的面面開花.

（3）探索和開發(fā)環(huán)境領域內傳感器數據融合（Multi－Sensor Data Fusion，MSDF）技術[18]，對于不同來源的海量傳感器數據按照一定的規(guī)則進行綜合分析和統(tǒng)籌運用，從而全面和準確的反映客觀狀況，為雨洪智能管理提供數據支持.

（4）加強硬件設備及相關軟件研發(fā)和應用，對物聯(lián)網關鍵技術和設備進行攻關，尤其是終端傳感器的穩(wěn)定性、靈敏性等，拓寬其對各類水質指標的檢測范圍及檢測準度，并盡可能降低成本，以便大量應用.同時引導相關企業(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)復合型技術人才.相應的人才不僅要掌握物聯(lián)網的相關技術和知識，也要對雨洪智能管理和城市排水系統(tǒng)有充分的認知和經驗，這樣才能將二者有機結合，有效推動物聯(lián)網在城市雨洪智能管理中的應用.

（6）引入商業(yè)機制，加強公眾宣傳與公眾參與.在已有的政府大力引導和媒體有效宣傳的基礎上，探索在雨洪管理中引入商業(yè)運營機制的可行性，引導企業(yè)探索和開發(fā)基于物聯(lián)網的雨洪智能管理和決策支持系統(tǒng)，同時引導公眾參與，全面提升我國城市雨洪管理的信息化水平.

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