安珊 李啟龍 汪海波

關(guān)鍵詞：情境感知；雨污井蓋；智能；服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

1 相關(guān)概念解析

1.1 情境感知

“情境”是可以用來描述實體情況的任何信息，包括時間、位置、系統(tǒng)、服務(wù)等。由于研究對象的不同，情境因素的分類也有所不同。因此在研究中，需要依據(jù)研究對象對情境因素進(jìn)行劃分。Schilit 從來源的角度將情境劃分為計算情境、用戶情境、物理情境[1]，隨后Chen 與Kotz 在此基礎(chǔ)上增加了時間情境[2]。陳媛嫄從人機交互系統(tǒng)的角度將情境劃分為任務(wù)、用戶以及環(huán)境情境。

情境感知可以理解為智能設(shè)備如有耳目，會察言觀色，能夠?qū)崟r感知理解自身狀態(tài)以及環(huán)境中的各種信息[3]，并依據(jù)這些信息，在適當(dāng)?shù)臅r機，以適當(dāng)?shù)姆绞接枰杂脩舴答乕4]，為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。其服務(wù)流程主要包括收集、分析情境信息、預(yù)測并反饋用戶需求三個階段，并且這三個階段又是不斷循環(huán)往復(fù)的。

1）收集情境信息。情境感知是通過傳感技術(shù)感知、采集被服務(wù)對象的情境信息[5]。在“用戶—設(shè)備—環(huán)境”構(gòu)成的交互系統(tǒng)中，用戶作為服務(wù)主體、任務(wù)作為服務(wù)目標(biāo)、環(huán)境作為設(shè)備完成任務(wù)的主要情境和重要載體，三者在整個交互系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[6]。因此，情境大致可以分為用戶情境、任務(wù)情境以及環(huán)境情境[7]。

2）分析情境信息。分析情境信息是將所收集到的情境信息進(jìn)行模式識別、解釋和評估[8]。在對情境信息進(jìn)行分析時，需要依據(jù)關(guān)鍵情境特征，通過普適計算等算法框架從眾多情境因素中提取出關(guān)鍵信息，予以優(yōu)先考慮，以得出用戶需求或下一步目標(biāo)預(yù)期，尋找提供服務(wù)的機會點。其中關(guān)鍵情境特征的確定一般采用調(diào)研和理論演繹的方式[9]。

3）預(yù)測并反饋用戶需求。用戶操作的發(fā)生往往與時間、地點、事件有關(guān)，同時，還具有一定的邏輯性和順序性，因此預(yù)測并反饋用戶需求的系統(tǒng)動作的觸發(fā)可以分為基于時間、地點、事件以及流程的觸發(fā)。

1.2 服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)是從系統(tǒng)的角度出發(fā)，將有形的產(chǎn)品與以產(chǎn)品為核心的服務(wù)連接起來，從而創(chuàng)造新的價值。而服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計則是對產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)中所涉及到的產(chǎn)品、使用、流程、管理等進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計[10]。好的服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計的作用主要體現(xiàn)在兩方面。其一，能夠滿足用戶多元化的需求，為用戶創(chuàng)造舒適便捷的工作和生活環(huán)境，提升用戶體驗；其二，拓展延伸了企業(yè)與用戶之間的交互關(guān)系，優(yōu)化工作系統(tǒng)的規(guī)劃配置，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的機會點和利益點，二者實現(xiàn)了用戶與企業(yè)之間的雙贏，達(dá)到價值共享。

2 雨污井蓋現(xiàn)存問題

雨污井蓋是專門用于遮蓋雨水和污水窨井的井蓋，而雨污水窨井則具有防澇排污的功能特點。通過桌面調(diào)研和文獻(xiàn)分析對雨污井蓋的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究，總結(jié)出雨污井蓋的存在問題。

1）排水量無法滿足降水量。雨污井蓋主要依靠井蓋上的兩個孔洞來排放路面積水，因此其能夠排放的水量很有限。當(dāng)遇到強降雨時，由于無法及時排放路面的大量積水，就會導(dǎo)致城市內(nèi)澇。

2）破損異位、偷盜丟失導(dǎo)致安全事故。周而復(fù)始的車輛碾壓和風(fēng)雨侵蝕，很容易導(dǎo)致雨污井蓋破損異位。同時，井蓋偷盜案件的發(fā)生，使得暴露的井口成為安全隱患。

3）溢液、可燃?xì)怏w等井下安全隱患。雨水窨井的作用是向地下補充并排放多余的雨水，而污水窨井則是用于城市排污的下水井，二者井下都有大量的雨污水，當(dāng)管道堵塞時，井下的雨污水就會上溢，破壞城市環(huán)境。而井下長期密封，易產(chǎn)生沼氣等易燃?xì)怏w，威脅路面安全。

4）巡檢難度大且效率低。作為城市地下綜合管廊中的重要設(shè)施，雨污窨井?dāng)?shù)目龐大且分布廣泛，目前主要依靠人工巡查得知窨井狀況，使得投入的人力和時間成本都較高，而且經(jīng)常因為檢查不及時或不到位而造成監(jiān)管疏漏，并引發(fā)安全事故[11]。

5）傳感器和無線通信技術(shù)的應(yīng)用。在發(fā)展智慧城市的時代背景下，城市井蓋已經(jīng)由遮蓋井口的普通井蓋轉(zhuǎn)化為監(jiān)測并傳遞窨井狀態(tài)信息的智能井蓋。智能井蓋通過傳感器感知井蓋異位破損、井下環(huán)境異常等狀況，并通過無線通信技術(shù)上報給管理人員，減輕巡查重?fù)?dān)的同時有效防治窨井安全事故。但在實際應(yīng)用過程中，由于智能設(shè)備自身怕水、耗電等局限性，導(dǎo)致智能井蓋出現(xiàn)水浸損壞、信息誤報、電量耗盡、信息中斷等問題。

3 雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)中的情境因素分析

為了解決上述雨污井蓋現(xiàn)存問題，需要對井蓋破損狀態(tài)、排水情況、井下氣體濃度等情境信息進(jìn)行實時監(jiān)測，并將發(fā)現(xiàn)的問題及時上報維管人員。文章將雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)的情境因素分為用戶情境、環(huán)境情境、任務(wù)情境三類，其中用戶情境包括維管人員的基本個人信息、工作內(nèi)容、人身安全狀況等；對于雨污井蓋來說，所涉及到的環(huán)境情境包括井上和井下兩個方面，其中井上環(huán)境情境包括降雨量、路面積水量、井蓋地理位置等，井下環(huán)境情境則包括溫濕度、易燃?xì)怏w濃度、液位高度等；任務(wù)情境主要是智能井蓋自身及維管人員操作APP 執(zhí)行任務(wù)的目標(biāo)、狀態(tài)及操作過程，包括井蓋及智能設(shè)備自身狀態(tài)、傳感器和通信設(shè)備感知并傳遞信息、設(shè)備自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)的過程以及維管人員整理分析井蓋狀態(tài)信息和派發(fā)維護任務(wù)時的操作目標(biāo)及過程。

4 基于情境感知的雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計策略

4.1 借助傳感技術(shù)實時監(jiān)控雨污窨井所處情境狀態(tài)

傳統(tǒng)的窨井巡查工作主要是信息采集員來完成的，但由于城市中的窨井?dāng)?shù)量龐大且分布廣泛，這種依靠人力的信息采集方式并不能及時、全面地發(fā)現(xiàn)窨井問題。同時，這種信息采集方式對人力物力的消耗也是巨大的。而情境感知技術(shù)通過傳感器實時感知情境信息、自主提供服務(wù)的能力，可以有效彌補傳統(tǒng)人力管理方式的缺陷，及時為用戶提供窨井狀態(tài)信息。

雨污窨井所面臨的使用問題可以從以下三個方面進(jìn)行監(jiān)測分析。（1）井上狀況監(jiān)測。通過電子水尺度量路面積水高度，異動破損的雨污井蓋通常會出現(xiàn)位移、傾角或壓力上的變化，可以借助北斗定位、傾角傳感器、壓敏傳感器對其進(jìn)行監(jiān)測。（2）排水受阻監(jiān)測。雨污井蓋堵塞狀況可以通過水流量進(jìn)行反映，因此可以利用水流量傳感器對井蓋進(jìn)水量進(jìn)行監(jiān)測，并將得到的數(shù)據(jù)與降雨量進(jìn)行對比，若不相符則說明井蓋有堵塞情況。（3）井下狀況監(jiān)測。雨污窨井常出現(xiàn)氣體外泄爆炸、污水外溢等情況，可以通過井下氣體濃度、溫度、濕度以及液位進(jìn)行反映，因此可以借助氣體傳感器、溫/ 濕度傳感器、液位傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

4.2 構(gòu)建互聯(lián)互通的雨污井蓋智能通信系統(tǒng)

智能井蓋將感知到的窨井狀態(tài)信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過整理分析后，數(shù)據(jù)中心再將各類窨井信息與維護任務(wù)分別共享給各個窨井權(quán)屬單位，權(quán)屬單位再派遣維護人員前去維修。當(dāng)維修任務(wù)完成后，還需要將維修結(jié)果逐級上報，直至數(shù)據(jù)中心審核結(jié)案。整個過程中涉及到多次的信息傳遞和反饋。

由于雨污井蓋數(shù)量眾多且分布廣泛，為保證異常信息和工作任務(wù)能夠及時便捷地在數(shù)據(jù)中心、權(quán)屬單位以及維護人員之間傳遞，就需要構(gòu)建一個統(tǒng)一的互聯(lián)互通的雨污井蓋智能通信系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^無線通信模塊將各個井蓋上的傳感器串聯(lián)起來，構(gòu)成雨污井蓋無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將各個區(qū)域的雨污井蓋狀態(tài)信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心管理人員通過PC 端系統(tǒng)將井蓋狀態(tài)信息和維護任務(wù)派發(fā)給下級雨污井蓋權(quán)屬單位及維護人員。另外，當(dāng)維修任務(wù)完成后，維護人員還需要將維修結(jié)果逐級上報，直至數(shù)據(jù)中心審核結(jié)案。

4.3 井蓋結(jié)構(gòu)再設(shè)計以實現(xiàn)自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)整功能

傳統(tǒng)井蓋主要通過井蓋上窄小的孔洞來進(jìn)行排水，當(dāng)出現(xiàn)路面大量積水時，就只能通過人工打開井蓋的方式來增大排水量。而出現(xiàn)強降雨時，就會由于排水不及時而導(dǎo)致城市內(nèi)澇。為了能夠及時排放路面積水，就需要對排水井蓋進(jìn)行再設(shè)計，通過可調(diào)節(jié)的排水結(jié)構(gòu)使井蓋能夠依據(jù)降雨量來增大排水量。另外，當(dāng)井蓋破損或異位丟失時，易因井口暴露而導(dǎo)致行人或車輛墜落，為防治此類安全事故的發(fā)生，為智能井蓋添加可以自動設(shè)置的防護欄和醒目的燈光警示部件。

4.4 提高雨污井蓋智能服務(wù)的準(zhǔn)確性和可靠性

目前，已有的智能井蓋在實際運用過程中存在信息誤報、智能設(shè)備故障等問題，這些問題降低了智能井蓋的準(zhǔn)確性和可靠性，也為維管人員的工作帶來了麻煩。其中，信息誤報主要是由于車輛輾軋井蓋產(chǎn)生震動而導(dǎo)致的誤判，可以通過軌跡分析算法對智能井蓋的位移和傾角軌跡進(jìn)行分析，當(dāng)位移與傾角在正常范圍內(nèi)時，則為安全狀態(tài)。同時，還可以為井蓋與井座增加更加穩(wěn)固的連接結(jié)構(gòu)，減少井蓋自身的震動，以保證智能設(shè)備對井蓋狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。智能設(shè)備故障主要包括電量耗盡、信息中斷、水浸損壞等問題，為及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，需要對智能井蓋進(jìn)行定時“心跳”喚醒，上報電池電量，并分析正常工作條件下電池還能持續(xù)供電的時間。還可以為人行道上的智能井蓋安裝太陽能充電板，以保證電量供應(yīng)。同時，通過無線電監(jiān)測設(shè)備對信號發(fā)射參數(shù)和頻段的穩(wěn)定性等信息進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常后及時告知維管人員。另外，通過電子水尺實時監(jiān)測井下液面高度，并加強井下智能設(shè)備的密封性，用以減少水浸損壞。

5 基于情境感知的雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計實踐

服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)對象包括數(shù)據(jù)中心和下級井蓋權(quán)屬單位管理人員、維護人員。服務(wù)系統(tǒng)意在借助情境感知、無線通信等智能技術(shù)與設(shè)備，構(gòu)建服務(wù)于雨污窨井管理人員、維護人員的雨污窨井管理平臺和問題解決方案。服務(wù)系統(tǒng)借助各種傳感器、通信設(shè)備來采集和傳遞情境信息，幫助維管人員及時發(fā)現(xiàn)和解決窨井問題，提供雨污窨井問題信息采集、自主改善井蓋自身及其所處情境狀況、協(xié)助維護人員維修作業(yè)等服務(wù)，以使城市窨井問題能夠得到及時的解決，并使維管人員的工作過程更加輕松快捷。具體服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)容如圖1 所示。

5.1 定制模塊設(shè)計

定制模塊設(shè)計主要包括改變內(nèi)井蓋形態(tài)、增加一個帶有四個阻水塞的環(huán)形圓盤兩個方面。其一，內(nèi)井蓋的改變包括在外圈與內(nèi)圈的上下左右各增加一個條狀孔洞，同時為了形式上的統(tǒng)一，將傳統(tǒng)雨污井蓋上的點狀紋理更改為環(huán)形水紋；其二，增加的帶有阻水塞的環(huán)形圓盤由軸承等結(jié)構(gòu)與內(nèi)井蓋進(jìn)行連接，并由感知路面水深的電子水尺控制旋轉(zhuǎn)，水流量越大，錯開的縫隙也就越大，而當(dāng)水流量減少后，錯開的縫隙也會隨之減小，以達(dá)到依據(jù)路面積水量調(diào)控排水量的目的。如圖2 所示。

5.2 智能雨污井蓋設(shè)計

智能雨污井蓋產(chǎn)品的設(shè)計主要從機動車道和非機動車區(qū)域兩個方面進(jìn)行實現(xiàn)。

機動車道智能雨污井蓋是用于機動車道等對井蓋承重能力要求較高的使用環(huán)境，為保證其穩(wěn)固性，機動車道使用的智能井蓋只包括井蓋下的傳感器、可調(diào)節(jié)排水結(jié)構(gòu)以及井蓋，如圖3 所示。

非機動車區(qū)域的智能雨污井蓋主要用于人行道與非機動車道。其中燈管由紅外線傳感器依據(jù)光照和是否有行人經(jīng)過而控制開關(guān)?？烧{(diào)節(jié)排水結(jié)構(gòu)則需要依據(jù)井蓋功能進(jìn)行選擇性設(shè)置，若為雨污井蓋則需要設(shè)置，而燃?xì)狻⑼ㄐ?、供電等未涉及到排水功能的井蓋則不需要。另外，由于示例井蓋為雨污井蓋，為了體現(xiàn)雨污窨井的功能類型類型，在井蓋上增設(shè)了體現(xiàn)井蓋功能的浪花紋理，如圖4所示。

5.3 智能雨污井蓋APP 界面設(shè)計

軟件產(chǎn)品是對硬件產(chǎn)品的功能拓展，并為智能雨污井蓋與維管人員進(jìn)行交互提供輔助性服務(wù)。智能井蓋APP 界面設(shè)計內(nèi)容主要依據(jù)維管人員的工作內(nèi)容而設(shè)定，其中管理人員的工作內(nèi)容主要包括報警案件受理、維護任務(wù)派遣、設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及系統(tǒng)管理等，維護人員的工作內(nèi)容主要包括接收并執(zhí)行維護任務(wù)管理、告警設(shè)備信息管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。因此，智能井蓋APP 主要包括報警任務(wù)信息、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、設(shè)備管理以及我四個模塊。

6 結(jié)語

文章基于傳統(tǒng)雨污井蓋現(xiàn)存問題及情境感知，從智能雨污井蓋的用戶、環(huán)境及任務(wù)情境特征出發(fā)，提出雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計策略?；谇榫掣兄挠晡劬w智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計，可以有效提升維管人員對雨污井蓋的監(jiān)管能力，減少雨污井蓋破損丟失、排水困難、氣體外泄等事故的發(fā)生，賦予傳統(tǒng)雨污井蓋依據(jù)降雨量調(diào)控排水量的能力。另外，雨污井蓋智能服務(wù)系統(tǒng)自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)、分析傳遞信息的能力有效提高了市政維管人員的工作效率，同時也為城市居民創(chuàng)造了更加安全舒適的生活環(huán)境。