孫軍 胡美羽 張力 施佳 佟蕊 徐慧娟

(北京化工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 100029)

0 引言

近年來，我國對淡水資源的需求不斷增加。每年暴雨季節(jié)來臨時，在地勢較低處都會有大量積聚的雨水致使交通阻塞，使人們的出行極為不便。由于對暴雨控制的風(fēng)險性極高，其惡性結(jié)果又難以消除，因此只能降低或削弱其影響力，使損失降到最低。

目前雨水收集系統(tǒng)的主要特征是被動收集雨水，對其過程缺乏控制，因此加入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計理念將有利于擴大優(yōu)勢，化被動為主動，從而減輕排水系統(tǒng)的壓力。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)平臺上，通過各種傳感技術(shù)(RFID、傳感器、GPS、激光掃描器等)及各種通信手段(有線、無線、長距、短距等)將物體與互聯(lián)網(wǎng)相連，以實現(xiàn)遠程監(jiān)視、自動報警、診斷和維護等功能，進而實現(xiàn)“管理、控制、運行”一體化的處理系統(tǒng)。在將原始裝置優(yōu)化之后，再進一步考慮一體化系統(tǒng)推廣的各項限制條件，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣所遇到的困難和問題進行分析研究，并提出與之相適應(yīng)的解決辦法。

本文著眼于雨水收集系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的契合之處，使二者協(xié)調(diào)統(tǒng)一，建立集成化的系統(tǒng)控制裝置，推進雨水收集和處理的一體化進程。

1 物聯(lián)網(wǎng)介紹

“物聯(lián)網(wǎng)”是在“互聯(lián)網(wǎng)”概念的基礎(chǔ)上，通過紅外感應(yīng)器、射頻識別、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備將其用戶端拓展到物品與物品之間的直接交流，按照約定，把任意物品與網(wǎng)絡(luò)連接，進行信息交換和通信功能，以實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念［1］。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有多技術(shù)融合、跨學(xué)科交叉等特點，是當(dāng)今計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點之一，但目前部分關(guān)鍵的技術(shù)點都需要創(chuàng)新。從硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩個方面來分析，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后的范圍得到擴展(圖1)。硬件技術(shù)包括智能嵌入式技術(shù)(Embedded Intelligence)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSNs)、射頻識別技術(shù) (RFID)及納米技術(shù)(Nanotechnology);軟件技術(shù)包括信息處理技術(shù)、自組織管理技術(shù)、安全技術(shù)［1-2］。

1.1.1 硬件技術(shù)分析

圖1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)最主要的特性之一就是實現(xiàn)物體與物體之間的信息交換，因而物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù)也是依附于各個物體而實現(xiàn)的。其中射頻識別技術(shù)［3］是利用無線射頻信號對物體某些特性進行識別并進行信息讀取，可以實現(xiàn)對物體的檢測、跟蹤和識別功能，該技術(shù)的實現(xiàn)需要有天線、讀取器和感應(yīng)標(biāo)簽，目前該技術(shù)在門禁管理、物料追蹤等領(lǐng)域都有較為成熟的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量，其關(guān)鍵技術(shù)之一即為傳感器技術(shù)。該技術(shù)通過許多微型且廉價的傳感器節(jié)點來對客觀動態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測識別，內(nèi)容涉及地震、溫度、濕度、光強度等多種現(xiàn)象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前在礦井、核電廠等大型工廠的安全監(jiān)測方面有較大貢獻。另外，智能嵌入技術(shù)是運用先進的計算機技術(shù)，通過植入微型芯片的方式，實現(xiàn)對物體的數(shù)據(jù)處理效率進行提高、功能智能化升級等效果。根據(jù)嵌入物體種類與特性的不同，嵌入式技術(shù)的可達到的功能也不盡相同［4-6］。

1.1.2 軟件技術(shù)分析

物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)具體實現(xiàn)的基礎(chǔ)，而物聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)則可以很好地從底層網(wǎng)絡(luò)硬件協(xié)助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)安全有效地加以實施。物聯(lián)網(wǎng)軟件程序通過對系統(tǒng)中接口的設(shè)計和應(yīng)用來表達系統(tǒng)想要為用戶提供的服務(wù)與需要完成的任務(wù)，提高系統(tǒng)實現(xiàn)效率。通過對計算機算法的調(diào)整、計算機工作方式的控制，可以更高效、統(tǒng)一、便捷地實現(xiàn)“物物”相聯(lián)的主要目的［7］。

2 傳統(tǒng)雨水收集系統(tǒng)缺陷分析

通過對現(xiàn)有雨水收集利用系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的雨水收集系統(tǒng)存在以下缺點:

(1)目前的雨水收集系統(tǒng)需要組合使用，這在資源利用上有很大限制。這是一種缺乏系統(tǒng)化和流程化的設(shè)計，因此，在資源利用過程中會造成大量人力、物力、財力投入，但收效甚微。

(2)現(xiàn)有雨水收集系統(tǒng)對雨水的處理過程較為粗略，以物理處理方式為主，以微少化學(xué)處理流程為輔，且處理后水質(zhì)監(jiān)測裝置較少，因此會造成水中總會有微量的化學(xué)藥劑的存在，并產(chǎn)生一定的副作用。

(3)當(dāng)前的雨水收集系統(tǒng)對于水資源缺乏細致的分類，一套流程處理不同的水質(zhì)，就會造成處理過程嚴(yán)謹(jǐn)化缺失，使水質(zhì)凈化的指標(biāo)保證體系缺乏制度化的規(guī)定，如此一來，對雨水的分類使用就無從談起。

(4)目前的雨水系統(tǒng)缺乏功能檢測裝置?，F(xiàn)階段的雨水收集系統(tǒng)只適合小范圍使用，且設(shè)備的處理量較大，這會導(dǎo)致裝置加速老化，但鮮有人能夠及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的老化并更新系統(tǒng)。

(5)現(xiàn)階段的雨水收集系統(tǒng)缺少預(yù)警環(huán)節(jié)，此處所指的預(yù)警主要有以下幾個方面:①水質(zhì)等級預(yù)警;②系統(tǒng)老化預(yù)警;③水質(zhì)處理進度預(yù)警;④處理后，水質(zhì)監(jiān)測及等級分類預(yù)警。預(yù)警環(huán)節(jié)主要是為了保證雨水收集處理系統(tǒng)的有效性和合理性，這樣的處理流程能滿足當(dāng)前的需求。

(6)當(dāng)前的雨水收集處理系統(tǒng)反應(yīng)時效性較差，其主要原因在于系統(tǒng)的開放性較低，且需要人員及時維護，缺乏自我修復(fù)功能。一旦出現(xiàn)設(shè)備堵塞而得不到維護的狀況，就會造成擁堵產(chǎn)生大量積水，導(dǎo)致路面濕滑，對人們?nèi)粘Ｉ钤斐珊艽蟛槐恪?/p>

(7)雨水無法真正被人們廣范圍利用，其原因在于國家的機制體制建設(shè)還不夠完善，對雨水收集處理的重視程度不高。這就會導(dǎo)致雨水收集系統(tǒng)的缺點明顯，且加強改善的力度不夠。

為了彌補現(xiàn)有雨水收集系統(tǒng)的缺點，本文將現(xiàn)階段的雨水收集處理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，完善其功能上的缺失，改變其流程上的不合理性。同時加強雨水利用效率，減輕淡水資源嚴(yán)重匱乏的壓力，研究雨水收集系統(tǒng)的自動化工作裝置，推進流程化的雨水收集系統(tǒng)的開發(fā)與實施。

3 雨水收集方案設(shè)計與分析

3.1 設(shè)計方案

本文所設(shè)計的方案為在原有雨水收集裝置的雨水收集區(qū)域加入污染物濃度傳感器裝置和水位壓力傳感器，并鋪設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò);對降落到收集區(qū)域的雨水污染程度和降雨量的水位進行檢測，根據(jù)雨水的污染程序及降雨量將其劃分為四個等級;針對雨水的不同情況啟動相應(yīng)的等級預(yù)案，實現(xiàn)對雨水的高效收集處理雨水;針對不同檢測結(jié)果，運用不同的處理方式，使雨水得到最大化利用(圖2)。

圖2 雨水裝置構(gòu)圖

通過傳感器裝置對污染物濃度和降雨量進行的實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)中心，與系統(tǒng)中所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比對，可以將所收集到的雨水劃分為以下四種等級:正常情況、輕度污染情況、重度污染情況以及暴雨情況。根據(jù)《城市雨水徑流復(fù)合介質(zhì)多級過濾技術(shù)研究》中關(guān)于雨水所含物質(zhì)鑒定實驗，水質(zhì)及其用途的劃分標(biāo)準(zhǔn)如圖3 所示。

如果自然降雨，當(dāng)其水質(zhì)各項指標(biāo)與車輛沖洗用水水質(zhì)對應(yīng)指標(biāo)相比更低時，則其為一級雨水;當(dāng)雨水水質(zhì)各項指標(biāo)在道路清掃與建筑施工用水水質(zhì)指標(biāo)之間時，則其為二級雨水;當(dāng)雨水各項指標(biāo)高于建筑用水時可視為三級雨水，需要經(jīng)過多層處理步驟方可正常使用。

圖3 雨水內(nèi)含物質(zhì)鑒定［8］

通過傳感器裝置對污染物濃度和水位的測試數(shù)據(jù)，本文將收集的雨水分為正常情況、輕度污染情況、重度污染情況和暴雨情況，處理及判斷方式具體如下:

(1)正常情況:若為1 級，則無需開動其他閥門開關(guān)，讓雨水直接進入普通過濾系統(tǒng)進行過濾，過濾之后進入蓄水區(qū)，然后需要用水的時候再進入輸水系統(tǒng)進行使用，用完之后將廢水處理排除。

(2)輕度污染情況:若檢測出為2 級，則過濾裝置閥門開啟二層過濾網(wǎng)，對雨水進行更深一步過濾，二層過濾完之后直接進入一層過濾網(wǎng)進行過濾(一層過濾網(wǎng)無需開關(guān))，兩次過濾之后進入儲蓄區(qū)域，之后的步驟同1。

(3)重度污染情況:若檢測為3 級，即超出了裝置所能過濾的最大限度，或者通過本裝置收集到的雨水的使用對人體會產(chǎn)生危害。屬于這種情況的雨水將直接進入最后的排水管道，不進行過濾，也就是視其為廢水直接排入下水管道。

(4)暴雨情況:該雨水收集系統(tǒng)通過水位傳感器對降雨量進行實時監(jiān)控，將水位傳感器監(jiān)測到的水位信號通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)中心，將服務(wù)器將接收到的水位信息譯為可用的數(shù)據(jù)，每經(jīng)過24h 將檢測到的水位數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進行對比。參考我國氣象部門天氣預(yù)報雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)檢測到的水位數(shù)據(jù)大于或等于50mm 時即為暴雨情況，需要開啟暴雨緊急預(yù)案。因為若還在原裝置中進行雨水收集利用，由于過濾的速度和多個管道橫截面的影響，處理的速度會比較慢，有可能會造成過濾效率低下、裝置失靈或者裝置損壞、使用壽命減少等一系列問題。因此，當(dāng)檢測出為暴雨情況時，所收集到的雨水會直接進入蓄水區(qū)2，先不進行過濾。當(dāng)檢測到的水位數(shù)據(jù)持續(xù)30min 小于50mm 時，解除暴雨緊急預(yù)案，恢復(fù)正常雨水處理模式。

與傳統(tǒng)裝置相比，本雨水收集裝置的過濾系統(tǒng)除了感應(yīng)閥門裝置外，還包括兩層過濾網(wǎng):一層為普通的過濾網(wǎng)(一般可以去除＞2.5mm 的雜質(zhì));二層為深度過濾網(wǎng)，針對2 級雨水而用，該層過濾網(wǎng)可以將超出指標(biāo)的污染物或渾濁物進行進一步溶解和沉淀，從而起到高效過濾雨水的作用。

3.2 雨水收集方案優(yōu)化結(jié)果分析

與傳統(tǒng)的雨水收集系統(tǒng)相比，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化之后的雨水收集系統(tǒng)不僅在雨水收集效率及使用用途和廣度方面大為提高，并且針對雨量及雨水成分的不同分別采取了相應(yīng)的優(yōu)化方式，以保證對雨水的最大化利用以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3.2.1 被動收集變智能化收集

傳統(tǒng)的雨水收集裝置一般為純物理收集方式，采用蓄水池被動收集降落的雨水。優(yōu)化之后的雨水收集系統(tǒng)在系統(tǒng)中引入了物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和嵌入式技術(shù)，將對雨水的收集過程從被動式收集逐漸轉(zhuǎn)化為智能式操控。設(shè)計的裝置所用到的硬件設(shè)施為傳感器裝置，包括污染物濃度傳感器和水位壓力測試傳感器。從引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)角度來看，一般定義的物聯(lián)網(wǎng)包括三層:網(wǎng)絡(luò)層、傳感層和實物層。實物層是具體體現(xiàn)“物”與“物”相連的一層。傳感層的技術(shù)核心即為前文所提到的兩個傳感器裝置。網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)中樞，主要由三部分組成:①私有網(wǎng)絡(luò)或者互聯(lián)網(wǎng);②有線或者無線通信網(wǎng);③網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺，其主要負責(zé)傳遞和處理由傳感層獲取的雨水濃度水位等相關(guān)信息。本文所設(shè)計的方案在網(wǎng)絡(luò)層事先設(shè)定了一系列的通過網(wǎng)絡(luò)管理員實時更新的處理等級與處理方案。為了實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)和雨水收集系統(tǒng)的接口是處理信息與雨水檢測信息結(jié)合，這使雨水收集從原來的被動化收集走向智能化操控階段。

3.2.2 收集效率提高

引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化雨水收集系統(tǒng)方案，在對雨水進行收集過程中，不僅考慮了雨水含量和雨量的變化，還針對不同的情況采取不同的收集方式，從而提高雨水收集效率和質(zhì)量，提高雨水凈化強度。傳統(tǒng)的雨水收集系統(tǒng)只是簡單地體現(xiàn)雨水收集這一過程，并未針對雨水含量及雨量的不同采取不同收集方案。優(yōu)化后的系統(tǒng)將通過傳感器對污染物濃度和水位的數(shù)據(jù)進行收集，將雨水劃分成正常、輕度污染、重度污染和暴雨四個等級。

正常情況下無需開動閥門開關(guān)，過濾后將進入蓄水區(qū);當(dāng)出現(xiàn)輕度污染情況時，過濾裝置將開啟二層過濾網(wǎng)閥門，兩次過濾后再進入儲蓄區(qū)域;如果出現(xiàn)重度污染情況，就將雨水直接排入廢水管道;如果遇到暴雨情況，就需要進行緊急處理，收集到的雨水會直接進入蓄水區(qū)2，等水位下降時，再進行上述步驟。

3.2.3 增加數(shù)據(jù)維護功能

由于傳統(tǒng)雨水收集系統(tǒng)中為未結(jié)合智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，眾多有關(guān)雨量及雨水總雜質(zhì)含量的數(shù)據(jù)未能通過技術(shù)手段保留下來。優(yōu)化后方案可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特性，將得到的雨水收集數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，后續(xù)還可以對數(shù)據(jù)進行進一步的挖掘和研究，如預(yù)測未來雨水含量的走勢并通過分析雨水中所含雜質(zhì)的比例對環(huán)境治理提出合理建議。

3.2.4 有利于可持續(xù)發(fā)展

據(jù)國家發(fā)展改革委員會環(huán)境資源司專業(yè)人士預(yù)測推算，在“十二五”規(guī)劃期間，包括中央政府、地方政府和個人投資在內(nèi)的幾大部分，在城市的污水處理環(huán)節(jié)的總投資金額高達4500 億元［9］。北京泰寧科創(chuàng)科技有限公司之前在籌資建造了占地約為10hm2土地的雨水資源節(jié)約循環(huán)使用示范小區(qū)。按照以往北京的年降雨量來估算，該小區(qū)每年的預(yù)收集雨水可達5000m3，假設(shè)將上述條件下收集的雨水100%加以利用，據(jù)測算可以節(jié)約數(shù)萬元購買的自來水的體積。與傳統(tǒng)雨水系統(tǒng)相比，引入技術(shù)設(shè)備之后，雖然單個系統(tǒng)成本有所提高，但是從社會效益及長期的成本的角度來看，技術(shù)革新與設(shè)備改進是可持續(xù)發(fā)展的必要選擇。如果收集到的雨水水質(zhì)較好，通過過濾即可完成雨水的處理，其處理成本比較低，約為1 元/m3。這就與普通的生活廢水等污水的處理形成了鮮明的對比，后者的處理成本為3/m3～5 元/m3。所以，加入了物聯(lián)網(wǎng)智能化的雨水收集裝置將大大減少重復(fù)性的人力、物力。

3.2.5 提高雨水使用便利性

基于物聯(lián)網(wǎng)的雨水收集系統(tǒng)在收集雨水過程中充分考慮了雨量變化和雨水所含雜質(zhì)的差異性，旨在提高雨水收集效率和雨水凈化強度。與傳統(tǒng)雨水收集系統(tǒng)相比，優(yōu)化后的基于物聯(lián)網(wǎng)的雨水收集系統(tǒng)擴大了處理后雨水的使用范圍。通過傳統(tǒng)的物理過濾方法及化學(xué)物質(zhì)的分步反應(yīng)，雨水中的一些有害物質(zhì)和雜質(zhì)以沉淀的形式被分離出去，使得處理后雨水的各項指標(biāo)在可用水質(zhì)的指標(biāo)范圍之內(nèi)。雨水使用具體可以分為室內(nèi)用水和戶外用水兩大類。室內(nèi)用水主要用于沖洗廁所、澆花及洗清潔用具;戶外用水主要用于室外綠化園地灌溉、洗車及夏季街道灑水降溫等。除此之外，將基于物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化之后的雨水收集系統(tǒng)運用于城市雨水收集環(huán)節(jié)，結(jié)合其通用功能(凈化、滲透)，促進路面雨水通過地下管道排入沿途大型蓄水池或通過滲透作用補充地下水，以此來維持自然生態(tài)平衡的活水循環(huán)，為實現(xiàn)生態(tài)小區(qū)和生態(tài)城市奠定了堅實的基礎(chǔ)［10］。

4 結(jié)語

隨著我國現(xiàn)代化進程的不斷推進，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被人們廣泛關(guān)注。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會更多地應(yīng)用于人們的日常生活。本文所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的雨水收集系統(tǒng)在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器等技術(shù)的基礎(chǔ)上也保留了傳統(tǒng)意義上雨水收集系統(tǒng)裝置的特點，對今后我國的雨水收集利用項目提供了新的思路，具有一定的積極意義。

［1］ 百度百科. 物聯(lián)網(wǎng)概念［EB/OL］.http://baike.baidu.com/link?url=uaVvEdbfEZsX-RtvtK6lSzZkeCoqEPmFyeNSSxbEiQhi ZdllG5O1jYDtxjQ0wL1x7F7d6UkIQOkCkFGeQVfkna.

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［9］ 百度文庫. “十二五”期間我國污水處理行業(yè)現(xiàn)狀分析與前景預(yù)測［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/2fea5a9e9 ec3d5bbfc0a744d.html.

［10］張相忠，劉建華，邱淑硯. 城市雨水利用規(guī)劃研究［J］.規(guī)劃師.2006 (22):31-33.