基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)

晉美次旦 張紅艷 班 瑩

基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)

晉美次旦1張紅艷1班 瑩2

（1.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局；西藏 拉薩 850000；2.水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，江蘇 南京 210012）

為進(jìn)一步提高水文數(shù)據(jù)采集傳感器的效率，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅整合了現(xiàn)有的各種傳感器，提高了水文監(jiān)測系統(tǒng)的智能化；也為更加及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測洪峰流量、預(yù)報(bào)水情提供了保障。同時(shí)為水資源保護(hù)及其合理開發(fā)利用提供了重要的技術(shù)支撐；為防汛抗旱指揮調(diào)度提供了準(zhǔn)確、及時(shí)的參考信息。

物聯(lián)網(wǎng)；體系結(jié)構(gòu)；水文監(jiān)測系統(tǒng)

在水利系統(tǒng)，由于洪澇、干旱等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，需要針對地域、地形和氣候等復(fù)雜條件，建設(shè)覆蓋主要江河湖泊的水文測報(bào)系統(tǒng)。以便于快速可靠地采集和傳輸水情、雨情等各類災(zāi)情信息，保障防災(zāi)、抗災(zāi)、救災(zāi)指揮信息的傳達(dá)，最大限度地減少災(zāi)害損失。

“物聯(lián)網(wǎng)”(Internet of Things),指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，系統(tǒng)可以自動地、實(shí)時(shí)地對物體進(jìn)行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件。

近幾年，水文監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展速度明顯加快，取得了顯著的成效。但在取得成績的同時(shí)，也顯現(xiàn)了我國水文監(jiān)測系統(tǒng)面臨的一些突出困難和問題。主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：①在基礎(chǔ)建設(shè)過程中，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，造成智能化設(shè)施建設(shè)投資規(guī)模較小，影響了智能建設(shè)的整體規(guī)劃和統(tǒng)一推進(jìn)。②對于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)沒有統(tǒng)一規(guī)劃，存在一定的重復(fù)建設(shè)。③建設(shè)和管理過程中積累了大量的基礎(chǔ)信息資源，但由于這些基礎(chǔ)信息資源的網(wǎng)絡(luò)化程度低，限制了信息資源的二次開發(fā)利用和深層次的綜合加工處理，造成了信息資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各類水文監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成一張水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)M2M模式(man to man,man to machine,machine to machine)，從而構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)控系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為智能水文監(jiān)測提供了更加廣闊的發(fā)展空間。

1 物聯(lián)網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。目前多個(gè)國家都在花巨資進(jìn)行深入研究，物聯(lián)網(wǎng)是由多項(xiàng)信息技術(shù)融合而成的新型技術(shù)體系。

物聯(lián)網(wǎng)顧名思義就是連接物品的網(wǎng)絡(luò)，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告，對物聯(lián)網(wǎng)做了如下定義：通過二維碼識讀設(shè)備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品與物品(Thing to Thing,T2T)，人與物品(Human to Thing,H2T)，人與人(Human to Human，H2H)之間的互連。但是與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不同的是，H2T是指人利用通用裝置與物品之間的連接，從而使得物品連接更加地簡化，而H2H是指人之間不依賴于PC而進(jìn)行的互連。因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)并沒有考慮到對于任何物品連接的問題，故我們使用物聯(lián)網(wǎng)來解決這個(gè)傳統(tǒng)意義上的問題。

許多學(xué)者討論物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，經(jīng)常會引入一個(gè)M2M的概念,可以解釋成為人到人(Man to Man)、人到機(jī)器(Man to Machine)、機(jī)器到機(jī)器(Machine to Machine)。但是，M2M的所有的解釋并不僅限于能夠解釋物聯(lián)網(wǎng)。同樣，M2M這個(gè)概念在互聯(lián)網(wǎng)匯總也已經(jīng)得到了很好的闡釋，就連人與人之間的互動，也已經(jīng)通過第三方平臺或者網(wǎng)絡(luò)電視完成。人到機(jī)器的交互一直是人體工程學(xué)和人機(jī)界面等領(lǐng)域研究的主要課題，但是機(jī)器與機(jī)器之間的交互已經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)提供了最為成功的方案。從本質(zhì)上講,人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的交互，大部分是為了實(shí)現(xiàn)人與人之間的信息交互。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層由各種傳感器構(gòu)成，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。主要包括溫濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。

網(wǎng)絡(luò)層由各種網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺等組成，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的中樞，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，與行業(yè)需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

物聯(lián)網(wǎng)的核心理念是建立整個(gè)物理世界的感知網(wǎng)絡(luò)，對整個(gè)物理世界進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策。因此，根據(jù)水文監(jiān)測系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的信息采集、傳輸和智能控制技術(shù)，制定配套的技術(shù)規(guī)范，探索構(gòu)建一個(gè)安全、可靠、智能的基礎(chǔ)水文監(jiān)測感知網(wǎng)。

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，水文監(jiān)測網(wǎng)總體架構(gòu)(見圖1)分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要包括各種傳感器，如水位傳感器、降雨傳感器、六要素傳感器等，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的感知和采集。網(wǎng)絡(luò)層主要數(shù)據(jù)的傳輸和對各傳感器的控制。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)警以及對各個(gè)傳感器的調(diào)度、控制，主要包括實(shí)時(shí)水雨情監(jiān)測系統(tǒng)、山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)以及各級監(jiān)控中心。

圖1 結(jié)構(gòu)層次圖

2.1 感知層——數(shù)據(jù)采集層

感知層負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，主要涉及到各個(gè)類型的傳感器。最近幾十年新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，新技術(shù)的水文自動化傳感器產(chǎn)品大量出現(xiàn)，包括水位、雨量、流速等。

（1）水位遙測站。水位遙測站是在無線傳輸情況下測量水庫、河流、湖泊等的水位，監(jiān)測水位變化的有效監(jiān)測設(shè)備。主要有水位傳感器（浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)）、RTU、3G、北斗衛(wèi)星、太陽能電池板等?？蓪?shí)現(xiàn)查詢上報(bào)和自動報(bào)汛模式，而自動報(bào)訊可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的水情進(jìn)行加報(bào)加測?？稍O(shè)定多個(gè)通訊鏈路，包括有線、無線及衛(wèi)星，組合設(shè)定多種自報(bào)策略，自動選擇通訊鏈路完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。

（2）降水遙測站。降水遙測站主要由翻斗式雨量計(jì)、RTU、通訊設(shè)備、電源等組成?？蓪?shí)現(xiàn)定時(shí)測報(bào)和加測加報(bào)。通訊鏈路可選擇多個(gè)鏈路互備。主要為山洪災(zāi)害、中小河流中已布設(shè)的遙測站點(diǎn)。

（3）流量遙測站。流量遙測站在國內(nèi)主要使用ADCP、RTU、通訊設(shè)備、電源等組成可實(shí)現(xiàn)查詢上報(bào)和自動報(bào)汛模式，而自動報(bào)訊可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的水情進(jìn)行加報(bào)加測?？稍O(shè)定多個(gè)通訊鏈路，包括有線、無線及衛(wèi)星，組合設(shè)定多種自報(bào)策略，自動選擇通訊鏈路完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。

2.2 視頻采集點(diǎn)

視頻采集點(diǎn)由可控?cái)z像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、室外防護(hù)罩、云臺等組成，主要布設(shè)在重要河段、水庫及提防處?？蓪?shí)現(xiàn)全天候?qū)嗝婕昂拥狼闆r的多媒體的展播。通訊鏈路可選擇GPRS和有線的互備鏈路。視頻采集點(diǎn)主要應(yīng)用于對各個(gè)斷面的監(jiān)控管理和應(yīng)急處理。

3 傳輸層

一個(gè)遙測系統(tǒng)的成敗取決于對傳輸方式及傳輸鏈路的選擇。

3.1 傳輸方式

考慮到今后的遙測站是必然的趨勢，遙測站點(diǎn)會日益擴(kuò)大，傳輸數(shù)據(jù)越來越多，因而采用集合轉(zhuǎn)發(fā)模式。集合轉(zhuǎn)發(fā)模式為遙測站將數(shù)據(jù)發(fā)往該遙測站所屬的分中心，再由分中心打包轉(zhuǎn)發(fā)至中心站，從而減少數(shù)據(jù)因堵塞和碰撞而產(chǎn)生的丟包。

3.2 傳輸鏈路

考慮到水文行業(yè)的特殊性以及水文遙測站的布設(shè)特性，在選擇傳輸鏈路的選擇應(yīng)充分考慮其安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性。

有線通信借助于有形媒質(zhì)來傳送信息，因而受到有線的限制。但穩(wěn)定，很少受到外界的干擾，誤碼率低，傳輸速度高且安全，但在發(fā)生災(zāi)情時(shí)無法保障通信。

無線通信時(shí)通過電磁波來進(jìn)行信息交換，不受有線的限制，發(fā)生災(zāi)情時(shí)受到的影響較小。但由于電磁波易受到外界的干擾，因而不穩(wěn)定。

衛(wèi)星通信也是通過電磁波完成通信，不受地域影響，發(fā)生災(zāi)情時(shí)通信不會受到影響，但缺點(diǎn)是傳輸容量較小。

由于多數(shù)遙測站布設(shè)在偏遠(yuǎn)區(qū)域，所以在選擇鏈路時(shí)，選擇無線為主，即選擇GPRS和衛(wèi)星通訊。

4 聯(lián)動機(jī)制

每個(gè)遙測點(diǎn)的RTU中存入代表洪水流經(jīng)的路徑信息（見圖2），圖2主要記錄該遙測站的下游站及所能影響到的站點(diǎn)的IP等信息。圖中包括3項(xiàng)內(nèi)容分別為：第一項(xiàng)，IP號，代表目標(biāo)遙測站，意思是洪水流經(jīng)的下游站；第二項(xiàng)，接口號，代表去往目標(biāo)遙測站指令的出口，各個(gè)遙測站具有主備數(shù)據(jù)鏈路；第三項(xiàng)，度量值，代表該IP的物理位置遠(yuǎn)近。圖中的各項(xiàng)是人為設(shè)置的，以減少不必的資源浪費(fèi)。主要基于圖2，向下游或流域內(nèi)其他站點(diǎn)發(fā)出指令，進(jìn)行觀測和報(bào)訊頻度的調(diào)整，從而能夠捕捉到通過該斷面的洪峰數(shù)據(jù)，以及對中心站的發(fā)出初步預(yù)警，從而使中心站通過視頻能夠直觀地了解洪水行進(jìn)路線上流域或河流的現(xiàn)場情況。

圖2 路徑信息圖

某個(gè)雨量遙測站或水位遙測站，出現(xiàn)超警戒情況，首先要調(diào)整自己的觀測和報(bào)訊頻度，而后向中心站及分中心報(bào)訊發(fā)出初步預(yù)警；查詢自己的表，通過度量值查出距自己最近的下游遙測站及受影響的遙測站的IP信息、出口的鏈路，發(fā)出指令，調(diào)整下游站的觀測和報(bào)訊頻度。

如果出現(xiàn)指令發(fā)不出去，再次查詢表、調(diào)整端口、發(fā)出指令，若仍未發(fā)出，就要通過查詢表中度量值、查詢更下游站的IP等信息，再次發(fā)出指令。

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.03.006

P338.9；TP212

B

1008-1305（2014）03-0019-03

晉美次旦（1975年-），男，工程師。