基于分布式采集的水文現(xiàn)代化感知體系初探

王 妍，張 夏

（海河水利委員會(huì)水利信息網(wǎng)絡(luò)中心，天津 300170）

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域不斷深度融合，帶來了生產(chǎn)力又一次質(zhì)的飛躍和各個(gè)行業(yè)從數(shù)字化向智慧化的轉(zhuǎn)變。水文現(xiàn)代化正在從水文信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)及處理等方面積極探索和實(shí)踐運(yùn)用新型信息技術(shù)提高水文信息資源的應(yīng)用水平和共享程度，從而全面提升水文建設(shè)水平和水事處理效能、效益。

水文信息是整個(gè)水文業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，水文感知體系的智慧化是水文現(xiàn)代化發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。但目前，水文感知的現(xiàn)代化水平總體較低，存在著監(jiān)測(cè)手段自動(dòng)化程度不高、新型傳感設(shè)備和遙感等新技術(shù)應(yīng)用不足、監(jiān)測(cè)仍以單點(diǎn)信息采集為主等問題。如何穩(wěn)定、高效地采集、傳輸、解析水文信息就成為水文現(xiàn)代化發(fā)展過程中的重中之重。

2 分布式水文感知體系架構(gòu)和功能

分布式水文感知體系是運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化和通信控制等先進(jìn)的軟、硬件技術(shù)，對(duì)水文行業(yè)中各監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行信息的采集、傳輸、收集和解析。通過一套功能齊全、穩(wěn)定可靠、使用方便的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的感知體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠快速完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，做到觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析、及時(shí)反饋和及時(shí)入庫，達(dá)到少人值守或無人值守的效果。通過該體系的實(shí)施，能夠?qū)崿F(xiàn)水文信息采集、管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和水文設(shè)備運(yùn)行狀況等傳統(tǒng)工作流程的一體化和智能化，為決策者提供可靠的數(shù)據(jù)來源。

2.1 體系架構(gòu)

分布式水文感知體系采用自下而上的感知終端、通道層、感控層、協(xié)議層、展示層的分布式5層架構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）感知終端。感知終端主要包含水位計(jì)、雨量計(jì)等各種傳感設(shè)備以及攝像頭、電子圍欄、巡檢機(jī)器人等智能化終端設(shè)備，主要功能是采集和感應(yīng)各種水文要素、狀態(tài)和事件信息。

（2）通道層。通道層用于傳輸整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信中的所有節(jié)點(diǎn)模型均在此層配置，對(duì)不同通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分撥，不同的采集設(shè)備擁有各自的解析通道，其數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)也不盡相同；不同設(shè)備、協(xié)議可通過配置工具進(jìn)行配置。

（3）感控層。其本質(zhì)是一個(gè)綜合處理的平臺(tái)，它管理著從通道層獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)，并對(duì)這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的業(yè)務(wù)分析及入庫，最后再將結(jié)果反饋到展示層。系統(tǒng)中本層具有多個(gè)子模塊，

（4）協(xié)議層。協(xié)議層是針對(duì)采集設(shè)備對(duì)應(yīng)的各種解析協(xié)議的專門層級(jí)。不同類型、不同廠商、不同版本的設(shè)備成百上千，如果將這些設(shè)備的協(xié)議內(nèi)容都放置到對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)模塊中，無疑會(huì)造成系統(tǒng)的臃腫以及維護(hù)性和生產(chǎn)性能的極大浪費(fèi)。因此，對(duì)協(xié)議進(jìn)行整體的切割，分離出特定的協(xié)議層來針對(duì)性地處理各式各樣協(xié)議。

（5）展示層。展示層可最終體現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、信息查詢等，并提供用于配置整個(gè)系統(tǒng)流轉(zhuǎn)的靜態(tài)信息以及固定參數(shù)。通過模塊，可以十分清晰地展示業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

分布式水文感知體系主要具備指令學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換、運(yùn)行分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)步驟如下。

（1）不斷學(xué)習(xí)迭代各類采集設(shè)施設(shè)備的操作指令，智能化傳輸和下達(dá)指令對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的遙測(cè)水文數(shù)據(jù)包括新建遙測(cè)點(diǎn)的水位、雨量、流量、人工置數(shù)等內(nèi)容的實(shí)時(shí)接收，完成對(duì)接收數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息的智能化組織處理，去掉接收數(shù)據(jù)庫里的冗余和不合理數(shù)據(jù)，提取接收數(shù)據(jù)庫里的特征數(shù)據(jù)并加以處理，使之成為能正確反映監(jiān)測(cè)區(qū)域水位、雨量、蒸發(fā)量、流量等水文要素變化過程的數(shù)據(jù)。

（2）對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)每日接收的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性、誤碼率、暢通率、遲報(bào)、誤報(bào)、漏報(bào)進(jìn)行分析，得出各種統(tǒng)計(jì)信息，以便于維護(hù)、改進(jìn)軟硬件工作環(huán)境和系統(tǒng)的通信方式。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)提供各遙測(cè)站信息的監(jiān)測(cè)及查詢，系統(tǒng)配置模塊承擔(dān)著對(duì)整改體系內(nèi)各模塊靜態(tài)數(shù)據(jù)、常量數(shù)據(jù)的設(shè)定，同時(shí)提供了針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各功能模塊的業(yè)務(wù)設(shè)置。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）先進(jìn)的SOA體系架構(gòu)平臺(tái)。根據(jù)需求，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)松散耦合的粗粒度應(yīng)用組件進(jìn)行分布式部署、組合和使用，可以更加迅速、可靠、更具重用性架構(gòu)整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。較之以往，以SOA為架構(gòu)的體系能夠更加從容地面對(duì)業(yè)務(wù)的急劇變化，在正常工作中可以更輕松地面對(duì)各種突發(fā)情況。

（2）采用分布式部署。分布式部署可把各系統(tǒng)模塊拆分，使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的接口通信，降低模塊之間的耦合度，把體系拆分成若干個(gè)子項(xiàng)目，通過不同的建設(shè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)施，避免了傳統(tǒng)的信息采集系統(tǒng)獨(dú)立開發(fā)、信息傳輸不暢等問題。

（3）良好的技術(shù)集成能力。通過采集操作集成、流程集成與系統(tǒng)間集成，使任何一個(gè)新增的采集模塊都可以用統(tǒng)一的方式與其他業(yè)務(wù)模塊相互訪問。通過對(duì)統(tǒng)一業(yè)務(wù)接口的管理保證了系統(tǒng)功能之間訪問的緊密性及一致性，所有采集水文信息相關(guān)的流程和操作都可以集中地被系統(tǒng)控制，其他系統(tǒng)可以非常容易地理解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并通過統(tǒng)一的方式與系統(tǒng)進(jìn)行通信。其克服了目前傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)互相受制，模塊之間信息傳遞不及時(shí)等問題。

（4）具有開放性與拓展性。整個(gè)體系架構(gòu)具有開放性和拓展性，適應(yīng)不同型號(hào)、版本、協(xié)議設(shè)備以及運(yùn)行環(huán)境，無需考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸?shù)燃夹g(shù)細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用集成的復(fù)雜度。感控平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有靈活的拓展性，可以適應(yīng)水文行業(yè)的不斷更新發(fā)展，可以在現(xiàn)有的體系中添加新的功能模塊，同時(shí)保證了不同水利業(yè)務(wù)間的協(xié)同。

（5）操作簡(jiǎn)單易行。該體系中具有指令學(xué)習(xí)的功能，可以學(xué)習(xí)和記憶并優(yōu)化用戶的常用動(dòng)作，操作上較傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)更為人性化，具備一定的容錯(cuò)功能，可減少由于操作不熟練和失誤帶來的損失；根據(jù)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用統(tǒng)一業(yè)務(wù)門戶的要求，用戶界面趨于標(biāo)準(zhǔn)化和一致性，大大降低了用戶對(duì)于界面使用的學(xué)習(xí)成本。

3 結(jié)語

水文感知體系作為獲取、監(jiān)控與測(cè)量水文信息的重要手段，推進(jìn)其智慧化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代發(fā)展的基礎(chǔ)。分布式水文感知體系的設(shè)計(jì)融合了當(dāng)前先進(jìn)的采集技術(shù)、通信傳輸技術(shù)以及人工智能技術(shù)等，但要實(shí)現(xiàn)全面的透徹感知不可能一蹴而就，需要一個(gè)過程，周期長(zhǎng)、投資大、維護(hù)難，本著急用先建的原則，應(yīng)按照不同規(guī)模等級(jí)、不同地域分區(qū)、不同重要程度，分階段分批次納入智能感知體系。