基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水利發(fā)展與創(chuàng)新研究

時(shí)生樂(lè) 魏素盼

【摘要】近年來(lái)，我國(guó)越來(lái)越重視水利信息化建設(shè)，作為水利工程信息化建設(shè)的重要階段，智慧水利建設(shè)既是落實(shí)新時(shí)代治水方針的必然措施，也是新時(shí)代水利工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)智慧水利建設(shè)雖然取得了一定效果，但水污染、水資源浪費(fèi)、水質(zhì)檢測(cè)和預(yù)警能力不足等問(wèn)題依然嚴(yán)峻。本文針對(duì)當(dāng)前水利信息化建設(shè)過(guò)程中存在的突出問(wèn)題，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT、LoRa等當(dāng)前先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)智慧水利系統(tǒng)進(jìn)行研究，全面推進(jìn)智慧水利建設(shè)，促進(jìn)水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化。

【關(guān)鍵字】智慧水利;物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;LoRa;水利信息化

基金項(xiàng)目：1. 2019年度河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題：基于校企合作的“三師一輔導(dǎo)制”高職院校人才培養(yǎng)模式研究（編號(hào)：〔2019〕-JKGHYB-0420）? ? 2. 河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院院內(nèi)課題：職業(yè)技能大賽對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)實(shí)效性研究（編號(hào)：KY1906）

當(dāng)前我國(guó)水利工程建設(shè)還處于向信息化過(guò)渡階段，傳統(tǒng)水利建設(shè)與管理技術(shù)仍舊處于主導(dǎo)地位。在水資源調(diào)度方面，水資源依據(jù)工作人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度的合理性和準(zhǔn)確性受管理人員的專業(yè)水平和職業(yè)素養(yǎng)影響較大，調(diào)度不合理的情況時(shí)有發(fā)生;在水質(zhì)檢測(cè)預(yù)警方面，水質(zhì)檢測(cè)大多仍然是人工到水源地進(jìn)行采樣，然后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，浪費(fèi)大量人力物力，并且不能對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)水資源受到污染時(shí)，不能及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)污染源。

隨著NB-IoT、LoRa等物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)、交通、城市等各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智慧水利建設(shè)中，是快速提升水利工程信息化的有效手段。本文重點(diǎn)研究如何將當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)先進(jìn)技術(shù)巧妙運(yùn)用到智慧水利建設(shè)中，減少人力物力投入，降低智慧水利建設(shè)成本，提升水利建設(shè)信息化水平，對(duì)我國(guó)水生態(tài)文明建設(shè)具有積極的推動(dòng)作用。

1. NB-IoT技術(shù)在智慧水利建設(shè)中的應(yīng)用

NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things）的簡(jiǎn)稱。近年來(lái)NB-IoT技術(shù)得到快速發(fā)展，因NB-IoT具有覆蓋區(qū)域廣、連接數(shù)量多、功耗低、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，NB-IoT技術(shù)已經(jīng)在遠(yuǎn)程抄表、智能門(mén)鎖、智能停車、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在智慧水利建設(shè)中，對(duì)水質(zhì)檢測(cè)將用到大量傳感器設(shè)備，采用傳統(tǒng)有線方式雖然可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程處理平臺(tái)，但線路部署、運(yùn)營(yíng)等將耗費(fèi)巨大人力物力，特別是一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，部署設(shè)備和線路不現(xiàn)實(shí)，嚴(yán)重阻礙水利信息化建設(shè)進(jìn)程和水利系統(tǒng)現(xiàn)代化。

針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在的問(wèn)題，在傳感數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，使用NB-IoT技術(shù)將很好解決功耗大、難以部署等問(wèn)題。首先NB-IoT的低功耗設(shè)計(jì)，電池使用壽命可以達(dá)到10年，極大節(jié)約電力和設(shè)備維護(hù)成本。NB-IoT通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不必另設(shè)基站即可遠(yuǎn)距離傳輸;NB-IoT技術(shù)中簡(jiǎn)化協(xié)議棧設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化基帶處理，高度芯片集成，因此可以實(shí)現(xiàn)更低的芯片成本，從而進(jìn)一步降低項(xiàng)目成本;NB-IoT與 2/3/4G通信系統(tǒng)相比，有50到100倍的上行容量提升，NB-IoT每個(gè)區(qū)域可達(dá)5萬(wàn)個(gè)連接;在設(shè)備部署過(guò)程中，不需要對(duì)NB-IoT設(shè)備額外供電，設(shè)備內(nèi)自帶的電源即可讓設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)10年之久，特別適合在條件惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)部署。

2. LoRa技術(shù)在智慧水利建設(shè)中的應(yīng)用

LoRa（Long Range）是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是當(dāng)前諸多低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）中的一種，近年來(lái)，LoRa技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也在對(duì)LoRa技術(shù)進(jìn)行深入研究。LoRaWAN是LoRa Wide Area Network（LoRa廣域網(wǎng)）的簡(jiǎn)稱，是基于LoRa技術(shù)的一種通信協(xié)議，它主要包括LoRa終端、LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa服務(wù)器等3個(gè)通信實(shí)體，LoRa終端作為數(shù)據(jù)采集和控制終端，LoRa網(wǎng)關(guān)收集各個(gè)LoRa終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步處理。LoRa具有功耗低、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，它工作在免費(fèi)的ISM頻段，該頻段不需要授權(quán)即可使用，通信距離可能達(dá)到5km，這些優(yōu)點(diǎn)必將使LoRa技術(shù)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

基于LoRa技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，將LoRa技術(shù)運(yùn)用到智慧水利建設(shè)當(dāng)中，必將推動(dòng)水利系統(tǒng)信息化快速發(fā)展。在需要檢測(cè)水質(zhì)的水源中部署大量傳感器設(shè)備，使用LoRa終端將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)低功耗、遠(yuǎn)距離LoRaWAN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，用戶可通過(guò)云平臺(tái)和各種移動(dòng)終端設(shè)備，對(duì)水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和查看，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù)警，減少人力物力成本，提高水利系統(tǒng)現(xiàn)代化、智慧化水平，縮短水利信息化建設(shè)周期，保障水安全、改善水生態(tài)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

3. 基于遠(yuǎn)程控制技術(shù)的水資源精準(zhǔn)調(diào)度

我國(guó)是水資源相對(duì)匱乏的國(guó)家，區(qū)域水資源分布不均衡，需要對(duì)水資源進(jìn)行跨流域甚至跨區(qū)域調(diào)度來(lái)緩解水資源分布不均問(wèn)題，這對(duì)水資源的合理調(diào)度帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。然而，使用傳統(tǒng)水資源調(diào)度方式導(dǎo)致每年都有大量水資源因不合理調(diào)度而白白浪費(fèi)和流失，致使水資源利用率低下。解決水資源精準(zhǔn)合理調(diào)度問(wèn)題將對(duì)我國(guó)水資源不足問(wèn)題起到一定的緩解作用，也是智慧水利建設(shè)的重要內(nèi)容。

當(dāng)前水資源調(diào)度大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和水位進(jìn)行調(diào)度，水資源不能合理分配，導(dǎo)致一些區(qū)域水資源過(guò)剩而另一些區(qū)域水資源緊缺，嚴(yán)重影響調(diào)度的決策和調(diào)度的效果。使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)化閘門(mén)系統(tǒng)，根據(jù)渠道斷面，布設(shè)閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集渠道流量水位，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸至云平臺(tái)，根據(jù)用水量需求，進(jìn)行地理信息、渠道監(jiān)控、損耗分析、預(yù)警報(bào)警、閘門(mén)自動(dòng)化控制等信息化管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源合理調(diào)度和智慧化控制，進(jìn)而極大提高水資源利用率、大幅提升水利智慧化管理和服務(wù)水平、有效保護(hù)水資源和水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人水和諧，推動(dòng)水生態(tài)文明建設(shè)。

4. 大數(shù)據(jù)、云計(jì)算助力智慧水利建設(shè)

智慧水利系統(tǒng)中利用各種傳感設(shè)備對(duì)水質(zhì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行采集，這些傳感器對(duì)水質(zhì)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，由于傳感器故障、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等因素，采集的數(shù)據(jù)不一定都是正確的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的，不能直接存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此需要對(duì)這些非結(jié)構(gòu)化、包含噪音的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除無(wú)效和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化處理之后才能存儲(chǔ)到云平臺(tái)中，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。

對(duì)于采集的這些傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)分析任務(wù)的需要建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，最后在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行挖掘分析。設(shè)計(jì)基于分類、聚類等的數(shù)據(jù)挖掘算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能算法對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，云服務(wù)平臺(tái)使用這些算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析、處理，找出不同水質(zhì)指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)水污染檢測(cè)和早期預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的智慧化管理。

5. 總結(jié)

本文提出在智慧水利建設(shè)中運(yùn)用NB-IoT、LoRa、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)水資源進(jìn)行遠(yuǎn)程精準(zhǔn)化調(diào)度。通過(guò)使用這些先進(jìn)技術(shù)，能夠提升智慧水利智能化程度，能夠極大降低智慧水利建設(shè)成本，加快我國(guó)水利工程信息化建設(shè)，推動(dòng)我國(guó)水利系統(tǒng)向現(xiàn)代化、智能化、智慧化方向發(fā)展。

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