物聯(lián)網(wǎng)技術在水文監(jiān)測信息系統(tǒng)中的應用

湖北省漢江興隆水利樞紐管理局 王小霞

我國廣闊地域下地質水文情況變化復雜，各地水文特征差異較大，人工手段對水文情況進行監(jiān)測、跟蹤記錄，數(shù)據(jù)傳遞慢，監(jiān)測維護成本相對較高，難以做到不間斷監(jiān)測。物聯(lián)網(wǎng)技術可以很好彌補這方面的劣勢，隨著網(wǎng)絡傳遞技術和智能化傳感器技術的進步，作為物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點的成本越來越低，布置越來越方便，采集數(shù)據(jù)的效率越來越高，輔助現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、信息通信技術，形成一整套的工程系統(tǒng)完成水文環(huán)境監(jiān)測。因此，物聯(lián)網(wǎng)在水文監(jiān)測中的充分利用是今后水文監(jiān)測智能化的重要手段和發(fā)展方向。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術及其結構

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術的特點

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測信息系統(tǒng)

圖2 數(shù)據(jù)采集終端框架

物聯(lián)網(wǎng)技術的應用基礎是通過利用紅外感應器等一系列感應器，將實物與網(wǎng)絡聯(lián)系在一起，實時不間斷的將實物數(shù)據(jù)信息，通過特定的通信協(xié)議，借助互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳遞和交互，從在對實物達到識別、跟蹤、定位等一系列監(jiān)測管理。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)結構

網(wǎng)絡通信等技術的集成。這其中：感知技術，主要體現(xiàn)在各種傳感器設備的應用，是對實物信息數(shù)據(jù)的原始采集手段，實現(xiàn)物物相聯(lián)的基礎。數(shù)據(jù)融合，對于感知技術采集得到各種數(shù)據(jù)信息進行處理，反映出實物的原始信息，處理后滿足信息利用的有效化，這是得出監(jiān)測數(shù)據(jù)結果的手段。云計算是數(shù)據(jù)處理手段，是利用網(wǎng)絡更高效率的數(shù)據(jù)信息處理方式。網(wǎng)絡通信技術，其主要是通過傳感器提供數(shù)據(jù)和智能終端進行互聯(lián)。

物聯(lián)網(wǎng)工作原理，是由感知技術設備（傳感器）采集原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡通信技術將這些數(shù)據(jù)傳遞到應用層面。應用層面依據(jù)分析處理后數(shù)據(jù)再次命令感知技術設備再次采集數(shù)據(jù)，形成一個工作循環(huán)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測信息系統(tǒng)

從南京市的物聯(lián)網(wǎng)在水文監(jiān)測中的應用來看，雖然是一個簡單示例，但也包含了物聯(lián)網(wǎng)在水文監(jiān)測系統(tǒng)中的所有構成。圖1是基本的水文監(jiān)測系統(tǒng)基本構成。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設備

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設備，是整個系統(tǒng)的觸角，即在水位站、監(jiān)測站安裝傳感器，還有視頻監(jiān)控設備。這是物聯(lián)網(wǎng)在水文監(jiān)測信息系統(tǒng)中的基礎硬件，是水文數(shù)據(jù)的終端節(jié)點，其主要是利用傳感器（數(shù)據(jù)采集模塊）對水文參數(shù)進行監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集，然后轉變?yōu)閿?shù)據(jù)調制信號，并通過傳感器向網(wǎng)關節(jié)點進行發(fā)送。數(shù)據(jù)采集終端框架如圖2所示。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關路由節(jié)點

水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關路由節(jié)點是聯(lián)系終端節(jié)點和監(jiān)控節(jié)點的紐帶。其通過不定時發(fā)出查詢指令，令路由表進行不斷的更新，對物聯(lián)網(wǎng)中子網(wǎng)進行協(xié)調，考慮到不同的應用環(huán)境和測試工作的內容重點不同，建立新的子網(wǎng)絡。并且在對終端節(jié)點取得的原始數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計分析，將結果存入數(shù)據(jù)庫。在南京市物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測的應用中，可隨時調用二十四小時水位過程線、水位變化的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就是這種功能的實現(xiàn)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)控制中心

物聯(lián)網(wǎng)控制中心，是作為整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大腦的遠程中心監(jiān)控，是對整個水文數(shù)據(jù)進行匯集處理，并對水文數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，最后依據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析做出有效建議，以便管理人員做出決策應對。由于其主要功能作用，使用的硬件以高性能服務器為主進數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術設備

隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應用中的基礎技術如網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳遞技術、智能傳感器技術都得到長足進步。其中，傳輸技術發(fā)展到如今的5G技術，使物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的傳輸效能得到更一步加強。作為物聯(lián)網(wǎng)技術中硬件基礎的傳感器，發(fā)展到帶有自我檢測功能、診斷功能，自適應數(shù)據(jù)處理能力，采用微處理器的結合計算和檢測技術的新一代智能傳感器，達到了一定的人工智能水平，使其能滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)中對傳感器的記憶、診斷、數(shù)據(jù)測量傳遞以及互聯(lián)通信，為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了支持。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術在水利信息化中的具體應用

基于水文監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)建設，首先要考慮水利行業(yè)的作業(yè)特點和實際監(jiān)測重點，結合物聯(lián)網(wǎng)的體系結構，在水文監(jiān)測中構建物聯(lián)網(wǎng)，主要以下三個層面進行構建。

第一層面，是數(shù)據(jù)采集層面，也是系統(tǒng)的硬件采集平臺，主要是由滿足各種不同功能需要的傳感器組成，如測量水位、降水量測量、地下水監(jiān)測、水質監(jiān)測儀、攝像頭等形成的整體系統(tǒng)，對如降水量、水位高低變化、水流速度等數(shù)據(jù)進行采集。這是整個水文監(jiān)測物聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎，也是硬件環(huán)節(jié)的基礎。如南京東江監(jiān)測站，主要是為了加強防洪力度，在該水段安裝了水位傳感器、流速傳感和水質組合傳感等，主要對流速、水量和渾濁度進行測試。需要注意的事，考慮到日后的其它測試功能的需要，在終端上要預留接口。

第二個層面，是監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的傳遞層面。傳感器將搜集到的水文參數(shù)轉變調制信號，通過終端節(jié)點進行匯總，然后通過網(wǎng)關路由節(jié)節(jié)點，經(jīng)由GPRS、北斗等，結合互聯(lián)網(wǎng)技術，將前一層面采集到的數(shù)據(jù)信息進行傳遞，并對傳感器進行控制。在這里，終端節(jié)點的選擇要保證功耗低、可靠性高，重點考慮其能耗問題。

第三個層面，應用層面是對整個控制系統(tǒng)在軟件上的集成。其主要功能是對傳遞過來的數(shù)據(jù)進行處理，如文件模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、調用；圖像化的功能模塊更方便于對網(wǎng)絡路由節(jié)點和終端節(jié)點的設置和調控；分析處理模塊是整理統(tǒng)計分析，以便進行決策，做出反映，做出調整和控制。結合地圖、時間軸和參數(shù)模型，對節(jié)點的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)標示為曲線圖，顯示在地圖上，從整體上掌控整個水域的水文信息。這一層面主要對象是實時雨水情況的監(jiān)測、山洪災害預警等。

物聯(lián)網(wǎng)技術的在水文監(jiān)測上的應用，使得現(xiàn)代化的水文服務和管理模式，以及該模式帶來的效率與便捷性優(yōu)勢盡顯。在南京市，二十四小時水位過程線、實時水位信息、實時雨量信息，以及實時的水文站周邊環(huán)境，水體狀態(tài)等直觀的實時圖像，這一切數(shù)據(jù)信息顯示在指揮中心、水位站和任意監(jiān)測站大屏幕顯示器上，遠距監(jiān)測站點的運行狀況。這些功能在聯(lián)網(wǎng)中任意監(jiān)測站或中心站或控制中心均可操作，實現(xiàn)對分布零散的水文監(jiān)測站點，實施便捷集中管理。在發(fā)生水澇災害的情況下，防汛指揮中心就可以直接調播現(xiàn)場畫面，了解到現(xiàn)場河道的水位變化、水體表象、河道水流水量傳，便于快速做出科學決策。

結論：綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術的應用提升了數(shù)據(jù)的時效性、數(shù)據(jù)的采集和處理效率。對水資源的全天候的管理和監(jiān)測，不僅僅只是在水文監(jiān)測中運用物聯(lián)網(wǎng)技術，還可以對水環(huán)境保護、抗旱防汛、水資源利用等，極大的促進我國水利信息化水平。