基于物聯(lián)網(wǎng)的虛擬水文測(cè)站構(gòu)架

葉永清

（浙江天禹信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

水文測(cè)站，是指為收集水文監(jiān)測(cè)資料在江河、湖泊、渠道、水庫(kù)和流域內(nèi)設(shè)立的各種水文觀測(cè)場(chǎng)所的總稱。水文測(cè)站主要是為水文水資源信息服務(wù)，為開展行政區(qū)界水資源監(jiān)測(cè)分析、最嚴(yán)格水資源管理監(jiān)督考核提供支撐；在防臺(tái)抗臺(tái)、洪水災(zāi)害及突發(fā)水污染等自然災(zāi)害的涉水事務(wù)中提供監(jiān)測(cè)和信息服務(wù)；通過各種途徑等發(fā)布實(shí)時(shí)水文信息，建立中央、流域和省級(jí)水情預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)，同時(shí)向社會(huì)發(fā)布洪水和干旱預(yù)報(bào)預(yù)警等，增強(qiáng)社會(huì)的防災(zāi)避險(xiǎn)意識(shí)。當(dāng)前我國(guó)水文部門建設(shè)的水文遙測(cè)站中實(shí)現(xiàn)水文信息采集的主要手段是建設(shè)水文遙測(cè)系統(tǒng)。遙測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)相關(guān)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，通過遙測(cè)終端機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸?shù)街行恼綶1]。這種結(jié)構(gòu)在水文遙測(cè)站建設(shè)中會(huì)有以下幾點(diǎn)問題：

1）水文測(cè)站遙測(cè)系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差。水文測(cè)站遙測(cè)系統(tǒng)每類參數(shù)是通過是建設(shè)獨(dú)立的遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行采集，根據(jù)各單位對(duì)數(shù)據(jù)的采集密度、傳輸協(xié)議、接口平臺(tái)等需求不同，只有通過新建新的采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。比如，常規(guī)水文遙測(cè)系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)密度為 5 min，發(fā)報(bào)方式是自報(bào)式，傳輸協(xié)議采用自定義協(xié)議，倘若有采集高頻率數(shù)據(jù)的需求（即 1 min數(shù)據(jù)），采集傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用的發(fā)報(bào)方式為觸發(fā)式，則無法滿足此項(xiàng)需求。此類結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)水文測(cè)站而言是無法擴(kuò)展的，只能通過新建系統(tǒng)來滿足新的需求。

2）水文測(cè)站遙測(cè)系統(tǒng)容災(zāi)能力較弱。水文測(cè)站遙測(cè)系統(tǒng)的通信手段基本是采用公網(wǎng)傳輸，比如電信、移動(dòng)、聯(lián)通等移動(dòng)基站，對(duì)于自主建設(shè)的通信傳輸而言，公網(wǎng)方式具有使用便捷、維護(hù)成本低的特點(diǎn)，可是當(dāng)遭遇到超強(qiáng)的災(zāi)害時(shí)，極易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中止、斷開的情況，當(dāng)公用通信基站出現(xiàn)故障的情況時(shí)，通過該運(yùn)營(yíng)商基站傳輸?shù)倪b測(cè)設(shè)備將無法通信，這種情況在遭遇臺(tái)風(fēng)時(shí)會(huì)有發(fā)生[2]。若每項(xiàng)遙測(cè)要素通信方式為北斗衛(wèi)星，那么將遇到的問題：1）建設(shè)及后期運(yùn)維成本極大；2）北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信傳輸字節(jié)長(zhǎng)度為 70 B，卡的發(fā)送頻率為 5 min[3]。

3）水文測(cè)站對(duì)空間分布要求高。國(guó)家基本水文測(cè)站中，測(cè)量參數(shù)一般有雨量、水位、蒸發(fā)、流量等，這些參數(shù)的采集地點(diǎn)分布在標(biāo)準(zhǔn)雨量觀測(cè)場(chǎng)、河道斷面等地方。水文標(biāo)準(zhǔn)化觀測(cè)場(chǎng)根據(jù) SL 21—2015《降雨量觀測(cè)規(guī)范》中的要求，常規(guī)有 6 m×6 m，12 m×12 m 等各種尺寸，雨量觀測(cè)場(chǎng)對(duì)周圍環(huán)境有著一定的高要求，比如：場(chǎng)內(nèi)儀器之間、儀器與欄柵之間的間距不小于 2 m。所以在遙測(cè)站建設(shè)中會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)觀測(cè)場(chǎng)中不能建設(shè)完成所有參數(shù)。河道監(jiān)測(cè)中，由于不同的水位采用的流速測(cè)量方式不同，上下移動(dòng)的斷面及數(shù)個(gè)斷面是常出現(xiàn)的情況。因此，將分布式遙測(cè)系統(tǒng)之間相互集成、融合在一起，變成一個(gè)水文測(cè)站也是非常必要的[4]。

故而，通過架構(gòu)水文測(cè)站遙測(cè)系統(tǒng)來解決這些問題是十分必要的，為此，本研究提出通過物聯(lián)網(wǎng)的方式構(gòu)建水文測(cè)站的自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)的水文測(cè)站系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程為通過傳感采集并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉叹嚯x無線通信系統(tǒng)，水文測(cè)站的物聯(lián)中心接收到數(shù)據(jù)后，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，然后輸出，利用 GPRS、北斗等各種通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可傳輸至各省市縣的數(shù)據(jù)中心。

系統(tǒng)主要由感知層、接入層、傳輸層和應(yīng)用層組成?；谖锫?lián)網(wǎng)的水文測(cè)站系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的水文測(cè)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 感知層

感知層由傳感器組成，水文行業(yè)一般用的傳感器有翻斗雨量計(jì)、格雷碼水位傳感器、雷達(dá)水位傳感器、自動(dòng)蒸發(fā)站、多普勒儀等。傳感器根據(jù)各自的采集原理采集各自的水文監(jiān)測(cè)要素，由對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接口輸出水文監(jiān)測(cè)要素的數(shù)據(jù)，并提供給數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)終端等后端使用。感知層傳輸各種數(shù)據(jù)，包含水文監(jiān)測(cè)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，這些各式各樣的數(shù)據(jù)對(duì)后端使用是極具意義的[5]。

1.2 接入層

接入層由傳感部分和物聯(lián)中心組成。傳感部分重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能是采集感知層的各種輸出數(shù)據(jù)，由短距離無線通信設(shè)備傳輸至水文測(cè)站的物聯(lián)中心，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解碼、存儲(chǔ)、報(bào)文重組、報(bào)文輸出等工作是由物聯(lián)中心實(shí)現(xiàn)的。

無線短距離通信設(shè)備由物聯(lián)通信完成，LoRa 物聯(lián)方式是傳輸?shù)闹饕绞?。物?lián)通信的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議由 LoRaWAN 和少量的非 LoRaWAN 協(xié)議組成。采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问绞切菭罹W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x大約為 10 km。通信對(duì)象為 1 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。在多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)可同時(shí)與物聯(lián)中心點(diǎn)通信，從節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)外界環(huán)境和信道阻塞自動(dòng)采取跳頻和速率自適應(yīng)技術(shù)，邏輯上網(wǎng)關(guān)可以接收不同速率和頻點(diǎn)的信號(hào)組合，物理上網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)接收 8，16，32 路甚至更多路數(shù)據(jù)，減少了大量節(jié)點(diǎn)上行時(shí)沖突的概率。該系統(tǒng)具有極大的延拓性，可單獨(dú)建網(wǎng)，可交叉組網(wǎng)。

這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：1）通信能力范圍廣，網(wǎng)絡(luò)實(shí)施成本得以節(jié)省，實(shí)施復(fù)雜度得以減少；2）物聯(lián)中心能夠?qū)⒔患ㄔO(shè)得以實(shí)現(xiàn)，做到無盲點(diǎn)通信；3）物聯(lián)中心可實(shí)現(xiàn)全面管理，提升通信信道的使用率，可擴(kuò)展系統(tǒng)容量；4）可避免網(wǎng)關(guān)多路并發(fā)情況，避免網(wǎng)絡(luò)堵塞，支持節(jié)點(diǎn)跳頻，增加系統(tǒng)容量；5）每個(gè)節(jié)點(diǎn)的速率可降低功耗，減少并發(fā)性沖突，增加系統(tǒng)容量；6）提高安全性，可以實(shí)現(xiàn)兩級(jí) AES－128 數(shù)據(jù)加密；7）星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高魯棒性；8）可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化 LoRaWAN 協(xié)議。

1.3 傳輸層

傳輸層的功能是建立物聯(lián)中心與省市縣級(jí)數(shù)據(jù)中心的通信關(guān)系。根據(jù)不同用戶單位的數(shù)據(jù)中心對(duì)于數(shù)據(jù)的詳細(xì)需求，物聯(lián)中心將報(bào)文重組采集到的相關(guān)感知數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)方的要求組合相關(guān)的協(xié)議，利用不同的傳輸信道將數(shù)據(jù)傳輸給對(duì)方。根據(jù)水文測(cè)站的重要程度等級(jí)，國(guó)家基本水文遙測(cè)站的通信信道可以采取組合式傳輸手段，比如選擇互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、北斗衛(wèi)星、專網(wǎng)等信道中的 2 種及以上組合。物聯(lián)中心根據(jù)通信信道的實(shí)時(shí)狀態(tài)和信道的優(yōu)先級(jí)主動(dòng)選擇合適的發(fā)送信道完成數(shù)據(jù)傳輸。比如：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)暢通時(shí)采用互聯(lián)網(wǎng)通信，在網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)通過全網(wǎng)通或者北斗衛(wèi)星等通信方式傳輸數(shù)據(jù)。這種傳輸方式可以節(jié)省水文測(cè)站在數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性的建設(shè)成本，有效地解決了遇到災(zāi)害時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸不暢通的情況。

1.4 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心主要實(shí)現(xiàn)將各個(gè)水文測(cè)站由物聯(lián)中心傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)碼入庫(kù)，形成多個(gè)水文測(cè)站水文參數(shù)遙測(cè)信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。每個(gè)單位根據(jù)各自的業(yè)務(wù)需求開發(fā)相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)可以做到不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間應(yīng)用到的同一測(cè)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是統(tǒng)一的，也是唯一的，達(dá)到一數(shù)一源的要求[6]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 一體化水文采集終端

感知層數(shù)據(jù)采集由傳感器、LoRa 模塊、供電系統(tǒng)組成。因?yàn)?LoRa 模塊的功耗極低，所以可以根據(jù)傳感器的功耗進(jìn)行設(shè)計(jì)采集終端，可以分為一體式和分體式水文采集終端。

雨量采用翻斗式雨量計(jì)采集，該傳感器采用雙觸點(diǎn)通斷信號(hào)輸出數(shù)字信號(hào)，所以無功耗，那么只要考慮通信方式的功耗，因?yàn)?LoRa 方式功耗很低，一般 4 節(jié) 5 號(hào)電池可以工作 10～15 a，根據(jù) SL 416—2007《水文儀器報(bào)廢技術(shù)規(guī)定》規(guī)定，翻斗式雨量計(jì)使用年限為 10～12 a，那么可以通過在翻斗式雨量計(jì)中內(nèi)置電池和 LoRa 模塊即可完成一體式雨量采集終端。

水位采集水文測(cè)站中較為常用的傳感器是浮子式水位計(jì)，該水位計(jì)輸出采用格雷碼輸出，報(bào)廢年限為 10～15 a，所以可以考慮和雨量采集同樣的方式實(shí)現(xiàn)一體化水位數(shù)據(jù)采集。

2.2 物聯(lián)中心

水文測(cè)站物聯(lián)中心由 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)處理和通信模塊 3 個(gè)部分。物聯(lián)中心主要功能是為短距離傳輸模塊服務(wù)，一般通過物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的窄帶傳輸范圍可在 10 km 左右，所以，通過構(gòu)建物聯(lián)中心，采集 10 km 范圍內(nèi)的水文傳感數(shù)據(jù)，然后在物聯(lián)中心根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)范進(jìn)行報(bào)文組合，供后端數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送至省市縣數(shù)據(jù)中心。

LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)是建設(shè) LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性、重要性設(shè)備，目的是采集所有傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，顯著特點(diǎn)為：1）強(qiáng)兼容性，若符合LoRaWAN 協(xié)議，其所有的應(yīng)用均能夠接入；2）網(wǎng)關(guān)接入靈活，單網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)為數(shù)十到數(shù)萬(wàn)個(gè)不等，并且節(jié)點(diǎn)具有隨機(jī)入網(wǎng)的特點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)數(shù)目能夠擴(kuò)展；3）強(qiáng)并發(fā)性，網(wǎng)管能做到 8 個(gè)頻點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的 8 路并發(fā)數(shù)據(jù)，擴(kuò)展頻點(diǎn)；4）網(wǎng)關(guān)的通信方式為全雙工通信，上下行可并發(fā)，不會(huì)出現(xiàn)沖突，從而具有極強(qiáng)的實(shí)效性；5）網(wǎng)關(guān)的靈敏度高，在相同速率下較非 LoRaWAN 協(xié)議的設(shè)備，其具有更高的靈敏度；6）網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單，星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有更高的可靠性、更低的功耗等特點(diǎn)；7）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及后期運(yùn)維的成本很低[7]。

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé) LoRaWAN 系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)解析，主要的控制指令都由服務(wù)器端下達(dá)。根據(jù)不同的功能，分為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（Network Server）與網(wǎng)關(guān)通信實(shí)現(xiàn) LoRaWAN 數(shù)據(jù)包的解析及下行數(shù)據(jù)打包，與應(yīng)用服務(wù)器通信生成網(wǎng)絡(luò)地址和 ID 等密鑰。數(shù)據(jù)處理模塊主要具有對(duì)通過 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，存儲(chǔ)等功能，可以理解為實(shí)現(xiàn) RTU 終端中的所有功能但不限于這些功能，因?yàn)樵撃K是運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的，所以，很多計(jì)算及處理功能比終端強(qiáng)大許多，可以實(shí)現(xiàn)很多在終端無法實(shí)現(xiàn)的功能，比如流量站點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理和遙測(cè)數(shù)據(jù)的甄別問題等。數(shù)據(jù)通過分析處理之后進(jìn)行存儲(chǔ)。根據(jù)各管理部門對(duì)該水文測(cè)站需要的數(shù)據(jù)及傳輸?shù)降钠脚_(tái)具體需求，對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)文重組后通過數(shù)據(jù)通信將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3 結(jié)構(gòu)對(duì)比

傳統(tǒng)水文測(cè)站自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)建模式為傳感設(shè)備、RTU、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收中心等。一般 1 或2 種傳感器為 1 組，連接 RTU 設(shè)備，通過 GPRS 或北斗衛(wèi)星將報(bào)文傳輸至數(shù)據(jù)接收中心。在水文測(cè)站中，當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)多樣化之后，自動(dòng)化系統(tǒng)均以獨(dú)立形式存在，極易形成文中所述的問題。

基于物聯(lián)網(wǎng)的虛擬水文測(cè)站構(gòu)建主要由感知層、接入層、傳輸層組成。感知層建設(shè)可以解決水文傳感器的重復(fù)建設(shè)問題，傳感傳輸可擴(kuò)展性強(qiáng)。接入層中通過建設(shè)短距離物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)和物聯(lián)中心可解決水文測(cè)站對(duì)地理空間要求程度高的問題，同時(shí)在物聯(lián)中心中可以實(shí)時(shí)監(jiān)視各種傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，靈活地將各種傳感數(shù)據(jù)根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行組合，滿足后端的實(shí)際需求。傳輸層建設(shè)可以解決水文數(shù)據(jù)傳輸容災(zāi)能力脆弱問題，根據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，可以將各種穩(wěn)定的先進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)傳輸中，無需對(duì)前端的傳感采集系統(tǒng)進(jìn)行改造，只需將通信方式集成到傳輸層即可完成對(duì)新技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用。同時(shí)在容災(zāi)方面可以在多種信道之間進(jìn)行切換，保障數(shù)據(jù)能報(bào)送至目標(biāo)地。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前水文測(cè)站存在的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的虛擬水文測(cè)站構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上提出一體化水文采集終端、物聯(lián)中心等關(guān)鍵技術(shù)，不但為建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化、靈活接入的泛在先進(jìn)水文測(cè)站采集體系提供新穎的架構(gòu)方法，而且也可為水文測(cè)站物聯(lián)網(wǎng)系列化產(chǎn)品的開發(fā)和大規(guī)模的推廣應(yīng)用提供支撐。對(duì)提升我國(guó)水文測(cè)站能力建設(shè)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，其在水文領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸深入，因此，進(jìn)一步的研究可以圍繞水文物聯(lián)中心海量數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理能力的提升等方面開展。