5G技術(shù)在智能水文監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

丁澤云　何溢洋

5G技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展帶來(lái)了大容量數(shù)據(jù)可以低能耗、低延時(shí)且高速率傳送的福音。本文從傳送速率、時(shí)延和帶寬3個(gè)方面比較了5G和4G的差異，分析了近年來(lái)用于智能水文監(jiān)測(cè)的通信技術(shù)，以5G在雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)為例，具體分析、總結(jié)了5G通信技術(shù)在智能水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景和改進(jìn)方向。

水文監(jiān)測(cè)中常用的通信技術(shù)

系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)站使用衛(wèi)星、超短波、GPRS和4G等傳輸方式收集各要素?cái)?shù)據(jù)，再利用通信網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)控制中心。超短波傳輸受地形影響大，衛(wèi)星通信運(yùn)行成本高，應(yīng)用范圍受限，GPRS可使數(shù)據(jù)承載與傳輸業(yè)務(wù)永遠(yuǎn)在線(xiàn)，且占用系統(tǒng)資源少。

目前數(shù)據(jù)的傳輸方式主要是GPRS和4G，二者在帶寬、時(shí)延和速率上差距不大，在4G網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋及相關(guān)政策支持下，4G的流量成本與GPRS并無(wú)差異?；诖?，在升級(jí)時(shí)監(jiān)測(cè)站大多用4G模塊取代GPRS進(jìn)而提升監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸性能。

5G技術(shù)分析

技術(shù)特點(diǎn)

面對(duì)不同場(chǎng)景的差異需求，5G將積極參與和其他通信技術(shù)的合作，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)健發(fā)展提供更加廣泛、普遍的業(yè)務(wù)能力。

5G對(duì)比4G

5G比4G提供了更高的頻譜使用率和能源效率，在傳輸速度以及資源使用率上比4G高出很多，提高了無(wú)線(xiàn)覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全性以及用戶(hù)資源利用率。

5G在智能水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

水文監(jiān)測(cè)技術(shù)需求分析

智能水文監(jiān)測(cè)不僅包括監(jiān)測(cè)水位和降雨量等簡(jiǎn)單參數(shù)，像長(zhǎng)江入?？谒恼具€包括監(jiān)測(cè)降雨量、水位、水質(zhì)和流速等多個(gè)因素。監(jiān)測(cè)要素的不斷增加對(duì)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延和穩(wěn)定性要求不斷提高，4G通信已然不能滿(mǎn)足。

流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是水文監(jiān)測(cè)的重難點(diǎn)，為此武漢大學(xué)研發(fā)了RISMAR-U型超高頻雷達(dá)流速流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雷達(dá)接收機(jī)連續(xù)接收來(lái)自水面的散射電磁波，經(jīng)過(guò)放大、濾波、數(shù)字化、解調(diào)以及提取等處理，以約14 Mbit/s的速度向現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)發(fā)送數(shù)字信號(hào)，工控機(jī)進(jìn)行多通道處理，進(jìn)行回波距離、方位和速度處理，形成輻射狀流場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)4G發(fā)送給中央站。

該系統(tǒng)存在幾點(diǎn)缺陷：①需交流電供電;②需架設(shè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng);⑧對(duì)通信網(wǎng)帶寬、時(shí)延和穩(wěn)定性要求高;④安裝難度大且后期運(yùn)維成本高。

5G在超高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)

RISMAR-U型超高頻雷達(dá)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)流速流量的難點(diǎn)是每秒處理14 Mbit的數(shù)字信號(hào)，4G網(wǎng)絡(luò)理論上雖然可以達(dá)到50 Mbit/s的速度，但實(shí)際使用有各種限制，其上行速度不到10 Mbit/s，不能通過(guò)4G直接向中心站發(fā)送數(shù)字信號(hào)。5G上行速率高達(dá)10 Gbit/s，時(shí)延僅1ms，其高速率、低延時(shí)、高穩(wěn)定性滿(mǎn)足了大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時(shí)計(jì)算需求。

應(yīng)用5G后的優(yōu)勢(shì)：①不須交流電供電可直接采用太陽(yáng)能蓄電池;②簡(jiǎn)化設(shè)備降低安裝維護(hù)難度和運(yùn)維成本。

5G在智能水文監(jiān)測(cè)的應(yīng)用前景

智能水文監(jiān)測(cè)需要高可靠性、強(qiáng)兼容性、高速率和大容量的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，各種技術(shù)手段應(yīng)其多要素監(jiān)測(cè)的開(kāi)發(fā)要求被持續(xù)引入應(yīng)用，大數(shù)據(jù)量、低延時(shí)是這些技術(shù)的共性。大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理是5G的優(yōu)勢(shì)，低時(shí)延與邊緣云計(jì)算功能相結(jié)合使測(cè)量?jī)x可以實(shí)時(shí)完成測(cè)量、計(jì)算、校正以及再測(cè)量過(guò)程，這種瞬時(shí)測(cè)量大量數(shù)據(jù)的功能適用于需要持續(xù)修正的水文設(shè)備。

此外，設(shè)備和識(shí)別算法可以結(jié)合超高清圖像和視頻，完成對(duì)水位、水面蒸發(fā)等水文元素的監(jiān)控。5G的高速率和高穩(wěn)定性針對(duì)智能水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中部分地區(qū)鋪線(xiàn)施工成本高、周期長(zhǎng)和后期維護(hù)困難等痛點(diǎn)提出了有效解決方案，避免了傳統(tǒng)光纜連接易受周?chē)h(huán)境影響的缺陷。

在邊緣云中導(dǎo)入AI功能，通過(guò)將專(zhuān)用傳感器和遙測(cè)終端設(shè)備收集的水質(zhì)、水位和水流等數(shù)據(jù)流信息組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)河川浮游物的快速識(shí)別和水位監(jiān)測(cè)等各種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了河流和湖泊的全面智能監(jiān)控，大大提高了水文監(jiān)測(cè)管理效率。

本文展現(xiàn)了5G在數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)延、連接容量、移動(dòng)性等方面的優(yōu)勢(shì)，更適合應(yīng)用在智能水文監(jiān)測(cè)中。雖然5G在水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景，但同時(shí)也增加了功耗和通信成本等問(wèn)題，因此當(dāng)5G全面商用后，如何將其與智能水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更好地結(jié)合是努力的方向。