物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的水文智能監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)建構(gòu)和應(yīng)用

?？〕?常肖杰

（河南省水文水資源局 鄭州 450003 河南省許昌水文水資源勘測(cè)局 許昌 461000）

1 研究背景

我國(guó)水文監(jiān)測(cè)起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距?；诖藨?yīng)在水文監(jiān)測(cè)工作中積極開展水文數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)控研究，提升水文預(yù)警預(yù)報(bào)成果的質(zhì)量和精度。在水文監(jiān)測(cè)工作中積極開展水文數(shù)據(jù)自動(dòng)采集課題的研究，提升水文預(yù)警預(yù)報(bào)成果的質(zhì)量和精度，不僅能夠降低水文測(cè)驗(yàn)工作人力物力成本，而且能夠有效提升水文監(jiān)測(cè)智能化水平。因此，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下水文智能監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)建構(gòu)研究有著重要的實(shí)踐意義與應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)在短短的數(shù)十年間，已形成突飛猛進(jìn)、百花齊放的局面。從傳輸距離較短的WIFI、藍(lán)牙、RFID、ZigBee，到低功耗廣域網(wǎng)NB-IoT、LoRa、Cat.1 等，日新月異的連接技術(shù)，將萬物互聯(lián)的理想，從遙遠(yuǎn)的未來帶到了現(xiàn)實(shí)。隨著5G 時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開始滲透到人們生活中的方方面面[1]。據(jù)GSMA 預(yù)測(cè)，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)到252 億。在水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在水文數(shù)據(jù)采集、傳輸和智能控制等方面。本系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和快速處理，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前我國(guó)水文條件，在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)覆蓋水文數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程條件下中心控制節(jié)點(diǎn)等，每個(gè)模塊都有自己獨(dú)特的功能，其硬件拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)拓?fù)鋱D

作為水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，水文數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)主要構(gòu)成為水文監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其主要用于對(duì)各項(xiàng)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，具體包括水溫、pH、水位等，需要注意的是該節(jié)點(diǎn)功能的實(shí)現(xiàn)需要借助于數(shù)據(jù)采集模塊，即各類傳感器。在傳感器作用下，水文數(shù)據(jù)在終端節(jié)點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)，發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過程需要由終端節(jié)點(diǎn)作為依托。

網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)則是系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵部分，其主要功能為對(duì)水文監(jiān)測(cè)區(qū)域子網(wǎng)段、物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)組網(wǎng)與信息處理。基于子網(wǎng)段應(yīng)用環(huán)境的不同，其目的及重點(diǎn)也呈現(xiàn)出明顯的差異性，因此，為了避免不同子網(wǎng)段的干擾，需要單獨(dú)對(duì)各個(gè)子網(wǎng)段進(jìn)行設(shè)置。在具體應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)不僅能夠及時(shí)對(duì)路由表進(jìn)行更新，而且能夠?qū)Σ樵兠疃〞r(shí)發(fā)送[2]。所獲得的各項(xiàng)水文信息數(shù)據(jù)也能夠通過網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)完成分析與處理，所得的結(jié)果保存于嵌入式數(shù)據(jù)庫。另外，為滿足大范圍水域監(jiān)測(cè)的需要，可以引入星型拓?fù)浞椒▽?duì)網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

作為硬件系統(tǒng)的中樞，遠(yuǎn)程中心監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要用于對(duì)不同監(jiān)測(cè)區(qū)域收集水文數(shù)據(jù)及參數(shù)的總結(jié)與處理，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，提出具有可行性的意見與建議。其主要由大規(guī)模磁盤陣列以及高性能工作站服務(wù)器構(gòu)成，在水文監(jiān)測(cè)期間，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)出指令，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)激活終端傳感器節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)指令的要求采集水文參數(shù)，然后再通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送，經(jīng)過統(tǒng)一匯總整理，發(fā)出控制指令。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

我國(guó)幅員遼闊，地形、氣候多樣，水文相關(guān)要素有著明顯的差異性，這也在一定程度增加了水文監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性，使水文環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)功能呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)。為保障水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的擴(kuò)展與升級(jí)，需要預(yù)留一定的軟件接口，便于連接各個(gè)不同的模塊，在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)時(shí)必須堅(jiān)持一致性、模塊化原則。本研究采用Linux 操作系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)，該系統(tǒng)能夠保障穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信，與此同時(shí)還具有源代碼開放的優(yōu)勢(shì)[3]。結(jié)合水文監(jiān)測(cè)作業(yè)的實(shí)際情況，此次研究選擇Linux操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)，其為最小嵌入式，普通嵌入式作為網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)，完整的Linu 系統(tǒng)則為遠(yuǎn)程中心監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

需要注意的是軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)要滿足以下兩個(gè)目標(biāo)：（1）要注重實(shí)現(xiàn)資源的最大化共享。系統(tǒng)開發(fā)過程中，要結(jié)合試驗(yàn)區(qū)的實(shí)際情況，統(tǒng)籌兼顧，水文信息要多方共享，防止出現(xiàn)信息孤島，在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)支持下，網(wǎng)絡(luò)資源、信息資源共享已成為不可阻擋的趨勢(shì)。（2）將實(shí)用性、開放性、可靠性作為目標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要具有可操作性，且能夠真正為水文監(jiān)測(cè)工作提供便利。所設(shè)計(jì)的水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)要保障在汛期、地理位置偏僻等各類情況下，以及面對(duì)各種突發(fā)狀況都能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其次，保障系統(tǒng)實(shí)用性、可靠性基礎(chǔ)上，要引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，軟件、硬件以及通訊技術(shù)的選擇要優(yōu)先選用先進(jìn)的，確保其能夠保持高效、穩(wěn)定運(yùn)行。另外，在系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、信息接口設(shè)計(jì)時(shí)要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，形成一個(gè)有機(jī)整體。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要遵循結(jié)構(gòu)化、模塊化以及標(biāo)準(zhǔn)化的原則，以為后期擴(kuò)展、調(diào)整提供參考。需要注意的是界面設(shè)計(jì)要清晰，采用標(biāo)準(zhǔn)接口，在保障完整性的基礎(chǔ)上，提升其靈活性。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的水文智能監(jiān)測(cè)信息主要模塊

4.1 水位傳感檢測(cè)單元

對(duì)水位傳感檢測(cè)主要利用的是光電編碼技術(shù)以及浮子式原理，電路設(shè)計(jì)選擇低功耗電路，智能化設(shè)備不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種數(shù)據(jù)的處理與傳輸，而且具備光、電、機(jī)等多種高科技技術(shù)，在水位計(jì)編碼器作用下實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)輸出軸角位移向相應(yīng)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并由CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。碼盤在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下能夠輸出二進(jìn)制編碼，且輸出數(shù)據(jù)與碼盤旋轉(zhuǎn)位置相對(duì)應(yīng)，該過程能夠幫助明確絕對(duì)位置。經(jīng)過CPU 處理后，在數(shù)據(jù)輸出端口將水位高程數(shù)據(jù)傳送到智能測(cè)控傳輸單元。該設(shè)備輸出功能強(qiáng)大，能夠?yàn)樗粚?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警提供可靠的依據(jù)，不僅體積小、量程大，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)跟蹤測(cè)量。

4.2 智能測(cè)控傳輸單元

首先是完成水環(huán)境系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息采集。例如，地下水監(jiān)測(cè)井等的位置、井深、高程等信息，通過物探等方式，錄入地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)GIS 化；通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)，將地下水監(jiān)測(cè)井的水位、水溫、水質(zhì)等要素信息，通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)、自動(dòng)地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其次，結(jié)合GIS 數(shù)據(jù)信息及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)水利行業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用的實(shí)際需求，開發(fā)業(yè)務(wù)平臺(tái)。即在數(shù)據(jù)信息化的基礎(chǔ)上，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的信息化。通過信息化，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集和業(yè)務(wù)處理的流程。智慧水文的第二個(gè)層次是智慧化，智慧化的核心是數(shù)據(jù)分析能力。該階段針對(duì)現(xiàn)有信息、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，將極大地輔助完成決策支持。

4.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用單元

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，比如水雨情遙測(cè)系統(tǒng)，水雨情前端遙測(cè)站點(diǎn)采用翻斗式雨量計(jì)，關(guān)鍵部位采用金屬零件，長(zhǎng)期野外運(yùn)行也不易發(fā)生老化生銹和變形，抗靜電性好，抗塵埃性能強(qiáng)，測(cè)量精度高，測(cè)量精度與雨強(qiáng)呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，穩(wěn)定可靠性強(qiáng)。采用太陽能供電，因此設(shè)備要具有低功耗特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本遙測(cè)站點(diǎn)雨情雨強(qiáng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)響應(yīng)監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)指令，通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸遙測(cè)雨水情數(shù)據(jù)。

5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的水文智能監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)評(píng)測(cè)

由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)在傳輸過程中存在衍射以及反射情況，會(huì)導(dǎo)致多徑效應(yīng)出現(xiàn)，再加上系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)部位的環(huán)境較為復(fù)雜，故在此水文數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)過程中，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量受到很大影響，使水文數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)分析預(yù)報(bào)不及時(shí)和不精準(zhǔn)。在對(duì)上述硬件以及軟件系統(tǒng)科學(xué)構(gòu)建之后，為保證該水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效運(yùn)行，需分別對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控中心分析軟件和水文采樣模塊、網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)評(píng)估模塊、數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)評(píng)估模塊等各個(gè)運(yùn)行模塊的功能進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)，以提升水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的科學(xué)性，評(píng)測(cè)測(cè)試流程如圖4 所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的水文智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)測(cè)測(cè)試流程圖

6 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的水文智能監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)河道、水庫水位流量和水質(zhì)在線分析、雨水情遙測(cè)、地下水在線觀測(cè)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等場(chǎng)景，基于本構(gòu)建的水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)通過在本單位推廣應(yīng)用，取得了較好效果，各級(jí)防汛指揮、水資源管理、水生態(tài)保護(hù)管理機(jī)關(guān)可通過各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)及時(shí)掌握河道水位流量、水庫水位、降水、地下水埋深等水文要素?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)分析和各種形式的展示。但各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)各自獨(dú)立，數(shù)據(jù)不通，在數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘和智慧應(yīng)用、輔助決策方面，尚顯不足。對(duì)智慧水文應(yīng)用的探索，將是水文信息化今后一個(gè)階段持續(xù)努力的方向