基于NB-IoT通信技術(shù)的水文遙測系統(tǒng)設(shè)計

張新猛，劉樹養(yǎng)，王燦輝

(1.廣州南灣信息科技有限公司，廣東 廣州 511458；2.廣州市南沙區(qū)防汛防旱防風(fēng)指揮部辦公室，廣東 廣州 511458)

水情測報是水文工作的重要組成部分,也是防汛抗旱決策的重要依據(jù)[1]，水文遙測系統(tǒng)以水位遙測儀和雨量感應(yīng)器作為主要設(shè)備,通過物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測、自動感應(yīng)水、雨情信息,實現(xiàn)不間斷記錄，水文遙測設(shè)備必須在實際工作環(huán)境中長時間穩(wěn)定運行，設(shè)備的運行維護(hù)工作已逐漸成為水文情報工作的基礎(chǔ)[2]。廣州市南沙區(qū)位于珠江三大出?？陂T，四面環(huán)水，具有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候雨熱同期的特點，每年自四月份開始進(jìn)入雨季，高溫強(qiáng)降雨導(dǎo)致洪澇災(zāi)害及臺風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生頻繁，為南沙區(qū)安全穩(wěn)定發(fā)展帶來了一定的影響，對自然災(zāi)害風(fēng)險的監(jiān)測與預(yù)警成為三防辦重要的工作內(nèi)容。廣州南沙三防辦要應(yīng)對因惡劣天氣所引發(fā)的自然災(zāi)害，提前做好應(yīng)急資源及搶救力量的安排及調(diào)度的準(zhǔn)備，在惡劣天氣的情況下能否及時、準(zhǔn)確且持續(xù)地獲得水雨情動態(tài)信息就成了災(zāi)害防御的關(guān)鍵?！度珖畔⒒l(fā)展“十三五”規(guī)劃》(水利部綜計﹝2016﹞205號)明確提出，充分利用物聯(lián)網(wǎng)和移動終端技術(shù)，提升感知能力，形成多元化的智能采集體系，提高信息的完備性、真實性和實效性，滿足精細(xì)化業(yè)務(wù)管理及支撐水利智能應(yīng)用要求[3]。

廣州市南沙區(qū)三防使用的是2005年建設(shè)的水文遙測系統(tǒng)，包括36個水文測站、11個中心站、1個中繼站，包括34個水位遙測站和35個雨量(含風(fēng)速)遙測站，系統(tǒng)采用超短波無線電探方式，通過超短波無線數(shù)傳電臺將自動采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁麈?zhèn)街中心站、區(qū)三防和市三防中心站，然而，該系統(tǒng)雖歷經(jīng)三次的系統(tǒng)建設(shè)擴(kuò)充，建設(shè)36個水文監(jiān)測點。自組網(wǎng)超短波通信系統(tǒng)組成復(fù)雜，在接收與發(fā)送端均需配置超短波電臺，隨著覆蓋范圍越大，監(jiān)測點越多，則需建設(shè)的中繼站就越多，且需要對水文遙測終端持續(xù)供電，遙測終端形態(tài)多以傳感器+RTU+超短波電臺組成(圖1)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍由中繼站建設(shè)密度決定，欠缺靈活性，續(xù)建成本極高，不利于系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)展，同時還普遍存在通信速率低，誤碼率高，遙測終端對安裝環(huán)境依賴度高、維護(hù)成本高等一系列弊端。當(dāng)前的水文遙測系統(tǒng)受到各種外界因素的影響，經(jīng)常在非汛期狀態(tài)一切正常，一旦有惡劣天氣影響，需要用的時候，卻“瞎”了一片，導(dǎo)致水文遙測系統(tǒng)虛有其表，使得管理單位無法在應(yīng)急情況下獲得持續(xù)、可靠水雨情數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)運行難度大，只能采取最原始的人工讀數(shù)的方式回傳數(shù)據(jù)，依然未能完全覆蓋南沙區(qū)所有關(guān)鍵水雨情監(jiān)測點，導(dǎo)致人員及工作調(diào)度受到極大的限制，使得廣州南沙區(qū)三防辦只能利用人工監(jiān)測的方式覆蓋監(jiān)測盲區(qū)，不僅增加了成本，還增加了人員操作風(fēng)險，降低了工作效率。當(dāng)前水文遙測系統(tǒng)建設(shè)方式屬于傳統(tǒng)的系統(tǒng)集成式，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運維難度大，續(xù)建難度大。為此，廣州市南沙三防辦針對城市應(yīng)急和三防業(yè)務(wù)實際應(yīng)用需求，提出了基于NB-IoT通信技術(shù)，以產(chǎn)品集成式代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)集成的方式設(shè)計水文遙測終端，進(jìn)一步提高水文遙測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與擴(kuò)展性，打造廣州市南沙新一代的水文遙測系統(tǒng)。

圖1 超短波水雨情監(jiān)測組網(wǎng)示意

1 基于NB-IoT的水文遙測系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

1.1 總體設(shè)計思路

1.1.1設(shè)計思路

廣州市南沙三防辦提出建設(shè)水文遙測系統(tǒng)功能基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需要考慮許多因素，例如節(jié)點成本、網(wǎng)絡(luò)成本、電池壽命、數(shù)據(jù)傳輸速率(吞吐率)、延遲、移動性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以及部署類型等，采用不同的通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將會完全不同，進(jìn)而影響前端水文感知設(shè)備形態(tài)，因此在系統(tǒng)設(shè)計過程中，需考慮每種制式的優(yōu)缺點，另外，因系統(tǒng)所涉及的前端監(jiān)測站點數(shù)量多，建設(shè)維護(hù)成本以及后續(xù)可擴(kuò)展性也是考慮的重要因素，新建的水文遙測系統(tǒng)需達(dá)到“低成本、高可靠、易擴(kuò)展、易維護(hù)”的新要求。

1.1.2通信制式選擇思路

通信制式的選擇直接影響網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及前端監(jiān)測傳感器的最終形態(tài)，以往的水文遙測終端通信方式常見的有GSM、GPRS、衛(wèi)星基站及超短波4種[4]，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新增加了北斗衛(wèi)星、LoRa與NB-IoT等3種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，其各自的主要特征及組網(wǎng)架構(gòu)對比如下。

a)北斗衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星通信是傳統(tǒng)通信技術(shù)的重要補(bǔ)充(圖2)，當(dāng)運營商通信網(wǎng)絡(luò)中斷，使用北斗短消息進(jìn)行通信，實現(xiàn)水雨情數(shù)據(jù)的回傳，然而，利用北斗衛(wèi)星通信，需要額外在數(shù)據(jù)收發(fā)端都部署專用收發(fā)終端，同時增加外部電源，這讓系統(tǒng)組網(wǎng)變得復(fù)雜，穩(wěn)定性降低，此外，因為三防水雨情監(jiān)測采集頻率較高，會使通信成本急劇增加，應(yīng)急搶險對水文數(shù)據(jù)時效性要求高，在空中云層較厚時，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)時延變大，因此，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)作為應(yīng)急通信手段較為合適。

圖2 北斗衛(wèi)星水雨情監(jiān)測組網(wǎng)示意

b)LoRa是一種低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，增加了鏈路預(yù)算和更好的抗干擾性能,對深度衰落和多普勒頻移具有更好的穩(wěn)定性[5-6]。該制式在國內(nèi)屬于自建網(wǎng)，需在目標(biāo)覆蓋區(qū)域部署LoRa基站(圖3)用作中繼通信，需要考慮基站的部署建設(shè)，涉及到基站選址、供電以及站址協(xié)調(diào)問題。在水文監(jiān)測領(lǐng)域，LoRa制式無法大面積部署，但在其他網(wǎng)絡(luò)制式無覆蓋的邊緣區(qū)域，卻是一個較好的補(bǔ)充方案。

圖3 LoRa水雨情監(jiān)測組網(wǎng)示意

c)NB-IoT。為大范圍蜂窩網(wǎng)提供服務(wù)的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)廣播技術(shù)，是未來國內(nèi)低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用發(fā)展的主流方向[7]，NB-IoT(圖4)使用License頻段，由運營商建網(wǎng)，無需考慮基站部署環(huán)節(jié)，在有信號覆蓋的區(qū)域，有較好的服務(wù)質(zhì)量保證，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨立載波等3種部署方式，能與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存互補(bǔ)，因為低功耗、連接穩(wěn)定、成本低、架構(gòu)優(yōu)化出色等特點而備受關(guān)注[8]，與LoRa同屬低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的范疇，設(shè)備完成一次數(shù)據(jù)傳輸后，即進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一次需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時喚醒，使得前端設(shè)備功耗大幅度降低，續(xù)航時間大幅度增加，以電池供電即可續(xù)航幾年以上，這也可以使得前端水雨情監(jiān)測設(shè)備最終形態(tài)可以做到采集、供電、通信一體化，無需調(diào)試，無需外部電源，也無需復(fù)雜的工程布線，最大程度降低設(shè)備對外界環(huán)境的依賴程度，建設(shè)運營成本降低的同時讓可靠性大幅度提升[9]。

圖4 NB-IoT水雨情監(jiān)測組網(wǎng)

由以上通信制式對比可知，根據(jù)水文遙測系統(tǒng)對前端有低成本、高可靠的應(yīng)用需求，同時遵循設(shè)備與平臺之間層級越少，對外界環(huán)境依賴越少，穩(wěn)定性會越高的原則?；趶V州南沙三防全區(qū)覆蓋的監(jiān)測需求，選擇基于NB-IoT通信的水文遙測系統(tǒng)更符合實際的應(yīng)用場景，而針對于在偏遠(yuǎn)、信號覆蓋較差的區(qū)域則采用自建LoRa作為應(yīng)急補(bǔ)充手段，一旦信號覆蓋完整后，可自由切換為NB-IoT通信，使整個水文遙測系統(tǒng)設(shè)計更為靈活和完整。

1.2 總體架構(gòu)設(shè)計

廣州市南沙區(qū)三防水文遙測系統(tǒng)總體架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、資源層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層和服務(wù)層等6個層次組成，按照總體設(shè)計思路，系統(tǒng)架構(gòu)基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)為主、其他通訊為輔的通信模式，實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)的6個層次互聯(lián)互通，各個層次各司其職，為南沙區(qū)三防辦提供快速準(zhǔn)確全面的水文數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)。廣州市南沙區(qū)三防水文遙測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計見圖5。

圖5 廣州市南沙區(qū)三防水文遙測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

廣州市南沙區(qū)三防水文遙測系統(tǒng)總體架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層及服務(wù)層6個層次，實現(xiàn)水文遙測系統(tǒng)監(jiān)測、存儲及數(shù)據(jù)展示功能。

1.3 分層設(shè)計

分層設(shè)計從感知層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層描述與NB-IoT通信技術(shù)密切相關(guān)的專項設(shè)計，而涉及資源、數(shù)據(jù)、應(yīng)用和服務(wù)的功能設(shè)計不在此贅述。

1.3.1感知層設(shè)計

感知層設(shè)計主要從水文遙測終端機(jī)的結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計上體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通性、設(shè)備可靠性、易維護(hù)性等特性。

遙測終端傳感器是數(shù)據(jù)“采集源頭”，負(fù)責(zé)感應(yīng)目標(biāo)監(jiān)測點運營期間水位、雨量參數(shù)的變化。隨著計算機(jī)、電子信息、通信技術(shù)的發(fā)展，遙測終端機(jī)也不斷朝著智能化、小型化、低功耗及多功能等方向發(fā)展。三防屬于城市應(yīng)急領(lǐng)域，設(shè)備的高可靠性是最基本的要求，該性能要求最大限度降低前端監(jiān)測終端對安裝監(jiān)測點環(huán)境的依賴，同時針對水文遙測系統(tǒng)中水雨情遙測終端機(jī)工作環(huán)境的特殊性，也需考慮安裝后設(shè)備現(xiàn)場巡檢及運維便利性問題。因此，新一代水文監(jiān)測終端的設(shè)計要求盡量朝集采集、通信、供電一體化的形態(tài)靠攏，提高設(shè)備的集成度，增加可靠性。新一代水雨情遙測終端機(jī)主要由微處理器、實時時鐘、藍(lán)牙、電源管理模塊、Flash存儲器、通訊模塊、水位/雨量傳感器接口、溫濕度監(jiān)測、陀螺儀組成[10]，具體結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 遙測終端機(jī)結(jié)構(gòu)

在控能耗設(shè)計方面，除了在通信制式上選用低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)NB-IoT/LoRa，最大程度地減少非必要通信頻次外，還需通過電源管理模塊降低整機(jī)功耗(圖7)。電源管理模塊主要分為常供電部分與非常供電部分，常供電模塊保證設(shè)備能保持低功耗運行，非常供電部分由核心元件微處理器進(jìn)行控制，當(dāng)設(shè)備休眠狀態(tài)時，處于斷電狀態(tài)，只有在需要工作時才會被加電喚醒。

圖7 遙測終端機(jī)結(jié)構(gòu)

1.3.2網(wǎng)絡(luò)傳輸層設(shè)計

廣州市南沙區(qū)水文遙測系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)云平臺的模式進(jìn)行建設(shè)，定制成熟的數(shù)據(jù)接口，方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)推送至原有城市應(yīng)急綜合數(shù)據(jù)管理平臺，也便于推送至新的預(yù)警信息發(fā)布平臺(圖8)[13]，前端水位、雨量監(jiān)測設(shè)備可按需擴(kuò)充，系統(tǒng)后續(xù)的兼容性及延展性可完全滿足管理需求。

圖8 水文監(jiān)測及視頻預(yù)警網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

廣州市南沙區(qū)是臨海城區(qū)，每年汛期幾乎都會有臺風(fēng)登陸，沿南沙3條主要水道部署水雨情及視頻預(yù)警監(jiān)測設(shè)備，基于全區(qū)地理信息為三防應(yīng)急提供水雨情變化及現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施情況，提前做好應(yīng)急決策和災(zāi)害防護(hù)措施。總體部署點位見圖9[14]。

圖9 水文監(jiān)測及視頻預(yù)警網(wǎng)部署點位

基于NB-IoT通信技術(shù)的水文遙測系統(tǒng)設(shè)計提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，真實反映現(xiàn)場變化情況，為應(yīng)急決策提供數(shù)據(jù)參考。圖10所示，水位數(shù)據(jù)可用作判斷水閘開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)水閘內(nèi)外水位同步的時候，代表水閘處于開的狀態(tài)，水位不同步，則代表水閘處于關(guān)的狀態(tài)，便于管理者對水閘開關(guān)進(jìn)行實時調(diào)度。

圖10 水閘內(nèi)、外水位曲線

2017年，國務(wù)院確定了當(dāng)年60個內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重的城市名單，廣州名列其中。按照排水管網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來說，國內(nèi)大部分城市內(nèi)澇重現(xiàn)期僅為20年，城市排水管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都比較低，地下管道的設(shè)計容量不足，極端暴雨天氣頻發(fā)是導(dǎo)致城市內(nèi)澇的重要原因。南沙區(qū)定位為廣州市的副中心，也存在排水管網(wǎng)的改建速度遠(yuǎn)跟不上城市發(fā)展速度的情況，在這種城市排水基礎(chǔ)設(shè)施的條件下，短時間的強(qiáng)降雨讓城市發(fā)生內(nèi)澇的概率將會大大增加，所以雨量數(shù)據(jù)(圖11)就成了管理片區(qū)內(nèi)澇隱患點的重要參考值，利用NB-IoT傳輸?shù)母呒捎炅窟b測終端使得精準(zhǔn)監(jiān)控內(nèi)澇點雨量變化情況成為了可能，隨著雨量遙測終端部署密度的增加，精準(zhǔn)布防內(nèi)澇防控的效果大幅度提高，可有效降低公共財產(chǎn)損失[15]。

圖11 雨量統(tǒng)計

廣州市南沙區(qū)已基本完成部署網(wǎng)格化500×500的雨量遙測終端的部署，根據(jù)雨量遙測終端反饋回來的實際雨量數(shù)據(jù)與歷史最高雨量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，即可預(yù)判城市內(nèi)澇點可能出現(xiàn)位置，把有限的救援力量精準(zhǔn)部署于城市歷史記錄內(nèi)澇點以及可能內(nèi)澇點周圍，可大幅度提高救援精準(zhǔn)度及效率，實現(xiàn)精準(zhǔn)布防的目的。

3 系統(tǒng)建設(shè)效果

目前，廣州市南沙區(qū)三防新建三防水文遙測系統(tǒng)，相對比系統(tǒng)建設(shè)前極大地提升了城市應(yīng)急防汛的應(yīng)變能力，主要體現(xiàn)有4個方面。

a)以信息化監(jiān)測手段代替人力觀測。在系統(tǒng)建設(shè)前，廣州市南沙區(qū)大部分水閘依然沿用純?nèi)斯び^測水尺的方式采集水位、雨量數(shù)據(jù)，在臺風(fēng)暴雨情況下采用人工觀測的方式，不僅將觀測人員置于危險境地，觀測精準(zhǔn)度還不高，數(shù)據(jù)不可靠，回傳效率低；在系統(tǒng)建成后，管理人員可以通過物聯(lián)網(wǎng)平臺查看實時水位、雨量數(shù)據(jù)，降低了觀測人員風(fēng)險，節(jié)約大量用于觀測水位數(shù)據(jù)的人力成本，并提高水雨情數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

b)提高水雨情監(jiān)測覆蓋面。過去廣州市南沙三防辦僅有一小部分水閘采用了傳統(tǒng)2G水位監(jiān)測設(shè)備，因傳統(tǒng)建設(shè)方式系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、建設(shè)周期長，故障率高，運維難度大，導(dǎo)致并未大面積推廣使用；現(xiàn)采用基于NB-IoT通信技術(shù)的低成本模式，建成完全覆蓋整個南沙區(qū)的關(guān)鍵水閘的遙測系統(tǒng)，有效提升廣州市南沙區(qū)三防辦防汛應(yīng)急決策的效率。

c)系統(tǒng)可靠性大幅度提升。新建的基于NB-IoT通信的水文遙測系統(tǒng)可靠性大幅度提升，以產(chǎn)品集成代替系統(tǒng)集成的建設(shè)方式，極大地減少了水雨情遙測終端對外界的依賴程度，不再有因供電、傳輸線路、采集部件故障所導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的問題出現(xiàn)，使得在極端惡劣的天氣環(huán)境下，依然可以穩(wěn)定可靠地快速回傳數(shù)據(jù)，有效保證防汛的眼睛不“瞎”。2019年系統(tǒng)經(jīng)歷了“山竹”臺風(fēng)的考驗，在超大臺風(fēng)及暴雨環(huán)境下，水雨情遙測終端在線率高達(dá)98%，進(jìn)一步證明了基于NB-IoT通信技術(shù)建設(shè)的水文遙測系統(tǒng)更適用于城市水務(wù)感知領(lǐng)域。

d)系統(tǒng)可持續(xù)性提高。新型水文遙測系統(tǒng)的擴(kuò)展性更為靈活，后續(xù)根據(jù)實際需求可靈活增加新的水雨情監(jiān)測點，安裝維護(hù)極為方便，無需考慮施工環(huán)境、施工難度以及系統(tǒng)兼容性等問題；同時高度集成的遙測終端故障處理效率極快，無需從供電系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等方面逐一排查故障原因，利用備品備件直接替換已定位的設(shè)備故障點即可重新恢復(fù)數(shù)據(jù)點，故障處理效率成倍提高。

4 結(jié)語

在系統(tǒng)上線后，新一代水文遙測系統(tǒng)能持續(xù)穩(wěn)定地為廣州市南沙三防辦及相關(guān)單位提供水位、雨量及視頻圖像數(shù)據(jù)，輔助三防應(yīng)急決策，系統(tǒng)所獲取的大量水位、雨量數(shù)據(jù)是以后城市應(yīng)急決策數(shù)據(jù)模型及智能控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源，這種系統(tǒng)設(shè)計方式也為后續(xù)城市水務(wù)應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提供一條新的思路?；贜B-IoT通信技術(shù)可進(jìn)一步將水雨情遙測終端的集成度提高，也讓水文遙測系統(tǒng)擴(kuò)展能力得到提升。然而NB-IoT通信技術(shù)自推廣以來時間并不長，信號覆蓋面相對弱于3G、4G網(wǎng)絡(luò)，還存在一些信號覆蓋薄弱區(qū)和信號盲區(qū)，此外，在極端惡劣的天氣影響下，NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量也會受到影響。所以，集成多種通信制式來保證監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量是未來水文遙測監(jiān)測終端發(fā)展的必然趨勢，這樣才能符合應(yīng)急領(lǐng)域精細(xì)防控的需要。