基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

蔣新會(huì) 常明虎

（1.新疆頭屯河流域管理局水利管理中心，新疆昌吉 831100；2.山脈科技股份有限公司，陜西西安 710065）

0.引言

盡管我國(guó)水資源總量較為充足，但由于我國(guó)人口基數(shù)大，人均水資源較為匱乏，故水資源的合理利用和科學(xué)開(kāi)發(fā)的重要性不言而喻[1-2]。水文環(huán)境監(jiān)測(cè)，是水資源合理利用的重要前提和基礎(chǔ)，水文參數(shù)分析涉及我國(guó)核心經(jīng)濟(jì)利益。然而，采用人工采樣的傳統(tǒng)原始的水文監(jiān)測(cè)工作方式，存在著采樣頻率較低、時(shí)效性不強(qiáng)、及時(shí)性不夠及水體水質(zhì)參數(shù)連續(xù)動(dòng)態(tài)變化特征監(jiān)控不足等諸多缺陷，并不能夠?yàn)槲覈?guó)水資源的良好利用和合理開(kāi)發(fā)奠定扎實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，為解決我國(guó)水文參數(shù)環(huán)境及水文監(jiān)測(cè)提供了關(guān)鍵思路，憑借物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)短距離傳輸、自主組網(wǎng)等諸多優(yōu)勢(shì)，借助其終端節(jié)點(diǎn)成本低廉和功能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)等特征，可以為較大范圍內(nèi)的水文環(huán)境數(shù)據(jù)采集和精度提升起到推進(jìn)作用。在此背景下，本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探究[3]。

1.物聯(lián)網(wǎng)及其體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)基本可根據(jù)其應(yīng)用對(duì)象和價(jià)值分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種數(shù)據(jù)傳感器設(shè)備組成，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系識(shí)別物體方位、理化性質(zhì)、采集待研究數(shù)據(jù)的重要來(lái)源，包括各類型傳感器、攝像機(jī)、定位機(jī)等感知終端。網(wǎng)絡(luò)層包括互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息處理平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)連接部分等諸多部分，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能的核心與關(guān)鍵，負(fù)責(zé)對(duì)感知層收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳遞。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系和用戶信息交互連接的重要接口，與產(chǎn)業(yè)或不同行業(yè)市場(chǎng)需求的相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在不同領(lǐng)域的智能應(yīng)用，圖1即為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系示意圖。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系示意圖

2.基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以水位計(jì)和計(jì)為傳感設(shè)備，進(jìn)行水文數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集和深度分析，利用GPRS技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)建立起信息傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將收集到的數(shù)據(jù)信息傳送到水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的深度分析，從而完成對(duì)某一區(qū)域范圍內(nèi)水文環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集、傳送、深度分析與價(jià)值挖掘，形成水文信息參數(shù)類型完整的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。水文監(jiān)測(cè)體系應(yīng)用時(shí)，首先利用配備有雷達(dá)裝置及數(shù)據(jù)信號(hào)接收機(jī)的水位計(jì)采集水體環(huán)境水位參數(shù)，再采用配備雷達(dá)裝置的流速計(jì)獲得水流流速值，進(jìn)一步借助數(shù)據(jù)終端解析水位數(shù)據(jù)和流速數(shù)據(jù)參數(shù)，將參數(shù)傳送至網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)處理中心，最后利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方式，使從感知層收集到的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)信息處理中心得到解析，獲得某一水環(huán)境中的諸多參數(shù)，通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，在應(yīng)用層利用基于微波技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)建立更加完整的智能數(shù)據(jù)庫(kù)，使相關(guān)數(shù)據(jù)信息能夠直接指導(dǎo)某一水體環(huán)境的保護(hù)和其他應(yīng)用[4]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 傳感器智能接口

傳感器智能接口應(yīng)用是基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要技術(shù)之一，通過(guò)傳感器智能接口的開(kāi)發(fā)，結(jié)合水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中關(guān)于水位、流速傳感器等的基本原理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率讀取，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、傳輸和處理等。在此過(guò)程中，主要采用IEEE14512標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳感器智能接口的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。以上述標(biāo)準(zhǔn)作為智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)，將其與水文監(jiān)測(cè)環(huán)境體系中微處理器、儀表盤(pán)設(shè)備甚至水體環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)等的設(shè)置和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)定義提供參考。因此，上述智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)族能夠?yàn)閭鞲衅髋鋫渫ㄓ密浻布Y(jié)構(gòu)，使其在智能水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)快速接入現(xiàn)場(chǎng)總線和互聯(lián)網(wǎng)中，完成水體信息參數(shù)獲取和存儲(chǔ)。

2.2.2 數(shù)據(jù)融合與智庫(kù)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)融合和智庫(kù)實(shí)現(xiàn)是基于互聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)處理后指導(dǎo)功能的關(guān)鍵技術(shù)，主要是對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選、辨別，得到有效信息后進(jìn)行處理與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的智能交互和應(yīng)用。在此過(guò)程中利用數(shù)據(jù)處理平臺(tái)和服務(wù)器，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘工具挖掘水位與流速關(guān)聯(lián)關(guān)系的同時(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理算法形成智能決策體系，實(shí)現(xiàn)某一水體環(huán)境中人機(jī)交互和網(wǎng)頁(yè)界面服務(wù)。以基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多傳感器的信息數(shù)據(jù)融合為例分析可知，多傳感器從待建設(shè)水源點(diǎn)獲得目標(biāo)參數(shù)后進(jìn)行融合分析，可通過(guò)像素級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合3個(gè)層次獲得該待測(cè)點(diǎn)的目標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)待測(cè)點(diǎn)目標(biāo)特征的提取借助融合算法提取目標(biāo)特征量，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)提取。主要包括概率論統(tǒng)計(jì)識(shí)別、邏輯推理識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合識(shí)別以及基于特征抽取融合識(shí)別和基于搜索融合識(shí)別等諸多方式，圖2即為特征融合的示意圖[5]。

圖2 特征融合示意圖

2.2.3 傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與智庫(kù)的集成

傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和智庫(kù)的集成技術(shù)是基于互聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其水體環(huán)境控制目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選用主要根據(jù)待檢測(cè)水體所處位置、流域、現(xiàn)場(chǎng)狀況以及水文站、水庫(kù)情況等。在鋪設(shè)有線互聯(lián)網(wǎng)信息的水體環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)能夠通過(guò)對(duì)無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)的全方位覆蓋，從不同傳感器處獲得設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息及水文環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)信息，以視頻、音頻、圖片、文本等多樣化形式展示。而在沒(méi)有覆蓋有線互聯(lián)網(wǎng)但處于手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)環(huán)境，則可采用GPS技術(shù)等實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。在既沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)又不具備手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的場(chǎng)所，則可進(jìn)一步利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，通過(guò)短報(bào)文方式傳輸水體環(huán)境的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖3即為聯(lián)合數(shù)據(jù)庫(kù)、中繼站及存儲(chǔ)處理中心的雨情監(jiān)控架構(gòu)示意。該系統(tǒng)通過(guò)雨情傳感器和水位傳感器監(jiān)測(cè)待監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的雨量情況、下雨頻率等，通過(guò)電臺(tái)等設(shè)備將相關(guān)數(shù)據(jù)傳達(dá)至中繼站，中繼站將信息調(diào)制解調(diào)后通過(guò)后臺(tái)機(jī)、前置機(jī)等將該地雨水下降情況傳遞至蓄電池結(jié)構(gòu)中，完成對(duì)該地水資源的利用。

圖3 雨情監(jiān)控集成架構(gòu)圖

2.3 室外試點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究主要包括室內(nèi)研究和室外試點(diǎn)應(yīng)用兩大部分內(nèi)容。室內(nèi)研究更側(cè)重于理論研究，著重論述設(shè)備接口兼容性、數(shù)據(jù)信息可分析性等內(nèi)容，探究基于設(shè)備性能的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集分析及價(jià)值挖掘、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、監(jiān)管環(huán)境控制及耐性，論證監(jiān)測(cè)軟件構(gòu)成的完整性。室外試點(diǎn)應(yīng)用則以烏蘇市四棵樹(shù)合集二格勒德水利樞紐工程水庫(kù)為室外研究場(chǎng)所，在配備雷達(dá)設(shè)備、水位計(jì)和流速計(jì)后，通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得較穩(wěn)定可靠的設(shè)備運(yùn)營(yíng)參數(shù)，驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性、工作穩(wěn)定性和參數(shù)準(zhǔn)確度。根據(jù)對(duì)水文實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)勘察情況的認(rèn)識(shí)，結(jié)合水位計(jì)和流速計(jì)的基本工作原理，采取立桿和橫臂相結(jié)合的固定方式，根據(jù)水庫(kù)尺寸、水域范圍確定水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際尺寸大小定制立桿和橫臂，并運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備安裝與調(diào)試。在此過(guò)程中定制立桿時(shí)主要采取鋼結(jié)構(gòu)材料，定制橫臂時(shí)則必須在橫臂的最末端預(yù)留一定數(shù)量的吊鉤，使其便于傳感器設(shè)備安裝。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)軟件

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件由GO SURVEY平臺(tái)開(kāi)發(fā)，包括系統(tǒng)管理模塊、監(jiān)測(cè)管理模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析操作模塊。系統(tǒng)管理模塊主要包括用戶管理、角色管理和權(quán)限管理三大部分功能，利用該模塊能實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的增加或刪除、用戶權(quán)限的設(shè)置、用戶所屬角色以及聯(lián)系方式的匹配等。監(jiān)測(cè)管理模塊則具備對(duì)待檢測(cè)水體環(huán)境所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分類，以及不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)的配置和點(diǎn)位數(shù)據(jù)匹配補(bǔ)償?shù)裙δ?，?shí)現(xiàn)待檢測(cè)水體環(huán)境水文數(shù)據(jù)信息參數(shù)設(shè)置和高效率匹配，從而修正其監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。監(jiān)測(cè)分析模塊具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)督與分析、歷史數(shù)據(jù)保留存儲(chǔ)、水位分析和流量分析等諸多功能，能夠?qū)崿F(xiàn)水位實(shí)時(shí)顯示和流量監(jiān)測(cè)，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便對(duì)水位和流量進(jìn)行及時(shí)分析，從而為人工智能方法實(shí)現(xiàn)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)的水位預(yù)測(cè)打下一定基礎(chǔ)。

3.結(jié)語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)應(yīng)用于水文環(huán)境監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)技術(shù)的完善和研究形成常規(guī)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合、固定監(jiān)測(cè)和移動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的智能化、現(xiàn)代化和自動(dòng)化的高效率水文數(shù)據(jù)信息采集，為數(shù)據(jù)信息的高效率傳輸、存儲(chǔ)、處理以及水體發(fā)展提供智能決策指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)水量、流速、水位、流速、信息和數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)匯總，構(gòu)建高效率的水文數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái)，為城市水務(wù)數(shù)據(jù)信息化管理和智能化管理以及某一地區(qū)防汛抗旱管理甚至水資源高效利用等多項(xiàng)業(yè)務(wù)水平的快速提升打下扎實(shí)基礎(chǔ)，提高我國(guó)水資源的綜合利用效率和管理效率，實(shí)現(xiàn)水資源的精細(xì)化管理、動(dòng)態(tài)管理和全過(guò)程管理。