基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)在智慧機場水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

閆天瑞， 余倩倩， 陳新威， 李抒智， 張 紅， 王 江， 鄒 軍，石明明， 王洪榮， 蘇曉峰， 陳 啟， 鄭煒陵

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)a.化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院；b.理學(xué)院，上海 201418；2.上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，上海 201206；3.上海贄匠智能科技有限公司，上海 201107；4.煙臺華創(chuàng)智能裝備有限公司，山東煙臺 264001；5.西雙版納承啟科技有限公司，云南景洪 666100；6.上海國際機場股份有限公司，上海 201207）

上海浦東國際機場位于上海市東邊，靠近濱海地帶，距市中心約30 km，是中國（包括港、澳、臺）三大國際機場之一，主要以國際航班為主，也有部分國內(nèi)航班。浦東機場場區(qū)管理范圍較大，管轄面積約40 km2，包括54 km圍場河、1.5 km2人工湖以及206 km污水管道等[1]。面對如此大的管轄范圍以及較多的管轄項目，浦東國際機場通過4G、窄帶互聯(lián)網(wǎng)（narrowband internet of things，NBIoT）、光纖和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）等多種物聯(lián)技術(shù)建立智慧場區(qū)，搭建“一個平臺，四大系統(tǒng)”的智慧管理系統(tǒng)，包括智慧防汛系統(tǒng)、智慧環(huán)境系統(tǒng)、智慧物聯(lián)系統(tǒng)、智慧監(jiān)控系統(tǒng)。作為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，NBIoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communications，GSM）網(wǎng)絡(luò)、通用移動通信系統(tǒng)（universal mobile telecommunications system，UMTS）網(wǎng)絡(luò)或長期演進（long term evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（low power wide area，LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（machine to machine，M2M）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點。NB-IoT還使用license頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波等3種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)共存。機場利用NB-IoT等技術(shù)其特性，實現(xiàn)能夠達到對機場各種環(huán)境實時監(jiān)測的目的，其中水環(huán)境對機場的影響甚大，對水環(huán)境的實時監(jiān)測具有重要意義，水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)為水環(huán)境的治理提供智慧化的管控手段[2]。

1 水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)建設(shè)的重要性

在機場經(jīng)濟時代到來的同時，水環(huán)境也受到比較嚴(yán)重的影響，為防止和治理水污染，加強水質(zhì)監(jiān)測變成治理和管理水環(huán)境的一項重要任務(wù)。但是按照一般的水質(zhì)監(jiān)測管理，是無法達到高效及時的自動監(jiān)測管理的目標(biāo)[3]。比如：浦東國際機場原來每月需開展1次河道斷面人工檢測，但此方法水質(zhì)檢測既耗時又無法實時得到水質(zhì)數(shù)據(jù)樣本，導(dǎo)致水環(huán)境的治理以及管理均會受到相應(yīng)的影響，無法及時準(zhǔn)確解決水質(zhì)問題。

如今利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對水質(zhì)進行監(jiān)測，實現(xiàn)每4 h就進行一次自動檢測，每月檢測量提高180倍，并且極大豐富水質(zhì)數(shù)據(jù)樣本，實現(xiàn)對浦東機場水環(huán)境狀況的實時掌握。水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)對此發(fā)揮極大的作用，使水環(huán)境管理變得高效準(zhǔn)確。

2 水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容

2.1 建設(shè)任務(wù)

進行水環(huán)境的水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)設(shè)施是分布在各采樣點的采樣設(shè)備[4]，其中傳感器是浦東機場水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)。傳感器包括p H傳感器，溫度傳感器和渾濁度傳感器等[5]。

在管理水環(huán)境的工作中，還需要對大量的數(shù)據(jù)進行分析和處理，為切實保證數(shù)據(jù)收集和傳輸上的及時性和有效性，浦東機場利用4G、NB-IoT、光纖和GPS等多種物聯(lián)技術(shù)對機場水環(huán)境進行全數(shù)據(jù)監(jiān)測[6-7]。匯聚數(shù)據(jù)后，平臺管理系統(tǒng)需有效地歸集場區(qū)各種實時的、有效的水質(zhì)信息和價值度高的物聯(lián)數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)對水環(huán)境實時掌控、精確管理和科學(xué)高效的決策。系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)包括水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備的建設(shè)，浦東機場智慧系統(tǒng)平臺對水質(zhì)監(jiān)測信息的管理等。

2.2 建設(shè)組成

浦東機場水質(zhì)監(jiān)測自動管理系統(tǒng)其組成主要分為4個層面[2]，分別是數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)傳輸層、平臺管理層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)Fig.1 Water quality online detection system

（1）數(shù)據(jù)獲取層

數(shù)據(jù)獲取層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)端，是數(shù)據(jù)的直接來源層。利用各種傳感器、移動終端、電子標(biāo)簽等實現(xiàn)對機場水環(huán)境的智能感知、信息采集處理和自動控制，并利用通信技術(shù)將水環(huán)境實體鏈接到數(shù)據(jù)傳輸層和平臺層。數(shù)據(jù)獲取層是實現(xiàn)水環(huán)境感知的核心能力層，它能更精確、全面的感知水環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層是系統(tǒng)的中間層，主要實現(xiàn)對水質(zhì)信息的傳遞、路由和管控。該層通過構(gòu)建廣泛覆蓋機場水環(huán)境的物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)物物相連、精度感知。利用各種通信技術(shù)，滿足各類水質(zhì)感知設(shè)備通信要求，形成一個完善的物聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建高速數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)傳輸通道將感知層獲得的水質(zhì)信息，可靠地、安全地傳輸?shù)狡脚_層。其中NB-IoT是水質(zhì)監(jiān)測自動管理系統(tǒng)物聯(lián)專網(wǎng)的核心內(nèi)容，主要承擔(dān)長距離、廣范圍的傳輸任務(wù)。

（3）平臺管理層

平臺管理層，即是物聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺。向下接入數(shù)據(jù)感知層和數(shù)據(jù)傳輸層匯聚所得的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息，向上是應(yīng)用層的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口。平臺管理基于物聯(lián)網(wǎng)的運用，歸集實時有效且多樣豐富的數(shù)據(jù)，包括終端感知的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息和外部系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)信息等。其信息特點為實時性強、價值度高、數(shù)據(jù)鮮活，是形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要信息來源。

（4）應(yīng)用層

應(yīng)用層是實現(xiàn)對水環(huán)境數(shù)據(jù)處理的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與機場實際需求結(jié)合，并對獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)信息進行計算分析，形成智慧方案，更加高效精確地管理、整治機場水環(huán)境。

2.3 系統(tǒng)布設(shè)

浦東機場地處經(jīng)濟活躍的長三角地區(qū)，服務(wù)范圍波及整個中國，地域廣，人口流量大。上海屬于季風(fēng)氣候，氣候適宜，雨水均勻，需結(jié)合浦東機場具體設(shè)施的建設(shè)和降雨特點來安裝相匹配的傳感器，并且要做到全方位安裝傳感器。還要解決人口流量大等問題帶來間接性通信延遲導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏笮缘戎T多因素，采用的系統(tǒng)不能影響機場的運行。

本次設(shè)計可以說綜合考慮了浦東機場作為特殊場地的需求及其智慧系統(tǒng)的建設(shè)，結(jié)合了機場的特點，通過全方位的研究考量，設(shè)計了此套因地制宜的水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)，并在實際使用中達到了出色的效果。

系統(tǒng)功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和平臺管理。數(shù)據(jù)采集功能可以實時精準(zhǔn)的感知識別水環(huán)境，能夠高效自動采集有價值的水質(zhì)信息，并且采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)樣本豐富[5,8]。浦東機場管理的水環(huán)境分布范圍廣，要求數(shù)據(jù)傳輸功能快速而準(zhǔn)確[9]。平臺管理是指整個系統(tǒng)實現(xiàn)全自動監(jiān)測，需要按時優(yōu)化系統(tǒng)中出現(xiàn)的新出現(xiàn)問題，并且找到相應(yīng)的方法。當(dāng)然，仍然需要在后續(xù)工作中對水質(zhì)監(jiān)測自動管理系統(tǒng)進行完善，將其設(shè)置得更加合理和多樣化，找到隨機“失真”的原因。

2.4 系統(tǒng)工作體制選擇

本水質(zhì)監(jiān)測自動管理系統(tǒng)采用的是混合制的體制，通過基礎(chǔ)設(shè)施傳感器采集數(shù)據(jù)、通過物聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)、通過數(shù)據(jù)處理中心處理并反饋。實現(xiàn)全自動化監(jiān)測，可以隨時開手機app觀察需要知道的水質(zhì)污染情況等。一方面大大降低人力物力，另一方面也可以節(jié)約更多的資金用于系統(tǒng)的維護與優(yōu)化問題，更重要的是顯著提高工作效率，使各個部門系統(tǒng)聯(lián)系得更加緊密。

3 系統(tǒng)應(yīng)用介紹

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)從2018年下半年開始建設(shè)實施，現(xiàn)已經(jīng)正式上線3年多。系統(tǒng)依托NB-IoT等技術(shù)，應(yīng)用水質(zhì)監(jiān)測的物聯(lián)監(jiān)測終端。同時，在PC端的管理平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)移動端的APP，實現(xiàn)關(guān)鍵水質(zhì)信息的同步顯示和查詢，利于領(lǐng)導(dǎo)或管理單位對平臺的靈活使用。系統(tǒng)主要應(yīng)用于浦東國際機場景觀水池圍場河水質(zhì)監(jiān)測，在實際應(yīng)用中可以實時勘測到水質(zhì)信息的變化，對管理人員早期處理水環(huán)境問題提供較大空間[10]。此外，通過系統(tǒng)的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)記錄，可以了解特定時間、特定區(qū)域一些易發(fā)生的水環(huán)境問題，可以針對性采取一些預(yù)案措施，從而提升水環(huán)境問題的處置能力，也為其處置方式優(yōu)化提供支撐，從而提升整體管理能力。

4 結(jié)語

浦東國際機場通過4G、NB-IoT、光纖、GPS等多種物聯(lián)技術(shù)建立水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)水質(zhì)信息的實時監(jiān)控與管理，并通過系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)展示、報警管理等工作，為浦東機場水環(huán)境治理提供智慧化管控手段，對水環(huán)境的治理有顯著作用[10]。