基于智能邊緣物聯(lián)終端構建水利新型感知體系

蔡 樂，俞 峰，劉勝軍

（華為技術有限公司，北京 100073）

1 前言

推進智慧水利建設是推動新階段水利高質量發(fā)展的6 條實施路徑之一。水利部2021 年印發(fā)了《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》等文件，2022年先后出臺數(shù)字孿生流域、水網(wǎng)工程等系列文件，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，以構建數(shù)字孿生流域為核心，全面推進算據(jù)、算法和算力建設，加快構建具有“四預”功能的智慧水利體系[1]。水利數(shù)字孿生建設需要更透徹的感知、更泛在的連接、更多元的算力、更智能的平臺，高標準的要求對水利信息化建設帶來一定挑戰(zhàn)。

算據(jù)是構建數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)基礎，獲取更透徹的感知數(shù)據(jù)對數(shù)字孿生建設尤為重要。當前，水利感知設備種類繁多、執(zhí)行標準不一、運行維護難度較大，亟需采用更智能的感知設備，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，進行集約化和智能化提升[2]，打造水利數(shù)字孿生新型感知體系，更好地為數(shù)字孿生建設提供數(shù)據(jù)支撐。

2 水利感知存在問題和面臨的挑戰(zhàn)

水利感知網(wǎng)主要包括傳統(tǒng)水利監(jiān)測站網(wǎng)和新型水利監(jiān)測網(wǎng)，宜采用傳統(tǒng)有線、無線等網(wǎng)絡為主，北斗短報文、5 G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、紫蜂協(xié)議（ZigBee）、遠距離無線電（LoRa）等為輔的通信方式，與水利信息網(wǎng)建立安全連接[3]。水利感知技術主要包括設備監(jiān)測、遙感、互聯(lián)網(wǎng)抓取、人工填報等[4]。設備監(jiān)測作為水利感知傳統(tǒng)且重要的技術之一，已經(jīng)不能完全支撐數(shù)字孿生水利對透徹感知的要求。

（1）傳統(tǒng)水利監(jiān)測設備大多基于RTU（遙測終端），數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)共享，現(xiàn)網(wǎng)設備接入存在困難。用于傳輸數(shù)據(jù)的RTU 設備品牌型號眾多、性能接口參差不齊，而不同廠家設備自帶接收平臺進行數(shù)據(jù)信息接收、存儲和展示，數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)共享。由于不同設備數(shù)據(jù)傳輸格式不同，甚至同樣設備傳輸格式也不同，大量現(xiàn)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)傳輸格式解譯難度大，無法統(tǒng)一納入平臺進行管理，進而又加劇了數(shù)據(jù)共享的難度。

（2）監(jiān)測站點多，設備間相互獨立，運行成本較高，分散管理為運行維護帶來困難。目前水利監(jiān)測站每站配備多個監(jiān)測設備，如水文站配有雨量計、水位計、流量計、蒸發(fā)器和視頻監(jiān)控等，水庫站配有雨量計、水位計、流量計、水質檢測儀和視頻監(jiān)控等，每個監(jiān)測設備均有遙測終端，同一站點多個遙測終端不僅造成設備投資的浪費，而且增加了運行成本。同時，分散建設的子系統(tǒng)無法對現(xiàn)有設備進行統(tǒng)一接入和管理，致使對設備的運行維護管理存在一定的困難。

（3）水利感知設備智能化水平有待提升。目前RTU 采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，只有基本的數(shù)據(jù)濾波算法，沒有進行數(shù)據(jù)的智能分析和判斷。通過對數(shù)據(jù)的智能分析和判斷，可大大減少人工觀測的次數(shù)，提升數(shù)據(jù)監(jiān)測質量，降低管理成本。

若具有水位智能校核功能即根據(jù)浮子水位計、雷達水位計、AI 視頻水位數(shù)據(jù)進行實時校核，分析水位偏差值來校正水位數(shù)據(jù)，則當水位偏差大于預值時，實時抓拍水位尺當前水位圖片和水位偏差警報信息上傳至平臺，由平臺提示值班人員進行人工復核。

若具有雨量互檢智能分析功能即根據(jù)備用雨量計數(shù)據(jù)與主雨量計數(shù)據(jù)進行實時校核，分析主雨量計和備用雨量計數(shù)據(jù)偏差是否在設定范圍內來分析判斷主雨量計是否損壞或承水器是否被堵，則當分析判斷出主雨量計有故障時，系統(tǒng)自動切換到備用雨量計傳輸數(shù)據(jù)，并發(fā)出主雨量計故障報警信息上傳至平臺，由平臺提示運行維護人員處理。

因此，研發(fā)一款安全、可靠、穩(wěn)定的智能邊緣物聯(lián)終端，在監(jiān)測站點統(tǒng)一接入各類傳感器、遠控設備、監(jiān)控設備，基于容器進行協(xié)議的靈活管理，并且根據(jù)業(yè)務需求提供邊緣計算能力進行數(shù)據(jù)預處理及解算，再通過多種可靠的物聯(lián)網(wǎng)信道回傳是十分有必要的。同時，在水利工程、水資源調度及城市水務等領域也存在大量的RTU、PLC設備，通過統(tǒng)一的智能邊緣物聯(lián)終端實現(xiàn)接入、數(shù)傳、遠控、管理也是十分迫切的。

3 智能邊緣物聯(lián)終端核心技術和優(yōu)勢

智能邊緣物聯(lián)終端是在數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。它可以作為連接物理和數(shù)字世界的橋梁，提供智能資產(chǎn)、智能網(wǎng)關、智能系統(tǒng)和智能服務。智能邊緣物聯(lián)終端，如圖1所示。

智能邊緣物聯(lián)終端應用于水利感知，可融合5G、AI、邊緣計算、北斗通信等新一代信息技術，顛覆傳統(tǒng)獨立控制系統(tǒng)的架構，為水利感知網(wǎng)帶來新的突破。

3.1 核心技術

（1）采用4 核ARM CPU，處理能力較強，支持M.2 硬盤接口擴展存儲，支撐多App 并行處理。智能邊緣物聯(lián)終端架構，如圖2所示。

圖2 智能邊緣物聯(lián)終端架構

（2）邊緣計算架構。開放軟硬件資源，支持Linux LXC 或Docker容器管理，App隨需部署。提供標準Linux 開發(fā)環(huán)境，提供SDK 實現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡資源靈活調用。支持多邊緣計算場景、多傳感接入等。

（3）異構協(xié)議兼容。支持RS-485、RS-232、DI/DO、基于IP 的電力線載波PLC 等多種接口和協(xié)議，實現(xiàn)監(jiān)測場景設備和數(shù)據(jù)接入。

（4）多種網(wǎng)絡制式。支持LTE FDD和LTE TDD，并可兼容WCDMA/GPRS/GSM；支持Micro SIM 制式，支持雙SIM卡冗余備份設計。

（5）自然散熱、雙電源冗余設計?？砷L期工作在-40～+70℃、5%～95%（非凝露）環(huán)境，保障設備長期穩(wěn)定運行。

（6）支持IPv6和IPsec加密，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。

3.2 優(yōu)勢分析

（1）多設備一站式接入?？芍С植杉瘮?shù)據(jù)類型包括水位、雨量、蒸發(fā)、流速、視頻等，并且可以根據(jù)對接傳感能力，不斷擴展支持水質、土壤墑情、空氣質量等更多采集數(shù)據(jù)。所有感知設備一站式接入，可基于1 張SIM 卡通信，大大節(jié)省建設和運行成本。智能邊緣物聯(lián)終端多設備一站式接入，如圖3所示。

圖3 智能邊緣物聯(lián)終端多設備一站式接入

（2）App 極簡開發(fā)和部署。智能邊緣物聯(lián)終端硬件功能和邊緣計算應用軟件通過“容器”技術相互隔離，各種協(xié)議及應用通過容器部署，實現(xiàn)軟硬件充分解耦，增加設備的適用性，后期協(xié)議和應用升級通過開發(fā)App形式，靈活便捷。

（3）多協(xié)議多標準全兼容。支持RS-485、Modbus-RTU、Modbus-TCP、MQTT、COAP 等通信協(xié)議，對自動監(jiān)測設備傳輸鏈路模式、傳輸數(shù)據(jù)的報文幀結構框架、報文幀結構、報文正文結構、報文編碼方法等內容進行詳細規(guī)定。支持多容器部署，通過加密文件系統(tǒng)對業(yè)務數(shù)據(jù)進行加密，保證數(shù)據(jù)安全。不同App 間各自調用計算、存儲、網(wǎng)絡等資源，獨立采集終端設備數(shù)據(jù)，保障業(yè)務安全。

（4）具備多樣化、高可靠通信保障能力。支持光纖/5G/4G/北斗等多種通信方式，實現(xiàn)多種鏈路互為備份傳輸。具有通信鏈路診斷、自動切換信道、通信鏈路巡檢等功能，在極端惡劣環(huán)境下為信號回傳提供最高保障。

（5）支持AI 智能分析。支持疊加AI 處理盒子，算力更強，可加載伙伴AI算法。支持現(xiàn)有的攝像頭視頻接入，可根據(jù)業(yè)務需求實現(xiàn)視頻的結構化解析處理，具有進出人員、車輛、水尺、流量、水面異常漂浮物等識別功能。智能邊緣物聯(lián)終端用于河流表面流速識別，如圖4所示。

圖4 智能邊緣物聯(lián)終端用于表面流速識別

（6）支持“端邊管云”標準架構，具有低延時通信回傳和高時效性邊緣計算能力，滿足監(jiān)測站與主站之間水利行業(yè)協(xié)議適配以及業(yè)務狀態(tài)分析和預警，同時平臺能夠實現(xiàn)設備、容器應用等遠程統(tǒng)一管理。

4 某省智慧水庫應用案例分析

某省有2 600多座中小水庫，很多水庫大壩已經(jīng)使用超過50 a，90%大壩無市電，供電困難；現(xiàn)場設備功耗超過200 W；網(wǎng)絡回傳困難，基本靠4G，速率不超過5 Mbps；傳感設備眾多，統(tǒng)一規(guī)約困難；長期無人值守，設備管理維護困難。在此基礎上，研發(fā)的智能邊緣物聯(lián)終端在全國率先完成“一站一端一平臺”的智慧水庫平臺建設，如圖5所示。該智能邊緣物聯(lián)終端為具有多數(shù)據(jù)接口、支持有線與無線組網(wǎng)模式、低功耗的智能一體遠程控制終端，主要用于雨量、水位、流量、GNSS、視頻等多種傳感設備的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)一存儲和上傳，實現(xiàn)水庫監(jiān)測要素全感知、監(jiān)測設備全托管的目標，解決目前RTU 功能單一、接收平臺過多、采控不能統(tǒng)一的問題，提升了水庫自動化、智能化監(jiān)測的能力和水平。應用案例具備以下四大行業(yè)價值。

圖5 智能邊緣物聯(lián)終端用于智慧水庫建設

（1）1 臺智能邊緣物聯(lián)終端接入視頻、水雨情、工情、電源電池等采集傳感器，SIM 卡由原來的3 000多張降至400張，通信費用降低30%。

（2）站點設備、通信等的一站式管理支持遠程故障定位及處理，可大幅降低維護復雜度和現(xiàn)場維護成本。

（3）為解決多處偏遠地區(qū)通信環(huán)境惡劣的問題，提供光纖、4 G、北斗、WiFi 自組網(wǎng)等多種通信方式，靈活切換，全天候可用。

（4）通過邊緣計算和數(shù)據(jù)清洗、分析和挖掘，實現(xiàn)水文測量數(shù)據(jù)實時分析和預警。

5 結語

智能邊緣物聯(lián)終端作為一種新型的遠程控制終端，集遠程控制、本地管理、計算和通信、AI 智能分析于一體，實現(xiàn)多種水利監(jiān)測傳感器（設備）的數(shù)據(jù)采集、存儲、上傳的統(tǒng)一管理，解決目前RTU 功能單一、接收平臺過多、采控不能統(tǒng)一的問題，在保障數(shù)據(jù)采集、傳輸安全的基礎上，可以有效降低整體運行維護成本，提升工作效能。同時，內置AI 功能通過對數(shù)據(jù)的智能分析和判斷，可以大大減少人工觀測的次數(shù)，提升數(shù)據(jù)監(jiān)測質量，降低管理成本。目前，智能邊緣物聯(lián)終端已經(jīng)在多個省份智慧水庫、智慧水文建設中得到應用。基于智能物聯(lián)終端構建新型水利感知體系，使水利數(shù)據(jù)感知更加便捷、透徹和智能，更好地為數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)支撐。