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

0 引 言

我國(guó)疆域廣闊，河流湖泊眾多，豐富的水資源極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展，但洪澇災(zāi)害也給人民群眾帶來了不小的財(cái)產(chǎn)損失和生命威脅。洪災(zāi)治理經(jīng)常采用預(yù)防為主的方式，洪災(zāi)預(yù)防首先要對(duì)河流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)洪水情況。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測(cè)經(jīng)常采用人工方法，定期到水庫、河流等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施檢測(cè)，但人工方法存在很多弊端，諸如無法做到實(shí)時(shí)測(cè)量、獲得全面數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確分析結(jié)果等，甚至在一些偏遠(yuǎn)區(qū)域，人工監(jiān)測(cè)無法實(shí)施，致使該區(qū)域數(shù)據(jù)無法獲取。

基于上述問題，建設(shè)現(xiàn)代化水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。近 年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的大力發(fā)展，推動(dòng)了水文 信息化建設(shè)出現(xiàn)長(zhǎng)足進(jìn)步，克服了傳統(tǒng)人工觀測(cè)方式的不足。在基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)方面，已經(jīng)有眾多學(xué)者實(shí)施了研究， 諸如，賈琳娜等以船只搭載傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的移動(dòng) 節(jié)點(diǎn)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)[1]；王慧斌等提出一種基于 CPS體系架構(gòu)的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) [2]，具備“實(shí)時(shí)感知 - 物信互聯(lián) - 過程跟蹤 - 智能處理”的特征 ； 吳春祥等依托 4G 無線網(wǎng)絡(luò)與岸端水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心構(gòu)建了一個(gè)智能化水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng) [3]；李杰采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建丹東市水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng) [4]，可提高區(qū)域水文信息監(jiān)測(cè)效率 ； 熊萬提出利用 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及 W5500以太網(wǎng)模塊組成監(jiān)控系統(tǒng) [5]，以實(shí)現(xiàn)水文信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ；馬朝從硬件平臺(tái)構(gòu)建和軟件集成設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，探討了基于物聯(lián) 網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)架構(gòu) [6]；晉美次旦等提出一種基于物 聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [7]，可提高水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化水平 ； 張?jiān)频葮?gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [8]，利用 ZigBee 技術(shù)在小范圍無線通信方面的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合水文預(yù)報(bào)的實(shí)際現(xiàn) 場(chǎng)情況，采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建無線自動(dòng)水文監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò) ；張洋洋等基于 ZigBee和 GPRS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水文信息 [9]，極大地提升了水文監(jiān)測(cè)的智能化水平 ；Dai等基于水調(diào)度管理模塊， 構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [10]；江勇等提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [11]，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理、可視化顯示、異常報(bào)警及處理等功能。

綜合以上文獻(xiàn)得出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到了一定的應(yīng)用，集中于利用 4G，ZigBee，GPRS 等無線組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，目前有些處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，并未真正用于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。本文通過研究實(shí)施自動(dòng)化水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位、流速水文信息的自動(dòng)采集、傳輸和處理，建立水位、流速關(guān)聯(lián)決策系統(tǒng)，并在廣西境內(nèi)建立試點(diǎn)， 完善水文信息的存儲(chǔ)管理和交換，為水文數(shù)據(jù)的處理提供先進(jìn)的技術(shù)手段，為防汛抗旱、城市水務(wù)信息化、水資源管理等提供依據(jù)，滿足水利各類業(yè)務(wù)和其他行業(yè)對(duì)水文水資源預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的需求。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng) [12]是通過射頻識(shí)別（RFID）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等傳感設(shè)備，按照約定協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)與物品連接，實(shí)現(xiàn)信息交換和通信與智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)物到物（T2T）、人到物（H2T）和人到人（H2H）的互聯(lián)，通過傳感技術(shù)將人與人之間的互聯(lián)擴(kuò)大到了物的范圍 [13]。物聯(lián)網(wǎng)的核心是物物相連，可實(shí)現(xiàn)所有事物之間的信息交換和通信，如圖 1 所示。

圖 1 物聯(lián)網(wǎng)泛在互聯(lián)

體系架構(gòu)用于指導(dǎo)具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛， 急需建立一個(gè)共性框架支撐物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)， 隨著應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，新技術(shù)不斷引入物聯(lián)網(wǎng)體系中。通常，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖 2 所示。

1.1 感知層

物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，感知層是基礎(chǔ)，其主要基于傳感器采集物體信息。感知層的關(guān)鍵技術(shù)包括 RFID 技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。感知層需要解決功耗、成本等問題，并大力促使其向高靈敏度、全面的感知能力方向發(fā)展。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要完成感知信息的傳送，是物聯(lián)網(wǎng)信息的承載網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)等，接入網(wǎng)使物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入功能，接入網(wǎng)分為無線接入和有線接入等。核心網(wǎng)支持終端移動(dòng)性和異構(gòu)接入。物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備結(jié)構(gòu)不同， 因此，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該是泛在的，而且物體是移動(dòng)的，因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層需要支持移動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)無縫透明接入。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、應(yīng)用決策等，最終實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用。該層涉及大量數(shù)據(jù)的智能處理、中間件、分布式計(jì)算、信息發(fā)現(xiàn)等技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用均有各自不同的系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與物聯(lián)網(wǎng)接入、融合的管理平臺(tái)，因此， 應(yīng)用層需要一個(gè)通用框架，以滿足物聯(lián)網(wǎng)各行業(yè)的個(gè)性化應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)的特征是物物相連，無需人工干預(yù)，極大地提高了效率，同時(shí)也降低了人工導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。物聯(lián)網(wǎng)把傳統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡(luò)延伸到更為廣泛的物理世界。將“物”納入“網(wǎng)” 中是信息化發(fā)展的一大趨勢(shì)。

2 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，在各個(gè)行業(yè)都有成熟的應(yīng)用典范。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，“水聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代已經(jīng)到來，物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)是水聯(lián)網(wǎng)中的一部分。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)， 通過關(guān)鍵技術(shù)的研究建成常規(guī)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)、固定監(jiān)測(cè)與移動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的現(xiàn)代化水文信息采集體系，研究開發(fā)一套集采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示于一體的自動(dòng)化水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用水位計(jì)、流速計(jì)對(duì)水位、流速信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸匯集，構(gòu)建水文信息平臺(tái)，服務(wù)于防汛抗旱、城市水務(wù)信息化以及水資源監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)業(yè)務(wù)管理，從而能夠切實(shí)提高水利行業(yè)管理的綜合能力和管理水平，實(shí)現(xiàn)向精細(xì)管理、動(dòng)態(tài)管理、定量管理和科學(xué)管理的轉(zhuǎn)變。

2.1 系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用傳感器（水位計(jì)、流速計(jì)）進(jìn)行水文信息實(shí)時(shí)采集，利用 Internet/GPRS 通信網(wǎng)建立信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，并把信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的水文監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)， 形成區(qū)域內(nèi)信息采集、傳輸、處理的水文信息綜合數(shù)據(jù)庫， 如圖 3 所示。

基于通用物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。

感知層 ：由水位傳感器、流速傳感器和數(shù)據(jù)終端機(jī)組成， 采用 GDRD56 雷達(dá)水位計(jì)采集水位信息，采用 RG30 雷達(dá)流速計(jì)采集流速信息，采用 DATA-6311 數(shù)據(jù)終端機(jī)解析水位與流速傳感器信息，并將數(shù)據(jù)傳送于網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層 ：采用 Internet/GPRS 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式。數(shù)據(jù)終端機(jī)解析得到的水位與流速數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)與處理。

應(yīng)用層 ：開發(fā)基于 Web 的物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，通過建立智庫使應(yīng)用層能夠更方便、更快捷地獲得水文信息。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器智能接口開發(fā)、數(shù)據(jù)融合與智庫實(shí)現(xiàn)以及傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)與智庫的集成研究。

（1）傳感器智能接口開發(fā)

通過熟悉水位、流速傳感器的原理以及數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等完成傳感器智能接口的開發(fā)，擬采用 IEEE1451 標(biāo)準(zhǔn) [14]，接口原理如圖 4 所示。IEEE1451 是一個(gè)智能傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)族，其定義了一系列為使智能傳感器連接到微處理器、儀表系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的開放、通用的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)給傳感器配備了一個(gè)通用的軟硬件接口，使其可以方便地接入現(xiàn)場(chǎng)總線以及 Internet。

（2）數(shù)據(jù)融合與智庫實(shí)現(xiàn)

主要對(duì)采集到的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、過濾、存儲(chǔ)、處理、人機(jī)交互等，利用數(shù)據(jù)處理平臺(tái)與服務(wù)器，采用 WEKA 工具挖掘水位與流速的關(guān)聯(lián)關(guān)系，融合各種數(shù)據(jù)處理算法，形成智能決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互與 Web 服務(wù)。數(shù)據(jù)融合與智庫實(shí)現(xiàn)如圖 5 所示。

（3）傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)與智庫的集成

無線網(wǎng)絡(luò)的選用擬根據(jù)水文站、水庫、流域的現(xiàn)場(chǎng)情況而定， 在鋪設(shè)有線 Internet 的現(xiàn)場(chǎng)， 可以通過覆蓋無線WiFi 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取各傳感器數(shù)據(jù)甚至視頻、圖片 ；在沒有Internet 而有手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)，可以采用 GPRS 等網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù) ；在沒有 Internet 與手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)所，擬采用北斗短報(bào)文方式傳輸數(shù)據(jù)。傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)與智庫集成如圖 6 所示。

2.3 室外試點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括室內(nèi)研究和室外試點(diǎn)應(yīng)用。室內(nèi)研究在充分考慮各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，建設(shè)了一套由監(jiān)測(cè)點(diǎn)、數(shù)采儀、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)軟件構(gòu)成的完整體系 ；室外試點(diǎn)應(yīng)用在南寧水文站實(shí)施室外試驗(yàn)，安裝雷達(dá)式水位計(jì)與流速計(jì)各 1 套，通過現(xiàn)場(chǎng)大量的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)水文系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。

根據(jù)水文站現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，結(jié)合需要安裝的水位計(jì)與流 速計(jì)的工作原理，采用豎桿與橫臂結(jié)合固定的方法，根據(jù)實(shí)際尺寸定制豎桿與橫臂并運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試。定制 L 型立桿，采用鋼 Q235材料，高 6m、橫臂長(zhǎng) 6m，桿直徑180mm、厚 6mm，橫臂直徑 114mm、厚 4mm。橫臂末端預(yù)留3個(gè)吊鉤，用于安裝傳感器，吊鉤安裝孔按照傳感器訂做 ； 桿中端安裝一個(gè)室外監(jiān)測(cè)箱用于安裝數(shù)據(jù)終端機(jī) ；頂端安裝太陽能板支架，用于安裝太陽能板 ；桿和橫臂連接處安裝天線扣，用于安裝發(fā)射天線。整桿做防雷處理，電箱終端到傳 感器之間預(yù)留連接線管及線孔。物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝如 圖 7 所示。

安裝立桿前，分別在低水位與高水位處做 2個(gè)基礎(chǔ)籠， 挖地長(zhǎng) 1m，寬 1m，深 3m。采用 12×M24 圓鋼材料，3m 下料，帶面板，C30 混凝土。在枯水期時(shí)，將立桿安裝于低水位處 ；洪水期時(shí)，將立桿上移到高水位處。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)軟件

實(shí)時(shí)收集無線傳感網(wǎng)絡(luò)（GPRS）傳輸?shù)乃弧⒘魉贁?shù)據(jù)，并予以分類聚積、組合、存儲(chǔ) ；預(yù)處理的數(shù)據(jù)屬于時(shí)序數(shù)據(jù)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN） 建立數(shù)據(jù)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯系統(tǒng)（Fuzzy Logic System，F(xiàn)LS）相結(jié)合形成的神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)（Neuro-Fuzzy Networks，NFN）模型對(duì)實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能決策 ；人機(jī)交互與 Web 服務(wù)界面采用 GoServer 快速 Web 應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。GoServer 是一套用于開發(fā) Web 應(yīng)用系統(tǒng)的快速開發(fā)平臺(tái)，適用于開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是 MIS，ERP， CRM，OA，HER，物流系統(tǒng)等。也適用于將 C/S 應(yīng)用系統(tǒng)轉(zhuǎn)向 B/S 構(gòu)架，或者將多套 C/S 應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行整合，以及完成傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)程序。

物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)軟件采用GoServer 平臺(tái)開發(fā)而成，包括系統(tǒng)管理、監(jiān)測(cè)管理與監(jiān)測(cè)分析操作。系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理、角色管理以及權(quán)限管理等功能，可以添加與刪除用戶 ID、用戶名、所屬角色及其聯(lián)系方法等 ；監(jiān)測(cè)管理模塊具有監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類、監(jiān)測(cè)點(diǎn)配置、參數(shù)配置與數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)裙δ埽饕獙?shí)施對(duì)水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置與配置，該功能是達(dá)到準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)結(jié)果的前提 ；監(jiān)測(cè)分析模塊具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)保存、水位分析、流量分析與水位預(yù)測(cè)功能，可以實(shí)時(shí)顯示水位、流量數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫，方便對(duì)水位、流量進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，如圖 8 所示。應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)，通過人工智能方法對(duì)水位實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。

3 結(jié) 語

本文應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)建立了一套基于水位計(jì)和流速計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過室內(nèi)試驗(yàn)和室外試點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行大大提升了水利水文領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，突破了重點(diǎn)核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水利水文領(lǐng)域的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展， 有力支撐了廣西壯族自冶區(qū)水利產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，為后期建設(shè)功能明確、結(jié)構(gòu)合理、良性互動(dòng)、運(yùn)行高效的智慧水文信息監(jiān)控體系奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖 8 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測(cè)分析模塊