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

0 引 言

我國疆域廣闊，河流湖泊眾多，豐富的水資源極大地促進了農(nóng)業(yè)發(fā)展，但洪澇災害也給人民群眾帶來了不小的財產(chǎn)損失和生命威脅。洪災治理經(jīng)常采用預防為主的方式，洪災預防首先要對河流進行實時監(jiān)測，然后對采集到的實時數(shù)據(jù)進行分析，從而能夠準確預報洪水情況。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測經(jīng)常采用人工方法，定期到水庫、河流等現(xiàn)場實施檢測，但人工方法存在很多弊端，諸如無法做到實時測量、獲得全面數(shù)據(jù)、準確分析結(jié)果等，甚至在一些偏遠區(qū)域，人工監(jiān)測無法實施，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)測系統(tǒng)勢在必行。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，推動了水文 信息化建設(shè)出現(xiàn)長足進步，克服了傳統(tǒng)人工觀測方式的不足。在基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測方面，已經(jīng)有眾多學者實施了研究， 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 節(jié)點，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水情測報系統(tǒng)[1]；王慧斌等提出一種基于 CPS體系架構(gòu)的水文自動測報物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) [2]，具備“實時感知 - 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)測中心構(gòu)建了一個智能化水文自動測報系統(tǒng) [3]；李杰采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建丹東市水文監(jiān)測信息系統(tǒng) [4]，可提高區(qū)域水文信息監(jiān)測效率 ； 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]，以實現(xiàn)水文信息的實時監(jiān)測 ；馬朝從硬件平臺構(gòu)建和軟件集成設(shè)計兩個方面，探討了基于物聯(lián) 網(wǎng)的水文監(jiān)測信息系統(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)測系統(tǒng) [7]，可提高水文監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平 ； 張云等構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng) [8]，利用 ZigBee 技術(shù)在小范圍無線通信方面的優(yōu)點，結(jié)合水文預報的實際現(xiàn) 場情況，采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)組建無線自動水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) ；張洋洋等基于 ZigBee和 GPRS實時監(jiān)測水文信息 [9]，極大地提升了水文監(jiān)測的智能化水平 ；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)測系統(tǒng) [10]；江勇等提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng) [11]，該系統(tǒng)具有實時處理、可視化顯示、異常報警及處理等功能。

綜合以上文獻得出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文信息監(jiān)測系統(tǒng)中得到了一定的應用，集中于利用 4G，ZigBee，GPRS 等無線組網(wǎng)方式實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，目前有些處于實驗室試驗階段，并未真正用于監(jiān)測現(xiàn)場。本文通過研究實施自動化水文監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)水位、流速水文信息的自動采集、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， 完善水文信息的存儲管理和交換，為水文數(shù)據(jù)的處理提供先進的技術(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)對水文水資源預測預報的需求。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng) [12]是通過射頻識別（RFID）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、紅外感應器、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，實現(xiàn)信息交換和通信與智能化識別、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)擴大到了物的范圍 [13]。物聯(lián)網(wǎng)的核心是物物相連，可實現(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)用于指導具體的系統(tǒng)設(shè)計，物聯(lián)網(wǎng)應用廣泛， 急需建立一個共性框架支撐物聯(lián)網(wǎng)在各個領(lǐng)域的應用，同時， 隨著應用需求的不斷發(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)層和應用層，如圖 2 所示。

1.1 感知層

物聯(lián)網(wǎng)要實現(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)應該是泛在的，而且物體是移動的，因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層需要支持移動性，實現(xiàn)無縫透明接入。

1.3 應用層

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

物聯(lián)網(wǎng)的特征是物物相連，無需人工干預，極大地提高了效率，同時也降低了人工導致的不穩(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。

2 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，在各個行業(yè)都有成熟的應用典范。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，“水聯(lián)網(wǎng)”時代已經(jīng)到來，物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測是水聯(lián)網(wǎng)中的一部分。應用物聯(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)測與自動監(jiān)測、固定監(jiān)測與移動監(jiān)測相結(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、顯示于一體的自動化水文監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用水位計、流速計對水位、流速信息進行實時采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸匯集，構(gòu)建水文信息平臺，服務(wù)于防汛抗旱、城市水務(wù)信息化以及水資源監(jiān)測等多項業(yè)務(wù)管理，從而能夠切實提高水利行業(yè)管理的綜合能力和管理水平，實現(xiàn)向精細管理、動態(tài)管理、定量管理和科學管理的轉(zhuǎn)變。

2.1 系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)使用傳感器（水位計、流速計）進行水文信息實時采集，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)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應用層組成。

感知層 ：由水位傳感器、流速傳感器和數(shù)據(jù)終端機組成， 采用 GDRD56 雷達水位計采集水位信息，采用 RG30 雷達流速計采集流速信息，采用 DATA-6311 數(shù)據(jù)終端機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)器進行存儲與處理。

應用層 ：開發(fā)基于 Web 的物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件，通過建立智庫使應用層能夠更方便、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 標準 [14]，接口原理如圖 4 所示。IEEE1451 是一個智能傳感器接口的標準族，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)場控制網(wǎng)絡(luò)的開放、通用的標準，該標準給傳感器配備了一個通用的軟硬件接口，使其可以方便地接入現(xiàn)場總線以及 Internet。

（2）數(shù)據(jù)融合與智庫實現(xiàn)

主要對采集到的傳感數(shù)據(jù)進行篩選、過濾、存儲、處理、人機交互等，利用數(shù)據(jù)處理平臺與服務(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)，實現(xiàn)友好的人機交互與 Web 服務(wù)。數(shù)據(jù)融合與智庫實現(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)場情況而定， 在鋪設(shè)有線 Internet 的現(xiàn)場， 可以通過覆蓋無線WiFi 網(wǎng)絡(luò)實時獲取各傳感器數(shù)據(jù)甚至視頻、圖片 ；在沒有Internet 而有手機移動網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場，可以采用 GPRS 等網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù) ；在沒有 Internet 與手機網(wǎng)絡(luò)的場所，擬采用北斗短報文方式傳輸數(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

物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)包括室內(nèi)研究和室外試點應用。室內(nèi)研究在充分考慮各項關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，建設(shè)了一套由監(jiān)測點、數(shù)采儀、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測軟件構(gòu)成的完整體系 ；室外試點應用在南寧水文站實施室外試驗，安裝雷達式水位計與流速計各 1 套，通過現(xiàn)場大量的實驗研究，驗證物聯(lián)網(wǎng)水文系統(tǒng)的實時性、準確性、穩(wěn)定性。

根據(jù)水文站現(xiàn)場勘察情況，結(jié)合需要安裝的水位計與流 速計的工作原理，采用豎桿與橫臂結(jié)合固定的方法，根據(jù)實際尺寸定制豎桿與橫臂并運送到現(xiàn)場安裝、調(diào)試。定制 L 型立桿，采用鋼 Q235材料，高 6m、橫臂長 6m，桿直徑180mm、厚 6mm，橫臂直徑 114mm、厚 4mm。橫臂末端預留3個吊鉤，用于安裝傳感器，吊鉤安裝孔按照傳感器訂做 ； 桿中端安裝一個室外監(jiān)測箱用于安裝數(shù)據(jù)終端機 ；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 感器之間預留連接線管及線孔。物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(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個基礎(chǔ)籠， 挖地長 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，將立桿安裝于低水位處 ；洪水期時，將立桿上移到高水位處。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測軟件

實時收集無線傳感網(wǎng)絡(luò)（GPRS）傳輸?shù)乃?、流速?shù)據(jù)，并予以分類聚積、組合、存儲 ；預處理的數(shù)據(jù)屬于時序數(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）模型對實時收集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)智能決策 ；人機交互與 Web 服務(wù)界面采用 GoServer 快速 Web 應用開發(fā)平臺實現(xiàn)。GoServer 是一套用于開發(fā) Web 應用系統(tǒng)的快速開發(fā)平臺，適用于開發(fā)各種應用系統(tǒng)，尤其是 MIS，ERP， CRM，OA，HER，物流系統(tǒng)等。也適用于將 C/S 應用系統(tǒng)轉(zhuǎn)向 B/S 構(gòu)架，或者將多套 C/S 應用系統(tǒng)進行整合，以及完成傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的上位機程序。

物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測與預測系統(tǒng)軟件采用GoServer 平臺開發(fā)而成，包括系統(tǒng)管理、監(jiān)測管理與監(jiān)測分析操作。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)測管理模塊具有監(jiān)測點分類、監(jiān)測點配置、參數(shù)配置與數(shù)據(jù)補償?shù)裙δ?，主要實施對水文監(jiān)測點的參數(shù)設(shè)置與配置，該功能是達到準確監(jiān)測結(jié)果的前提 ；監(jiān)測分析模塊具有實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)保存、水位分析、流量分析與水位預測功能，可以實時顯示水位、流量數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫，方便對水位、流量進行實時分析，如圖 8 所示。應用歷史數(shù)據(jù)，通過人工智能方法對水位實現(xiàn)預測。

3 結(jié) 語

本文應用物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)建立了一套基于水位計和流速計的物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)，通過室內(nèi)試驗和室外試點，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運行實時、準確、穩(wěn)定，達到了預期效果。該系統(tǒng)的成功運行大大提升了水利水文領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，突破了重點核心關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了水利水文領(lǐng)域的創(chuàng)新驅(qū)動發(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，為后期建設(shè)功能明確、結(jié)構(gòu)合理、良性互動、運行高效的智慧水文信息監(jiān)控體系奠定了堅實的基礎(chǔ)。

圖 8 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測分析模塊