晉美次旦 張紅艷 班 瑩

基于物聯(lián)網的水文監(jiān)測系統(tǒng)

晉美次旦1張紅艷1班 瑩2

（1.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局；西藏 拉薩 850000；2.水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監(jiān)督檢驗測試中心，江蘇 南京 210012）

為進一步提高水文數(shù)據(jù)采集傳感器的效率，提出了一種基于物聯(lián)網的水文監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅整合了現(xiàn)有的各種傳感器，提高了水文監(jiān)測系統(tǒng)的智能化；也為更加及時、準確地監(jiān)測洪峰流量、預報水情提供了保障。同時為水資源保護及其合理開發(fā)利用提供了重要的技術支撐；為防汛抗旱指揮調度提供了準確、及時的參考信息。

物聯(lián)網；體系結構；水文監(jiān)測系統(tǒng)

在水利系統(tǒng)，由于洪澇、干旱等自然災害頻繁發(fā)生，需要針對地域、地形和氣候等復雜條件，建設覆蓋主要江河湖泊的水文測報系統(tǒng)。以便于快速可靠地采集和傳輸水情、雨情等各類災情信息，保障防災、抗災、救災指揮信息的傳達，最大限度地減少災害損失。

“物聯(lián)網”(Internet of Things),指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網結合起來形成的一個巨大網絡。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起，系統(tǒng)可以自動地、實時地對物體進行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應事件。

近幾年，水文監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展速度明顯加快，取得了顯著的成效。但在取得成績的同時，也顯現(xiàn)了我國水文監(jiān)測系統(tǒng)面臨的一些突出困難和問題。主要體現(xiàn)在幾個方面：①在基礎建設過程中，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，造成智能化設施建設投資規(guī)模較小，影響了智能建設的整體規(guī)劃和統(tǒng)一推進。②對于基礎設施建設沒有統(tǒng)一規(guī)劃，存在一定的重復建設。③建設和管理過程中積累了大量的基礎信息資源，但由于這些基礎信息資源的網絡化程度低，限制了信息資源的二次開發(fā)利用和深層次的綜合加工處理，造成了信息資源的嚴重浪費。

利用物聯(lián)網技術，將各類水文監(jiān)測設備構成一張水文監(jiān)測網絡，實現(xiàn)M2M模式(man to man,man to machine,machine to machine)，從而構建一個基于物聯(lián)網的水文監(jiān)控系統(tǒng)。物聯(lián)網應用為智能水文監(jiān)測提供了更加廣闊的發(fā)展空間。

1 物聯(lián)網及其體系結構

物聯(lián)網被稱為繼計算機、互聯(lián)網之后，世界信息產業(yè)的第三次浪潮。目前多個國家都在花巨資進行深入研究，物聯(lián)網是由多項信息技術融合而成的新型技術體系。

物聯(lián)網顧名思義就是連接物品的網絡，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的ITU 互聯(lián)網報告，對物聯(lián)網做了如下定義：通過二維碼識讀設備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義，物聯(lián)網主要解決物品與物品(Thing to Thing,T2T)，人與物品(Human to Thing,H2T)，人與人(Human to Human，H2H)之間的互連。但是與傳統(tǒng)互聯(lián)網不同的是，H2T是指人利用通用裝置與物品之間的連接，從而使得物品連接更加地簡化，而H2H是指人之間不依賴于PC而進行的互連。因為互聯(lián)網并沒有考慮到對于任何物品連接的問題，故我們使用物聯(lián)網來解決這個傳統(tǒng)意義上的問題。

許多學者討論物聯(lián)網時，經常會引入一個M2M的概念,可以解釋成為人到人(Man to Man)、人到機器(Man to Machine)、機器到機器(Machine to Machine)。但是，M2M的所有的解釋并不僅限于能夠解釋物聯(lián)網。同樣，M2M這個概念在互聯(lián)網匯總也已經得到了很好的闡釋，就連人與人之間的互動，也已經通過第三方平臺或者網絡電視完成。人到機器的交互一直是人體工程學和人機界面等領域研究的主要課題，但是機器與機器之間的交互已經由互聯(lián)網提供了最為成功的方案。從本質上講,人與機器、機器與機器的交互，大部分是為了實現(xiàn)人與人之間的信息交互。

物聯(lián)網架構可分為三層：感知層、網絡層和應用層。

感知層由各種傳感器構成，是物聯(lián)網識別物體、采集信息的來源。主要包括溫濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。

網絡層由各種網絡，包括互聯(lián)網、廣電網、網絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，是整個物聯(lián)網的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

應用層是物聯(lián)網和用戶的接口，與行業(yè)需求相結合，實現(xiàn)物聯(lián)網的智能應用。

2 總體架構設計方案

物聯(lián)網的核心理念是建立整個物理世界的感知網絡，對整個物理世界進行實時控制、精確管理和科學決策。因此，根據(jù)水文監(jiān)測系統(tǒng)的組成和特點，應用物聯(lián)網的信息采集、傳輸和智能控制技術，制定配套的技術規(guī)范，探索構建一個安全、可靠、智能的基礎水文監(jiān)測感知網。

依據(jù)物聯(lián)網的體系結構，水文監(jiān)測網總體架構(見圖1)分為3層：感知層、網絡層、應用層。感知層主要包括各種傳感器，如水位傳感器、降雨傳感器、六要素傳感器等，主要負責數(shù)據(jù)的感知和采集。網絡層主要數(shù)據(jù)的傳輸和對各傳感器的控制。應用層主要負責對數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計、分析、預警以及對各個傳感器的調度、控制，主要包括實時水雨情監(jiān)測系統(tǒng)、山洪災害預警系統(tǒng)以及各級監(jiān)控中心。

圖1 結構層次圖

2.1 感知層——數(shù)據(jù)采集層

感知層負責實時數(shù)據(jù)的采集，主要涉及到各個類型的傳感器。最近幾十年新興技術的不斷涌現(xiàn)，新技術的水文自動化傳感器產品大量出現(xiàn)，包括水位、雨量、流速等。

（1）水位遙測站。水位遙測站是在無線傳輸情況下測量水庫、河流、湖泊等的水位，監(jiān)測水位變化的有效監(jiān)測設備。主要有水位傳感器（浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計）、RTU、3G、北斗衛(wèi)星、太陽能電池板等?？蓪崿F(xiàn)查詢上報和自動報汛模式，而自動報訊可以根據(jù)當時的水情進行加報加測?？稍O定多個通訊鏈路，包括有線、無線及衛(wèi)星，組合設定多種自報策略，自動選擇通訊鏈路完成數(shù)據(jù)通訊任務。

（2）降水遙測站。降水遙測站主要由翻斗式雨量計、RTU、通訊設備、電源等組成?？蓪崿F(xiàn)定時測報和加測加報。通訊鏈路可選擇多個鏈路互備。主要為山洪災害、中小河流中已布設的遙測站點。

（3）流量遙測站。流量遙測站在國內主要使用ADCP、RTU、通訊設備、電源等組成可實現(xiàn)查詢上報和自動報汛模式，而自動報訊可以根據(jù)當時的水情進行加報加測?？稍O定多個通訊鏈路，包括有線、無線及衛(wèi)星，組合設定多種自報策略，自動選擇通訊鏈路完成數(shù)據(jù)通訊任務。

2.2 視頻采集點

視頻采集點由可控攝像機、硬盤錄像機、室外防護罩、云臺等組成，主要布設在重要河段、水庫及提防處?？蓪崿F(xiàn)全天候對斷面及河道情況的多媒體的展播。通訊鏈路可選擇GPRS和有線的互備鏈路。視頻采集點主要應用于對各個斷面的監(jiān)控管理和應急處理。

3 傳輸層

一個遙測系統(tǒng)的成敗取決于對傳輸方式及傳輸鏈路的選擇。

3.1 傳輸方式

考慮到今后的遙測站是必然的趨勢，遙測站點會日益擴大，傳輸數(shù)據(jù)越來越多，因而采用集合轉發(fā)模式。集合轉發(fā)模式為遙測站將數(shù)據(jù)發(fā)往該遙測站所屬的分中心，再由分中心打包轉發(fā)至中心站，從而減少數(shù)據(jù)因堵塞和碰撞而產生的丟包。

3.2 傳輸鏈路

考慮到水文行業(yè)的特殊性以及水文遙測站的布設特性，在選擇傳輸鏈路的選擇應充分考慮其安全性、可靠性、實時性。

有線通信借助于有形媒質來傳送信息，因而受到有線的限制。但穩(wěn)定，很少受到外界的干擾，誤碼率低，傳輸速度高且安全，但在發(fā)生災情時無法保障通信。

無線通信時通過電磁波來進行信息交換，不受有線的限制，發(fā)生災情時受到的影響較小。但由于電磁波易受到外界的干擾，因而不穩(wěn)定。

衛(wèi)星通信也是通過電磁波完成通信，不受地域影響，發(fā)生災情時通信不會受到影響，但缺點是傳輸容量較小。

由于多數(shù)遙測站布設在偏遠區(qū)域，所以在選擇鏈路時，選擇無線為主，即選擇GPRS和衛(wèi)星通訊。

4 聯(lián)動機制

每個遙測點的RTU中存入代表洪水流經的路徑信息（見圖2），圖2主要記錄該遙測站的下游站及所能影響到的站點的IP等信息。圖中包括3項內容分別為：第一項，IP號，代表目標遙測站，意思是洪水流經的下游站；第二項，接口號，代表去往目標遙測站指令的出口，各個遙測站具有主備數(shù)據(jù)鏈路；第三項，度量值，代表該IP的物理位置遠近。圖中的各項是人為設置的，以減少不必的資源浪費。主要基于圖2，向下游或流域內其他站點發(fā)出指令，進行觀測和報訊頻度的調整，從而能夠捕捉到通過該斷面的洪峰數(shù)據(jù)，以及對中心站的發(fā)出初步預警，從而使中心站通過視頻能夠直觀地了解洪水行進路線上流域或河流的現(xiàn)場情況。

圖2 路徑信息圖

某個雨量遙測站或水位遙測站，出現(xiàn)超警戒情況，首先要調整自己的觀測和報訊頻度，而后向中心站及分中心報訊發(fā)出初步預警；查詢自己的表，通過度量值查出距自己最近的下游遙測站及受影響的遙測站的IP信息、出口的鏈路，發(fā)出指令，調整下游站的觀測和報訊頻度。

如果出現(xiàn)指令發(fā)不出去，再次查詢表、調整端口、發(fā)出指令，若仍未發(fā)出，就要通過查詢表中度量值、查詢更下游站的IP等信息，再次發(fā)出指令。

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.03.006

P338.9；TP212

B

1008-1305（2014）03-0019-03

晉美次旦（1975年-），男，工程師。