孫衛(wèi)軍，洪 林

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

1 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

我國(guó)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)隨著無(wú)線通信技術(shù)以及硬件水平的發(fā)展，取得了較為顯著的進(jìn)步，但仍有很多不足，主要是由于以下幾方面原因所導(dǎo)致的。

（1）新產(chǎn)品研發(fā)投入不足。目前，從事水情系統(tǒng)研究的科研或產(chǎn)業(yè)單位受科研經(jīng)費(fèi)緊張、市場(chǎng)環(huán)境狹窄、用戶需求不足等條件影響，都不能夠及時(shí)開展更先進(jìn)的技術(shù)研究或研制新的產(chǎn)品，從而阻礙了新技術(shù)的應(yīng)用，使得行業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后。

（2）硬件更新?lián)Q代緩慢。硬件設(shè)備特別是微功耗的芯片設(shè)備更新迭代速度較快，但是作為水情系統(tǒng)遙測(cè)站的核心設(shè)備RTU（遠(yuǎn)程終端單元）更新迭代較慢，此外作為遙測(cè)站無(wú)線通信的核心模塊DTU(Data Transfer unit)的發(fā)展相對(duì)滯后，從而影響了遙測(cè)站的硬件集成。

（3）傳感器精度偏低。國(guó)產(chǎn)水情采集的傳感器種類雖然較多，但與國(guó)外同類傳感器相比，無(wú)論是精度、穩(wěn)定性方面都存在較大差距，部分傳感器仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代，一些對(duì)精度及穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)景仍以采用國(guó)外傳感器居多。

（4）通信組網(wǎng)的方式滯后。水情系統(tǒng)常用的通信組網(wǎng)方式包括基于超短波（VHF，Very HighFrequency）、GSM、GPRS、衛(wèi)星、光纖等信道組網(wǎng)。目前實(shí)際應(yīng)用中基于3G/4G通信組網(wǎng)方式應(yīng)用較少，基于5G的通信組網(wǎng)尚處于研究階段。

2 5G發(fā)展概述

從20世紀(jì)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)，AMPS）到21世紀(jì)初的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G，4st Generation)，移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)完成了從模擬通信到數(shù)字通信、從電路交換到IP交換的數(shù)次技術(shù)更新?lián)Q代，每一次更新都帶來(lái)更快的速度、更低的延遲和特性，通信行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)與之相關(guān)的產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展與進(jìn)步。

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G，5st Generation)是面向2020年以后移動(dòng)通信需求而發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。根據(jù)移動(dòng)通信的發(fā)展規(guī)律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效,在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動(dòng)通信提高一個(gè)量級(jí)或更高,其無(wú)線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高[1]。

（三）小學(xué)數(shù)學(xué)作業(yè)批改的方式及優(yōu)化。關(guān)于小學(xué)生數(shù)學(xué)作業(yè)的批改，也是應(yīng)該重視的。既然布置了作業(yè)，由學(xué)生完成，教師做好作業(yè)的批改工作責(zé)無(wú)旁貸，批改作業(yè)可以讓學(xué)生更好地了解自己對(duì)于數(shù)學(xué)知識(shí)的掌握情況，清楚知道哪里還有不足，哪里還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，有利于學(xué)生及時(shí)查漏補(bǔ)缺，不斷提高學(xué)習(xí)的水平。要實(shí)現(xiàn)作業(yè)批改的優(yōu)化，可以采取多種方式進(jìn)行，可以發(fā)揮學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生互改作業(yè)，最后由教師完成總結(jié)性批復(fù)，從而使學(xué)生更好地理解所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)，進(jìn)而掌握好數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。

采用5G的水情系統(tǒng)因基于流量計(jì)費(fèi)而降低了通信成本，基礎(chǔ)水情信息數(shù)據(jù)傳輸量相對(duì)較小，如果考慮搭載高清攝像頭的遙測(cè)站會(huì)占用較多帶寬，但基于5G的高傳輸帶寬特性完全能解決此問題。通常水情遙測(cè)站點(diǎn)部署在野外偏僻地區(qū)，有無(wú)5G信號(hào)便成了能否采用5G組網(wǎng)的關(guān)鍵，就5G建設(shè)進(jìn)度來(lái)看，部署在城鎮(zhèn)附近的遙測(cè)站點(diǎn)可以優(yōu)先采用5G組網(wǎng)方式，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)用其他組網(wǎng)方式過(guò)渡。

3 水情系統(tǒng)中應(yīng)用5G的優(yōu)勢(shì)分析

相較于傳統(tǒng)通信組網(wǎng)方式，5G組網(wǎng)有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）更高的無(wú)線接入寬帶。5G組網(wǎng)可靠傳輸帶寬在100 Mbit/s以上，部分應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到Gbit/s的級(jí)別，對(duì)于遙測(cè)站的數(shù)據(jù)傳輸要求完全滿足，甚至可以部署超高清工業(yè)攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)高清視頻傳輸。

（2）低時(shí)延高可靠性[2]。5G通信時(shí)延在毫秒級(jí)別，通信可靠性高，對(duì)于遙測(cè)站的數(shù)據(jù)召測(cè)、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置等工作可實(shí)時(shí)完成，相較于傳統(tǒng)通信組網(wǎng)方式，5G遙測(cè)組網(wǎng)能極大提高站點(diǎn)的維護(hù)效率。同時(shí)，低時(shí)延的特性對(duì)于汛期水情數(shù)據(jù)監(jiān)視尤為重要，中心站接收的水情數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遙測(cè)站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新監(jiān)視，極大提高了防洪決策的時(shí)效性。

（3）獨(dú)立組網(wǎng)特性。5G組網(wǎng)具備網(wǎng)絡(luò)切片的功能，能夠?qū)⑽锢砭W(wǎng)絡(luò)通過(guò)虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)切分為若干相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)[3]，從而服務(wù)于不同的通信業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)于水情系統(tǒng)組網(wǎng)能夠形成類似于租用運(yùn)營(yíng)商專線的效果，能夠一定程度上滿足水情系統(tǒng)通信組網(wǎng)的安全防護(hù)方面的需求。

（4）運(yùn)營(yíng)成本低。5G是按照流量進(jìn)行收費(fèi)，而且流量的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)在5G大規(guī)模建設(shè)后會(huì)逐漸降低，相較于短信或北斗的通信組網(wǎng)方式能夠節(jié)約較大的通信資費(fèi)。

4 基于5G的水情系統(tǒng)通信組網(wǎng)

水情系統(tǒng)通信組網(wǎng)主要涉及遙測(cè)站、通信方式、中心站等三個(gè)部分內(nèi)容，遙測(cè)站主要實(shí)現(xiàn)雨量、水位等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)主要包括水位傳感器、雨量傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通訊模塊、機(jī)箱、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等設(shè)備。傳統(tǒng)水情系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)傳輸方式有衛(wèi)星通信、超短波通信（VHF）、GSM通信、GPRS通信等，各種通信方式在通信機(jī)理、設(shè)備性能、運(yùn)行功耗等方面有各自的特點(diǎn)。中心站主要包括遙測(cè)接收設(shè)備及服務(wù)器。

對(duì)于人口密集的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的水情系統(tǒng)，因5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋全面，可采用5G/GSM的方式組網(wǎng)，主信道可采用“一直在線”工作模式，備用信道采用“待機(jī)”工作模式。對(duì)于大型梯級(jí)調(diào)度的多中心的水情系統(tǒng)，可采用混合組網(wǎng)模式[4]，有5G移動(dòng)信號(hào)覆蓋的站點(diǎn)可采用5G/GSM，野外站點(diǎn)無(wú)5G信號(hào)采用GSM/衛(wèi)星方式組網(wǎng)，中心站采集服務(wù)器采用運(yùn)營(yíng)商分配的固定IP聯(lián)網(wǎng)。

以5G/GSM信道的方式組網(wǎng)的水情系統(tǒng)見圖1。

圖1 5G通信組網(wǎng)的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)

為建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)性好、兼容性強(qiáng)、資源共享方便的的水情系統(tǒng)，遙測(cè)站與中心站通信可采用國(guó)家水利水資源相關(guān)部門組織編制的水文[5]、水資源[6]標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，對(duì)于裝有高清攝像頭的遙測(cè)站，可利用高清視頻傳輸協(xié)議經(jīng)由5G信道傳輸至水情中心站。

5 基于5G技術(shù)的遙測(cè)站硬件組成

5G遙測(cè)站主要任務(wù)是及時(shí)、準(zhǔn)確地通過(guò)傳感器采集和報(bào)送水雨情、氣象數(shù)據(jù),可采用多種信道，信道可主備任意設(shè)置。遙測(cè)站能長(zhǎng)期、穩(wěn)定、持續(xù)、可靠地工作，信息傳輸迅速、準(zhǔn)確，有較高的精確度。遙測(cè)站原則上采取利用無(wú)民用建筑物，使用一體化儀器箱（筒）方式建設(shè)，一體化儀器箱（筒）設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到防水、防雷擊、防盜等措施。遙測(cè)站組成主要包括數(shù)據(jù)采集器、通訊模塊、機(jī)箱、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等設(shè)備，以及水位、雨量等傳感器，基于5G技術(shù)的遙測(cè)站可搭配超高清攝像機(jī)[7]。遙測(cè)站組成見圖2。

圖2 基于5G通信組網(wǎng)的水情系統(tǒng)遙測(cè)站結(jié)構(gòu)圖

目前工業(yè)級(jí)的5G通信終端（DTU，Data Transfer unit)尚處于研究階段，但隨著5G建設(shè)的大規(guī)模展開，向下兼容GSM的5G DTU也將投入使用，屆時(shí)一個(gè)DTU預(yù)期可同時(shí)承載5G/GSM網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)站低成本可靠通信。

6 5G遙測(cè)站應(yīng)用場(chǎng)景

基于5G的更高的無(wú)線接入寬帶、低時(shí)延高可靠性等特征，采用5G組網(wǎng)的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)除信息延遲小、時(shí)效性高等特征之外，較傳統(tǒng)通信組網(wǎng)的水情系統(tǒng)具備幾種特色應(yīng)用場(chǎng)景。

6.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)召測(cè)及參數(shù)設(shè)置

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)召測(cè)及參數(shù)設(shè)置。傳統(tǒng)無(wú)線通信組網(wǎng)的水情系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)較大，尤其是汛期當(dāng)需要實(shí)時(shí)召測(cè)遙測(cè)站數(shù)據(jù)時(shí)等待時(shí)間較長(zhǎng)，影響防洪決策的時(shí)效性，另外在對(duì)遙測(cè)站進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)時(shí)也存在同樣問題，采用有線通道組網(wǎng)的水情系統(tǒng)延遲較小，維護(hù)較為方便，但是有線組網(wǎng)的成本較高，適用面較小。采用5G組網(wǎng)的水情系統(tǒng)在具備低成本優(yōu)勢(shì)的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)遙測(cè)站數(shù)據(jù)召測(cè)及遠(yuǎn)程維護(hù)的實(shí)時(shí)性，提高防洪及水庫(kù)調(diào)度決策的時(shí)效性，節(jié)約維護(hù)成本。

6.2 實(shí)時(shí)超高清視頻傳輸

傳統(tǒng)無(wú)線通信組網(wǎng)的水情系統(tǒng)不具備傳輸視頻信息條件，依托于GPRS能夠?qū)崿F(xiàn)部分圖像的傳輸，但分辨率有限、清晰度不高，且占用帶寬較多，實(shí)際應(yīng)用范圍有限，采用光纖組網(wǎng)的遙測(cè)站建設(shè)成本高昂，不利于實(shí)際應(yīng)用。工業(yè)電視系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視頻的傳輸，但同樣建設(shè)成本高昂。因此，搭載高清攝像頭的5G遙測(cè)站應(yīng)用有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，依據(jù)5G高帶寬低時(shí)延的特征可傳輸4K超高清視頻信號(hào)，能夠替代工業(yè)電視的功能，給遙測(cè)站裝上高清攝像頭，能夠直接實(shí)時(shí)觀測(cè)到有水尺的水位站水位，實(shí)時(shí)觀測(cè)遙測(cè)站周邊水文環(huán)境信息，且圖像達(dá)到4K分辨率，數(shù)據(jù)觀察更加準(zhǔn)確，給防汛決策及水庫(kù)調(diào)度提供更直接的參考依據(jù)。另外，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制攝像頭角度，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)站周邊環(huán)境視頻監(jiān)測(cè)，給站點(diǎn)維護(hù)提供參考信息，便于測(cè)站管理運(yùn)維。

不過(guò)，超高清視頻的傳輸對(duì)于硬件設(shè)備要求較高，首先遙測(cè)站RTU需要支持超高清視頻處理及傳輸，如不支持，需要部署獨(dú)立的視頻處理及傳輸設(shè)備，這就會(huì)增加遙測(cè)站成本和功耗，所以何種環(huán)境下采用搭載超高清攝像頭的遙測(cè)站就需要綜合考慮各種因素。

7 5G的建設(shè)難度探討

2019是5G商用元年，運(yùn)營(yíng)商已陸續(xù)開始5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，基于5G組網(wǎng)的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)研究具有一定的前瞻性，但也面臨一些挑戰(zhàn)，主要建設(shè)難度在于以下方面：

（1）廠家支持少。目前水情遙測(cè)站廠家采用設(shè)備更新?lián)Q代較慢，采用傳統(tǒng)通信組網(wǎng)方式較多，基于5G的遙測(cè)站設(shè)備集成尚處于研究階段，目前尚無(wú)產(chǎn)品支持，隨著5G建設(shè)的開展，后續(xù)5G遙測(cè)站何時(shí)投入使用有待觀察。

（2）設(shè)備成本高。目前工業(yè)級(jí)的5G通信終端尚處于研發(fā)階段，未大量投入市場(chǎng)，且成本較高，可以預(yù)見在5G實(shí)現(xiàn)大規(guī)模覆蓋完成以前，采用5G組網(wǎng)的遙測(cè)站不具備成本優(yōu)勢(shì)，另外如果考慮搭載超高清攝像頭的遙測(cè)站建設(shè)，也要考慮支持超高清視頻處理的RTU研發(fā)周期及設(shè)備成本。

（3）信號(hào)覆蓋小。水情遙測(cè)站點(diǎn)很多在部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)，甚至很多地方只有2G網(wǎng)絡(luò)，所以遙測(cè)站點(diǎn)是否處于5G信號(hào)覆蓋范圍將成為能否采用5G組網(wǎng)的關(guān)鍵因素，目前已有研究偏遠(yuǎn)地區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案的研究[8]，也有相關(guān)偏遠(yuǎn)地區(qū)5G建設(shè)基站建設(shè)試驗(yàn)成功的報(bào)道[9]，但是對(duì)于人口稀少、地形復(fù)雜的偏遠(yuǎn)地區(qū)5G信號(hào)如何覆蓋未來(lái)依舊是個(gè)難題。對(duì)于人口密度大、較發(fā)達(dá)城鎮(zhèn)及周邊地區(qū)5G信號(hào)會(huì)優(yōu)先覆蓋，這些地區(qū)水情系統(tǒng)建設(shè)可優(yōu)先考慮采用5G組網(wǎng)，無(wú)5G信號(hào)地區(qū)可暫時(shí)采用其他通信方式進(jìn)行組網(wǎng)。

8 結(jié)語(yǔ)

雖然采用5G組網(wǎng)的水情系統(tǒng)面臨著廠家支持少、設(shè)備成本高、信號(hào)覆蓋小等難題，但將5G技術(shù)應(yīng)用到水情系統(tǒng)當(dāng)中仍有著重要意義，采用5G組網(wǎng)的水情系統(tǒng)具備更高的無(wú)線接入寬帶、低時(shí)延高可靠性、獨(dú)立組網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取、召測(cè)，極大地提高防汛決策及水庫(kù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性及時(shí)效性，對(duì)于站點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置及維護(hù)，節(jié)約維護(hù)成本，對(duì)于搭載超高清攝像頭的遙測(cè)站能夠替代工業(yè)電視功能，數(shù)據(jù)觀察更加準(zhǔn)確，對(duì)遙測(cè)站周邊環(huán)境信息掌握更加全面，從而給防汛及水庫(kù)調(diào)度決策提供更直接的參考依據(jù)。