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        北斗定位的人工智能水文環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)研究

        2021-12-23 15:34:05呂大勇
        綠色環(huán)保建材 2021年7期
        關(guān)鍵詞:水文北斗遠(yuǎn)程

        呂大勇

        山東省威海生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心

        1 引言

        我國的水利資源十分豐富,夏季降水量大,加之近年來氣候異常導(dǎo)致洪水多發(fā),造成巨大的經(jīng)濟損失,嚴(yán)重威脅人們的生命安全。當(dāng)前我國的防洪抗災(zāi)工作主要問題就體現(xiàn)在預(yù)報不及時和水文信息的缺失,并且存在測量的精確度不足問題,不能為監(jiān)測人員提供及時、詳細(xì)地水文變化數(shù)據(jù)。所以需要建立新的水文監(jiān)測系統(tǒng),提升監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平,進而提升我國的抗災(zāi)減災(zāi)能力。目前借助人工智能水文監(jiān)測模塊,基于傳感器和4G通信網(wǎng)絡(luò),然后利用云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理,以手機為顯示終端,可以設(shè)計出滿足于水位監(jiān)測、水位預(yù)警等功能為一體的水文信息監(jiān)測系統(tǒng)。

        2 人工智能水文環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)研究的意義

        近年來,我國的地質(zhì)災(zāi)害和洪澇災(zāi)害頻發(fā),嚴(yán)重威脅著群眾的生命安全,造成了巨大的經(jīng)濟損失,盡管災(zāi)害發(fā)生后政府全力開展救援工作,但是預(yù)報不及時和水文信息的問題始終沒有有效解決。如果在河流水沙災(zāi)害發(fā)生之前對各種水文信息掌握,實現(xiàn)對信息的在線監(jiān)測,可以讓水利和抗災(zāi)部門及時掌握水文特征,提前做好預(yù)防措施,減少重大災(zāi)害的發(fā)生概率,所以說建立出功能齊全、可靠性好、操作方便的水文監(jiān)測系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)意義[1]。

        在工業(yè)化進程不斷推進的背景下,水資源短缺以及水污染問題引起社會的廣泛關(guān)注,該背景下我國的水文環(huán)境信息監(jiān)測工作取得了一定成效,傳統(tǒng)的水文監(jiān)測主要分析降水量、蒸發(fā)量、地表徑流和地下徑流,而水資源監(jiān)測還包括地表水、地下水、空中水的利用情況和污染程度,利用監(jiān)測數(shù)據(jù)評價水資源和未來的水資源變化趨勢,進而提升水資源利用效率。全球定位系統(tǒng)是當(dāng)前水環(huán)境分析主要的技術(shù)支持,而北斗系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可以提供全天候、全天時、高精度的定位,借助北斗系統(tǒng)可以實現(xiàn)監(jiān)測水文控制站、遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)提取、固態(tài)存儲,并且利用系統(tǒng)發(fā)送和補發(fā)數(shù)據(jù),通過水文數(shù)據(jù)平臺為誰環(huán)境治理提供巨大幫助,其中包括提前預(yù)測臺風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害,調(diào)節(jié)河流水壓等。

        3 影響水文監(jiān)測的因素

        當(dāng)前的部分地區(qū)水文監(jiān)測站在水文監(jiān)測中會借助人工觀察的方法,水文數(shù)據(jù)的上報也依靠人工,存在上報的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和不及時問題,及時一些水文監(jiān)測站配備了水文自動測報裝置,但是精確度、穩(wěn)定性和智能化水平都不理想,所以傳統(tǒng)的水文測報方法已經(jīng)不能滿足防災(zāi)和抗災(zāi)的要求。而遠(yuǎn)程的水文監(jiān)測系統(tǒng)可以對水文信息的基本條件、影響因素全面分析,對區(qū)域內(nèi)的水庫、河流監(jiān)測點中的水位、流量、水質(zhì)等信息實時采集和傳輸,有利于對水資源的合理利用,可以提升預(yù)測洪澇災(zāi)害的準(zhǔn)確性,有利于分析出洪澇災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律。

        水文監(jiān)測的影響因素,包括自然因素和人為因素,其中主要包括降水量、水位、流量、水質(zhì)、環(huán)境為年度和濕度、風(fēng)力等自然因素,對這些因素分析是保證水文災(zāi)害預(yù)防的基礎(chǔ)和根據(jù)。在遠(yuǎn)程監(jiān)測終端實時監(jiān)測水位、流量等信息,然后轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖倍吠ㄐ拍K的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,詳細(xì)地分析出該流域水文動態(tài)變化情況。在北斗通信系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)傳輸具有速度快和準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢,可以讓水利部門第一時間對河流管理,進而提升水利部門的工作效率[2]。

        4 北斗通信模塊的相關(guān)內(nèi)容

        “北斗”是我國獨立研制的全球定位系統(tǒng)和通信系統(tǒng),是世界上繼美國和俄羅斯之后第三個具有完善的衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的國家,該系統(tǒng)對我國國防建設(shè)以及社會發(fā)展都起到了積極的推動作用,同時可以向全球用戶提供導(dǎo)航和定位服務(wù),自2003年建立了衛(wèi)星導(dǎo)航實驗系統(tǒng)之后,2012 年開始向亞太地區(qū)用戶提供服務(wù),2020 年已經(jīng)全面建成北斗三號系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)憑借實時導(dǎo)航、快速定位以及位置報告等功能可以用于多個領(lǐng)域中,對我國水利事業(yè)的發(fā)展同樣起到了促進作用。

        北斗定位下的水文環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)包括了傳感器、傳感層和應(yīng)用層三個部分,可以對水位等水文環(huán)境參量監(jiān)控,具體流程為控制板、4G DTU、基站、后臺服務(wù)器、手機APP,其中傳感層包括了大氣檢測傳感器、水位傳感器、氣象傳感器,不僅可以獲取8個物理量,還可以對監(jiān)測點的位置信息獲取。在傳輸層的組成部分包括無線傳輸板塊、開發(fā)板、串口屏,在應(yīng)用層包括了云服務(wù)器和手機APP,為相關(guān)人員及時分析環(huán)境信息以及查詢歷史數(shù)據(jù)提供幫助,還可以人工智能預(yù)測水位,目前北斗系統(tǒng)下的水文環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟,可靠性好[3]。

        5 如何進行系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計

        5.1 硬件的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端設(shè)計

        在人們生產(chǎn)和生活中,大量的污染物被排放到空氣中,導(dǎo)致厄爾尼諾現(xiàn)象出現(xiàn),隨之也導(dǎo)致我國的氣候異常,夏季頻繁出現(xiàn)暴雨以及洪水災(zāi)害,利用當(dāng)前的水文監(jiān)測系統(tǒng)存在自動化水平偏低的問題,在我國使用遠(yuǎn)程水文監(jiān)測系統(tǒng)還不普遍。隨著對北斗定位水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)打造,可以提升監(jiān)測效果,對區(qū)域內(nèi)的河流遠(yuǎn)程監(jiān)控,采集到相關(guān)的數(shù)據(jù),該系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)測終端、北斗通信模塊和遠(yuǎn)程控制模塊,具體說來:在遠(yuǎn)程監(jiān)測終端中,利用現(xiàn)場總線、無線傳感器節(jié)點、無線通信模塊、遠(yuǎn)程水文監(jiān)測模塊分析出水位高度、水溫和流量的看具體數(shù)值,然后以信息的形式向遠(yuǎn)程操作模塊發(fā)送水文信息。在北斗通信模塊中,設(shè)置端口和現(xiàn)場的RTU連接,進而接收到現(xiàn)場的數(shù)據(jù),之后利用北斗通信模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C,使得監(jiān)控中心獲得更多數(shù)據(jù)。在遠(yuǎn)程控制模塊,監(jiān)測中心的管理人員可以借助終端訪問不同河流的水文數(shù)據(jù),比如定時發(fā)送水文信息和警告,憑借其強大的功能可以為抗洪指揮提供巨大幫助。

        比如水傳感節(jié)點的硬件設(shè)計中,MCU利用GH2201芯片,北斗采用NMEA-0183通信協(xié)議,可以將精度控制在2.5m,30s即可收集到信息,水文監(jiān)測系統(tǒng)的傳感節(jié)點包括以下兩個功能,其一是利用傳感器獲得水位和溫度等信息,然后利用北斗模塊確定地理位置。之后可以把獲得的數(shù)據(jù)借助串口發(fā)送到顯示屏,數(shù)據(jù)也會同步傳輸?shù)?G DTU模塊,最后傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器[4]。

        5.2 軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端設(shè)計

        在北斗系統(tǒng)中,進行遠(yuǎn)程的水文監(jiān)測軟件包括了主程序、溫度程序、液晶驅(qū)動程序、水位監(jiān)測信號發(fā)射額和接收、北斗數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠郑渲性谥鞒绦虻牧鞒淘O(shè)計中,流程依次為:遠(yuǎn)程水文監(jiān)測終端各模塊的功能設(shè)置,北斗模塊的點火、液晶初始化,將固定內(nèi)容顯示在LCD、計算溫度值、計算傳播速度。在溫度程序設(shè)計中,由于水位的監(jiān)測信號會受到溫度的影響,所以要考慮到溫度補償,在該程序中利用到DHT11傳感器,流程包括系統(tǒng)初始化、DHT11初始化、發(fā)出信號、讀取DHT11溫度和濕度數(shù)據(jù)、顯示溫度和濕度數(shù)據(jù)。在液晶程序顯示程序設(shè)計中,利用LCD 1602型液晶點陣字符模,對水溫、濕度等數(shù)顯示,流程為:主程序調(diào)用LCD初始化參數(shù),調(diào)用指令函數(shù)。

        在水位信號發(fā)射程序設(shè)計中,利用40KHZ 超聲波、反相器4069 可以得到脈沖,流程如下:主函數(shù)調(diào)用40KHZ 超聲波發(fā)射子程序、輸出、關(guān)閉總中斷、將CCP模塊設(shè)置為輸入捕捉模式,開啟總中斷,開啟定時器。在水文華近景監(jiān)測的軟件設(shè)計中,需要設(shè)計出服務(wù)器和移動端APP,其中包括了人工智能水位預(yù)測、預(yù)警功能、展示功能以及歷史數(shù)據(jù)查詢,在操作系統(tǒng)下,利用安卓和JAVA語言打造移動端APP,在環(huán)境的監(jiān)測中包括了圖標(biāo)模式和地圖模式,直觀地展示出觀測點地理位置和圖標(biāo)模式,體現(xiàn)出水位、風(fēng)向、氣壓、雨量以及PM2.5,在圖標(biāo)模式下還可以發(fā)現(xiàn)實時數(shù)值,在水位超高時可以發(fā)出警報,此外,在歷史的數(shù)據(jù)查詢中可以與以往同期的數(shù)據(jù)對比。借助人工智能的水位預(yù)測,可以對數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí),預(yù)測出未來7天的水位變化情況[5]。

        6 水文環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試

        在北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星遠(yuǎn)程水文監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射和接收水位監(jiān)測信號,在安裝硬件系統(tǒng)時可以保證其平行于兩個轉(zhuǎn)換器的中心線,之后蜂鳴器會發(fā)出聲波信號,并且接收模塊利用殼遮擋,以此具有良好的抗干擾能力,對水位數(shù)據(jù)的測量更加準(zhǔn)確。在制作好硬件電路之后,將一些數(shù)據(jù)下載到控制器,根據(jù)調(diào)試的結(jié)果對顯示數(shù)據(jù)修改,調(diào)節(jié)定時器的時間,可以得到更加優(yōu)質(zhì)的脈沖信號,測量的精確可以達(dá)到0.01m。在系統(tǒng)的軟件調(diào)試中,基于北斗衛(wèi)星的遠(yuǎn)程水文監(jiān)測系統(tǒng)護利用到很多的軟件,并且在調(diào)試的過程中較為復(fù)雜,要想對水文狀態(tài)實時監(jiān)測,就要是對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸重視起來,分析程序是否存在錯誤,然后合理調(diào)整,最終保證程序的可靠性。通過以上分析,可以發(fā)現(xiàn),利用人工智能技術(shù)對水文環(huán)境監(jiān)測可行,在水文環(huán)境系統(tǒng)的測試中,主要包括了底層硬件的運行情況以及手機APP的運行情況。通過對采集點的水文信息收集,可以將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器,之后推送到手機,整個北斗系統(tǒng)的人工智能水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)完成[6]。

        7 結(jié)束語

        綜上所述,在本文中對北斗定位的人工智能水文環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)進行了有效分析,可以解決傳統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確以及積極式問題,可以測量2.5m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息,并且在收集數(shù)據(jù)之后可以在30s搜集到水文信息,體現(xiàn)出在北斗定位下的智能化特點今后還需要對人工智能技術(shù)繼續(xù)利用,為我國的水文、大氣等領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測提供幫助,促進環(huán)保事業(yè)發(fā)展。

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