呂大勇

山東省威海生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jì)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(bào)不及時(shí)和水文信息的缺失，并且存在測(cè)量的精確度不足問題，不能為監(jiān)測(cè)人員提供及時(shí)、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(cè)系統(tǒng)，提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化水平，進(jìn)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(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以手機(jī)為顯示終端，可以設(shè)計(jì)出滿足于水位監(jiān)測(cè)、水位預(yù)警等功能為一體的水文信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 人工智能水文環(huán)境信息監(jiān)測(cè)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(jì)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(bào)不及時(shí)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(duì)各種水文信息掌握，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的在線監(jiān)測(cè)，可以讓水利和抗災(zāi)部門及時(shí)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(cè)系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)意義[1]。

在工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)的背景下，水資源短缺以及水污染問題引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，該背景下我國的水文環(huán)境信息監(jiān)測(cè)工作取得了一定成效，傳統(tǒng)的水文監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)水資源和未來的水資源變化趨勢(shì)，進(jìn)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(shí)、高精度的定位，借助北斗系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)水文控制站、遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)提取、固態(tài)存儲(chǔ)，并且利用系統(tǒng)發(fā)送和補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)，通過水文數(shù)據(jù)平臺(tái)為誰環(huán)境治理提供巨大幫助，其中包括提前預(yù)測(cè)臺(tái)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(cè)的因素

當(dāng)前的部分地區(qū)水文監(jiān)測(cè)站在水文監(jiān)測(cè)中會(huì)借助人工觀察的方法，水文數(shù)據(jù)的上報(bào)也依靠人工，存在上報(bào)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和不及時(shí)問題，及時(shí)一些水文監(jiān)測(cè)站配備了水文自動(dòng)測(cè)報(bào)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(cè)報(bào)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(cè)系統(tǒng)可以對(duì)水文信息的基本條件、影響因素全面分析，對(duì)區(qū)域內(nèi)的水庫、河流監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的水位、流量、水質(zhì)等信息實(shí)時(shí)采集和傳輸，有利于對(duì)水資源的合理利用，可以提升預(yù)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(shì)，可以讓水利部門第一時(shí)間對(duì)河流管理，進(jìn)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(dú)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(gè)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(duì)我國國防建設(shè)以及社會(huì)發(fā)展都起到了積極的推動(dòng)作用，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(hào)系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)憑借實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位以及位置報(bào)告等功能可以用于多個(gè)領(lǐng)域中，對(duì)我國水利事業(yè)的發(fā)展同樣起到了促進(jìn)作用。

北斗定位下的水文環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括了傳感器、傳感層和應(yīng)用層三個(gè)部分，可以對(duì)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(tái)服務(wù)器、手機(jī)APP，其中傳感層包括了大氣檢測(cè)傳感器、水位傳感器、氣象傳感器，不僅可以獲取8個(gè)物理量，還可以對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jī)APP，為相關(guān)人員及時(shí)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(cè)水位，目前北斗系統(tǒng)下的水文環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟，可靠性好[3]。

5 如何進(jìn)行系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

5.1 硬件的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

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(cè)系統(tǒng)存在自動(dòng)化水平偏低的問題，在我國使用遠(yuǎn)程水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還不普遍。隨著對(duì)北斗定位水文環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)打造，可以提升監(jiān)測(cè)效果，對(duì)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(cè)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(cè)終端中，利用現(xiàn)場(chǎng)總線、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線通信模塊、遠(yuǎn)程水文監(jiān)測(cè)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(chǎng)的RTU連接，進(jìn)而接收到現(xiàn)場(chǎng)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(jī)，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(cè)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(shí)發(fā)送水文信息和警告，憑借其強(qiáng)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(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)的傳感節(jié)點(diǎn)包括以下兩個(gè)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(huì)同步傳輸?shù)?G DTU模塊，最后傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器[4]。

5.2 軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

在北斗系統(tǒng)中，進(jìn)行遠(yuǎn)程的水文監(jiān)測(cè)軟件包括了主程序、溫度程序、液晶驅(qū)動(dòng)程序、水位監(jiān)測(cè)信號(hào)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(jì)中，流程依次為：遠(yuǎn)程水文監(jiān)測(cè)終端各模塊的功能設(shè)置，北斗模塊的點(diǎn)火、液晶初始化，將固定內(nèi)容顯示在LCD、計(jì)算溫度值、計(jì)算傳播速度。在溫度程序設(shè)計(jì)中，由于水位的監(jiān)測(cè)信號(hào)會(huì)受到溫度的影響，所以要考慮到溫度補(bǔ)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(hào)、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(jì)中，利用LCD 1602型液晶點(diǎn)陣字符模，對(duì)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(hào)發(fā)射程序設(shè)計(jì)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(shí)器。在水文華近景監(jiān)測(cè)的軟件設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)出服務(wù)器和移動(dòng)端APP，其中包括了人工智能水位預(yù)測(cè)、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(dòng)端APP，在環(huán)境的監(jiān)測(cè)中包括了圖標(biāo)模式和地圖模式，直觀地展示出觀測(cè)點(diǎn)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(shí)時(shí)數(shù)值，在水位超高時(shí)可以發(fā)出警報(bào)，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(duì)比。借助人工智能的水位預(yù)測(cè)，可以對(duì)數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)，預(yù)測(cè)出未來7天的水位變化情況[5]。

6 水文環(huán)境信息監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)發(fā)射和接收水位監(jiān)測(cè)信號(hào)，在安裝硬件系統(tǒng)時(shí)可以保證其平行于兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的中心線，之后蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲波信號(hào)，并且接收模塊利用殼遮擋，以此具有良好的抗干擾能力，對(duì)水位數(shù)據(jù)的測(cè)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(duì)顯示數(shù)據(jù)修改，調(diào)節(jié)定時(shí)器的時(shí)間，可以得到更加優(yōu)質(zhì)的脈沖信號(hào)，測(cè)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(cè)系統(tǒng)護(hù)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(duì)水文狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就要是對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸重視起來，分析程序是否存在錯(cuò)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(duì)水文環(huán)境監(jiān)測(cè)可行，在水文環(huán)境系統(tǒng)的測(cè)試中，主要包括了底層硬件的運(yùn)行情況以及手機(jī)APP的運(yùn)行情況。通過對(duì)采集點(diǎn)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(jī)，整個(gè)北斗系統(tǒng)的人工智能水文環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成[6]。

7 結(jié)束語

綜上所述，在本文中對(duì)北斗定位的人工智能水文環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了有效分析，可以解決傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確以及積極式問題，可以測(cè)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(diǎn)今后還需要對(duì)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(cè)提供幫助，促進(jìn)環(huán)保事業(yè)發(fā)展。