范翠翠，鄭 雷，廖宗方

（金華市梅溪流域管理中心,浙江 金華 321000）

0 引言

灌區(qū)是一個(gè)具有很強(qiáng)社會(huì)性質(zhì)的半人工的生態(tài)體系，它是依靠自然環(huán)境提供的光、熱、土壤資源，加上人為選擇的作物和安排的作物種植比例等人工調(diào)控手段組成的[1]。從楚相孫叔敖主持興建我國第一個(gè)蓄水灌溉工程芍陂以來，在漫長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)社會(huì)發(fā)展歷史征程中，灌區(qū)以其良好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，為歷代統(tǒng)治者成就霸業(yè)，治國安邦發(fā)揮了重要作用。在加快進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)，建設(shè)社會(huì)主義和諧社會(huì)新的發(fā)展時(shí)期，灌區(qū)以其突出的灌排優(yōu)勢(shì)和服務(wù)功能，在保障國家糧食安全方面發(fā)揮著特殊的作用[2]。

水利部黨組書記、部長(zhǎng)李國英在2021年3月22日的《人民日?qǐng)?bào)》發(fā)表題為《深入貫徹新發(fā)展理念 推進(jìn)水資源集約安全利用》的署名文章中強(qiáng)調(diào)堅(jiān)持科技引領(lǐng)和數(shù)字賦能，提高水資源智慧管理水平。浙江省水利[3]資源相對(duì)豐富，但存在人均占有量少、空間分布不均勻、時(shí)段分布不均勻等“先天”缺陷，依然是一個(gè)缺水的省份。金華市水資源時(shí)空分布不均，水資源季節(jié)性缺水嚴(yán)重，制約著灌區(qū)經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展，目前主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水資源調(diào)度，水資源調(diào)度、閘門管理缺乏科學(xué)、高效的決策支持手段[4]。因此亟需利用信息化手段來管理，提出安地灌區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知體系來優(yōu)化水資源配置，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選擇灌區(qū)水資源在不同時(shí)空條件下的配水方案，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)解決灌區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水之間、上下游不同灌片之間的用水矛盾，從而實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、合理調(diào)度、規(guī)范利用的水管理目標(biāo)。

1 感知體系建設(shè)原則

安地灌區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知體系在建設(shè)[5]實(shí)施過程中應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)、兼容、安全、穩(wěn)定、易用、可擴(kuò)展、實(shí)時(shí)高效、集約建設(shè)、資源共享等原則[6]。以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為依據(jù)，利用當(dāng)前先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成果，選用成熟可靠的設(shè)備和模型進(jìn)行安地灌區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知體系建設(shè)，同時(shí)規(guī)范施工過程。規(guī)劃主要體現(xiàn)以下幾個(gè)原則：

（1）先進(jìn)性

在安地灌區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知體系規(guī)劃時(shí)充分利用現(xiàn)代信息化科技的發(fā)展成果，把物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)廣泛應(yīng)用在水利數(shù)據(jù)采集、工程運(yùn)行管理等業(yè)務(wù)體系中，項(xiàng)目建成后達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

（2）可靠性

安地灌區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知體系規(guī)劃時(shí)選用行業(yè)優(yōu)秀品牌的設(shè)備，全部設(shè)備和軟件體系平均無故障時(shí)間（MTBF）達(dá)到國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提供良好的

服務(wù)，及時(shí)響應(yīng)，及時(shí)排除體系故障，保障體系運(yùn)行安全可靠。

（3）擴(kuò)展性

安地灌區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知體系各采集設(shè)備選型采用模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，各功能單元維修、替換、擴(kuò)充的實(shí)現(xiàn)方便快捷。應(yīng)用軟件采用的結(jié)構(gòu)和程序模塊化構(gòu)造，充分考慮使之獲得較好的可維護(hù)性和可移植性，并同時(shí)考慮業(yè)主單位、地方水利體系等相關(guān)體系的數(shù)據(jù)共享。

（4）完整性

充分分析當(dāng)前安地灌區(qū)自動(dòng)化、信息化體系設(shè)施，建設(shè)安地灌區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知體系，使體系建設(shè)滿足管理單位領(lǐng)導(dǎo)、業(yè)務(wù)管理等人員的運(yùn)行管理要求，做到不缺項(xiàng)，保障體系完整。

（5）安全性

安地灌區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知體系數(shù)據(jù)大多直接關(guān)系到調(diào)度安全，體系建設(shè)使用操作權(quán)限控制、設(shè)備鑰匙等多種手段防止體系數(shù)據(jù)被竊取。體系的設(shè)備都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，貫徹質(zhì)量條例，保證惡劣環(huán)境下和突發(fā)事故情況下體系的可靠運(yùn)行。

2 體系整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，為安地灌區(qū)物聯(lián)網(wǎng)感知體系的結(jié)構(gòu)圖，包括底層硬件設(shè)備，數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)清洗、存儲(chǔ)與開放。其中底層硬件包括水情流量感知設(shè)備、土壤墑度感知設(shè)備、水質(zhì)感知設(shè)備、雨量感知設(shè)備、視頻監(jiān)視設(shè)備，數(shù)據(jù)通信，采用有線網(wǎng)與無線網(wǎng)相結(jié)合、自建與租用相結(jié)合、內(nèi)網(wǎng)專網(wǎng)與外網(wǎng)相補(bǔ)充的方式。數(shù)據(jù)清洗、存儲(chǔ)與開發(fā)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理形成分析結(jié)果，從而共同構(gòu)成形成新型的一體化的自動(dòng)感知體系。

圖1 體系整體結(jié)構(gòu)圖

3 體系建設(shè)與實(shí)現(xiàn)

3.1 底層硬件選型

底層硬件設(shè)備主要包括水情流量感知設(shè)備、土壤墑度感知設(shè)備、水質(zhì)感知設(shè)備、雨量感知設(shè)備、視頻監(jiān)視設(shè)備。其中：

（1）水情流量感知設(shè)備

由雷達(dá)水位計(jì)（管道流量計(jì)）、無線遙測(cè)終端、太陽能供電體系、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。該設(shè)備具有流量測(cè)量功能。水情流量感知設(shè)備以遙測(cè)站和通信網(wǎng)絡(luò)為核心，向下提供傳感器信號(hào)接口，向上提供數(shù)據(jù)接口，將分散的裝置構(gòu)成一套遙測(cè)設(shè)備。遙測(cè)站裝備有太陽能電池板和蓄電池，可在無人干預(yù)的情況下連續(xù)工作7天，整個(gè)設(shè)備完整可靠。因此需要選擇量程范圍0～70 m、頻率范圍26 GHz、精度量程70 m、信號(hào)輸出RS485的設(shè)備。

（2）水質(zhì)感知設(shè)備

具有實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)地表水水質(zhì)變化情況的功能。該設(shè)備包含多種水質(zhì)傳感器（其中包括：水溫、酸堿度pH、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮）、能夠在線控制、自動(dòng)取水、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及智能分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能。當(dāng)水質(zhì)感知設(shè)備運(yùn)作時(shí)，分布于各監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)站全自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄水質(zhì)的變化，通過專用的通信設(shè)備，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)采集傳輸單元采集在線監(jiān)測(cè)體系的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，然后通過傳輸4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、狀態(tài)傳輸?shù)娇刂浦行?，同時(shí)控制中心通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集傳輸單元根據(jù)命令控制在線監(jiān)測(cè)體系工作。因此需要選用精度等級(jí)±0.5%R、公稱壓力1.6 MPa、量程比10∶01的設(shè)備。

（3）雨量感知設(shè)備

具有雨量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)采集的功能。首先，該設(shè)備采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，即發(fā)送雨情信息到標(biāo)準(zhǔn)化管理信息中心云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)雨情信息互聯(lián)互通。同時(shí)該設(shè)備采用蓄電池組供電、太陽能電池浮充的供電方式，既能保證正常供電，又可簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。因此選擇設(shè)備應(yīng)符合測(cè)量范圍0～0.5～3 m、輸出型號(hào)（4～20 mA、0～5 VDC、0～10 VDC）的標(biāo)準(zhǔn)，用于提高灌區(qū)內(nèi)雨量采集工作精度。

（4）視頻監(jiān)視設(shè)備

具有智能監(jiān)控功能。該設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)和良好的人機(jī)交互界面，可在渠道敏感斷面、主要建筑物（渡槽、水閘、涵洞）等處，監(jiān)視工程運(yùn)行情況和安防管理。因此需要選用主控站工控機(jī)設(shè)備濕度10%～80%、溫度5℃～35℃，LCU設(shè)備濕度10%～95%、溫度-5℃～50℃，噪聲小于60 dB，在振動(dòng) 5～200 Hz時(shí)，加速度不超過5 m/s2的條件下可以長(zhǎng)期運(yùn)行的設(shè)備。

（5）土壤墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備

具有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤墑情（土壤濕度）的功能。該設(shè)備利用電磁脈沖原理、根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤相對(duì)含水量。土壤水分超過預(yù)先設(shè)定的限值時(shí)，立刻上報(bào)告警信息。因此需選用符合溫度精度±0.5℃、水分精度（0～50%內(nèi)±2%、50%～100%內(nèi)±3%）、水分量程0～100%、內(nèi)核芯片耐熱＞70℃的設(shè)備。

3.2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)

灌區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中我們將數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹案咚俟贰变佋O(shè)到每一個(gè)信息節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“最后一公里”的數(shù)據(jù)傳輸，從而能夠充分滿足當(dāng)前及今后一段時(shí)間內(nèi)信息的高速、穩(wěn)定傳輸要求，為數(shù)據(jù)互通、共享和實(shí)時(shí)互動(dòng)提供可靠通道。如圖2所示，底層硬件感知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以通過以太網(wǎng)、GPRS、4/5G等通信方式，實(shí)現(xiàn)將匯聚后的感知數(shù)據(jù)，以約定的接口標(biāo)準(zhǔn)、更新頻率和安全認(rèn)證方式將數(shù)據(jù)上報(bào)到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

圖2 數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)圖

在接口協(xié)議方面，本體系采用HTTPS協(xié)議，HTTPS是基于HTTP協(xié)議，通過SSL提供加密處理數(shù)據(jù)、驗(yàn)證對(duì)方身份以及數(shù)據(jù)完整性保護(hù)的一種協(xié)議。接口協(xié)議中監(jiān)測(cè)項(xiàng)目類型包括庫水位、水平位移、振弦、繞壩滲流、壩體滲流、溫度、電流、沉降、擾度、水平位移、接縫、應(yīng)變、電壓、傾斜、揚(yáng)壓力、電阻、位移基點(diǎn)、應(yīng)力等。同時(shí)，我們將制定各類項(xiàng)目在各個(gè)階段的感知數(shù)據(jù)上報(bào)頻次要求，并視項(xiàng)目感知數(shù)據(jù)上報(bào)達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和自動(dòng)預(yù)警。同時(shí)在數(shù)據(jù)接入認(rèn)證規(guī)范方面，其主要涵蓋開戶申請(qǐng)、密鑰密匙生成以及鏈接認(rèn)證三個(gè)部分，即通過規(guī)范數(shù)據(jù)接入認(rèn)證方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)接口調(diào)用方身份識(shí)別，保障數(shù)據(jù)的安全。

3.3 數(shù)據(jù)清洗存儲(chǔ)

在數(shù)據(jù)清洗方面，本體系首先利用ETL抽取將數(shù)據(jù)從各類數(shù)據(jù)源中抽取出來，進(jìn)行數(shù)據(jù)間的關(guān)系梳理，建立數(shù)據(jù)信息聯(lián)系，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，把重復(fù)或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)剔除，如果數(shù)據(jù)信息錯(cuò)誤則返回重新進(jìn)行信息抽取，反之則進(jìn)行下一步的信息轉(zhuǎn)換，這一步主要是對(duì)數(shù)據(jù)去冗余、消除同名異義和異名同義現(xiàn)象一致性檢查等數(shù)據(jù)的進(jìn)一步清洗和轉(zhuǎn)換功能。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信息通過信息的校核與審查，如果通過審查，信息準(zhǔn)確且滿足標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總?cè)缓蟠嫒牖A(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，如果信息審查沒通過則要對(duì)未通過審查的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新校核直至通過審查后匯總、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息整合后的管理，并對(duì)外提供數(shù)據(jù)共享和使用服務(wù)。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，本體系按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)框架、統(tǒng)一的信息分類編碼體系、統(tǒng)一的信息資源目錄體系、統(tǒng)一的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)組織的基本原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)我們通過分析數(shù)據(jù)關(guān)系，理清數(shù)據(jù)需求，建立表1所示的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)和按需定制的數(shù)據(jù)共享機(jī)制提供支撐。該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫主要包含水利基礎(chǔ)對(duì)象數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)字典、空間數(shù)據(jù)。水利基礎(chǔ)對(duì)象數(shù)據(jù)主要包括涉水水利基礎(chǔ)對(duì)象數(shù)據(jù)和水利基礎(chǔ)對(duì)象之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)字典主要是對(duì)水文、山洪等業(yè)務(wù)的字典數(shù)據(jù)。同時(shí)該數(shù)據(jù)庫支持多時(shí)相、多精度的水利對(duì)象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)的持續(xù)更新與歷史回溯，將以往“數(shù)據(jù)割裂、管理脫節(jié)”的流程，升級(jí)為“數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、審批無縫銜接、更新一體聯(lián)動(dòng)”的新模式。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)內(nèi)容

3.4 數(shù)據(jù)開放共享

數(shù)據(jù)開放共享面向上級(jí)業(yè)務(wù)主管部門及第三方數(shù)字化承建單位開放數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，第三方單位數(shù)據(jù)訪問需提交數(shù)據(jù)接入申請(qǐng)，根據(jù)質(zhì)量管理規(guī)則實(shí)施數(shù)據(jù)質(zhì)量稽核和通過審批，通過后即完成數(shù)據(jù)訪問服務(wù)授權(quán)，從而面向授權(quán)用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用的時(shí)效性、交互性、數(shù)據(jù)量等需求，平臺(tái)提供3種數(shù)據(jù)開放服務(wù)：(1) 對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的訪問，提供交互式查詢服務(wù)接口，基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回查詢結(jié)果，滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用或業(yè)務(wù)中臺(tái)的交互式查詢需求；(2)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的訪問，提供非交互式查詢服務(wù)接口，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過數(shù)據(jù)推送服務(wù)返回批量離線數(shù)據(jù)，滿足匯總統(tǒng)計(jì)、報(bào)表展示等非交互式查詢需求；(3) 對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的訪問，提供數(shù)據(jù)庫同步服務(wù)，通過配置數(shù)據(jù)同步調(diào)度任務(wù)，完成數(shù)據(jù)的定時(shí)批量推送。

4 結(jié)束語

灌區(qū)物聯(lián)感知體系的持續(xù)性、擴(kuò)展性和兼容性建設(shè)是數(shù)字灌區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)和難題，本文提出建設(shè)安地灌區(qū)物聯(lián)網(wǎng)感知體系，該體系具有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)開發(fā)等功能，同時(shí)底層硬件設(shè)備能夠?qū)λ榱髁俊⑺|(zhì)、雨量、土壤墑度等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、行業(yè)交換和共享，物聯(lián)網(wǎng)感知體系建設(shè)有助于安地灌區(qū)有效利用物聯(lián)感知設(shè)備，持續(xù)建設(shè)數(shù)字灌區(qū)，大大提高灌區(qū)水資源管理水平。