蔡 樂(lè)，俞 峰，劉勝軍

（華為技術(shù)有限公司，北京 100073）

1 前言

推進(jìn)智慧水利建設(shè)是推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的6 條實(shí)施路徑之一。水利部2021 年印發(fā)了《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》等文件，2022年先后出臺(tái)數(shù)字孿生流域、水網(wǎng)工程等系列文件，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，以構(gòu)建數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵模嫱七M(jìn)算據(jù)、算法和算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的智慧水利體系[1]。水利數(shù)字孿生建設(shè)需要更透徹的感知、更泛在的連接、更多元的算力、更智能的平臺(tái)，高標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)水利信息化建設(shè)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。

算據(jù)是構(gòu)建數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，獲取更透徹的感知數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字孿生建設(shè)尤為重要。當(dāng)前，水利感知設(shè)備種類繁多、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不一、運(yùn)行維護(hù)難度較大，亟需采用更智能的感知設(shè)備，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行集約化和智能化提升[2]，打造水利數(shù)字孿生新型感知體系，更好地為數(shù)字孿生建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 水利感知存在問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)

水利感知網(wǎng)主要包括傳統(tǒng)水利監(jiān)測(cè)站網(wǎng)和新型水利監(jiān)測(cè)網(wǎng)，宜采用傳統(tǒng)有線、無(wú)線等網(wǎng)絡(luò)為主，北斗短報(bào)文、5 G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、紫蜂協(xié)議（ZigBee）、遠(yuǎn)距離無(wú)線電（LoRa）等為輔的通信方式，與水利信息網(wǎng)建立安全連接[3]。水利感知技術(shù)主要包括設(shè)備監(jiān)測(cè)、遙感、互聯(lián)網(wǎng)抓取、人工填報(bào)等[4]。設(shè)備監(jiān)測(cè)作為水利感知傳統(tǒng)且重要的技術(shù)之一，已經(jīng)不能完全支撐數(shù)字孿生水利對(duì)透徹感知的要求。

（1）傳統(tǒng)水利監(jiān)測(cè)設(shè)備大多基于RTU（遙測(cè)終端），數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)共享，現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備接入存在困難。用于傳輸數(shù)據(jù)的RTU 設(shè)備品牌型號(hào)眾多、性能接口參差不齊，而不同廠家設(shè)備自帶接收平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息接收、存儲(chǔ)和展示，數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)共享。由于不同設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸格式不同，甚至同樣設(shè)備傳輸格式也不同，大量現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸格式解譯難度大，無(wú)法統(tǒng)一納入平臺(tái)進(jìn)行管理，進(jìn)而又加劇了數(shù)據(jù)共享的難度。

（2）監(jiān)測(cè)站點(diǎn)多，設(shè)備間相互獨(dú)立，運(yùn)行成本較高，分散管理為運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)困難。目前水利監(jiān)測(cè)站每站配備多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，如水文站配有雨量計(jì)、水位計(jì)、流量計(jì)、蒸發(fā)器和視頻監(jiān)控等，水庫(kù)站配有雨量計(jì)、水位計(jì)、流量計(jì)、水質(zhì)檢測(cè)儀和視頻監(jiān)控等，每個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備均有遙測(cè)終端，同一站點(diǎn)多個(gè)遙測(cè)終端不僅造成設(shè)備投資的浪費(fèi)，而且增加了運(yùn)行成本。同時(shí)，分散建設(shè)的子系統(tǒng)無(wú)法對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一接入和管理，致使對(duì)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理存在一定的困難。

（3）水利感知設(shè)備智能化水平有待提升。目前RTU 采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，只有基本的數(shù)據(jù)濾波算法，沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)的智能分析和判斷。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的智能分析和判斷，可大大減少人工觀測(cè)的次數(shù)，提升數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)質(zhì)量，降低管理成本。

若具有水位智能校核功能即根據(jù)浮子水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、AI 視頻水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校核，分析水位偏差值來(lái)校正水位數(shù)據(jù)，則當(dāng)水位偏差大于預(yù)值時(shí)，實(shí)時(shí)抓拍水位尺當(dāng)前水位圖片和水位偏差警報(bào)信息上傳至平臺(tái)，由平臺(tái)提示值班人員進(jìn)行人工復(fù)核。

若具有雨量互檢智能分析功能即根據(jù)備用雨量計(jì)數(shù)據(jù)與主雨量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校核，分析主雨量計(jì)和備用雨量計(jì)數(shù)據(jù)偏差是否在設(shè)定范圍內(nèi)來(lái)分析判斷主雨量計(jì)是否損壞或承水器是否被堵，則當(dāng)分析判斷出主雨量計(jì)有故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用雨量計(jì)傳輸數(shù)據(jù)，并發(fā)出主雨量計(jì)故障報(bào)警信息上傳至平臺(tái)，由平臺(tái)提示運(yùn)行維護(hù)人員處理。

因此，研發(fā)一款安全、可靠、穩(wěn)定的智能邊緣物聯(lián)終端，在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)統(tǒng)一接入各類傳感器、遠(yuǎn)控設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備，基于容器進(jìn)行協(xié)議的靈活管理，并且根據(jù)業(yè)務(wù)需求提供邊緣計(jì)算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及解算，再通過(guò)多種可靠的物聯(lián)網(wǎng)信道回傳是十分有必要的。同時(shí)，在水利工程、水資源調(diào)度及城市水務(wù)等領(lǐng)域也存在大量的RTU、PLC設(shè)備，通過(guò)統(tǒng)一的智能邊緣物聯(lián)終端實(shí)現(xiàn)接入、數(shù)傳、遠(yuǎn)控、管理也是十分迫切的。

3 智能邊緣物聯(lián)終端核心技術(shù)和優(yōu)勢(shì)

智能邊緣物聯(lián)終端是在數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用的分布式開放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。它可以作為連接物理和數(shù)字世界的橋梁，提供智能資產(chǎn)、智能網(wǎng)關(guān)、智能系統(tǒng)和智能服務(wù)。智能邊緣物聯(lián)終端，如圖1所示。

智能邊緣物聯(lián)終端應(yīng)用于水利感知，可融合5G、AI、邊緣計(jì)算、北斗通信等新一代信息技術(shù)，顛覆傳統(tǒng)獨(dú)立控制系統(tǒng)的架構(gòu)，為水利感知網(wǎng)帶來(lái)新的突破。

3.1 核心技術(shù)

（1）采用4 核ARM CPU，處理能力較強(qiáng)，支持M.2 硬盤接口擴(kuò)展存儲(chǔ)，支撐多App 并行處理。智能邊緣物聯(lián)終端架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 智能邊緣物聯(lián)終端架構(gòu)

（2）邊緣計(jì)算架構(gòu)。開放軟硬件資源，支持Linux LXC 或Docker容器管理，App隨需部署。提供標(biāo)準(zhǔn)Linux 開發(fā)環(huán)境，提供SDK 實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源靈活調(diào)用。支持多邊緣計(jì)算場(chǎng)景、多傳感接入等。

（3）異構(gòu)協(xié)議兼容。支持RS-485、RS-232、DI/DO、基于IP 的電力線載波PLC 等多種接口和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景設(shè)備和數(shù)據(jù)接入。

（4）多種網(wǎng)絡(luò)制式。支持LTE FDD和LTE TDD，并可兼容WCDMA/GPRS/GSM；支持Micro SIM 制式，支持雙SIM卡冗余備份設(shè)計(jì)。

（5）自然散熱、雙電源冗余設(shè)計(jì)。可長(zhǎng)期工作在-40～+70℃、5%～95%（非凝露）環(huán)境，保障設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）支持IPv6和IPsec加密，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。

3.2 優(yōu)勢(shì)分析

（1）多設(shè)備一站式接入?？芍С植杉瘮?shù)據(jù)類型包括水位、雨量、蒸發(fā)、流速、視頻等，并且可以根據(jù)對(duì)接傳感能力，不斷擴(kuò)展支持水質(zhì)、土壤墑情、空氣質(zhì)量等更多采集數(shù)據(jù)。所有感知設(shè)備一站式接入，可基于1 張SIM 卡通信，大大節(jié)省建設(shè)和運(yùn)行成本。智能邊緣物聯(lián)終端多設(shè)備一站式接入，如圖3所示。

圖3 智能邊緣物聯(lián)終端多設(shè)備一站式接入

（2）App 極簡(jiǎn)開發(fā)和部署。智能邊緣物聯(lián)終端硬件功能和邊緣計(jì)算應(yīng)用軟件通過(guò)“容器”技術(shù)相互隔離，各種協(xié)議及應(yīng)用通過(guò)容器部署，實(shí)現(xiàn)軟硬件充分解耦，增加設(shè)備的適用性，后期協(xié)議和應(yīng)用升級(jí)通過(guò)開發(fā)App形式，靈活便捷。

（3）多協(xié)議多標(biāo)準(zhǔn)全兼容。支持RS-485、Modbus-RTU、Modbus-TCP、MQTT、COAP 等通信協(xié)議，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備傳輸鏈路模式、傳輸數(shù)據(jù)的報(bào)文幀結(jié)構(gòu)框架、報(bào)文幀結(jié)構(gòu)、報(bào)文正文結(jié)構(gòu)、報(bào)文編碼方法等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。支持多容器部署，通過(guò)加密文件系統(tǒng)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)安全。不同App 間各自調(diào)用計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源，獨(dú)立采集終端設(shè)備數(shù)據(jù)，保障業(yè)務(wù)安全。

（4）具備多樣化、高可靠通信保障能力。支持光纖/5G/4G/北斗等多種通信方式，實(shí)現(xiàn)多種鏈路互為備份傳輸。具有通信鏈路診斷、自動(dòng)切換信道、通信鏈路巡檢等功能，在極端惡劣環(huán)境下為信號(hào)回傳提供最高保障。

（5）支持AI 智能分析。支持疊加AI 處理盒子，算力更強(qiáng)，可加載伙伴AI算法。支持現(xiàn)有的攝像頭視頻接入，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)視頻的結(jié)構(gòu)化解析處理，具有進(jìn)出人員、車輛、水尺、流量、水面異常漂浮物等識(shí)別功能。智能邊緣物聯(lián)終端用于河流表面流速識(shí)別，如圖4所示。

圖4 智能邊緣物聯(lián)終端用于表面流速識(shí)別

（6）支持“端邊管云”標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，具有低延時(shí)通信回傳和高時(shí)效性邊緣計(jì)算能力，滿足監(jiān)測(cè)站與主站之間水利行業(yè)協(xié)議適配以及業(yè)務(wù)狀態(tài)分析和預(yù)警，同時(shí)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備、容器應(yīng)用等遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理。

4 某省智慧水庫(kù)應(yīng)用案例分析

某省有2 600多座中小水庫(kù)，很多水庫(kù)大壩已經(jīng)使用超過(guò)50 a，90%大壩無(wú)市電，供電困難；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備功耗超過(guò)200 W；網(wǎng)絡(luò)回傳困難，基本靠4G，速率不超過(guò)5 Mbps；傳感設(shè)備眾多，統(tǒng)一規(guī)約困難；長(zhǎng)期無(wú)人值守，設(shè)備管理維護(hù)困難。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)的智能邊緣物聯(lián)終端在全國(guó)率先完成“一站一端一平臺(tái)”的智慧水庫(kù)平臺(tái)建設(shè)，如圖5所示。該智能邊緣物聯(lián)終端為具有多數(shù)據(jù)接口、支持有線與無(wú)線組網(wǎng)模式、低功耗的智能一體遠(yuǎn)程控制終端，主要用于雨量、水位、流量、GNSS、視頻等多種傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)一存儲(chǔ)和上傳，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)監(jiān)測(cè)要素全感知、監(jiān)測(cè)設(shè)備全托管的目標(biāo)，解決目前RTU 功能單一、接收平臺(tái)過(guò)多、采控不能統(tǒng)一的問(wèn)題，提升了水庫(kù)自動(dòng)化、智能化監(jiān)測(cè)的能力和水平。應(yīng)用案例具備以下四大行業(yè)價(jià)值。

圖5 智能邊緣物聯(lián)終端用于智慧水庫(kù)建設(shè)

（1）1 臺(tái)智能邊緣物聯(lián)終端接入視頻、水雨情、工情、電源電池等采集傳感器，SIM 卡由原來(lái)的3 000多張降至400張，通信費(fèi)用降低30%。

（2）站點(diǎn)設(shè)備、通信等的一站式管理支持遠(yuǎn)程故障定位及處理，可大幅降低維護(hù)復(fù)雜度和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本。

（3）為解決多處偏遠(yuǎn)地區(qū)通信環(huán)境惡劣的問(wèn)題，提供光纖、4 G、北斗、WiFi 自組網(wǎng)等多種通信方式，靈活切換，全天候可用。

（4）通過(guò)邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)清洗、分析和挖掘，實(shí)現(xiàn)水文測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和預(yù)警。

5 結(jié)語(yǔ)

智能邊緣物聯(lián)終端作為一種新型的遠(yuǎn)程控制終端，集遠(yuǎn)程控制、本地管理、計(jì)算和通信、AI 智能分析于一體，實(shí)現(xiàn)多種水利監(jiān)測(cè)傳感器（設(shè)備）的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、上傳的統(tǒng)一管理，解決目前RTU 功能單一、接收平臺(tái)過(guò)多、采控不能統(tǒng)一的問(wèn)題，在保障數(shù)據(jù)采集、傳輸安全的基礎(chǔ)上，可以有效降低整體運(yùn)行維護(hù)成本，提升工作效能。同時(shí)，內(nèi)置AI 功能通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的智能分析和判斷，可以大大減少人工觀測(cè)的次數(shù)，提升數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)質(zhì)量，降低管理成本。目前，智能邊緣物聯(lián)終端已經(jīng)在多個(gè)省份智慧水庫(kù)、智慧水文建設(shè)中得到應(yīng)用。基于智能物聯(lián)終端構(gòu)建新型水利感知體系，使水利數(shù)據(jù)感知更加便捷、透徹和智能，更好地為數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)支撐。