基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉甲軍 鄭春來(lái) 張衛(wèi)見 管恩升

（山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250014）

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)的核心內(nèi)容為互聯(lián)網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上可完成后續(xù)工作，用戶端得到了大幅度擴(kuò)展，可在人、物體間進(jìn)行信息傳輸與交換，具有定位、監(jiān)控、管理等多項(xiàng)功能。從通信對(duì)象與通信過(guò)程角度進(jìn)行分析，物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是將人、物之間的信息交換作為核心。

1.1 整體感知

物聯(lián)網(wǎng)中配備的智能傳感器、二維碼等設(shè)備可便捷獲取物體的信息，并進(jìn)行整體感知。本系統(tǒng)終端傳感器采用多普勒流量計(jì)，測(cè)量種類包括流速、水深、水溫等，流速范圍為0.05～5.00 m/s（最小水深為15 cm）；流速測(cè)量的分辨率約為1 mm/s；水深測(cè)量分辨率為1 mm；工作電壓為DC12 V。通信采用MODBUS協(xié)議，通信接口為RS485，通過(guò)DTU連接到云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.2 智能處理

物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用了各項(xiàng)智能技術(shù)構(gòu)建處理中心，可對(duì)獲取的龐大信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整合、分析處理，具有較高的自動(dòng)化與智能化特征，對(duì)人力資源數(shù)量需求較低，對(duì)人才質(zhì)量要求較高，管理人員必須具備較為深厚的信息技術(shù)理論基礎(chǔ)知識(shí)、較強(qiáng)的操作能力，才能完成對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的操控與管理。

1.3 可靠傳輸

智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行感知與識(shí)別，對(duì)事物自身屬性或狀態(tài)的轉(zhuǎn)變與變化方式、變化規(guī)律等進(jìn)行收集，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行分析、提煉與加工，充分利用已感知和獲得的基礎(chǔ)信息，推斷更深層問(wèn)題，產(chǎn)生、捕捉新的信息，并以此為依據(jù)完成決策制定，為人類生活與工作提供有力依據(jù)。

本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)傳輸終端為DTU，采用2G/3G（GPRS、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、EVDO）網(wǎng)絡(luò)透?jìng)?；支持ZETA低功耗網(wǎng)絡(luò)；支持MODBUS協(xié)議，兼容各種設(shè)備；EMC國(guó)際認(rèn)證；-35 ℃抗嚴(yán)寒，75 ℃耐高溫；CPU工業(yè)級(jí)32位通信處理器；5～36 V超寬電壓；5路I/O接口；支持遠(yuǎn)程管理；FLASH 512KB（可擴(kuò)展至64 MB）。

SRAM 256 KB對(duì)所得信息與結(jié)論等進(jìn)行發(fā)送、傳輸與接收，將信息從一個(gè)空間點(diǎn)、時(shí)間點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)空間點(diǎn)、時(shí)間點(diǎn)，在此過(guò)程中，可保持信息數(shù)據(jù)不受損、不丟失、不遺漏，進(jìn)而完成通信。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

我國(guó)部分城市中主城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)使用的GIS管理模式可滿足城市排水系統(tǒng)的基本需求，實(shí)現(xiàn)較有效的排水管道管理，但其細(xì)節(jié)問(wèn)題有待提升，如不具備業(yè)務(wù)分析功能，缺少較強(qiáng)的設(shè)備管理功能，管理系統(tǒng)存在許多空白，需要進(jìn)行填補(bǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，城市中產(chǎn)生的污水大幅度增加，對(duì)排水管道覆蓋率的需求不斷提升，現(xiàn)代化排水系統(tǒng)須具備更強(qiáng)的排水能力、污水處理能力。

我國(guó)部分城市中排水系統(tǒng)使用早期敷設(shè)的管道，易出現(xiàn)管道老化、破裂和淤堵等問(wèn)題，過(guò)流能力在短時(shí)間內(nèi)急劇下降，無(wú)法正常使用。對(duì)土地資源的開發(fā)與利用使排污量迅速增加，地區(qū)的實(shí)際排水量已超出規(guī)劃，對(duì)排水系統(tǒng)造成較大壓力。為了改變現(xiàn)狀，滿足社會(huì)發(fā)展需求，必須依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建完善的智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確全面反映排水情況，對(duì)各處設(shè)備與管道進(jìn)行有效監(jiān)管與調(diào)整，并系統(tǒng)指導(dǎo)系統(tǒng)的維修養(yǎng)護(hù)與運(yùn)轉(zhuǎn)。

我國(guó)部分典型城市在污水泵站運(yùn)行過(guò)程中，存在兩方面問(wèn)題。

（1）過(guò)于分散、不成體系的管理模式，導(dǎo)致排水管無(wú)法連接成為一個(gè)整體，在不同區(qū)域發(fā)揮作用，無(wú)法從整體角度進(jìn)行宏觀調(diào)度。

（2）城市中部分低洼地區(qū)在降雨量較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，引發(fā)城市內(nèi)澇，目前系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。構(gòu)建智慧排水系統(tǒng)，可對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，構(gòu)建完善、龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬分析功能對(duì)排水管網(wǎng)的安全運(yùn)行進(jìn)行管理以及智能化監(jiān)控調(diào)度，及時(shí)預(yù)警，正確應(yīng)對(duì)和處理緊急情況。

排水系統(tǒng)中污水集中匯流處水量的突變點(diǎn)或降雨徑流的突然增加，可反映承壓情況和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，水位監(jiān)測(cè)可反映枯水期管網(wǎng)的正常運(yùn)行、雨天污水、內(nèi)澇突發(fā)的特殊狀態(tài)。河流附近的截污干管存在滲漏和回流的風(fēng)險(xiǎn)，突水和回流稀釋了污水的水質(zhì)濃度，可通過(guò)水位監(jiān)測(cè)或水質(zhì)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)滲漏風(fēng)險(xiǎn)，立交橋、凹涵、低洼路段易發(fā)生內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)水位監(jiān)測(cè)和氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算，可提前進(jìn)行澇災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)。分支或大型合流排污口的進(jìn)入，河流的關(guān)鍵斷面存在水量和水質(zhì)突然變化的風(fēng)險(xiǎn)，可設(shè)置水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)計(jì)算和控制河流中污染物的變化。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)架

軟件架構(gòu)如圖2所示，硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖2 軟件架構(gòu)

圖3 硬件架構(gòu)

3.1 傳感器

超聲波多普勒流速儀在管道、渠道或河流內(nèi)測(cè)量水的流速的設(shè)備，主要應(yīng)用于洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、污水排放、天然的河溪、市政給排水、水量流失滲入監(jiān)測(cè)、灌溉流程監(jiān)測(cè)、暗渠流程監(jiān)測(cè)、道路排水監(jiān)測(cè)、運(yùn)河流程研究、江河流程監(jiān)測(cè)等工作中。

傳感器安裝底座固定前，應(yīng)在傳感器上方包裹2 mm以上厚度的橡膠套，可使用汽車內(nèi)胎代替橡膠套，傳感器與金屬的卡箍、安裝底座之間采用橡膠套隔開。傳感器的出線必須采用PVC、PE、PR、鍍鋅管等進(jìn)行保護(hù)，避免水流長(zhǎng)期沖擊造成電纜開裂、脫出等情況發(fā)生，防止被異物碰撞后劃傷或割破。在保護(hù)管的保護(hù)下，線纜沿著渠道底部或渠道內(nèi)壁由傳感器下游方向引出水面。傳感器背后出線位置，由于其長(zhǎng)期處于水中，會(huì)被水流沖擊，需要對(duì)保護(hù)管進(jìn)行妥善固定，并給予保護(hù)措施。

線纜直接被水流沖擊，會(huì)造成斷線、電纜外皮被磨爛等情況。傳感器自帶的一段通信電纜線內(nèi)有通氣導(dǎo)管，不可將其彎折超過(guò)80°，當(dāng)通信電纜線引出水面后，可接入普通的電纜線。此時(shí)應(yīng)使通氣導(dǎo)管開口方向朝下，防止水及異物進(jìn)入通氣管或堵塞通氣管。連接傳感器的電纜為RS485線纜或DC12 V線纜，RS485和12 VDC的線纜必須分開使用兩根2芯屏蔽電纜進(jìn)行連接。

3.2 采集器

采集器連接傳感器，并對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理采集，通過(guò)RS485通信接口對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集當(dāng)前蓄電池的電量、環(huán)境溫度、開關(guān)信號(hào)、模擬量信號(hào)等參數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、編輯、加工后，由4G通信模塊（DTU）傳輸?shù)椒?wù)器。

采集器具有遠(yuǎn)程控制功能，為防止傳感器因環(huán)境因素造成死機(jī)現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程重啟傳感器或定時(shí)重啟傳感器，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性。

3.3 通信模塊

通信模塊多使用于采集器和服務(wù)器之間，負(fù)責(zé)將采集器采集的各類傳感器的數(shù)據(jù)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，后臺(tái)服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、分析、編輯、存儲(chǔ)。通信模塊可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用情況進(jìn)行靈活選擇。

3.4 接電

根據(jù)環(huán)境供電情況進(jìn)行供電選擇，包括市電、太陽(yáng)能供電、蓄電池供電等。考慮到供電穩(wěn)定與安全，配漏電保護(hù)開關(guān)與電源穩(wěn)壓模塊，太陽(yáng)能供電應(yīng)配套相應(yīng)的線路、蓄電池、充電模塊。

供電只可使用電池供電、太陽(yáng)能供電，使用AC220 V電源進(jìn)行市電供電時(shí)，需要使用線性電源轉(zhuǎn)化為DC12 V直流電，不可使用開關(guān)電源。在此過(guò)程中，應(yīng)注意不要人為拉扯及甩動(dòng)電纜、不撞擊傳感器殼體、不可將連接電纜作為承重線用于連接電纜懸掛重物。電纜須固定在渠道的水泥壁上，需要延長(zhǎng)電纜時(shí)，應(yīng)保證導(dǎo)氣電纜不進(jìn)水、不折彎、不堵塞，并考慮天氣濕度等情況。DC12 V供電電纜可以延長(zhǎng)至200 m，使用0.75 mm2的2芯屏蔽電纜；RS485輸出的電纜可延長(zhǎng)至200 m，使用0.75 mm2的2芯屏蔽電纜。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與技術(shù)問(wèn)題

4.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的面臨的挑戰(zhàn)

在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用直接影響智能化排水系統(tǒng)感知層的有效性，影響實(shí)時(shí)調(diào)度決策。

（1）污水腐蝕。

設(shè)備一般置于排水管道中，需要與城市污水直接接觸，工業(yè)和生活污水均含有大量腐蝕性物質(zhì)，會(huì)對(duì)金屬外殼等造成損傷，縮短設(shè)備使用壽命。

（2）水量不穩(wěn)定。

排水管網(wǎng)中的不確定性因素較多，排水系統(tǒng)水量和水質(zhì)并不固定，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大改變。

（3）雜質(zhì)沉積。

城市污水包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水等多種類型，成分復(fù)雜，包含大量不可溶物質(zhì)，會(huì)在排水管道底部沉積，影響傳感器靈敏度、有效性。

（4）通信難度大。

排水系統(tǒng)需要覆蓋整座城市，范圍較廣，構(gòu)建相應(yīng)的通信設(shè)施難度較高，需要將無(wú)線技術(shù)與有線技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

（5）視頻不清晰。

視頻監(jiān)控設(shè)備主要應(yīng)用各類攝像頭，以往使用的監(jiān)控?cái)z像頭清晰度較低，捕獲的監(jiān)控畫面十分模糊，高清和超高清攝像頭可拍攝到清晰畫面，但其視頻畫面需要占據(jù)大量?jī)?chǔ)存空間。受限于以往的4G網(wǎng)絡(luò)，傳輸視頻速度較低，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，像素較高的攝像頭無(wú)法用于構(gòu)建智慧排水系統(tǒng)。此外，以往的攝像頭一般使用抓拍，非動(dòng)態(tài)錄像，監(jiān)控效果不佳，可能會(huì)遺漏細(xì)節(jié)。

物聯(lián)網(wǎng)是一種新興技術(shù)，其安全問(wèn)題存在較大隱患，由于其必須通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳輸與交換，在構(gòu)建智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，須注意網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，防止來(lái)自外部的惡意攻擊與內(nèi)部的錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露?？蔀楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝防火墻，其具備完善的防護(hù)功能，可對(duì)多種類型的網(wǎng)絡(luò)入侵進(jìn)行檢測(cè)，如木馬和網(wǎng)絡(luò)蠕蟲攻擊。防火墻具備反端口掃描，可精準(zhǔn)判定服務(wù)工具，將對(duì)系統(tǒng)具有威脅的因素阻攔在外，禁止其訪問(wèn)，抵擋外部攻擊。

除此之外，其可自主對(duì)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)算中心的服務(wù)器運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生與傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行收集記錄，記錄上網(wǎng)路徑和網(wǎng)絡(luò)使用情況，提高管理效率，保障系統(tǒng)的安全。應(yīng)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)格管理，避免非法破壞和竊取行為，使用還原系統(tǒng)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，可提高容錯(cuò)性，避免工作人員的錯(cuò)誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)損失。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需突破的技術(shù)問(wèn)題

應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)與優(yōu)化，提高設(shè)備的抗腐蝕性、抗?jié)B性等，對(duì)其進(jìn)行有效保護(hù)，提高設(shè)備的靈敏度、耐久度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。視頻監(jiān)控設(shè)備方面，需引入5G技術(shù)，有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，將千萬(wàn)像素的超高清攝像頭安裝在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，獲得清晰畫面，并始終保持錄制狀態(tài)，進(jìn)行不間斷拍攝，提高監(jiān)控效果。

5 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要對(duì)城市所有的排水系統(tǒng)進(jìn)行管理，形成統(tǒng)一整體，須構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化體系，采用統(tǒng)一的指令與標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)參數(shù)的顯示方式、各類成分的安全濃度等均應(yīng)通過(guò)嚴(yán)格的討論，再進(jìn)行決策，將相關(guān)參數(shù)錄入系統(tǒng)中，作為運(yùn)行依據(jù)，確保物聯(lián)網(wǎng)中所有服務(wù)器均采用同一套運(yùn)行指標(biāo)。軟硬件更換、升級(jí)或業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)等發(fā)生變動(dòng)時(shí)，應(yīng)先確保系統(tǒng)的統(tǒng)一性，再進(jìn)行整體層面的調(diào)度與更改。