基于有人透傳云平臺的水保在線監(jiān)測管理系統(tǒng)

雷 磊，羅建勇，江 濤，霍春平，王 良，王 沖，王海峰

〔1.國網(wǎng)陜西省電力公司 電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.國網(wǎng)(西安)環(huán)保技術(shù)中心有限公司，陜西 西安 710100； 3.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710048；4.西安市水利水土保持工作總站，陜西 西安 710018； 5.西安理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710048〕

水土保持監(jiān)測是水土保持重要的基礎(chǔ)工作。近些年來，國家不斷推進生態(tài)文明建設(shè)和全面深化改革，印發(fā)了《水利部關(guān)于進一步深化“放管服”改革 全面加強水土保持監(jiān)管的意見》(水?！?019〕160號)、《全國水土保持信息化發(fā)展綱要(2008—2020年)》、《全國水土保持規(guī)劃(2015—2030年)》，對水土保持監(jiān)測與信息化提出了全新的任務(wù)和更高的要求，越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用于水土保持監(jiān)測工作中。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將各類傳感器、通信技術(shù)、智能分析模塊等融入透傳云平臺，能夠通過云端實現(xiàn)信息的遠程化傳遞，提高資源調(diào)度效率，降低人工和產(chǎn)品成本[1-3]?；诖?，國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院研發(fā)了一套基于有人透傳云平臺的水土保持在線監(jiān)測管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)采集裝置采集到的雨量、風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度、PM2.5濃度、噪聲、水土流失量和視頻數(shù)據(jù)儲存在主控模塊里，通過4G路由器遠程傳輸?shù)酵競髟破脚_，再下載到PC端進行相應(yīng)的處理和展示，從而及時掌握現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)和水土流失情況，對于地區(qū)水土流失監(jiān)測預(yù)警具有重要意義。以國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院開發(fā)的西交大創(chuàng)新港生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱“創(chuàng)新港系統(tǒng)”)為例，介紹了該系統(tǒng)的基本功能和監(jiān)測情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

根據(jù)水土保持監(jiān)測的總體要求，為了更好地對數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)測，設(shè)計了包含數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理功能的基于有人透傳云平臺的水土保持在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，系統(tǒng)框架見圖1。該系統(tǒng)設(shè)計通過傳感器采集信息，將數(shù)據(jù)保存在本地的主控模塊，再將數(shù)據(jù)無線遠程傳輸?shù)酵競髟破脚_并下載到各個PC端，最終通過終端水保信息管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析。

圖1 水土保持在線監(jiān)測管理系統(tǒng)總體框架

1.2 有人透傳云平臺

為了降低開發(fā)難度、提高開發(fā)效率，水土保持在線監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計采用了具有組態(tài)功能的面向物聯(lián)網(wǎng)云平臺——有人透傳云平臺。透傳云是零編程快速實現(xiàn)遠程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，不僅具備存儲、計算、開放的優(yōu)點，而且具有云服務(wù)器組態(tài)功能，可以有效降低用戶開發(fā)和維護成本。透傳云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)各設(shè)備之間、設(shè)備和上位機之間的互相通信。該系統(tǒng)選擇有人透傳云平臺進行組態(tài)軟件開發(fā)，實現(xiàn)了基于云平臺的數(shù)據(jù)共享。

1.3 終端水保信息管理系統(tǒng)

基于有人透傳云平臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過PC端的終端水保信息管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理、分析和展示。終端水保信息管理系統(tǒng)包括軟件前端(用戶界面)和軟件后端(圖2)。軟件前端包括用戶登錄管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)下載、新聞管理、數(shù)據(jù)查看、文件上傳、視頻監(jiān)控六大模塊，每個模塊包含眾多下屬子模塊。通過用戶登錄管理系統(tǒng)模塊可以對用戶的注冊、登錄等信息進行管理；通過數(shù)據(jù)下載模塊可以進入軟件后端系統(tǒng)，對采集到的數(shù)據(jù)進行下載和修改；通過新聞管理模塊可以在網(wǎng)頁前端界面上查看工程相關(guān)新聞；通過數(shù)據(jù)查看模塊可以進行數(shù)據(jù)的展示與查閱；通過文件上傳模塊可以上傳需要展示的新聞和修正處理后的數(shù)據(jù)；通過視頻監(jiān)控模塊可以遠程接收監(jiān)測現(xiàn)場的視頻圖像。

圖2 終端水保信息管理系統(tǒng)功能示意

2 系統(tǒng)應(yīng)用實例

以創(chuàng)新港系統(tǒng)為例，介紹系統(tǒng)的主要功能和應(yīng)用情況。

2.1 系統(tǒng)軟件功能

(1)系統(tǒng)登錄界面。在用戶登錄管理系統(tǒng)中輸入用戶名和密碼，點擊“登錄”按鈕即可進入軟件前端主界面。

(2)軟件前端(用戶界面)。軟件前端(用戶界面)下設(shè)用戶登錄管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)下載、新聞管理、數(shù)據(jù)查看、文件上傳、視頻監(jiān)控等模塊。其中，數(shù)據(jù)查看模塊可對已下載的溫度、降雨量、PM2.5濃度、風(fēng)速風(fēng)向、噪聲、溫度、土壤流失量數(shù)據(jù)進行處理，并選擇不同的統(tǒng)計方式(年、月、日)進行展示，以便更好地反映數(shù)據(jù)變化。通過數(shù)據(jù)下載模塊，可以跳轉(zhuǎn)到軟件后端。

(3)軟件后端。在軟件后端，可選擇不同監(jiān)測點、時間段數(shù)據(jù)進行下載、查看，既可以把現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過透傳云平臺下載到本地，又可以實時查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)采集模塊

以輸變電工程沿線某站點為例，為監(jiān)測創(chuàng)新港建設(shè)過程中產(chǎn)生的水土流失及其對周邊環(huán)境的影響，以及施工結(jié)束后的環(huán)境恢復(fù)情況，需要對施工現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。因此，在施工場地周圍安裝了一套水土流失和氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測硬件裝置，包括雨量傳感器、風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、噪聲傳感器、測釬傳感器和視頻監(jiān)控裝置等(圖3)。

圖3 輸變電工程沿線某站點監(jiān)測設(shè)施照片

數(shù)據(jù)采集模塊的功能是定期或定時巡回采集各個物理量傳感器監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，通過RS485通信模塊連接到專用的采集與控制主板，再將主板中的數(shù)據(jù)通過RS232通信接口連接無線傳輸裝置，以特定的數(shù)據(jù)格式傳送到無線傳輸模塊，還可與計算機直接通信(圖4)。該裝置能通過太陽能光伏板發(fā)電提供電源，白天把多余的電能儲存在蓄電池中，供夜間監(jiān)測使用，保證24 h不間斷監(jiān)測。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.3 應(yīng)用實例

對系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測到的輸變電工程沿線某站點2020年10月的土壤流失量、溫度、濕度、雨量、噪聲和風(fēng)速數(shù)據(jù)進行分析。該站點各監(jiān)測指標均呈波動變化，其中：土壤流失量變化范圍為-0.99～4.32 kg；最高溫度15.3 ℃，最低溫度7.5℃；平均降雨量0.44 mm，最大降雨量2.7 mm；風(fēng)速變化范圍為0.8～2.9 m/s，平均風(fēng)速1.5 m/s；噪聲變化范圍為48～59.4 dB，平均噪聲50.7 dB；PM2.5濃度變化范圍為6.5～55.5 ug/m3，平均PM2.5濃度為27.3 ug/m3。

為了反映施工后主要氣象因子對土壤流失量的影響，將土壤流失量與降雨量、風(fēng)速進行趨勢走向分析，見圖5。可以看出，風(fēng)速的增大及降雨量的增加都會導(dǎo)致土壤流失量的增加。結(jié)合現(xiàn)場視頻監(jiān)控，施工對現(xiàn)場地表造成破壞，因此在下雨或者刮風(fēng)的時候很容易引發(fā)地表土壤流失，這直接反映出在工程建設(shè)初期施工區(qū)及周邊面臨著水土流失加劇的情況。通過系統(tǒng)遠程的數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控，可以實時掌握施工現(xiàn)場的水土流失情況，并預(yù)警提示相關(guān)單位，為生產(chǎn)建設(shè)項目引發(fā)水土流失的治理與防護提供了支持。

圖5 10月份某站點土壤流失量與降雨量、風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié) 語

國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院開發(fā)了一套基于有人透傳云平臺的水土保持在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)備進行了介紹。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測工程中，為輸變電工程建設(shè)造成的水土流失和環(huán)境預(yù)警提供了數(shù)據(jù)支持。實踐證明，該系統(tǒng)在提高生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作效率方面具有重要作用。