基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測控制系統(tǒng)及應(yīng)用

畢庶剛，江 龍，韓 康

（煙臺市水文中心，山東 煙臺264000）

物聯(lián)網(wǎng)的概念成型于20世紀(jì)末，使用網(wǎng)絡(luò)將物與物直接連接，最早由西方學(xué)者提出。隨著研究的深入，物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)就是把任何物體各項特征變成一串?dāng)?shù)字，然后利用網(wǎng)絡(luò)傳送出去，進(jìn)行分析處理，然后支撐相關(guān)應(yīng)用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。相比于物聯(lián)網(wǎng)的概念理論，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)卻處于發(fā)展的初級階段，相比各傳統(tǒng)技術(shù)是一門新興技術(shù)，但是已經(jīng)在電力、醫(yī)學(xué)、道路、安防、污水處理等多個行業(yè)有所應(yīng)用，相應(yīng)地形成了較成熟的智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能醫(yī)療、智能家居等衍生產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的初步應(yīng)用已經(jīng)產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)、社會效益，已引起全球不同國家或國際組織高度重視，特別是歐美等發(fā)達(dá)國家，其物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度都走在了世界的前列。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)報、預(yù)警等領(lǐng)域的應(yīng)用尚處在探索和摸索階段，但是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用是未來水文行業(yè)產(chǎn)業(yè)革命和創(chuàng)新的必然之路。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，包括以下部件及各部件之間的聯(lián)系，有各類傳感器、云網(wǎng)絡(luò)、智能設(shè)備、射頻識別、信息傳感器等，通過IoT等網(wǎng)絡(luò)將各類物體以電子標(biāo)簽形式進(jìn)行互聯(lián)，達(dá)成精準(zhǔn)、可靠、全面、智能等特性。從物聯(lián)網(wǎng)在當(dāng)下的應(yīng)用需求分析，目前學(xué)界將物聯(lián)網(wǎng)一般劃分為以下3個層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，如圖1示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系框架

1.1 感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是收集信息和識別物體的關(guān)鍵和核心。其核心技術(shù)則是采集、識別與分析，通過各種傳感器、GPS、攝像頭、M2M終端等得以實現(xiàn)。近年來，特別是由于傳感器的新工藝、新應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，檢測技術(shù)、控制技術(shù)得到了發(fā)展，信息采集能力、測量精度和可靠性得到了根本地提升。與此同時，傳感器在進(jìn)一步微型化、網(wǎng)絡(luò)化，幾種趨勢合在一起，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的進(jìn)一步成熟。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中第二層，其主要作用是信息處理，主要功能是傳遞，即通過網(wǎng)絡(luò)對各類處理后的信息進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)層作為應(yīng)用層和感知層的紐帶和聯(lián)系，相當(dāng)于神經(jīng)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)層可以通過各類電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、專用網(wǎng)等實現(xiàn)高速、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地傳輸感知層的信息。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最上層，直接面對用戶提供服務(wù)，其主要功能為“處理”，即通過云計算平臺、物聯(lián)網(wǎng)中間件、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等進(jìn)行信息處理。由于應(yīng)用層與其對應(yīng)的用戶實行的是物理連接，使得它可以基于應(yīng)用層面實現(xiàn)多地、多系統(tǒng)、多語言的交流和信息處理與應(yīng)用。

2 臧格莊水文站水文纜道遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

2.1 臧格莊水文站概況

臧格莊水文站設(shè)站于1960年，位于棲霞市臧家莊鎮(zhèn)臧家莊村，控制內(nèi)夾河流域面積458 km2，屬三類精度水文站，是中央報訊站。大沽夾河位于山東半島煙臺市的中北部，主要由內(nèi)夾河和外夾河兩大支流匯合而成，其中內(nèi)夾河流域面積1 224 km2，干流長75 km，內(nèi)夾河發(fā)源于棲霞小靈山，自西向東流經(jīng)棲霞市（棲霞段稱清洋河）和福山區(qū)，在福山城區(qū)東和外夾河匯流。

臧格莊水文站位于內(nèi)夾河中游，水文站斷面以上流域內(nèi)70%為丘陵區(qū)，一般高程在50～200 m之間，無較大山峰，最高約在400 m左右。平原分布在下游，本站附近及其沿河兩側(cè)約占整個面積的30%，土壤以沙壤土和黃黏土為主，植被覆蓋較好，水土流失不嚴(yán)重。內(nèi)夾河屬山溪性河流，洪水主要由暴雨形成，洪峰漲落急劇。

2.2 纜道遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

為提升基層測站自動測報能力建設(shè)，煙臺市水文局建設(shè)基于5G物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的自動纜道測流系統(tǒng)升級改造工程。該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程自動施測流量，云臺、探照燈自動跟隨鉛魚運(yùn)動，多角度監(jiān)控、語音自動識別、報文實時傳輸、水尺自動識別、站內(nèi)對講系統(tǒng)等系統(tǒng)功能。能夠遠(yuǎn)程自動布設(shè)垂線進(jìn)行自動測流，并實時輸出成果文件。利用云臺自動跟蹤技術(shù)實現(xiàn)探照燈自動跟蹤鉛魚的運(yùn)動軌跡控制水平和垂直轉(zhuǎn)動角度。利用視頻監(jiān)控和圖像分析技術(shù)，實時觀察觀測場、基本和比降斷面情況、鉛魚位置、上游漂浮物，可實時分析水尺數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)與視頻同步顯示；系統(tǒng)還設(shè)有雨水情可視化監(jiān)測模塊，可以實時監(jiān)控本站或上游雨水情信息數(shù)據(jù)，做到隨時本地化了解流域內(nèi)所有的相關(guān)雨水情信息，并留有氣象接口，如風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫等，界面采用前衛(wèi)的可視化技術(shù)，美觀實用。報汛系統(tǒng)采用一鍵式發(fā)報功能模塊，可以實現(xiàn)水情數(shù)據(jù)無時差隨測隨發(fā)，并采用網(wǎng)絡(luò)化報文編制模塊，方便測流人員編制相關(guān)報文。

2.3 硬件技術(shù)實現(xiàn)

1）基于運(yùn)動控制。依托于高精度編碼器，監(jiān)測鉛魚的運(yùn)動軌跡，自動控制攝像頭及探照燈云臺的轉(zhuǎn)動角度。

2）基于雷達(dá)定位技術(shù)。依托于雷達(dá)定位技術(shù)，自動跟蹤鉛魚的運(yùn)動軌跡，自動控制攝像頭及探照燈云臺的轉(zhuǎn)動角度。

3）基于高精度GPS定位。依托于高精度GPS定位技術(shù)，建立河道地理圖形，實時監(jiān)測鉛魚的坐標(biāo)信息，自動控制攝像頭及探照燈的轉(zhuǎn)動角度。

4）視頻監(jiān)控與對講系統(tǒng)。可監(jiān)控斷面上游及下游，以及纜道運(yùn)動情況；操控人員與外協(xié)人員對講系統(tǒng)可實時進(jìn)行語音通話。自追蹤式視頻監(jiān)控可實時追蹤鉛魚位置或手動追蹤鉛魚位置，穿戴式語音對講系統(tǒng)，解放操控人員雙手，操作便捷，以上各系統(tǒng)均采用獨(dú)立電源，發(fā)生故障可切斷任一功能單元。

2.4 亮點(diǎn)功能

1）5G遠(yuǎn)程操控。可通過移動通信設(shè)備利用5G網(wǎng)絡(luò)對纜道控制臺進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，通過實時監(jiān)控畫面查看測流時各設(shè)備狀態(tài)，真正使測流工作做到隨時隨地、快速及時。

2）語音識別?？赏ㄟ^語音方式對控制臺各功能進(jìn)行自動控制。

3）報文實時傳送。測流數(shù)據(jù)可實時傳送至水情中心，并自動校驗報文格式。

4）鉛魚實時監(jiān)控。鉛魚上方安裝有監(jiān)控攝像頭，可實時監(jiān)控測流過程中鉛魚的位置及狀態(tài)或河道情況。

5）軟件輔助系統(tǒng)。通過柱形圖、曲線、數(shù)據(jù)直觀顯示本站水位、雨量信息，幫助測站人員了解實時雨水情信息；實時展示近7 d雨量、溫度等氣象信息，實時同步中國氣象網(wǎng)雨情預(yù)報信息；實時顯示臺風(fēng)預(yù)測軌跡，依托于中國氣象網(wǎng)權(quán)威發(fā)布信息；流域內(nèi)雨水情信息。實時展示流域內(nèi)各站點(diǎn)雨情及水情最新及歷史信息，方便測站人員掌握降水及洪水動態(tài)可視化展示。

3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水文監(jiān)測的前景展望

隨著全球互聯(lián)互通日益深化，數(shù)字化、信息化、智能化將成為各行業(yè)具有核心競爭力的重要因素。借助由智能設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、算法、規(guī)則生成的物聯(lián)網(wǎng)，通過數(shù)字化的大數(shù)據(jù)產(chǎn)生不僅可以降低研發(fā)、運(yùn)行、維護(hù)、升級的各種成本，也能提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，縮短響應(yīng)時間，促進(jìn)科技進(jìn)步。

面向未來，應(yīng)通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云服務(wù)與水文監(jiān)測緊密結(jié)合，以數(shù)字中國、數(shù)字水利、數(shù)字水文基礎(chǔ)性設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)資源體系整合、網(wǎng)絡(luò)安全保障為支撐，以實現(xiàn)數(shù)字社會為目標(biāo)，科學(xué)謀劃、超前布局，全面建成數(shù)字水文監(jiān)測應(yīng)用示范，全面提升水利綜合服務(wù)和管理水平，全面貫徹水利業(yè)務(wù)管理和發(fā)展理念。圍繞水資源保障、應(yīng)急水文監(jiān)測、水生態(tài)保護(hù)、水災(zāi)害防御等業(yè)務(wù)核心，利用衛(wèi)星遙感、人工智能、機(jī)器人、無人機(jī)、圖像識別等技術(shù)，建設(shè)空天地網(wǎng)一體化的水文智能感知體系，實現(xiàn)感知全域覆蓋、要素提升和智能分析，為全面提升水利治理能力提供基礎(chǔ)支撐。