自動化技術在水文監(jiān)測的應用分析

龍依

（湖南省湘潭水文水資源勘測中心，湖南 湘潭 411100）

0 引言

水文監(jiān)測與人民的實際生活有著緊密的聯(lián)系，水文監(jiān)測技術體系有較多的技術短板?，F(xiàn)階段經(jīng)濟快速發(fā)展，國家對生態(tài)環(huán)境更加重視。不僅是裝備本身質量升級，而是系統(tǒng)提升水文監(jiān)測體系，引入自動化技術，解決軟硬件缺陷，提高數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)某晒β?，使水文監(jiān)測滿足高水平的質量要求，構建水文信息的自動化監(jiān)測報一體式架構。

1 水文監(jiān)測的現(xiàn)狀

1.1 裝備技術逐漸過時

社會的發(fā)展提高了水文測報能力的需求，監(jiān)測服務項目和內(nèi)容日益增多，對水文信息也進一步提出了實時、多元和精準的要求；但是在進行水文監(jiān)測實際工作中，一般監(jiān)測站采用單一獨立設備進行測量，設備自動程度低，對外接口少，雖然得到的數(shù)值相對正確，但數(shù)據(jù)需要導出、轉換后進行傳遞，一旦出現(xiàn)了復雜多變的惡劣環(huán)境情況，就會出現(xiàn)相當多的問題[1]。

例如，在水文監(jiān)測工作中必須監(jiān)測多個高水位站點，并同時把相關數(shù)據(jù)信息傳送給數(shù)據(jù)處理中心。因為水文監(jiān)測站數(shù)量種類相對比較多，相應的測點位置較為散亂，因而開展外勤的路線復雜，導致水文工作的一線監(jiān)測人員的體力勞動量占工作總量比例較高。在洪災來臨時，交通狀況差，人工監(jiān)測方法的施行難度加大，伴隨降雨、狂風時，人工取數(shù)讀數(shù)難，這很大程度是造成水文監(jiān)測一手信息實現(xiàn)完整價值轉換困難的直接原因。

轉換分析過程難。數(shù)據(jù)采集后需要用專用數(shù)據(jù)線纜以硬件連接方式下載數(shù)據(jù)，由于設備比較落后，電路板、通信接口及線纜逐漸老化，連接器插芯縮芯、接觸電阻增大、屏蔽層失效等故障發(fā)生概率增大，導致接口不易識別、下載突然中斷等問題。

可維護性差。老款監(jiān)測裝備專用型號可能因內(nèi)部電子元器件停產(chǎn)、生產(chǎn)線升級等客觀影響，導致配件難以購買，造成設備維修、保養(yǎng)費用高昂，有些進口供應商甚至可能直接停產(chǎn)。

過時裝備在目前水文測報結構體系中運用過程的主要特征是：信息采集源為單點設備，信息跨平臺傳遞靠人工，傳輸介質速度慢。

1.2 超標準測報能力弱

秦年秀等[2]指出湖南省37 個縣市有35%左右縣市極易遭到洪水威脅，主要是靠近湖泊、地勢低洼，匯水面積大且地勢低洼，屬于中、高風險，需要重點防范。通常超標洪水測報工具和方法一般有ADCP、水位計、浮標法、手持電波流速儀等，洪水過后進行洪調，追查洪痕點，測量洪痕高程、時長等。

現(xiàn)有超標準洪水監(jiān)測和報告的流程體系中，存在以下執(zhí)行的難點：人、設備、操作技術等多種因素需相互協(xié)調，風險點多，管控難度較大；洪災發(fā)生時往往伴隨多雨、多云霧等問題，目視觀測精度較低，尤其在夜晚，必須使用探照燈輔助照明，導致夜視角度偏小，觀測距離變短；洪災可能導致環(huán)境參照物減少，需依賴水文人員的地理經(jīng)驗判斷基準點；在中小河流站測點周圍通信信號受影響，難以及時與后方技術專家有效溝通和提供解讀支援；信息的存儲和傳遞過程主要靠人工，再傳遞的數(shù)據(jù)存在信息滯后和失真的風險。

盡管監(jiān)測站設備不斷健全，但是對超標洪水的監(jiān)測工作仍然面臨著比較多的條件限制和技術難點，在監(jiān)測洪災的時候，一般還是選擇用普通的形式進行監(jiān)測，故監(jiān)測質量的保障難度極高。在洪水可能面臨的巨大經(jīng)濟損失面前，盡快系統(tǒng)性提高超標準測報能力勢在必行。

1.3 監(jiān)測體系依賴檢查

目前測報體系中存在水文取樣、讀數(shù)等人為要素較多，人的作業(yè)質量直接影響水文測報體系成果。由于從業(yè)人員的專業(yè)知識儲備、從業(yè)年限、設備操作熟練度等不同，每個人積累理論和實踐經(jīng)驗不一，形成了工作質量不同的客觀事實。

現(xiàn)有體系中，設備作業(yè)人員需要培訓合格后上崗，而即便是有經(jīng)驗者，也偶然會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)格式錯誤等意外問題，這就說明設備操作難度還較大，導致數(shù)據(jù)存在不可靠的風險，在實際開展水文監(jiān)測工作中，若因人員失誤，影響數(shù)據(jù)分析、決策判斷的準確性，影響資料真實性和可信度。為此水文監(jiān)測作業(yè)體系中必備各種檢查方法，如相互檢查、主管校核、領導審核等，施加事后檢查的辦法一定程度上可確保監(jiān)測結果質量可靠，導致現(xiàn)有體系對質量檢查的投入較大。

質量不是檢查出來的，因此要優(yōu)化水文監(jiān)測管理體系，降低數(shù)據(jù)失信的風險，必須從根本上提高第一手數(shù)據(jù)的采集質量。

1.4 水文測報現(xiàn)狀的思考

由于水文監(jiān)測工作不受資本青睞，水文監(jiān)測行業(yè)內(nèi)長期投入科研資金較少、難以吸引前沿科學技術人才留駐，內(nèi)生技術創(chuàng)新速度較為緩慢，導致在役裝備、技術手段未及時更新。

目前水文監(jiān)測體系中未系統(tǒng)、全面充分地運用新技術，要求水文監(jiān)測從業(yè)者具備過硬的綜合素質：掌握原理知識，操作老舊設備的耐心，應急處理的訣竅，對面極端天氣的勇氣。而即便如此，也難免會偶發(fā)設備失效、環(huán)境影響或人員誤讀誤傳等，出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏等問題。

2 構建自動化水文監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

水文監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設備、傳輸通道、管理軟件、數(shù)據(jù)庫和前端人機界面組成，實現(xiàn)自動采集—自動傳輸—自動儲存—自動分析—自動警報—智能預測的全過程自動化。電子水尺、壓力式水位計、浮子式水位計、超聲波水位計等重要水位傳感器均在自動化監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮出積極作用。各類傳感器設備可與RTU 設備直接連接，對水位參數(shù)進行自動監(jiān)測，確保地下水與地下水位監(jiān)測結果兩者保持一致。

GPRS 具有較低使用費用和較快傳輸速度的特點，在信息傳輸階段，其速度可達到每秒171.2kb/s。相比較于無線通信方式而言，選擇應用GPRS 無線通信方式可謂具有很強的靈活性。另外，高性價比、簡單的維護方式、較低的投資運行費用、簡單的拓展和靈活的組網(wǎng)等，都為系統(tǒng)搭建和自動化水文監(jiān)測提供便利。

2.2 軟硬件要求

數(shù)據(jù)采集設備是遙測雨量、水位、流量站的信息的采集端，配置各種傳感器，具備無線遙感、圖像識別、智能診斷報警等諸多能力，自動將數(shù)據(jù)壓縮，以可靠形式發(fā)送至管理軟件，通過接收、譯碼，原始數(shù)據(jù)按站類站號等分類自動儲存于數(shù)據(jù)庫中。設備需具有自檢、診斷能力，以便保養(yǎng)和及時故障維修。

首先從控制系統(tǒng)軟件方面做好體系的建設工作，為自動化技術的實現(xiàn)提供前提保證。水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件是對水文監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行接收、匯總、統(tǒng)計、分析的管理平臺，軟件具備動態(tài)實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警數(shù)據(jù)查詢、登錄日志及操作日志查詢、時段統(tǒng)計、曲線分析、用戶管理、測點管理、歷史數(shù)據(jù)導入等多項功能。水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用C/S 結構設計，具有操作權限的管理人員，只要安裝訪問客戶端即可登入該系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的安全性。軟件具有全局變量設置、數(shù)據(jù)庫管理、統(tǒng)計分析、用戶管理、測點管理等功能。

2.3 系統(tǒng)結構

通過財通水文測報機在現(xiàn)場監(jiān)控點位置完成水文信息采集，直接連接GPRSDTU 終端和RS485 接口，通過GPRSDTU 終端內(nèi)嵌處理器對水文測報機采集到的數(shù)據(jù)信息實施處理，并將其協(xié)議封裝以后傳輸?shù)紾PRS 無線網(wǎng)絡。

以公網(wǎng)的形式將服務器與Internet 連接，比如ADSL 撥號/電信專線寬帶上網(wǎng)等，按照流程與標準實現(xiàn)公網(wǎng)固定IP 地址申請，采集容量中等或者較少的數(shù)據(jù)。應用省移動通信公司提供的DDN 專線作為服務器，并完成固定IP 地址申請與配置，連接到GPRS 網(wǎng)絡。由于DDN 專線提供的帶寬較高，可增加環(huán)保信息采集點數(shù)量和規(guī)模，不同將中心進行擴容處理便可滿足使用需求，同時采集大容量數(shù)據(jù)信息。

監(jiān)控中心位置的RADIUS 服務器所接受的數(shù)據(jù)信息來自于GPRS 網(wǎng)路，并通過AAA 認證，之后再將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計算機主機內(nèi)，利用系統(tǒng)軟件還原顯示數(shù)據(jù)信息并作出數(shù)據(jù)信息的進一步處理，由此可強化數(shù)據(jù)信息安全性與傳輸穩(wěn)定性。

水文測報機經(jīng)過GPRS/GMS 網(wǎng)絡空中接口功能模塊完成數(shù)據(jù)信息采集，并解碼處理各項數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息進行轉化以獲得公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸所需要的格式。利用中國移動GPRS 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)信息傳輸，將最終的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心IP地址，如圖1 所示。

圖1 水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)拓撲

2.4 系統(tǒng)功能

利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，除了可實現(xiàn)日常水文監(jiān)測，還可定制功能，例如建立自動化預警、預報系統(tǒng)，搭建信息化測報平臺，輸出洪水發(fā)展預測分析報告等，如圖2 所示。

圖2 中心軟件整體框架

2.5 系統(tǒng)應用優(yōu)勢分析

相比較于SMS 短信息，系統(tǒng)選用面向連接的TCP 協(xié)議進行通信，在實際應用中可有效避免丟失數(shù)據(jù)包的問題，確保傳輸數(shù)據(jù)信息時的可靠性。中心可同時間與多個不同的監(jiān)測點完成數(shù)據(jù)傳輸，且相互之間不存在干擾的現(xiàn)象。GPRS 網(wǎng)絡本身的頻分服用機制比較完善，同時在應用中能表現(xiàn)出良好的抗干擾性能，從而以規(guī)避傳輸期間出現(xiàn)多機頻段相互碰撞的故障。

GPRS 具有全天候在線特征，傳輸數(shù)據(jù)信息時的時延很小，同時還支持多點同時傳輸數(shù)據(jù)信息，在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心位置可實現(xiàn)動態(tài)性、快速度的雙向通信，并符合實時性傳輸、實時性采集數(shù)據(jù)的多種要求。當前，GPRS 在數(shù)據(jù)信息傳輸時的速率保持在30kbit/s 左右，能夠達到規(guī)定的標準。

3 推動自動化監(jiān)測技術應用

3.1 加大政策支持

科技水平是第一生產(chǎn)力。落后的技術無法完全實現(xiàn)水文行業(yè)數(shù)十年累積數(shù)據(jù)的社會價值和經(jīng)濟價值，采用舊技術裝備的測報體系實現(xiàn)可靠傳遞信息的速度并不理想，而且老舊的技術需要高昂的檢修維護成本，同時又因為流程中人因多，管理成本高。水文監(jiān)測數(shù)據(jù)關乎民生幸福，應加快技術體系升級進程，構建基于自動化裝備的水文監(jiān)測體系。

水文監(jiān)測行業(yè)發(fā)展至今少不了政策的大力支持，必須充分考慮其自身條件的復雜性，施加更多的政策推動，近年來國家提出了城市綠心、海綿城市等概念，客觀上是對本行業(yè)有拉動作用的，有望吸引更多城市在規(guī)劃建設、水土治理和濕地保持等政策中加強水文監(jiān)測的支持力度，將水文監(jiān)測系統(tǒng)的科技創(chuàng)新水平推到更高的境界。

3.2 增加水文監(jiān)測收入

水文站點多、站網(wǎng)密，需要大量的新設備來支撐這套系統(tǒng)，增加對水文站設備建設的投入。宏觀環(huán)境上國家對保護水土環(huán)境給予經(jīng)濟支持，媒體對近年極端洪澇、大旱災的深情報道，推動水文監(jiān)測行業(yè)為人所知，逐漸有遠見的企業(yè)家、投資人關注水文。

逐漸開發(fā)水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、預報商業(yè)化的渠道，吸引社會資本進入，增加水文站收入來源，或由國家提高資金撥款，促進設備升級、服務功能升級。

3.3 老化升級

隨著科學技術的發(fā)展，市場化程度較高的行業(yè)大多進行了智能、無人作業(yè)的實踐升級，例如運用智能圖像識別和精確定位導航自動行駛技術搭建的智慧物流倉儲體系中，物流小車可自動高效、準確地轉運貨物，并將結果數(shù)字化、圖形化呈現(xiàn)在管理者的手機；例如運用超聲波傳感器測量地下水位，使用無線通信傳輸至云端，可實時向云端報告地下水位，并調用分析軟件預測水位趨勢，及時自動報警[3]。

由于一些水文站建設年份比較悠久，其設施、設備也較為陳舊落后，因此無法確保測洪防洪等工作的正常進行，數(shù)據(jù)質量和人員工作量也較大，維護老化成本較高，在全面綜合進行成本考量，制定升級計劃，新老更替，使老站煥發(fā)新活力。

同樣需要各渠道投資支持，對現(xiàn)存的水文站設備加以維修，推動所有水文站安全性能的進一步提升，為水文監(jiān)測工作的順利開展提出了有效保證。

4 水文監(jiān)測自動化應用的優(yōu)點

4.1 監(jiān)測能力強

自動監(jiān)測設備使用成熟的信息監(jiān)控技術，靈活配置多種傳感器，通過無線傳輸至云端，可實現(xiàn)24h 全天候值守，形成實時在線監(jiān)控能力，積累海量一手數(shù)據(jù)。信息經(jīng)傳感器采集后可由程序自動進行比對檢驗，由于數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，誤差較大等異常會立刻報警，可組織盡快修理。數(shù)據(jù)完全未經(jīng)人工采集讀取，由軟件自動發(fā)送至云端存儲，可在歷史經(jīng)驗學中得到廣泛運用?？梢约哟蟛杉秶?，由于網(wǎng)絡技術發(fā)展，衛(wèi)星覆蓋面下均可以實現(xiàn)信息通信。通過水文監(jiān)測自動化技術的使用，有效擴大了水文監(jiān)測的覆蓋范圍，并利用了GPRS 聯(lián)網(wǎng)，未來可升級5G，以滿足更高數(shù)據(jù)量傳輸需求。通過使用5G 通信，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏蚀_度，即使進行大型數(shù)據(jù)信號傳送時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏蚀_度也可以完全得到提高，對提高水文觀測信號傳輸速度也具有著積極的意義[1]。

鑒于很多情況下水文特征轉瞬即逝，譬如洪峰一旦錯過便無法再現(xiàn)，運用實時自動監(jiān)控并傳輸?shù)慕K端采集設備可以避免人因不及時遺漏監(jiān)測的風險，提高應對極端情況方案框架的完整性。

4.2 拓展性強

水文監(jiān)測自動化技術具有超強的信息處理功能。多線程處理多個監(jiān)測點的水文數(shù)據(jù)，水文監(jiān)測的效率也有著極大的提高，最少的時間內(nèi)掌握水文狀況。對邊遠地區(qū)、鄉(xiāng)村均可高效的實現(xiàn)水文信息的收集，拓展水文監(jiān)測的覆蓋范圍，并利用GPRS 無線傳輸將水文信號及時反饋，高效遠程管理。

通過與相當數(shù)量的水文站間建起相互網(wǎng)絡聯(lián)系，將可以達到統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息間的數(shù)據(jù)共享，從而減輕了不同水文站的工作壓力。將有助于水文地質方案的建立，并為其的精度和有效性提供了有力的保證，進一步的提升了水文監(jiān)測的準確性。

拓展使用人工智能技術，更有效地豐富了水文監(jiān)控的功能，可實現(xiàn)裝備故障診斷、水情預報預警、洪水發(fā)展過程預測等。

4.3 質量風險可控

自動化程序實時處理數(shù)據(jù)，通過機器學習不斷優(yōu)化程序計算邏輯，基于后臺數(shù)據(jù)庫支撐生成決策建議，提高結論可靠度，排除人為因素影響，降低人腦參與可以系統(tǒng)控制決策風險，具有及時、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點，大大提高了水文人員信息管理工作的有效性和管理工作實施的正確性。面對數(shù)量龐大的信號收集點，水文中心站在每一水文信號收集點的信號和數(shù)據(jù)保持高效和精確，仍然可以保證有效的信息傳輸速度，以發(fā)揮自動化技術的關鍵功能。

5 結語

水文監(jiān)測工作十分關鍵，其監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性將直接影響到整個國家和民眾的權益，確保水文監(jiān)測工作順利、正確的開展尤其重要。而目前，由于自動化技術已經(jīng)在諸多行業(yè)工作領域中獲得了較普遍的運用，所以通過對水文監(jiān)測行業(yè)中自動化技術的基本概念加以廣泛認識，并探討了通過有關途徑進行對該技術的系統(tǒng)化運用，推廣免維護無線傳感器、自控夜視遠程監(jiān)控采集、云端存儲、智能分析與診斷、智能多維圖像匯報等技術創(chuàng)新產(chǎn)品，將會使水文監(jiān)測發(fā)揮出重要的功能，對中國水利建設將具有重大的現(xiàn)實意義。