摘 要:水文監(jiān)測在洪澇災(zāi)害預(yù)防與治理中起著關(guān)鍵作用,針對傳統(tǒng)水文監(jiān)測方法無法實時測量、無法獲得全面數(shù)據(jù)、無法準(zhǔn)確分析結(jié)果等問題,提出應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),基于水位與流速傳感器建立一套物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng),探討傳感器智能接口開發(fā)、數(shù)據(jù)融合與智庫實現(xiàn)及傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)與智庫集成等關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件,并通過室內(nèi)試驗與室外試點證明了該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,達(dá)到了預(yù)期的功能和效果,為水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供了一種新方法。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);水文監(jiān)測;傳感器;實時測量;無線網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)傳輸
《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志是目前國內(nèi)第一本經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn),手續(xù)齊全的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)科技期刊。物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次革命,據(jù)美國獨立市場研究機構(gòu)Forreter預(yù)測,物聯(lián)網(wǎng)所帶來的產(chǎn)業(yè)價值要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍,將形成下一個上萬億元規(guī)模的高科技市場。
0 引 言
我國疆域廣闊,河流湖泊眾多,豐富的水資源極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展,但洪澇災(zāi)害也給人民群眾帶來了不小的財產(chǎn)損失和生命威脅。洪災(zāi)治理經(jīng)常采用預(yù)防為主的方式,洪災(zāi)預(yù)防首先要對河流進(jìn)行實時監(jiān)測,然后對采集到的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從而能夠準(zhǔn)確預(yù)報洪水情況。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測經(jīng)常采用人工方法,定期到水庫、河流等現(xiàn)場實施檢測,但人工方法存在很多弊端,諸如無法做到實時測量、獲得全面數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確分析結(jié)果等,甚至在一些偏遠(yuǎn)區(qū)域,人工監(jiān)測無法實施,致使該區(qū)域數(shù)據(jù)無法獲取。
基于上述問題,建設(shè)現(xiàn)代化水文監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。近年來,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的大力發(fā)展,推動了水文信息化建設(shè)出現(xiàn)長足進(jìn)步,克服了傳統(tǒng)人工觀測方式的不足。在基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測方面,已經(jīng)有眾多學(xué)者實施了研究,諸如,賈琳娜等以船只搭載傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的移動節(jié)點,提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水情測報系統(tǒng)[1];王慧斌等提出一種基于CPS體系架構(gòu)的水文自動測報物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[2],具備“實時感知-物信互聯(lián)-過程跟蹤-智能處理”的特征;吳春祥等依托4G無線網(wǎng)絡(luò)與岸端水文數(shù)據(jù)監(jiān)測中心構(gòu)建了一個智能化水文自動測報系統(tǒng)[3];李杰采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建丹東市水文監(jiān)測信息系統(tǒng)[4],可提高區(qū)域水文信息監(jiān)測效率;熊萬提出利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及W5500以太網(wǎng)模塊組成監(jiān)控系統(tǒng)[5],以實現(xiàn)水文信息的實時監(jiān)測;馬朝從硬件平臺構(gòu)建和軟件集成設(shè)計兩個方面,探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測信息系統(tǒng)架構(gòu)[6];晉美次旦等提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)[7],可提高水文監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平;張云等構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)[8],利用ZigBee技術(shù)在小范圍無線通信方面的優(yōu)點,結(jié)合水文預(yù)報的實際現(xiàn)場情況,采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建無線自動水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);張洋洋等基于ZigBee和GPRS實時監(jiān)測水文信息[9],極大地提升了水文監(jiān)測的智能化水平;Dai等基于水調(diào)度管理模塊,構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文信息監(jiān)測系統(tǒng)[10];江勇等提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)[11],該系統(tǒng)具有實時處理、可視化顯示、異常報警及處理等功能。
綜合以上文獻(xiàn)得出,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文信息監(jiān)測系統(tǒng)中得到了一定的應(yīng)用,集中于利用4G,ZigBee,GPRS等無線組網(wǎng)方式實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集,目前有些處于實驗室試驗階段,并未真正用于監(jiān)測現(xiàn)場。本文通過研究實施自動化水文監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)水位、流速水文信息的自動采集、傳輸和處理,建立水位、流速關(guān)聯(lián)決策系統(tǒng),并在廣西境內(nèi)建立試點,完善水文信息的存儲管理和交換,為水文數(shù)據(jù)的處理提供先進(jìn)的技術(shù)手段,為防汛抗旱、城市水務(wù)信息化、水資源管理等提供依據(jù),滿足水利各類業(yè)務(wù)和其他行業(yè)對水文水資源預(yù)測預(yù)報的需求。
1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)[12]是通過射頻識別(RFID)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等傳感設(shè)備,按照約定協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)與物品連接,實現(xiàn)信息交換和通信與智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可實現(xiàn)物到物(T2T)、人到物(H2T)和人到人(H2H)的互聯(lián),通過傳感技術(shù)將人與人之間的互聯(lián)擴(kuò)大到了物的范圍[13]。物聯(lián)網(wǎng)的核心是物物相連,可實現(xiàn)所有事物之間的信息交換和通信,如圖1所示。
體系架構(gòu)用于指導(dǎo)具體的系統(tǒng)設(shè)計,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛,急需建立一個共性框架支撐物聯(lián)網(wǎng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用,同時,隨著應(yīng)用需求的不斷發(fā)展,新技術(shù)不斷引入物聯(lián)網(wǎng)體系中。通常,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,如圖2所示。
1.1 感知層
物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)萬物互聯(lián),感知層是基礎(chǔ),其主要基于傳感器采集物體信息。感知層的關(guān)鍵技術(shù)包括RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。感知層需要解決功耗、成本等問題,并大力促使其向高靈敏度、全面的感知能力方向發(fā)展。
1.2 網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層主要完成感知信息的傳送,是物聯(lián)網(wǎng)信息的承載網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)等,接入網(wǎng)使物聯(lián)網(wǎng)終端實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入功能,接入網(wǎng)分為無線接入和有線接入等。核心網(wǎng)支持終端移動性和異構(gòu)接入。物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備結(jié)構(gòu)不同,因此,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該是泛在的,而且物體是移動的,因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層需要支持移動性,實現(xiàn)無縫透明接入。
1.3 應(yīng)用層
應(yīng)用層實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、應(yīng)用決策等,最終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用。該層涉及大量數(shù)據(jù)的智能處理、中間件、分布式計算、信息發(fā)現(xiàn)等技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用均有各自不同的系統(tǒng),沒有統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與物聯(lián)網(wǎng)接入、融合的管理平臺,因此,應(yīng)用層需要一個通用框架,以滿足物聯(lián)網(wǎng)各行業(yè)的個性化應(yīng)用。
物聯(lián)網(wǎng)的特征是物物相連,無需人工干預(yù),極大地提高了效率,同時也降低了人工導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。物聯(lián)網(wǎng)把傳統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡(luò)延伸到更為廣泛的物理世界。將“物”納入“網(wǎng)”中是信息化發(fā)展的一大趨勢。
2 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)
近年來,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃興起,在各個行業(yè)都有成熟的應(yīng)用典范。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,“水聯(lián)網(wǎng)”時代已經(jīng)到來,物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測是水聯(lián)網(wǎng)中的一部分。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù),通過關(guān)鍵技術(shù)的研究建成常規(guī)監(jiān)測與自動監(jiān)測、固定監(jiān)測與移動監(jiān)測相結(jié)合的現(xiàn)代化水文信息采集體系,研究開發(fā)一套集采集、傳輸、處理、存儲、顯示于一體的自動化水文監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用水位計、流速計對水位、流速信息進(jìn)行實時采集,通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸匯集,構(gòu)建水文信息平臺,服務(wù)于防汛抗旱、城市水務(wù)信息化以及水資源監(jiān)測等多項業(yè)務(wù)管理,從而能夠切實提高水利行業(yè)管理的綜合能力和管理水平,實現(xiàn)向精細(xì)管理、動態(tài)管理、定量管理和科學(xué)管理的轉(zhuǎn)變。
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