人民勝利渠灌區(qū)智慧管理平臺的物聯網架構

李子陽，馬福恒，李涵曼，王 凱

(1. 南京水利科學研究院，南京 210029； 2. 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029；3. 武漢大學水利水電學院，武漢 430072)

人民勝利渠灌區(qū)位于河南省北部，設計灌溉面積9.92 萬hm2，主要承擔焦作、新鄉(xiāng)、安陽三市9個縣(市、區(qū))的農田灌溉、抗旱補源、城市供水等任務。灌區(qū)是解放初期在黃河中下游興建的第一個大型引黃灌溉工程，自1952年開灌以來，經過60多年的建設管理，已逐步形成“自流灌溉為主、井渠結合為輔”的灌溉網絡和干、支、斗齊全的排水體系，在豫北地區(qū)國民經濟和社會發(fā)展中具有舉足輕重的地位。

人民勝利渠為大型灌區(qū)，工程體系龐雜且分散，由灌溉、排水、機井、沉沙4套系統(tǒng)組成，其中灌溉系統(tǒng)又由總干、干、支、斗、農五級渠道組成，(總)干渠全長135.2 km，各類建筑物4 767 座。其灌溉覆蓋面廣，且所處豫北地區(qū)水資源量有限。因此，無論是全面監(jiān)控灌區(qū)的安全運行，還是綜合協(xié)調水資源的高效利用，信息化建設與管理都是灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的關鍵問題。目前已有先進的計算機技術逐步應用到灌區(qū)信息化建設中，管理軟件的大量開發(fā)，促進了灌區(qū)的現代化管理[1-3]。但由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，信息化建設不夠系統(tǒng)全面，不僅效率低，而且人為制造了信息孤島、數據碎片等問題，資源無法有效共享；此外，系統(tǒng)開發(fā)多關注操作性、服務性等應用，對海量數據的管理、深層挖掘等分析較少，制約了灌區(qū)信息化的資源利用及高質量管理[4]。為此，凾待利用物聯網、云計算、大數據等現代信息技術，全面感知灌區(qū)多源信息[5,6]，通過數據共享與深度融合，科學優(yōu)化資源配置；通過智能監(jiān)控與系統(tǒng)診斷，切實提升水資源高效利用與灌區(qū)安全管理能力；搭建灌區(qū)智慧管理平臺，實現智能決策，為充分發(fā)揮人民勝利渠作為水利基礎設施的整體效能、保證工程安全運行及提高灌區(qū)管理水平提供科技支撐。

1 灌區(qū)智慧管理內涵

人民勝利渠安全運行與管理所需的支撐信息繁雜且涉及面廣，包含工程質量、運行調度、安全管理以及水雨情、水質、土壤墑情等，涵蓋各層次業(yè)主與管理部門，以及水文氣象等相關單位，信息采集的時空間隔、數據類型、數據精度、交換格式與表達方式具有多樣化特征，信息共享困難。另外，現有信息化服務系統(tǒng)目標單一，如水文氣象觀測系統(tǒng)、流速測量裝置、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等均獨立存在，各種信息基礎設施與共享機制不配套，且網絡基礎設施薄弱，難以構成有效的資源共享環(huán)境，資源開發(fā)利用層次較低，不能形成全局性的高效、高水平的信息處理與應用。要解決上述問題，實現灌區(qū)的智慧管理，不能僅停留在灌區(qū)系統(tǒng)簡單的數值化和信息化層面，而是要站在整體角度，高度融合先進的信息與管理技術，強化物聯網建設，深化大數據挖掘，實現灌區(qū)全要素數字化感知、網格化傳輸、大數據處理和智能化應用[7]，從而構建灌區(qū)信息展示全面化、故障診斷自動化、決策管理智能化的新型管理平臺。由此，人民勝利渠大型灌區(qū)智慧管理的重要特征包括全面感知、廣泛互聯、深度融合、智能應用等。

(1)全面感知。全面感知是智慧管理的前提和基礎，通過全方位、全對象、全指標的監(jiān)測，為灌區(qū)管理提供多種類、精細化的數據支撐。監(jiān)測信息涉及土壤墑情、地下水、地表水、渠道流量、水質、水工結構(閘門、泵站、渠道等)運行情況以及氣象預測預報信息等。全面感知需結合傳統(tǒng)監(jiān)測手段，以及物聯網、無人機、視頻監(jiān)控、智能終端等新技術應用，既需采集灌區(qū)運行的主要特征指標，也需采集相關的氣象、環(huán)境等數據。為此，需建設數據“大感知”網絡，利用信號無線傳輸等技術提升灌區(qū)系統(tǒng)安全監(jiān)測能力，利用墑情監(jiān)測、流速監(jiān)測、水位監(jiān)測等自動化測點，實時感知基礎環(huán)境運行信息并及時預警；利用互聯網技術提升隱患缺陷感知能力，以智能巡檢彌補儀器監(jiān)測的不足；借助區(qū)域水文自動測報系統(tǒng)提升水旱情氣象感知能力，掌握區(qū)域降雨及墑情發(fā)展信息等。

(2)廣泛互聯。廣泛互聯下的信息共享是實現智慧管理的關鍵，通過不同專業(yè)、不同種類數據的全面參與和交換，實現對感知數據的共用、復用和再生。技術上需充分利用光纖、電纜等傳統(tǒng)有線通信，以及移動互聯網、物聯網、WiFi等現代無線通信，實現感知對象和各級監(jiān)控平臺之間的互聯互通，全面構建“四網”(局域網、廣域網、衛(wèi)星網、移動網)數據傳輸通道，支撐海量數據、圖像、視頻等信息傳輸。與此同時，還需保證智能巡檢、無人機等現場移動設備感知數據的實時上傳、信息反饋等。鑒于大型灌區(qū)信息系統(tǒng)的復雜性，為實現各級管理平臺之間的互聯互通，需集成感知工程基礎數據(地質、設計、建設等)、運行數據、監(jiān)測檢測數據、巡檢數據等多源信息，結合物聯網和云計算技術，開發(fā)包括灌區(qū)基礎環(huán)境信息、結構信息、各類監(jiān)控信息、調度信息等多源信息的全景展示平臺，以及信息的快速存儲、提取、多方案查詢技術；實現主要性態(tài)監(jiān)測資料(水位、流量、墑情等)的可視化展示，多維度呈現渠系結構運行性態(tài)以及多終端遠程實時監(jiān)控。

(3)深度融合。深度融合是智慧管理的基本要求，包括基于云計算的數據和業(yè)務整合，使分散的監(jiān)測設施、監(jiān)控數據和應用形成合力。目前信息融合研究多限于結構化數據，對多源異構信息的深度融合以及智能可視化分析方法等考慮不足，需利用機器學習、大數據分析等技術，綜合灌區(qū)系統(tǒng)時空多源監(jiān)控數據及特征分析結果，以及多源異構信息融合準則，基于模糊表征對不同來源和不同變量信息進行有效整合；構建灌區(qū)環(huán)境變量與監(jiān)測效應量信息融合的感知模型，以多源異構信息高效融合技術，實現灌區(qū)多尺度、多維度、異構信息特征層的深度融合。在可視化分析層面，通過建立集成灌區(qū)系統(tǒng)的三維模型，對多源異構信息集成與智能可視化分析。

(4)智能應用。智能應用是智慧管理的落腳點。將智能系統(tǒng)的建設成果形成服務能力和產品，關鍵是基于對云網絡、大數據、人工智能等的運用，針對各級調控、管理對象和服務對象的需求和指令進行識別和快速響應，實現人性化、便捷化、個性化，推動監(jiān)管更高效、調度更科學、處置更快捷、服務更友好。針對灌區(qū)系統(tǒng)運行維護與管理業(yè)務需求．綜合集成與共享海量信息，研發(fā)在統(tǒng)一數據、統(tǒng)一應用服務支持下的面向灌區(qū)各業(yè)務單位的應用系統(tǒng)集成機制；運用Web服務和云平臺，解決軟件系統(tǒng)跨平臺的問題，實現自動化監(jiān)測系統(tǒng)的遷移，以及與運行診斷模塊的無縫集成；針對智慧管理系統(tǒng)包括的數據采集層、數據交換層、數據存儲層、支撐服務層等多層架構，充分利用大數據匯集與存儲技術、大數據服務接口及集成技術、大數據挖掘與應用技術以及大數據可視化與發(fā)布技術，解決業(yè)務系統(tǒng)之間的協(xié)同與信息共享，實現一體化管理等。不同管理層次的智能應用與服務在與用戶互動方面的要求基本一致，但也各有特點，面向公眾服務的應用要求便捷易用，面向管理部門服務的應用重點是決策支持。

2 平臺建設的關鍵技術

大數據、物聯網、云計算與人工智能等技術[8-10]的提出和快速發(fā)展，為研究開發(fā)人民勝利渠灌區(qū)智慧管理平臺提供了全新的思路。充分利用這些先進的信息處理技術，結合灌區(qū)智慧管理的內涵，提出基于NB-IoT的信號無線傳感器節(jié)點技術、基于物聯網的云檢測與計算技術、基于深度學習的系統(tǒng)診斷技術等關鍵技術手段，重點突破人民勝利渠智慧管理平臺搭建中的信息高效傳輸、共享、深層挖掘與系統(tǒng)診斷等技術壁壘。

2.1 基于NB-IoT的信號無線傳感器節(jié)點技術

人民勝利渠灌區(qū)系統(tǒng)各類監(jiān)測設備分散，常規(guī)的有線網絡進行信號傳輸難以實現，利用物聯網的無線傳輸技術可以很好地解決分散信息的傳輸和收集問題。目前物聯網的數據傳輸方式主要基于無線傳感網絡技術，采集設備相關信息后，由無線傳感器節(jié)點傳輸數據、在云平臺中處理以及存儲數據，進而完成設備監(jiān)測管理的任務。因此，無線傳感技術是物聯網實施的關鍵，綜合利用WiFi技術及窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)技術，解決不同類型信息的無線傳輸。

WiFi技術遵從IEEE802.11標準，可直接應用到物聯網，但網絡覆蓋范圍有限使得其只能用于集中監(jiān)測設備的信息收集與傳輸，如閘門監(jiān)控系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)等。窄帶物聯網[11]是物聯網領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM、UMTS或LTE網絡，擴大了遠距離覆蓋范圍，具有低功耗、連接穩(wěn)定、成本低、架構優(yōu)化出色等特點，非常適合于人民勝利渠大型灌區(qū)不同監(jiān)測系統(tǒng)間大量分散監(jiān)控信息的采集傳輸和物聯網構建。基于NB-IoT的信號無線傳感器節(jié)點技術示意如圖1所示。無線傳感器節(jié)點作為系統(tǒng)中的中轉部件，其作用是通過直接收集(或控制器中轉)監(jiān)測儀器的采集信號，或解析、轉換來自各子系統(tǒng)的各種格式的數據包后，利用無線傳輸發(fā)送。采用NB-IoT作為無線傳感節(jié)點的主控制模塊，只要加上外圍的必要電路，就能正常工作。

圖1 基于NB-IoT的無線傳感器節(jié)點技術Fig.1 Wireless sensor node technology based on NB-IoT

2.2 基于物聯網的云檢測與云計算技術

在云計算模式下，用戶不需要購買復雜的軟硬件，智慧管理系統(tǒng)直接放置于阿里云、機智云等云平臺，這些免費的云端不僅能實現遠程訪問與開發(fā)，還能保存節(jié)點歷史數據，為數據的查詢與參考提供重要支撐。云平臺避免了大量的重復性工作，提高了灌區(qū)信息管理系統(tǒng)的整體效率；具有可擴展性，能夠隨著灌區(qū)水利業(yè)務規(guī)模擴大；根據用戶需求，不斷擴展其平臺功能、數據信息等，具有可持續(xù)性；引入了云計算技術，加強了水利計算與前沿計算機技術的結合，創(chuàng)造出了灌區(qū)信息管理系統(tǒng)的新方式。

基于MVC+EF+BootStrap開發(fā)框架在云端建立Web服務器，與瀏覽器進行交互，能夠及時對人民勝利渠灌區(qū)GIS、綜合數據進行實時上傳、發(fā)布、檢測及診斷等。MVC框架是一種業(yè)務邏輯、數據與界面顯示分離的框架，將應用分解為模型(Model)、視圖(View)、控制器(Controller)。EF提供變更跟蹤、唯一性約束、惰性加載、查詢事務等，通過Linq操作數據庫，方便快捷。BootStrap是前端開發(fā)資源包，包含了豐富的Web組件，具有簡潔、易用、直觀的特點。此外，開發(fā)移動端Android APP，能夠及時對灌區(qū)進行檢測與診斷，實時上傳巡檢信息。

2.3 基于深度學習的系統(tǒng)診斷技術

近年來，深度學習(Deep Learning)已經成為了人工智能的最主要的一個方向，被廣泛應用于圖像識別、語音識別等各個領域[10]。采用深度學習算法，可得到各類運行監(jiān)控數據特征的簡明表達，降低分類任務的復雜性，提高分類精度。主要分析方法為采用卷積神經網絡(Convolutional Neural Network, CNNs)、自編碼器(Auto-Encoder)和受限波滋曼機(Restricted Boltzmann Machines, RBM)等構造深度神經網絡(Deep Neural Networks, DNN)，擴展神經網絡的深度，從而從輸入數據中提取性能更好的特征數據。首先根據經驗知識，通過仿真模型和實際數據兩面的訓練數據，以各類監(jiān)控信號作為輸入，以診斷類別作為輸出，通過CNNs、RBM和稀疏Auto-Encoder提取特征信號，再通過BP神經網絡對特征進行分類，最后得到DNN的參數(權值與偏差等)，構建DNN。在此基礎上，編寫相應的算法模塊，應用于系統(tǒng)診斷和智慧決策支撐。

3 灌區(qū)智慧管理平臺架構

為有效管理灌區(qū)各級水利系統(tǒng)，實時掌控灌區(qū)系統(tǒng)工程安全運行及水資源需求分配情況，人民勝利渠灌區(qū)信息化建設根據需要收集信息的種類，在分別建立水雨情墑情遙測系統(tǒng)、水質在線測量系統(tǒng)系統(tǒng)、閘門遠程監(jiān)測系統(tǒng)、非接觸式在線測流系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等信息采集系統(tǒng)的基礎上，利用上節(jié)的關鍵技術支撐開發(fā)智慧管理平臺，其信息流程拓撲結構如圖2所示。信息源的分布包括灌區(qū)測點(地下水監(jiān)測9處、土壤墑情監(jiān)測3處、地表水監(jiān)測2處，表面流速監(jiān)測1處，水質五參數監(jiān)測1處)以及灌區(qū)調度中心、分中心、管理處等業(yè)務相關單位。其中無線傳感節(jié)點通過模擬量采集或串口通訊方法，采集監(jiān)測量電子信號后，利用WiFi或NB-IoT技術的無線傳感器將數據上傳到云平臺；各水位、流速采集設備及土壤墑情傳感器等借助有線或無線網絡上傳至云平臺，巡檢信息依靠巡檢軟件客戶端采用移動終端無線網絡上傳；實現灌區(qū)信息的全面感知。

圖2 人民勝利渠智慧管理平臺拓撲信息結構圖Fig.2 Topological structure chart of people's Victory Canal intelligence management platform

云平臺包括數據集成服務器與Web服務器。數據集成服務器包括數據存取與數據分析，數據庫采用MSSQL數據庫。Web服務器采用基于MVC+EF+BootStrap的框架，與瀏覽器進行交互，此外還開發(fā)Android APP。平臺整體框架如圖3所示。

圖3 人民勝利渠信息管理云平臺架構Fig.3 Cloud platform architecture diagram of People's Victory Canal information management

信息感知傳輸層：基于物聯網、WiFi、光纖等通訊手段接受來自各傳感器節(jié)點的信號數據。基礎信息來源包括作物土壤墑情監(jiān)測子系統(tǒng)、地下水、地表水、流量監(jiān)測子系統(tǒng)、水質監(jiān)測子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、閘門監(jiān)測子系統(tǒng)、防汛會商子系統(tǒng)及辦公自動化等應用系統(tǒng)界面等。

信息互聯處理層：建立統(tǒng)一的數據庫存儲不同子系統(tǒng)信息，包括基礎特征信息、計算分析信息和用戶信息等。

信息融合再現層：利用Python強大的類庫包括科學計算包Numpy和SciPy編寫深度學習算法模塊，將深層挖掘的特征信息通過Web服務器端再現。Web服務器端采用基于MVC+EF+BootStrap框架的設計模式，包括URL映射器和MVC的模塊實現的表現層。

信息泛在服務層：瀏覽器采用AJAX引擎，可以在不重新加載頁面的情況下對系統(tǒng)診斷的結果進行更新顯示，并實現跨部門數據共享與交流。移動客戶端APP采用Http協(xié)議與Web服務器通訊，利用HttpURLConnection發(fā)送請求對返回的JSON格式數據解析，直接獲取相關數據信息并顯示。

利用上述物聯網等技術開發(fā)建設的人民勝利渠智慧管理平臺，成功實現了各類數據穩(wěn)定、可靠的無線傳輸與共享。平臺用戶可借助PC、手機或平板電腦等通過Web或APP方式登陸。平臺通過豐富的報表、圖形和多維分析方法對實時多源監(jiān)測數據和歷史數據進行共享展示和分析，準確判斷灌區(qū)水資源情況并做出科學決策。借助智慧管理平臺實現了灌區(qū)現代化管理人工與自動化的結合，節(jié)省了人力成本，提高了灌區(qū)工作效率和智能一體化的管理水平。

4 結 語

大型灌區(qū)智慧管理是新一代科技發(fā)展理念下的灌區(qū)信息管理形態(tài)，本文結合人民勝利渠大型灌區(qū)信息化建設的需求，引入物聯網、云計算、大數據等現代信息技術手段，嘗試進行了人民勝利渠灌區(qū)智慧管理平臺搭建的技術探討。

(1)面向灌區(qū)信息化建設的內在需求，剖析了灌區(qū)智慧管理的內涵和重要特征，包括全面感知、廣泛互聯、深度融合、智能應用等，指出智慧管理需全面感知渠系結構多源信息，通過廣泛互聯實現信息共享；通過信息深度融合，科學優(yōu)化資源配置；通過智能監(jiān)控、智能診斷，提升灌區(qū)安全管理能力和應對突發(fā)事件的風險識別響應能力。

(2)提出了基于NB-IoT的信號無線傳感器節(jié)點技術、基于物聯網的云檢測與計算技術、基于深度學習的系統(tǒng)診斷技術等關鍵技術手段，重點解決人民勝利渠智慧管理平臺搭建中的信息高效傳輸、共享、深層挖掘與系統(tǒng)診斷等技術問題。

(3)結合物聯網技術搭建了人民勝利渠多源信息傳輸的拓撲結構以及灌渠系統(tǒng)智慧管理平臺框架，包含信息感知傳輸層、信息互聯處理層、信息融合再現層、信息泛在服務層等，為充分發(fā)揮渠系結構作為水利基礎設施整體效能、保障其安全運行與進一步提升管理水平提供了科技支撐。應用表明，智慧平臺實現了灌區(qū)現代化管理人工與自動化的結合，提高了灌區(qū)智能一體化的管理水平。