基于5G技術組網的水情自動測報系統應用探索

孫衛軍，洪 林

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

1 水情自動測報系統的現狀分析

我國水情自動測報系統隨著無線通信技術以及硬件水平的發展，取得了較為顯著的進步，但仍有很多不足，主要是由于以下幾方面原因所導致的。

（1）新產品研發投入不足。目前，從事水情系統研究的科研或產業單位受科研經費緊張、市場環境狹窄、用戶需求不足等條件影響，都不能夠及時開展更先進的技術研究或研制新的產品，從而阻礙了新技術的應用，使得行業發展相對滯后。

（2）硬件更新換代緩慢。硬件設備特別是微功耗的芯片設備更新迭代速度較快，但是作為水情系統遙測站的核心設備RTU（遠程終端單元）更新迭代較慢，此外作為遙測站無線通信的核心模塊DTU(Data Transfer unit)的發展相對滯后，從而影響了遙測站的硬件集成。

（3）傳感器精度偏低。國產水情采集的傳感器種類雖然較多，但與國外同類傳感器相比，無論是精度、穩定性方面都存在較大差距，部分傳感器仍無法實現國產化替代，一些對精度及穩定性要求較高的場景仍以采用國外傳感器居多。

（4）通信組網的方式滯后。水情系統常用的通信組網方式包括基于超短波（VHF，Very HighFrequency）、GSM、GPRS、衛星、光纖等信道組網。目前實際應用中基于3G/4G通信組網方式應用較少，基于5G的通信組網尚處于研究階段。

2 5G發展概述

從20世紀貝爾實驗室研制出第一代移動通信系統（先進移動電話系統，AMPS）到21世紀初的第四代移動通信系統(4G，4st Generation)，移動通信系統已經完成了從模擬通信到數字通信、從電路交換到IP交換的數次技術更新換代，每一次更新都帶來更快的速度、更低的延遲和特性，通信行業的發展帶動與之相關的產業的整體發展與進步。

第五代移動通信系統(5G，5st Generation)是面向2020年以后移動通信需求而發展的新一代移動通信系統。根據移動通信的發展規律，5G將具有超高的頻譜利用率和能效,在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高一個量級或更高,其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全和用戶體驗也將得到顯著的提高[1]。

（三）小學數學作業批改的方式及優化。關于小學生數學作業的批改，也是應該重視的。既然布置了作業，由學生完成，教師做好作業的批改工作責無旁貸，批改作業可以讓學生更好地了解自己對于數學知識的掌握情況，清楚知道哪里還有不足，哪里還需要進一步加強，有利于學生及時查漏補缺，不斷提高學習的水平。要實現作業批改的優化，可以采取多種方式進行，可以發揮學生的主體作用，讓學生互改作業，最后由教師完成總結性批復，從而使學生更好地理解所學的數學知識，進而掌握好數學基礎知識。

采用5G的水情系統因基于流量計費而降低了通信成本，基礎水情信息數據傳輸量相對較小，如果考慮搭載高清攝像頭的遙測站會占用較多帶寬，但基于5G的高傳輸帶寬特性完全能解決此問題。通常水情遙測站點部署在野外偏僻地區，有無5G信號便成了能否采用5G組網的關鍵，就5G建設進度來看，部署在城鎮附近的遙測站點可以優先采用5G組網方式，部分偏遠地區用其他組網方式過渡。

3 水情系統中應用5G的優勢分析

相較于傳統通信組網方式，5G組網有如下優勢：

（1）更高的無線接入寬帶。5G組網可靠傳輸帶寬在100 Mbit/s以上，部分應用場景數據傳輸速率可達到Gbit/s的級別，對于遙測站的數據傳輸要求完全滿足，甚至可以部署超高清工業攝像頭進行實時高清視頻傳輸。

（2）低時延高可靠性[2]。5G通信時延在毫秒級別，通信可靠性高，對于遙測站的數據召測、遠程參數設置等工作可實時完成，相較于傳統通信組網方式，5G遙測組網能極大提高站點的維護效率。同時，低時延的特性對于汛期水情數據監視尤為重要，中心站接收的水情數據能夠實現遙測站數據的實時更新監視，極大提高了防洪決策的時效性。

（3）獨立組網特性。5G組網具備網絡切片的功能，能夠將物理網絡通過虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）技術切分為若干相互獨立的虛擬網絡[3]，從而服務于不同的通信業務場景，對于水情系統組網能夠形成類似于租用運營商專線的效果，能夠一定程度上滿足水情系統通信組網的安全防護方面的需求。

（4）運營成本低。5G是按照流量進行收費，而且流量的資費標準在5G大規模建設后會逐漸降低，相較于短信或北斗的通信組網方式能夠節約較大的通信資費。

4 基于5G的水情系統通信組網

水情系統通信組網主要涉及遙測站、通信方式、中心站等三個部分內容，遙測站主要實現雨量、水位等項目的監測。系統主要包括水位傳感器、雨量傳感器、數據采集器、通訊模塊、機箱、太陽能供電系統等設備。傳統水情系統常用的數據傳輸方式有衛星通信、超短波通信（VHF）、GSM通信、GPRS通信等，各種通信方式在通信機理、設備性能、運行功耗等方面有各自的特點。中心站主要包括遙測接收設備及服務器。

對于人口密集的經濟發達地區的水情系統，因5G網絡覆蓋全面，可采用5G/GSM的方式組網，主信道可采用“一直在線”工作模式，備用信道采用“待機”工作模式。對于大型梯級調度的多中心的水情系統，可采用混合組網模式[4]，有5G移動信號覆蓋的站點可采用5G/GSM，野外站點無5G信號采用GSM/衛星方式組網，中心站采集服務器采用運營商分配的固定IP聯網。

以5G/GSM信道的方式組網的水情系統見圖1。

圖1 5G通信組網的水情自動測報系統

為建設標準性好、兼容性強、資源共享方便的的水情系統，遙測站與中心站通信可采用國家水利水資源相關部門組織編制的水文[5]、水資源[6]標準通信規約，對于裝有高清攝像頭的遙測站，可利用高清視頻傳輸協議經由5G信道傳輸至水情中心站。

5 基于5G技術的遙測站硬件組成

5G遙測站主要任務是及時、準確地通過傳感器采集和報送水雨情、氣象數據,可采用多種信道，信道可主備任意設置。遙測站能長期、穩定、持續、可靠地工作，信息傳輸迅速、準確，有較高的精確度。遙測站原則上采取利用無民用建筑物，使用一體化儀器箱（筒）方式建設，一體化儀器箱（筒）設計時充分考慮到防水、防雷擊、防盜等措施。遙測站組成主要包括數據采集器、通訊模塊、機箱、太陽能供電系統等設備，以及水位、雨量等傳感器，基于5G技術的遙測站可搭配超高清攝像機[7]。遙測站組成見圖2。

圖2 基于5G通信組網的水情系統遙測站結構圖

目前工業級的5G通信終端（DTU，Data Transfer unit)尚處于研究階段，但隨著5G建設的大規模展開，向下兼容GSM的5G DTU也將投入使用，屆時一個DTU預期可同時承載5G/GSM網絡通信業務，實現遙測站低成本可靠通信。

6 5G遙測站應用場景

基于5G的更高的無線接入寬帶、低時延高可靠性等特征，采用5G組網的水情測報系統除信息延遲小、時效性高等特征之外，較傳統通信組網的水情系統具備幾種特色應用場景。

6.1 實時數據召測及參數設置

實時數據召測及參數設置。傳統無線通信組網的水情系統數據傳輸延時較大，尤其是汛期當需要實時召測遙測站數據時等待時間較長，影響防洪決策的時效性，另外在對遙測站進行遠程維護時也存在同樣問題，采用有線通道組網的水情系統延遲較小，維護較為方便，但是有線組網的成本較高，適用面較小。采用5G組網的水情系統在具備低成本優勢的前提下，能夠實現遙測站數據召測及遠程維護的實時性，提高防洪及水庫調度決策的時效性，節約維護成本。

6.2 實時超高清視頻傳輸

傳統無線通信組網的水情系統不具備傳輸視頻信息條件，依托于GPRS能夠實現部分圖像的傳輸，但分辨率有限、清晰度不高，且占用帶寬較多，實際應用范圍有限，采用光纖組網的遙測站建設成本高昂，不利于實際應用。工業電視系統能夠實現視頻的傳輸，但同樣建設成本高昂。因此，搭載高清攝像頭的5G遙測站應用有著廣泛的應用場景，依據5G高帶寬低時延的特征可傳輸4K超高清視頻信號，能夠替代工業電視的功能，給遙測站裝上高清攝像頭，能夠直接實時觀測到有水尺的水位站水位，實時觀測遙測站周邊水文環境信息，且圖像達到4K分辨率，數據觀察更加準確，給防汛決策及水庫調度提供更直接的參考依據。另外，通過5G網絡實時控制攝像頭角度，可實現遙測站周邊環境視頻監測，給站點維護提供參考信息，便于測站管理運維。

不過，超高清視頻的傳輸對于硬件設備要求較高，首先遙測站RTU需要支持超高清視頻處理及傳輸，如不支持，需要部署獨立的視頻處理及傳輸設備，這就會增加遙測站成本和功耗，所以何種環境下采用搭載超高清攝像頭的遙測站就需要綜合考慮各種因素。

7 5G的建設難度探討

2019是5G商用元年，運營商已陸續開始5G網絡建設，基于5G組網的水情測報系統研究具有一定的前瞻性，但也面臨一些挑戰，主要建設難度在于以下方面：

（1）廠家支持少。目前水情遙測站廠家采用設備更新換代較慢，采用傳統通信組網方式較多，基于5G的遙測站設備集成尚處于研究階段，目前尚無產品支持，隨著5G建設的開展，后續5G遙測站何時投入使用有待觀察。

（2）設備成本高。目前工業級的5G通信終端尚處于研發階段，未大量投入市場，且成本較高，可以預見在5G實現大規模覆蓋完成以前，采用5G組網的遙測站不具備成本優勢，另外如果考慮搭載超高清攝像頭的遙測站建設，也要考慮支持超高清視頻處理的RTU研發周期及設備成本。

（3）信號覆蓋小。水情遙測站點很多在部署在偏遠地區，甚至很多地方只有2G網絡，所以遙測站點是否處于5G信號覆蓋范圍將成為能否采用5G組網的關鍵因素，目前已有研究偏遠地區5G網絡建設方案的研究[8]，也有相關偏遠地區5G建設基站建設試驗成功的報道[9]，但是對于人口稀少、地形復雜的偏遠地區5G信號如何覆蓋未來依舊是個難題。對于人口密度大、較發達城鎮及周邊地區5G信號會優先覆蓋，這些地區水情系統建設可優先考慮采用5G組網，無5G信號地區可暫時采用其他通信方式進行組網。

8 結語

雖然采用5G組網的水情系統面臨著廠家支持少、設備成本高、信號覆蓋小等難題，但將5G技術應用到水情系統當中仍有著重要意義，采用5G組網的水情系統具備更高的無線接入寬帶、低時延高可靠性、獨立組網、運營成本低等優勢，能夠實現實時數據的獲取、召測，極大地提高防汛決策及水庫調度的實時性及時效性，對于站點能夠實現實時參數設置及維護，節約維護成本，對于搭載超高清攝像頭的遙測站能夠替代工業電視功能，數據觀察更加準確，對遙測站周邊環境信息掌握更加全面，從而給防汛及水庫調度決策提供更直接的參考依據。