物聯網技術在水文監測信息系統中的應用

湖北省漢江興隆水利樞紐管理局 王小霞

我國廣闊地域下地質水文情況變化復雜，各地水文特征差異較大，人工手段對水文情況進行監測、跟蹤記錄，數據傳遞慢，監測維護成本相對較高，難以做到不間斷監測。物聯網技術可以很好彌補這方面的劣勢，隨著網絡傳遞技術和智能化傳感器技術的進步，作為物聯網終端節點的成本越來越低，布置越來越方便，采集數據的效率越來越高，輔助現代互聯網、信息通信技術，形成一整套的工程系統完成水文環境監測。因此，物聯網在水文監測中的充分利用是今后水文監測智能化的重要手段和發展方向。

1 物聯網技術及其結構

1.1 物聯網技術的特點

圖1 基于物聯網的水文監測信息系統

圖2 數據采集終端框架

物聯網技術的應用基礎是通過利用紅外感應器等一系列感應器，將實物與網絡聯系在一起，實時不間斷的將實物數據信息，通過特定的通信協議，借助互聯網進行數據傳遞和交互，從在對實物達到識別、跟蹤、定位等一系列監測管理。

1.2 物聯網結構

網絡通信等技術的集成。這其中：感知技術，主要體現在各種傳感器設備的應用，是對實物信息數據的原始采集手段，實現物物相聯的基礎。數據融合，對于感知技術采集得到各種數據信息進行處理，反映出實物的原始信息，處理后滿足信息利用的有效化，這是得出監測數據結果的手段。云計算是數據處理手段，是利用網絡更高效率的數據信息處理方式。網絡通信技術，其主要是通過傳感器提供數據和智能終端進行互聯。

物聯網工作原理，是由感知技術設備（傳感器）采集原始數據，通過網絡通信技術將這些數據傳遞到應用層面。應用層面依據分析處理后數據再次命令感知技術設備再次采集數據，形成一個工作循環。

2 基于物聯網的水文監測信息系統

從南京市的物聯網在水文監測中的應用來看，雖然是一個簡單示例，但也包含了物聯網在水文監測系統中的所有構成。圖1是基本的水文監測系統基本構成。

2.1 物聯網數據采集設備

物聯網數據采集設備，是整個系統的觸角，即在水位站、監測站安裝傳感器，還有視頻監控設備。這是物聯網在水文監測信息系統中的基礎硬件，是水文數據的終端節點，其主要是利用傳感器（數據采集模塊）對水文參數進行監測、數據收集，然后轉變為數據調制信號，并通過傳感器向網關節點進行發送。數據采集終端框架如圖2所示。

2.2 物聯網網關路由節點

水文監測物聯網中，網關路由節點是聯系終端節點和監控節點的紐帶。其通過不定時發出查詢指令，令路由表進行不斷的更新，對物聯網中子網進行協調，考慮到不同的應用環境和測試工作的內容重點不同，建立新的子網絡。并且在對終端節點取得的原始數據進行整理統計分析，將結果存入數據庫。在南京市物聯網水文監測的應用中，可隨時調用二十四小時水位過程線、水位變化的統計數據，就是這種功能的實現。

2.3 物聯網控制中心

物聯網控制中心，是作為整個物聯網系統大腦的遠程中心監控，是對整個水文數據進行匯集處理，并對水文數據進行統計分析，最后依據數據數據分析做出有效建議，以便管理人員做出決策應對。由于其主要功能作用，使用的硬件以高性能服務器為主進數據統計分析。

2.4 物聯網關鍵技術設備

隨著網絡技術的不斷發展，物聯網應用中的基礎技術如網絡數據傳遞技術、智能傳感器技術都得到長足進步。其中，傳輸技術發展到如今的5G技術，使物聯網大數據的傳輸效能得到更一步加強。作為物聯網技術中硬件基礎的傳感器，發展到帶有自我檢測功能、診斷功能，自適應數據處理能力，采用微處理器的結合計算和檢測技術的新一代智能傳感器，達到了一定的人工智能水平，使其能滿足現代物聯網中對傳感器的記憶、診斷、數據測量傳遞以及互聯通信，為物聯網發展提供了支持。

3 物聯網技術在水利信息化中的具體應用

基于水文監測的物聯網建設，首先要考慮水利行業的作業特點和實際監測重點，結合物聯網的體系結構，在水文監測中構建物聯網，主要以下三個層面進行構建。

第一層面，是數據采集層面，也是系統的硬件采集平臺，主要是由滿足各種不同功能需要的傳感器組成，如測量水位、降水量測量、地下水監測、水質監測儀、攝像頭等形成的整體系統，對如降水量、水位高低變化、水流速度等數據進行采集。這是整個水文監測物聯系統的數據基礎，也是硬件環節的基礎。如南京東江監測站，主要是為了加強防洪力度，在該水段安裝了水位傳感器、流速傳感和水質組合傳感等，主要對流速、水量和渾濁度進行測試。需要注意的事，考慮到日后的其它測試功能的需要，在終端上要預留接口。

第二個層面，是監測數據信息的傳遞層面。傳感器將搜集到的水文參數轉變調制信號，通過終端節點進行匯總，然后通過網關路由節節點，經由GPRS、北斗等，結合互聯網技術，將前一層面采集到的數據信息進行傳遞，并對傳感器進行控制。在這里，終端節點的選擇要保證功耗低、可靠性高，重點考慮其能耗問題。

第三個層面，應用層面是對整個控制系統在軟件上的集成。其主要功能是對傳遞過來的數據進行處理，如文件模塊實現對數據的存儲、調用；圖像化的功能模塊更方便于對網絡路由節點和終端節點的設置和調控；分析處理模塊是整理統計分析，以便進行決策，做出反映，做出調整和控制。結合地圖、時間軸和參數模型，對節點的實時數據和歷史數據標示為曲線圖，顯示在地圖上，從整體上掌控整個水域的水文信息。這一層面主要對象是實時雨水情況的監測、山洪災害預警等。

物聯網技術的在水文監測上的應用，使得現代化的水文服務和管理模式，以及該模式帶來的效率與便捷性優勢盡顯。在南京市，二十四小時水位過程線、實時水位信息、實時雨量信息，以及實時的水文站周邊環境，水體狀態等直觀的實時圖像，這一切數據信息顯示在指揮中心、水位站和任意監測站大屏幕顯示器上，遠距監測站點的運行狀況。這些功能在聯網中任意監測站或中心站或控制中心均可操作，實現對分布零散的水文監測站點，實施便捷集中管理。在發生水澇災害的情況下，防汛指揮中心就可以直接調播現場畫面，了解到現場河道的水位變化、水體表象、河道水流水量傳，便于快速做出科學決策。

結論：綜上所述，物聯網技術的應用提升了數據的時效性、數據的采集和處理效率。對水資源的全天候的管理和監測，不僅僅只是在水文監測中運用物聯網技術，還可以對水環境保護、抗旱防汛、水資源利用等，極大的促進我國水利信息化水平。