5G技術在智能水文監測中的應用

丁澤云　何溢洋

5G技術的應用與發展帶來了大容量數據可以低能耗、低延時且高速率傳送的福音。本文從傳送速率、時延和帶寬3個方面比較了5G和4G的差異，分析了近年來用于智能水文監測的通信技術，以5G在雷達測流系統中的應用優勢為例，具體分析、總結了5G通信技術在智能水文監測系統中的應用前景和改進方向。

水文監測中常用的通信技術

系統中監測站使用衛星、超短波、GPRS和4G等傳輸方式收集各要素數據，再利用通信網絡傳送到數據控制中心。超短波傳輸受地形影響大，衛星通信運行成本高，應用范圍受限，GPRS可使數據承載與傳輸業務永遠在線，且占用系統資源少。

目前數據的傳輸方式主要是GPRS和4G，二者在帶寬、時延和速率上差距不大，在4G網絡全面覆蓋及相關政策支持下，4G的流量成本與GPRS并無差異。基于此，在升級時監測站大多用4G模塊取代GPRS進而提升監測站數據傳輸性能。

5G技術分析

技術特點

面對不同場景的差異需求，5G將積極參與和其他通信技術的合作，為移動互聯網的穩健發展提供更加廣泛、普遍的業務能力。

5G對比4G

5G比4G提供了更高的頻譜使用率和能源效率，在傳輸速度以及資源使用率上比4G高出很多，提高了無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全性以及用戶資源利用率。

5G在智能水文監測系統的應用

水文監測技術需求分析

智能水文監測不僅包括監測水位和降雨量等簡單參數，像長江入海口水文站還包括監測降雨量、水位、水質和流速等多個因素。監測要素的不斷增加對數據通信網絡帶寬、時延和穩定性要求不斷提高，4G通信已然不能滿足。

流量在線監測是水文監測的重難點，為此武漢大學研發了RISMAR-U型超高頻雷達流速流量在線監測系統。雷達接收機連續接收來自水面的散射電磁波，經過放大、濾波、數字化、解調以及提取等處理，以約14 Mbit/s的速度向現場工控機發送數字信號，工控機進行多通道處理，進行回波距離、方位和速度處理，形成輻射狀流場數據，通過4G發送給中央站。

該系統存在幾點缺陷：①需交流電供電;②需架設太陽能供電系統;⑧對通信網帶寬、時延和穩定性要求高;④安裝難度大且后期運維成本高。

5G在超高頻雷達測流系統中的優勢

RISMAR-U型超高頻雷達在線監測流速流量的難點是每秒處理14 Mbit的數字信號，4G網絡理論上雖然可以達到50 Mbit/s的速度，但實際使用有各種限制，其上行速度不到10 Mbit/s，不能通過4G直接向中心站發送數字信號。5G上行速率高達10 Gbit/s，時延僅1ms，其高速率、低延時、高穩定性滿足了大量實時數據遠程傳輸和實時計算需求。

應用5G后的優勢：①不須交流電供電可直接采用太陽能蓄電池;②簡化設備降低安裝維護難度和運維成本。

5G在智能水文監測的應用前景

智能水文監測需要高可靠性、強兼容性、高速率和大容量的無線傳輸網絡，各種技術手段應其多要素監測的開發要求被持續引入應用，大數據量、低延時是這些技術的共性。大數據的實時處理是5G的優勢，低時延與邊緣云計算功能相結合使測量儀可以實時完成測量、計算、校正以及再測量過程，這種瞬時測量大量數據的功能適用于需要持續修正的水文設備。

此外，設備和識別算法可以結合超高清圖像和視頻，完成對水位、水面蒸發等水文元素的監控。5G的高速率和高穩定性針對智能水文監測系統中部分地區鋪線施工成本高、周期長和后期維護困難等痛點提出了有效解決方案，避免了傳統光纜連接易受周圍環境影響的缺陷。

在邊緣云中導入AI功能，通過將專用傳感器和遙測終端設備收集的水質、水位和水流等數據流信息組合起來，實現河川浮游物的快速識別和水位監測等各種應用，實現了河流和湖泊的全面智能監控，大大提高了水文監測管理效率。

本文展現了5G在數據傳輸速率、時延、連接容量、移動性等方面的優勢，更適合應用在智能水文監測中。雖然5G在水文監測領域具有良好應用前景，但同時也增加了功耗和通信成本等問題，因此當5G全面商用后，如何將其與智能水文監測系統更好地結合是努力的方向。