5G技術(shù)在智能水文監(jiān)測中的應用

丁澤云　何溢洋

5G技術(shù)的應用與發(fā)展帶來了大容量數(shù)據(jù)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(jiān)測的通信技術(shù)，以5G在雷達測流系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢為例，具體分析、總結(jié)了5G通信技術(shù)在智能水文監(jiān)測系統(tǒng)中的應用前景和改進方向。

水文監(jiān)測中常用的通信技術(shù)

系統(tǒng)中監(jiān)測站使用衛(wèi)星、超短波、GPRS和4G等傳輸方式收集各要素數(shù)據(jù)，再利用通信網(wǎng)絡傳送到數(shù)據(jù)控制中心。超短波傳輸受地形影響大，衛(wèi)星通信運行成本高，應用范圍受限，GPRS可使數(shù)據(jù)承載與傳輸業(yè)務永遠在線，且占用系統(tǒng)資源少。

目前數(shù)據(jù)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(wǎng)絡全面覆蓋及相關(guān)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(jiān)測站大多用4G模塊取代GPRS進而提升監(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸性能。

5G技術(shù)分析

技術(shù)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(shù)的合作，為移動互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)健發(fā)展提供更加廣泛、普遍的業(yè)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(tǒng)安全性以及用戶資源利用率。

5G在智能水文監(jiān)測系統(tǒng)的應用

水文監(jiān)測技術(shù)需求分析

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

流量在線監(jiān)測是水文監(jiān)測的重難點，為此武漢大學研發(fā)了RISMAR-U型超高頻雷達流速流量在線監(jiān)測系統(tǒng)。雷達接收機連續(xù)接收來自水面的散射電磁波，經(jīng)過放大、濾波、數(shù)字化、解調(diào)以及提取等處理，以約14 Mbit/s的速度向現(xiàn)場工控機發(fā)送數(shù)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(shù)據(jù)，通過4G發(fā)送給中央站。

該系統(tǒng)存在幾點缺陷：①需交流電供電;②需架設太陽能供電系統(tǒng);⑧對通信網(wǎng)帶寬、時延和穩(wěn)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(tǒng)中的優(yōu)勢

RISMAR-U型超高頻雷達在線監(jiān)測流速流量的難點是每秒處理14 Mbit的數(shù)字信號，4G網(wǎng)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(fā)送數(shù)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(wěn)定性滿足了大量實時數(shù)據(jù)遠程傳輸和實時計算需求。

應用5G后的優(yōu)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(jiān)測的應用前景

智能水文監(jiān)測需要高可靠性、強兼容性、高速率和大容量的無線傳輸網(wǎng)絡，各種技術(shù)手段應其多要素監(jiān)測的開發(fā)要求被持續(xù)引入應用，大數(shù)據(jù)量、低延時是這些技術(shù)的共性。大數(shù)據(jù)的實時處理是5G的優(yōu)勢，低時延與邊緣云計算功能相結(jié)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(shù)據(jù)的功能適用于需要持續(xù)修正的水文設備。

此外，設備和識別算法可以結(jié)合超高清圖像和視頻，完成對水位、水面蒸發(fā)等水文元素的監(jiān)控。5G的高速率和高穩(wěn)定性針對智能水文監(jiān)測系統(tǒng)中部分地區(qū)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(tǒng)光纜連接易受周圍環(huán)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(zhì)、水位和水流等數(shù)據(jù)流信息組合起來，實現(xiàn)河川浮游物的快速識別和水位監(jiān)測等各種應用，實現(xiàn)了河流和湖泊的全面智能監(jiān)控，大大提高了水文監(jiān)測管理效率。

本文展現(xiàn)了5G在數(shù)據(jù)傳輸速率、時延、連接容量、移動性等方面的優(yōu)勢，更適合應用在智能水文監(jiān)測中。雖然5G在水文監(jiān)測領(lǐng)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(jiān)測系統(tǒng)更好地結(jié)合是努力的方向。