基于物聯網技術的水文監測控制系統及應用

畢庶剛，江 龍，韓 康

（煙臺市水文中心，山東 煙臺264000）

物聯網的概念成型于20世紀末，使用網絡將物與物直接連接，最早由西方學者提出。隨著研究的深入，物聯網的實質就是把任何物體各項特征變成一串數字，然后利用網絡傳送出去，進行分析處理，然后支撐相關應用的數據轉換過程。相比于物聯網的概念理論，物聯網技術卻處于發展的初級階段，相比各傳統技術是一門新興技術，但是已經在電力、醫學、道路、安防、污水處理等多個行業有所應用，相應地形成了較成熟的智能電網、智能交通、智能物流、智能醫療、智能家居等衍生產品。物聯網技術的初步應用已經產生了較大的經濟、社會效益，已引起全球不同國家或國際組織高度重視，特別是歐美等發達國家，其物聯網技術應用的廣度和深度都走在了世界的前列。

目前，物聯網技術在水文監測、預測、預報、預警等領域的應用尚處在探索和摸索階段，但是，物聯網技術在水文相關領域的應用是未來水文行業產業革命和創新的必然之路。

1 物聯網技術體系結構

物聯網技術的體系結構，包括以下部件及各部件之間的聯系，有各類傳感器、云網絡、智能設備、射頻識別、信息傳感器等，通過IoT等網絡將各類物體以電子標簽形式進行互聯，達成精準、可靠、全面、智能等特性。從物聯網在當下的應用需求分析，目前學界將物聯網一般劃分為以下3個層次：感知層、網絡層、應用層，如圖1示。

圖1 物聯網技術體系框架

1.1 感知層

感知層是物聯網的基礎，是收集信息和識別物體的關鍵和核心。其核心技術則是采集、識別與分析，通過各種傳感器、GPS、攝像頭、M2M終端等得以實現。近年來，特別是由于傳感器的新工藝、新應用的不斷出現，檢測技術、控制技術得到了發展，信息采集能力、測量精度和可靠性得到了根本地提升。與此同時，傳感器在進一步微型化、網絡化，幾種趨勢合在一起，促進了物聯網感知技術的進一步成熟。

1.2 網絡層

網絡層是位于物聯網三層結構中第二層，其主要作用是信息處理，主要功能是傳遞，即通過網絡對各類處理后的信息進行傳輸。網絡層作為應用層和感知層的紐帶和聯系，相當于神經系統和運輸系統。網絡層可以通過各類電信網、廣電網、專用網等實現高速、可靠、穩定、經濟地傳輸感知層的信息。

1.3 應用層

應用層位于物聯網三層結構中的最上層，直接面對用戶提供服務，其主要功能為“處理”，即通過云計算平臺、物聯網中間件、物聯網應用等進行信息處理。由于應用層與其對應的用戶實行的是物理連接，使得它可以基于應用層面實現多地、多系統、多語言的交流和信息處理與應用。

2 臧格莊水文站水文纜道遠程控制系統

2.1 臧格莊水文站概況

臧格莊水文站設站于1960年，位于棲霞市臧家莊鎮臧家莊村，控制內夾河流域面積458 km2，屬三類精度水文站，是中央報訊站。大沽夾河位于山東半島煙臺市的中北部，主要由內夾河和外夾河兩大支流匯合而成，其中內夾河流域面積1 224 km2，干流長75 km，內夾河發源于棲霞小靈山，自西向東流經棲霞市（棲霞段稱清洋河）和福山區，在福山城區東和外夾河匯流。

臧格莊水文站位于內夾河中游，水文站斷面以上流域內70%為丘陵區，一般高程在50～200 m之間，無較大山峰，最高約在400 m左右。平原分布在下游，本站附近及其沿河兩側約占整個面積的30%，土壤以沙壤土和黃黏土為主，植被覆蓋較好，水土流失不嚴重。內夾河屬山溪性河流，洪水主要由暴雨形成，洪峰漲落急劇。

2.2 纜道遠程控制系統

為提升基層測站自動測報能力建設，煙臺市水文局建設基于5G物聯網遠程控制的自動纜道測流系統升級改造工程。該系統具有遠程自動施測流量，云臺、探照燈自動跟隨鉛魚運動，多角度監控、語音自動識別、報文實時傳輸、水尺自動識別、站內對講系統等系統功能。能夠遠程自動布設垂線進行自動測流，并實時輸出成果文件。利用云臺自動跟蹤技術實現探照燈自動跟蹤鉛魚的運動軌跡控制水平和垂直轉動角度。利用視頻監控和圖像分析技術，實時觀察觀測場、基本和比降斷面情況、鉛魚位置、上游漂浮物，可實時分析水尺數據，做到數據與視頻同步顯示；系統還設有雨水情可視化監測模塊，可以實時監控本站或上游雨水情信息數據，做到隨時本地化了解流域內所有的相關雨水情信息，并留有氣象接口，如風速、風向、氣溫等，界面采用前衛的可視化技術，美觀實用。報汛系統采用一鍵式發報功能模塊，可以實現水情數據無時差隨測隨發，并采用網絡化報文編制模塊，方便測流人員編制相關報文。

2.3 硬件技術實現

1）基于運動控制。依托于高精度編碼器，監測鉛魚的運動軌跡，自動控制攝像頭及探照燈云臺的轉動角度。

2）基于雷達定位技術。依托于雷達定位技術，自動跟蹤鉛魚的運動軌跡，自動控制攝像頭及探照燈云臺的轉動角度。

3）基于高精度GPS定位。依托于高精度GPS定位技術，建立河道地理圖形，實時監測鉛魚的坐標信息，自動控制攝像頭及探照燈的轉動角度。

4）視頻監控與對講系統。可監控斷面上游及下游，以及纜道運動情況；操控人員與外協人員對講系統可實時進行語音通話。自追蹤式視頻監控可實時追蹤鉛魚位置或手動追蹤鉛魚位置，穿戴式語音對講系統，解放操控人員雙手，操作便捷，以上各系統均采用獨立電源，發生故障可切斷任一功能單元。

2.4 亮點功能

1）5G遠程操控。可通過移動通信設備利用5G網絡對纜道控制臺進行遠程操控，通過實時監控畫面查看測流時各設備狀態，真正使測流工作做到隨時隨地、快速及時。

2）語音識別。可通過語音方式對控制臺各功能進行自動控制。

3）報文實時傳送。測流數據可實時傳送至水情中心，并自動校驗報文格式。

4）鉛魚實時監控。鉛魚上方安裝有監控攝像頭，可實時監控測流過程中鉛魚的位置及狀態或河道情況。

5）軟件輔助系統。通過柱形圖、曲線、數據直觀顯示本站水位、雨量信息，幫助測站人員了解實時雨水情信息；實時展示近7 d雨量、溫度等氣象信息，實時同步中國氣象網雨情預報信息；實時顯示臺風預測軌跡，依托于中國氣象網權威發布信息；流域內雨水情信息。實時展示流域內各站點雨情及水情最新及歷史信息，方便測站人員掌握降水及洪水動態可視化展示。

3 物聯網應用水文監測的前景展望

隨著全球互聯互通日益深化，數字化、信息化、智能化將成為各行業具有核心競爭力的重要因素。借助由智能設備、網絡、算法、規則生成的物聯網，通過數字化的大數據產生不僅可以降低研發、運行、維護、升級的各種成本，也能提高生產質量和效率，縮短響應時間，促進科技進步。

面向未來，應通過物聯網、人工智能、大數據、云服務與水文監測緊密結合，以數字中國、數字水利、數字水文基礎性設施建設為基礎，以數據資源體系整合、網絡安全保障為支撐，以實現數字社會為目標，科學謀劃、超前布局，全面建成數字水文監測應用示范，全面提升水利綜合服務和管理水平，全面貫徹水利業務管理和發展理念。圍繞水資源保障、應急水文監測、水生態保護、水災害防御等業務核心，利用衛星遙感、人工智能、機器人、無人機、圖像識別等技術，建設空天地網一體化的水文智能感知體系，實現感知全域覆蓋、要素提升和智能分析，為全面提升水利治理能力提供基礎支撐。