5G通訊技術(shù)在水文中的應(yīng)用及需求模型

劉運(yùn)珊，劉訓(xùn)華，郭冬榮

(贛江上游水文水資源監(jiān)測中心，江西 贛州 341000)

在水文現(xiàn)代化的大背景下，水文各方面較傳統(tǒng)水文均有較大改變[1]。2021年全國水文工作視頻會(huì)議明確了“十四五”時(shí)期水文工作目標(biāo)要基本實(shí)現(xiàn)水文全要素、全量程自動(dòng)監(jiān)測，要推進(jìn)水文監(jiān)測自動(dòng)化、水文預(yù)報(bào)預(yù)警實(shí)時(shí)化及水文信息分析評(píng)價(jià)智能化[2]。水文服務(wù)向縱深廣拓展[3]，水文管理也要求更加規(guī)范，這些能力的提升離不開較高程度的信息化。作為與移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展緊密相連的水文行業(yè)[4]，這些新的要求都對現(xiàn)有通信技術(shù)提出挑戰(zhàn)。5G的出現(xiàn)為傳統(tǒng)水文向智慧水文跨越式發(fā)展的實(shí)現(xiàn)提供了極大便利。隨著2019年進(jìn)入5G商用元年[5]，5G移動(dòng)通信技術(shù)作為當(dāng)前炙手可熱的前沿科技，其所引導(dǎo)的科技變革已然開始，所產(chǎn)生的技術(shù)迭代不斷。目前，自動(dòng)駕駛、智慧醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧鋼鐵、礦產(chǎn)等眾多領(lǐng)域已取得良好效益[6-10]。在水文行業(yè)，現(xiàn)已有孫衛(wèi)軍[11]對基于 5G 技術(shù)組網(wǎng)的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，曹均昌[12]對5G在智慧水利方面的應(yīng)用做了相關(guān)研究，史東華等[13]對5G通信技術(shù)在水文自動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用前景進(jìn)行了研究等，但5G在水文行業(yè)的應(yīng)用情況及基于5G的水文行業(yè)需求并沒有深入研究。本次研究依托5G通訊技術(shù)在贛州水文中的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)，研究5G技術(shù)在水文行業(yè)的應(yīng)用情況，建立基于5G的智慧水文需求模型，并分析5G應(yīng)用在水文發(fā)展中的困境。

1 贛州水文信息化概況

1.1 站網(wǎng)情況

以觀測項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，贛州全市共有各類水文測站1 788處(表1)，約占江西省1/3。降水量、水位、流量、泥沙、蒸發(fā)、水溫、水質(zhì)、墑情等都可以進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測。大量的站點(diǎn)的水文要素實(shí)時(shí)傳輸、處理對通訊技術(shù)提出更高要求。

1.2 水文信息化現(xiàn)狀

贛州水文目前信息化主要包含一平臺(tái)、多系統(tǒng)、全站點(diǎn)。

全要素監(jiān)測平臺(tái)涵蓋了水位、雨量、流量、沙量、蒸發(fā)、水溫、安全監(jiān)控等，從數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、計(jì)算、傳輸、存儲(chǔ)再到集中展示、查詢、下載的一體化平臺(tái)，目前已投入穩(wěn)定使用。

開發(fā)了多個(gè)信息化系統(tǒng)。包括贛州市洪水自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、贛州市洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)、水文站實(shí)時(shí)監(jiān)測展示與查詢系統(tǒng)、贛州水文三維虛擬電子沙盤、贛州水文虛擬仿真互動(dòng)體驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)水雨情信息移動(dòng)報(bào)送系統(tǒng)以及5G+智慧水文系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)涵蓋了水情值班信息查詢、數(shù)據(jù)整合管理、淹沒區(qū)數(shù)據(jù)分析展示、三維地形瀏覽分析、自動(dòng)暴雨洪水預(yù)警、模擬水庫調(diào)度、對接河長制、水文科普講解等多方面功能，直接服務(wù)于防汛抗旱預(yù)測、預(yù)警、預(yù)報(bào)工作，這些系統(tǒng)形成水文業(yè)務(wù)綜合管理體系。

水文站網(wǎng)管理信息化。轄區(qū)共有雨水情遙測站點(diǎn)1 042處，運(yùn)行穩(wěn)定，站點(diǎn)通暢率達(dá)98%以上，在歷年大洪水甚至超歷史洪水期間中發(fā)揮了重要作用，但由于通訊鏈路的原因出現(xiàn)誤碼率較高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)校驗(yàn)失敗并重新發(fā)送延誤時(shí)間。

由于網(wǎng)絡(luò)通道帶寬較窄，傳輸受限，很多重要的數(shù)據(jù)不能保證準(zhǔn)確實(shí)時(shí)傳輸；贛江上游水文水資源監(jiān)測中心機(jī)房約20 m2，服務(wù)器計(jì)算存儲(chǔ)能力不足，雖然建有 Oracle、SQL 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，但軟硬件支撐平臺(tái)沒有完全搭建好，智慧應(yīng)用、AI、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)尚未得到廣泛的使用。

1.3 通訊情況

贛州1 788處站點(diǎn)中，遙測站數(shù)量為1 042處，目前采用的數(shù)據(jù)傳輸方式為GPRS、4G通訊、衛(wèi)星和有線傳輸。目前商用成熟的衛(wèi)星、GPRS和4G無線通信技術(shù)在水文自動(dòng)監(jiān)測的大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和可視化等方面均存在速率低和時(shí)延大等問題；以光纜為載體的有線數(shù)據(jù)傳輸方式前期投入大，后期維護(hù)費(fèi)用昂貴；衛(wèi)星通信等方式在傳輸容量方面的限制制約其應(yīng)用范圍。從目前發(fā)展趨勢來看，贛州5G的商用化和覆蓋面仍顯不足，但隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其商用生態(tài)的完善，其高速率、低延時(shí)、大容量的優(yōu)勢會(huì)越來越具有吸引力。

2 5G的試點(diǎn)應(yīng)用

依托5G在贛州信豐(二)水文站的試點(diǎn)應(yīng)用，從視頻監(jiān)控、水文要素采集、軟件系統(tǒng)三方面進(jìn)行分析。以高點(diǎn)高清視頻監(jiān)控及影像在線測流系統(tǒng)接入5G+智慧水文平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過對比5G與目前水文行業(yè)內(nèi)使用廣泛的4G的應(yīng)用情況，分析5G通訊技術(shù)在水文中的應(yīng)用優(yōu)勢，為5G技術(shù)在水文監(jiān)測中的推廣應(yīng)用進(jìn)行有益探索。

2.1 5G在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

2020年，信豐(二)水文站于站房樓頂安裝了高點(diǎn)監(jiān)控。采用的是200萬超星光44倍激光超感8寸球形網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(高點(diǎn)監(jiān)控?cái)z像機(jī))，可支持1 920×1 080/60 幀每秒，通過計(jì)算，該設(shè)備運(yùn)行時(shí)，每秒15.6 MB的數(shù)字信號(hào)需要處理。現(xiàn)有方式下，由于4G網(wǎng)絡(luò)雖然其理論上行速度能達(dá)到50 M，但在實(shí)際使用過程中受技術(shù)特點(diǎn)及使用環(huán)境限制，其上行速度大部分時(shí)間低于10 Mbit/s，通過4G直接將數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)，在平臺(tái)顯示時(shí)視頻卡頓。但采用5G通訊，上行速率理論上最大可以達(dá)到10 Gbit/s，時(shí)延最小可低達(dá)0.1 ms，在試驗(yàn)中，采用5G通訊時(shí)視頻流暢，肉眼無法看出延時(shí)。其高速率、低延時(shí)和高穩(wěn)定性能極大滿足該視頻系統(tǒng)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時(shí)展示的需求。

2.2 5G在流量監(jiān)測中的應(yīng)用

信豐(二)水文站在站址下游約4.5 km處桃江大橋上安裝了3臺(tái)宇視800萬超星光全彩筒型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，搭配3臺(tái)4路網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)作為影像法測流的前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集設(shè)備連接的RTU集成了向下兼容4G的5G DTU。可支持3 840×2 160/30 幀每秒，通過計(jì)算，該設(shè)備運(yùn)行時(shí)，每秒31.1 MB的數(shù)字信號(hào)需要處理。經(jīng)現(xiàn)場測試，在4G方式下，視頻平均上行速度為8 Mbit/s，在平臺(tái)顯示時(shí)視頻卡頓；采用5G通信時(shí)，平均上行速度約為48 Mbit/s，視頻質(zhì)量比4G方式下高，顯示時(shí)不卡頓。對比該站高點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備，雖然高點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備刷新頻率60 Hz,而影像法測流設(shè)備刷新頻率僅為30 Hz，但肉眼分辨率為24 Hz,在采用5G通訊時(shí)，二者均看不出閃動(dòng)及卡頓，由于5G信道可支持畫質(zhì)更高，可看出影像法測流畫質(zhì)優(yōu)于高點(diǎn)監(jiān)控畫質(zhì)。而采用4G通訊時(shí)，二者均卡頓嚴(yán)重，肉眼則無法辨別影像法測流畫質(zhì)優(yōu)于高點(diǎn)監(jiān)控畫質(zhì)。

2.3 5G在智慧水文系統(tǒng)中的應(yīng)用

5G+智慧水文視頻監(jiān)控系統(tǒng)用戶通過PC端可以查看到河道水位、流量、降水量、蒸發(fā)、水質(zhì)、含沙量、水溫、岸溫、干旱、等要素，合并了地圖、視頻監(jiān)控、VR全景、預(yù)警監(jiān)測、科普宣傳及贛州水文站網(wǎng)監(jiān)測展示與查詢系統(tǒng)等功能，正在合并其他水文服務(wù)功能。在使用傳統(tǒng)無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)速率慢、視頻加載延時(shí)明顯、經(jīng)常出現(xiàn)馬賽克或斷連現(xiàn)象，清晰度感官性差等問題，視頻監(jiān)控不能完全實(shí)時(shí)。5G時(shí)代的視頻監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)全高清流暢監(jiān)控，5G網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬和低延時(shí)的優(yōu)越特性能夠保障水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集信息、高清視頻實(shí)時(shí)回傳。

3 基于5G的智慧水文需求模型

5G在贛州信豐(二)水文站的應(yīng)用情況表明5G技術(shù)在高清視頻監(jiān)控、水文要素采集、軟件系統(tǒng)等方面較現(xiàn)有通訊技術(shù)具有優(yōu)勢，其高速率、低延時(shí)等特點(diǎn)體現(xiàn)較明顯，5G在水文行業(yè)應(yīng)用前景廣闊，水文對5G通訊技術(shù)的需求體現(xiàn)在多方面。

3.1 水文監(jiān)測對5G通訊技術(shù)的需求

水文自動(dòng)監(jiān)測需要一個(gè)可靠性高、速率高、容量大的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。隨著水文信息化發(fā)展，水文自動(dòng)監(jiān)測由水位、雨量等簡單參數(shù)的監(jiān)測向全要素、多方位方向發(fā)展。監(jiān)測要素自動(dòng)監(jiān)測的不斷增加及水文服務(wù)要求地不斷提高，特別是針對較大體量、要求低延時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，4G傳輸已不能滿足要求，而5G卻是優(yōu)勢所在。基于5G的自動(dòng)監(jiān)測在提升水文要素信息采集能力的同時(shí)應(yīng)注意數(shù)據(jù)監(jiān)管，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及安全是5G+智慧水文的重要保障。

3.2 技術(shù)及設(shè)備對5G通訊技術(shù)的需求

水文現(xiàn)代化的推進(jìn)少不了先進(jìn)技術(shù)和新儀器設(shè)備的支撐。先進(jìn)技術(shù)手段和儀器設(shè)備需要兼容性強(qiáng)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，不同的設(shè)備儀器對通信網(wǎng)絡(luò)的要求不同，有的需要可靠性高，有的需要延時(shí)低，有的需要高帶寬。若瞬時(shí)測量數(shù)據(jù)量大且需要不斷校正，而儀器本身卻不具備大數(shù)據(jù)量計(jì)算能力，這種水文儀器設(shè)備則需要5G來支撐其使用。例如贛州有3處影像法測流站點(diǎn)、43處視頻水位監(jiān)控站點(diǎn)。視頻水位監(jiān)控站點(diǎn)全部采用DH-NVR41H-4G攝像機(jī)，采用大華DH-SD-6A9286U球機(jī)30處(含合并使用大華DH-IPC-HFW4329S-K2槍機(jī)13處)，大華DH-SD2968-GN球機(jī)13處。采用4G通訊27處，采用4G通訊與寬帶聯(lián)合9處，單獨(dú)采用寬帶7處。這些設(shè)備就要求通訊網(wǎng)絡(luò)擁有高帶寬和低延時(shí)，而5G恰好同時(shí)擁有這些特點(diǎn)。

3.3 視頻監(jiān)控對5G通訊技術(shù)的需求

視頻監(jiān)控配合識(shí)別算法需要連接便利、易于維護(hù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)。目前高清圖像和視頻大部分采用的是傳統(tǒng)有線接入，而5G具有的高速率和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)鋪線成本高、后期維護(hù)難的問題。例如贛州20處高點(diǎn)監(jiān)控站點(diǎn)中，使用寬帶傳輸19處，4G、寬帶、5G聯(lián)合1處(試點(diǎn)站信豐(二)水文站)，20處高點(diǎn)監(jiān)控站均位于城鎮(zhèn)區(qū)域，偏遠(yuǎn)地區(qū)的站點(diǎn)有線接入困難且成本高，維護(hù)困難，4G無線通訊又不能滿足通訊需求，故暫未建設(shè)。高點(diǎn)監(jiān)控是實(shí)時(shí)掌握江河水清、河堤安全、環(huán)境監(jiān)控、山洪監(jiān)視的重要手段，若有5G覆蓋，則偏遠(yuǎn)地區(qū)則有實(shí)現(xiàn)高點(diǎn)監(jiān)控的可能。

3.4 軟件系統(tǒng)對5G通訊技術(shù)的需求

軟件系統(tǒng)既作為水文的應(yīng)用又可對水文某些功能進(jìn)行支撐，需要5G技術(shù)的加持。例如水文情報(bào)預(yù)報(bào)領(lǐng)域常用的洪水自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)、水文站實(shí)時(shí)監(jiān)測展示與查詢等，應(yīng)用的是遙測、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)遙測站點(diǎn)的降水量、水位、流量等水文要素的自動(dòng)采集、傳輸、處理[14]，以實(shí)現(xiàn)不同功能的軟件系統(tǒng)。若5G技術(shù)應(yīng)用，則可考慮集成為水文業(yè)務(wù)綜合系統(tǒng)。對于大型綜合系統(tǒng)，可采用主、備雙信道混合組網(wǎng)模式，在有5G移動(dòng)信號(hào)覆蓋的區(qū)域里的站點(diǎn)可采用5G主信道、GSM/4G備信道，無5G信號(hào)覆蓋區(qū)域的站點(diǎn)則采用GSM/4G主信道、衛(wèi)星備信道方式組網(wǎng)，保持主信道持續(xù)在線，備用信道隨時(shí)待命。隨著5G應(yīng)用越來越廣泛，通信終端(DTU，Data Transfer unit)將朝著向下兼容其他信道的5G DTU方向發(fā)展，DTU預(yù)期可承載5G與其他信道形成雙網(wǎng)絡(luò)通信或多網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)。

3.5 水文服務(wù)對5G通訊技術(shù)的需求

利用5G對水文服務(wù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升，以基于5G技術(shù)發(fā)展的硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)支撐包括防汛抗旱、應(yīng)急搶險(xiǎn)、無人機(jī)巡河、城市水文、縣域水文、海綿城市、水源保護(hù)等各類水文服務(wù)，是水文依托5G發(fā)展的關(guān)鍵。水文服務(wù)是水文價(jià)值的體現(xiàn)，水文服務(wù)向智慧化邁進(jìn)是必然的，依托于5G技術(shù)能更好的實(shí)現(xiàn)水文服務(wù)現(xiàn)代化。

3.6 其他拓展應(yīng)用對5G通訊技術(shù)的需求

拓展更多應(yīng)用，增強(qiáng)水文行業(yè)管理。發(fā)展水文物聯(lián)網(wǎng)，屆時(shí)將車輛、水文重要資產(chǎn)、水文專業(yè)儀器設(shè)備等的動(dòng)態(tài)管理納入5G物聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測車輛的運(yùn)行軌跡、油耗情況、安全行駛進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對重要資產(chǎn)物資進(jìn)行使用跟蹤、存放跟蹤、報(bào)廢跟蹤；對水文專業(yè)儀器設(shè)備進(jìn)行使用情況、送檢年限、設(shè)備去向等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。推進(jìn)水文水資源管理、水文經(jīng)濟(jì)管理、水文人才管理等標(biāo)準(zhǔn)化，依托大數(shù)據(jù)收集、模擬、分析，制定更加科學(xué)、完善的發(fā)展規(guī)劃、發(fā)展策略[15]。雖然拓展業(yè)務(wù)暫時(shí)還沒有很好的在水文中應(yīng)用，但水文現(xiàn)代化的未來可往此方向發(fā)展。

3.7 基于5G的水文需求模型構(gòu)建

基于以上關(guān)于5G的需求點(diǎn)的分析，建立需求點(diǎn)之間的聯(lián)系，鋪設(shè)各需求點(diǎn)在模型中的架構(gòu)，構(gòu)建5G+智慧水文需求模型。水文監(jiān)測與視頻監(jiān)控負(fù)責(zé)各數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)監(jiān)管負(fù)責(zé)存儲(chǔ)二者采集的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)安全保障。水文服務(wù)與系統(tǒng)軟件均為智慧水文的應(yīng)用項(xiàng)目，不同的是軟件系統(tǒng)與硬件設(shè)施同作為水文服務(wù)的支撐。，另外實(shí)現(xiàn)智慧水文有拓展水文物聯(lián)、水文管理等方面應(yīng)用的需求。智慧水文的實(shí)現(xiàn)，需要離不開人工智能的支撐及云計(jì)算對數(shù)據(jù)的調(diào)用。水文對5G技術(shù)的需求模型見圖1。

圖1 水文對5G技術(shù)的需求模型

4 5G在水文中的應(yīng)用困境

5G技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)水文事業(yè)由數(shù)字水文向智慧水文發(fā)展。智慧水文和5G技術(shù)的有力結(jié)合，必將使水文工作在信息采集、數(shù)據(jù)監(jiān)管、工程安全、水文服務(wù)、管理水平等方面取得質(zhì)的飛躍。雖然水文對5G的需求廣泛，但5G成熟運(yùn)用于水文行業(yè)支撐智慧水文的發(fā)展還面臨較多的挑戰(zhàn)，主要在于以下方面。

a)5G支持設(shè)備工業(yè)化程度低。目前遙測站大多采用傳統(tǒng)通信組網(wǎng)方式，換代慢，基于5G的遙測站設(shè)備配件尚處研究開發(fā)階段，暫無批量生產(chǎn)。

b)5G產(chǎn)品及支持設(shè)備成本高。一是5G商用在水文行業(yè)尚不普及，業(yè)務(wù)模式尚不成熟，運(yùn)營收費(fèi)必然較高。二是5G支持設(shè)備成本高，目前工業(yè)級(jí)的5G DTU尚處于研發(fā)階段，研發(fā)成本較高，此外還需考慮支持超高清視頻處理的RTU研發(fā)周期及設(shè)備成本問題。

c)5G信號(hào)覆蓋不均范圍較小。人口集中的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)5G覆蓋較全面，但大部分山區(qū)等偏遠(yuǎn)區(qū)域尚未覆蓋，而大量遙測站點(diǎn)部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)，雖然已有5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的方案和試驗(yàn)成功的報(bào)道[16-17]，但偏遠(yuǎn)地區(qū)5G信號(hào)覆蓋難度依然很大。因此建議采用不同地區(qū)視情況分別采用5G和其他通信方式混合組網(wǎng)。

d)人才團(tuán)隊(duì)建設(shè)還需加強(qiáng)。新時(shí)代智慧水文較傳統(tǒng)水文在工作側(cè)重、監(jiān)測方式、服務(wù)方向、管理模式等多方面均有很大差別及更高的要求，新一代迎合5G時(shí)代的水文信息化人才和團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)面臨挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語

依托贛州信豐(二)水文站以視屏監(jiān)控、水文要素采集、軟件系統(tǒng)三方面進(jìn)行分析，通過對比5G與目前水文行業(yè)內(nèi)使用廣泛的4G，發(fā)現(xiàn)在傳輸大容量數(shù)據(jù)時(shí)5G的高速率、低延時(shí)性明顯高于4G。水文對5G的需求主要體現(xiàn)在水文監(jiān)測、設(shè)備技術(shù)、視頻監(jiān)控、軟件系統(tǒng)、水文服務(wù)及水文物聯(lián)網(wǎng)、水文管理等其他可拓展業(yè)務(wù)方面。在5G技術(shù)的支撐下必將使水文工作在信息采集、數(shù)據(jù)監(jiān)管、水文安全、水文服務(wù)、管理水平等方面取得質(zhì)的飛躍。下一步研究重點(diǎn)可放在解決5G要在水文成熟運(yùn)用面臨的支持設(shè)備工業(yè)化程度低、成本高、信號(hào)覆蓋小及人才團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)等問題上。