溫州龍舟運動基地物聯(lián)網(wǎng)感知匯聚體系的設(shè)計與建設(shè)

林玉龍

（溫州市甌海中心區(qū)建設(shè)中心，浙江 溫州 325014）

1 基本概況

溫州龍舟運動基地位于溫州市甌海區(qū)中心區(qū)，是2022杭州亞運會龍舟運動競賽基地，以創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念為引領(lǐng)進行建設(shè)。龍舟賽道長約1 200 m，寬約130 m，河底高程-0.6 m，龍舟賽道護岸總長約2.4 km，圍繞著龍舟賽事水域，周邊共有7條河道與之相連，分別為長浹支河北段、長浹河北段、半塘河北段、沉木橋河支流、長浹河南段、長浹支河南段、前后渡河，護岸總長約4.5 km。河道總體情況布置如圖1所示。

圖1 周邊河道分布圖

溫州龍舟運動基地建設(shè)于溫州沿海城市，汛期臺風(fēng)暴雨對基地的威脅需要重點關(guān)注。目前該基地雖然已承載過全運會的召開，各個硬件設(shè)施運行情況良好，但是由于建設(shè)周期較短，水情、雨情、工情以及臺風(fēng)影響數(shù)據(jù)尚未采集、匯集與分析管理，防汛安全管理比較薄弱[1]。為了迎接即將到來的亞運會，加強溫州龍舟運動基地在汛期的安全，急需建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)感知體系，對水利防汛數(shù)據(jù)進行采集分析及軟件的研發(fā)工作。本文重點論述溫州龍舟運動基地物聯(lián)網(wǎng)感知匯聚體系的設(shè)計與實踐。

2 方案設(shè)計

本次設(shè)計總體上分為物聯(lián)網(wǎng)感知體系、網(wǎng)絡(luò)傳輸和軟件平臺。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)感知體系

（1）水情數(shù)據(jù)采集

龍舟賽道基地中心現(xiàn)有一臺液位檢測裝置，數(shù)據(jù)直接上傳市水利部門，但目前現(xiàn)場沒有安裝液位自動采集裝置，現(xiàn)場液位無法傳送至基地中心，需要工作人員到現(xiàn)場進行觀測，給工作人員造成了極大的工作量。特別是在夜晚和汛期，給工作人員帶來一定的人身危險[2]。

本次設(shè)計在主要配水閘門5號閘門的上下游合適位置建設(shè)水情監(jiān)測站，系統(tǒng)采用雷達水位計進行水位采集，通過部署在本地的閘門遠(yuǎn)程控制柜進行數(shù)據(jù)采集，并上傳到控制中心展示。水位監(jiān)測系統(tǒng)由雷達水位計、現(xiàn)場LCU控制系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡(luò)等組成。安裝地點為5號水閘兩側(cè)。后期實施將在閘門兩側(cè)增加雷達液位計采集系統(tǒng)，就近接入5號閘站LCU控制系統(tǒng)。

（2）工情數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)地閘門及水泵均已實現(xiàn)了現(xiàn)地控制功能，為了方便后續(xù)工程運行以及提高工程運行效率，需要對閘門開度、流量、啟閉狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行匯聚采集。根據(jù)管理平臺的要求，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與匯聚軟件平臺的對接，為匯聚平臺提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）雨情數(shù)據(jù)匯聚

雨情數(shù)據(jù)采用甌海區(qū)水文站點數(shù)據(jù)，從溫州市水平臺及甌海區(qū)水平臺上共享數(shù)據(jù)。同時通過溫州氣象局共享降雨短臨預(yù)報數(shù)據(jù)，包括1 h 1 km網(wǎng)格數(shù)據(jù)，6 h 1 km網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及24 h 5 km網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

（4）視頻及AR全景圖

目前基地已經(jīng)建設(shè)成功了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將該系統(tǒng)接入?yún)R聚平臺，實現(xiàn)歸屬水利工程一張圖顯示攝像頭編號、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)等信息，同時拍攝基地全景圖，運用AR全景圖技術(shù)與視頻監(jiān)控有機融合，進行實景化展示，實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域立體化、層次化的監(jiān)控。

（5）語音廣播系統(tǒng)

結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)布置廣播預(yù)警系統(tǒng)，對重要渠道周圍群眾進行洪水預(yù)警，保障群眾生命財產(chǎn)安全，同時對賽道中心設(shè)備設(shè)施破壞行為發(fā)出警告。從休閑娛樂游玩出發(fā)，利用廣播預(yù)警系統(tǒng)進行輕音樂等背景音樂定時自動、循環(huán)播放，為賽道中心水文化節(jié)點及周圍營造休閑舒適的環(huán)境氛圍。

廣播預(yù)警站點布置在攝像頭附近，利用視頻網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸及交互，供電采用自控系統(tǒng)的電源，每1處閘站站點布置1臺網(wǎng)絡(luò)音柱，共計布置網(wǎng)絡(luò)音柱5臺，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可知，系統(tǒng)分為現(xiàn)地層、網(wǎng)絡(luò)層和中心層。

圖2 廣播預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1）現(xiàn)地層：利用視頻監(jiān)視系統(tǒng)立桿或路燈桿布置網(wǎng)絡(luò)音柱，每個網(wǎng)絡(luò)音柱播放范圍為半徑50 m的圓形區(qū)域；

2）網(wǎng)絡(luò)層：利用視頻監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)字音頻信號傳輸，無需再單獨布置網(wǎng)絡(luò)線路；

3）中心層：中心層布置廣播控制主機和網(wǎng)絡(luò)話筒，用于廣播系統(tǒng)的管理和遠(yuǎn)程喊話、背景音樂播放、信息傳播等功能。

（6）巡查系統(tǒng)

巡查養(yǎng)護是基地工作人員的重要職責(zé)，傳統(tǒng)巡查存在巡查與信息上報不及時的問題。本次將在各個閘門泵站貼物聯(lián)網(wǎng)卡和移動巡查儀，采用移動化巡查系統(tǒng)進行巡查，以確保工作值班人員在規(guī)定時間內(nèi)，不重不漏地完成工程巡查工作，對存在影響工程運行的隱患問題及時上報報警及閉環(huán)解決，同時通過GPS定位及物聯(lián)網(wǎng)卡記錄，能夠?qū)崟r記錄巡查軌跡。

（7）其他數(shù)據(jù)采集

其他數(shù)據(jù)如工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、賽道水質(zhì)數(shù)據(jù)、甌海區(qū)影響潮位數(shù)據(jù)、臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)、應(yīng)急公共數(shù)據(jù)等，將從其他平臺共享獲取。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計

本基地的內(nèi)系統(tǒng)使用的網(wǎng)絡(luò)為有線網(wǎng)絡(luò)，其中閘泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為控制網(wǎng)絡(luò)，語音預(yù)警系統(tǒng)為管理網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度中心既包含控制網(wǎng)絡(luò)也包含管理網(wǎng)絡(luò)。

為了確保系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定，參照GB/T 22239-2019《信息安全技術(shù)-網(wǎng)絡(luò)安全等級保護基本要求》的相關(guān)規(guī)定，控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)實現(xiàn)物理隔離[3]。

本次設(shè)計的內(nèi)控制網(wǎng)絡(luò)及管理網(wǎng)絡(luò)均采用自建光纖網(wǎng)絡(luò)，其中，閘泵站的控制信號對網(wǎng)絡(luò)帶寬需求較小，對網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性需求很高，對組網(wǎng)方式有較為嚴(yán)苛的要求。為了確保網(wǎng)絡(luò)安全及簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用控制網(wǎng)絡(luò)的規(guī)格來制定總體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)架構(gòu)，并在調(diào)度中心應(yīng)用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)隔離。

本次物聯(lián)網(wǎng)感知體系匯聚總體設(shè)計為：①水情數(shù)據(jù)和巡查數(shù)據(jù)采用以太互聯(lián)網(wǎng)直接采集到軟件平臺。②工情采集、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、語音廣播預(yù)警系統(tǒng)等數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)物理防火墻隔離后，通過工程師工作站與互聯(lián)網(wǎng)互通到軟件平臺[4]。③雨情數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、應(yīng)急數(shù)據(jù)以及其他潮位數(shù)據(jù)、臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)等已經(jīng)在云服務(wù)上，直接通過互聯(lián)網(wǎng)共享到軟件平臺。同時在軟件平臺的數(shù)據(jù)云服務(wù)上增加網(wǎng)絡(luò)安全防護體系，根據(jù)《網(wǎng)絡(luò)安全等級保護基本要求》，通過定級、備案、整改、測評、檢查等流程，對新建的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行評測，使其信息安全等級保護體系建設(shè)符合等保二級要求。

2.3 軟件平臺設(shè)計

研發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)感知體系匯聚的標(biāo)準(zhǔn)化防汛系統(tǒng)，其功能包括實時數(shù)據(jù)展示與分析、防汛預(yù)警預(yù)報、汛情檢查與管理、防汛工作管理、設(shè)備實施管理、綜合一張圖、全景圖以及數(shù)據(jù)庫管理、權(quán)限管理與配置等。

（1）實時數(shù)據(jù)展示與分析。實時數(shù)據(jù)展示與分析模塊具有對水位、閘門開度及啟閉狀態(tài)等的實時展示，異常情況分析，報警等功能。結(jié)合GIS地圖，將基地內(nèi)所有水雨情站點的信息進行展示，包括圖、表等形式，同時通過對每個站點的水雨情預(yù)警規(guī)則的制定，對水雨情信息進行實時判斷，超過閾值后發(fā)出預(yù)警。

（2）防汛預(yù)警預(yù)報。防汛預(yù)警預(yù)報模塊同步水利部門、氣象部門、應(yīng)急部門的數(shù)據(jù)，對暴雨、臺風(fēng)等進行預(yù)警預(yù)報，為人員和設(shè)備的安全撤離爭取時間。

（3）防汛救災(zāi)。對接應(yīng)急部門應(yīng)急資源信息，以文本、圖片、表格以及在電子地圖上標(biāo)識等方式顯示基地內(nèi)的救援倉庫、救援物資、隊員隊伍、避災(zāi)點的信息。

（4）汛情檢查與管理。汛情檢查與管理模塊包括水利部門要求的汛情檢查管理、巡查管理、日常檢查管理、特殊檢查管理、年度檢查管理等。

（5）防汛工作管理。防汛工作管理模塊包括汛期的防汛應(yīng)急方案、控制運行計劃、汛期值班等管理。

（6）綜合一張圖。綜合一張圖主要是為支撐各級應(yīng)用系統(tǒng)地圖應(yīng)用功能的軟件系統(tǒng)和應(yīng)用資源建設(shè)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供GIS功能構(gòu)件、開發(fā)模板、數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用配置體系等，在各級應(yīng)用系統(tǒng)中形成統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)和共享的GIS服務(wù)。支持地圖切片緩沖、地圖圖片輸出、實體查詢定位、屬性查詢等功能。

（7）數(shù)據(jù)集成云服務(wù)

在數(shù)據(jù)倉建成后，對接區(qū)政府?dāng)?shù)據(jù)倉，對于平臺產(chǎn)出與承接數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)共享服務(wù)與回流通道，連通省級數(shù)據(jù)倉與區(qū)政府?dāng)?shù)據(jù)倉，按區(qū)政府?dāng)?shù)據(jù)歸集標(biāo)準(zhǔn)將相關(guān)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)共享交換通道歸集至區(qū)政府?dāng)?shù)據(jù)倉中心[5]。本設(shè)計共享數(shù)據(jù)主要從溫州市大數(shù)據(jù)局、溫州市水利局、浙江省海洋預(yù)報中心和浙水安瀾數(shù)據(jù)中心匯集數(shù)據(jù)。按照浙江省浙水安瀾五統(tǒng)一和IRS平臺數(shù)據(jù)共享服務(wù)要求，需要相關(guān)單位協(xié)助對接數(shù)據(jù)，并由開發(fā)單位完成數(shù)據(jù)的集成。

3 建設(shè)實踐

（1）水情監(jiān)測。本次水位監(jiān)測系統(tǒng)使用的24 GHz雷達水位計，采用FMCW調(diào)頻連續(xù)波原理，2 GHz的掃頻帶寬能提供高達±2 mm的測量精度，最大量程70 m。具有高抗干擾能力，戶外無懼雨雪、霧氣、水汽等因素影響，能提供更加穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）工情數(shù)據(jù)采集。通過防火墻隔離，在上位機上進行采集。上位機的組態(tài)軟件提供了WebService服務(wù),通過組態(tài)軟件的KkingHtmlBridge控件，提供的數(shù)據(jù)接口與外部軟件平臺的JS腳本進行數(shù)據(jù)交互。

（3）語音廣播系統(tǒng)。IP廣播主機采用了軍工級工業(yè)電阻觸摸屏工控主機，可視角度可以達到170°×170°；支持IP廣播節(jié)目定時播放、自由點播、分區(qū)廣播、實時采播，支持消防聯(lián)動、單點報警和組區(qū)報警；支持Windows支持的所有音頻格式（MP3），不需要再配置MP3等音源軟件及設(shè)備。

（4）軟件平臺。軟件平臺在數(shù)據(jù)匯聚的基礎(chǔ)上，嵌入了基地水域水位預(yù)警預(yù)報模型、基地水域降雨預(yù)警預(yù)報模型、防汛物資搶險調(diào)度模型及各種管理分析模塊。具備集數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、模型計算、預(yù)警預(yù)報、搶險支持、日常管理、調(diào)度決策等功能[6]，本文限于篇幅，軟件的設(shè)計、開發(fā)以及模型場景應(yīng)用在此不作重點論述。

4 結(jié)束語

通過本次龍舟運動基地的物聯(lián)網(wǎng)感知體系的設(shè)計與實踐，得出如下幾點經(jīng)驗。

（1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了物聯(lián)網(wǎng)感知體系、網(wǎng)絡(luò)傳輸和軟件匯聚平臺的總體結(jié)構(gòu)，既保障了現(xiàn)有數(shù)據(jù)的接入和新建系統(tǒng)的多元異構(gòu)的融合，又將其他平臺的數(shù)據(jù)共享融通，符合浙江省數(shù)字化改革的要求。

（2）本次設(shè)計和實踐采用多種網(wǎng)絡(luò)匯聚融合，數(shù)據(jù)匯聚實現(xiàn)接口協(xié)議多元性。實現(xiàn)了水情數(shù)據(jù)、巡查數(shù)據(jù)等非控制數(shù)據(jù)的直接互聯(lián)網(wǎng)采集。實現(xiàn)了工情數(shù)據(jù)的物理隔離到工程師工作站的數(shù)據(jù)采集。實現(xiàn)了其他數(shù)據(jù)的云服務(wù)共享采集匯聚等。

（3）本次設(shè)計和建設(shè)充分考慮了控制網(wǎng)絡(luò)的安全，選擇了高性能的網(wǎng)絡(luò)硬件防火墻設(shè)備，而且云服務(wù)軟件滿足了國家等級保護2.0要求，建設(shè)了云安全防護系統(tǒng)。

（4）始終支持既高標(biāo)準(zhǔn)又充分節(jié)約的原則，充分利用已經(jīng)建設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及系統(tǒng)，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、雨情系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等，通過與建設(shè)單位溝通進行接口對接匯聚。同時將一些區(qū)水利局、市水利局、氣象部門、應(yīng)急部門等數(shù)據(jù)共享匯聚到平臺中。這些措施大大節(jié)約了整個系統(tǒng)的建設(shè)成本。

本次設(shè)計在實踐中取得了很好的效果，其經(jīng)驗值得同類項目的設(shè)計與實踐借鑒。