金華安地灌區物聯網感知體系規劃和實踐

范翠翠，鄭 雷，廖宗方

（金華市梅溪流域管理中心,浙江 金華 321000）

0 引言

灌區是一個具有很強社會性質的半人工的生態體系，它是依靠自然環境提供的光、熱、土壤資源，加上人為選擇的作物和安排的作物種植比例等人工調控手段組成的[1]。從楚相孫叔敖主持興建我國第一個蓄水灌溉工程芍陂以來，在漫長的農業社會發展歷史征程中，灌區以其良好的農業生產條件，為歷代統治者成就霸業，治國安邦發揮了重要作用。在加快進入工業化社會，建設社會主義和諧社會新的發展時期，灌區以其突出的灌排優勢和服務功能，在保障國家糧食安全方面發揮著特殊的作用[2]。

水利部黨組書記、部長李國英在2021年3月22日的《人民日報》發表題為《深入貫徹新發展理念 推進水資源集約安全利用》的署名文章中強調堅持科技引領和數字賦能，提高水資源智慧管理水平。浙江省水利[3]資源相對豐富，但存在人均占有量少、空間分布不均勻、時段分布不均勻等“先天”缺陷，依然是一個缺水的省份。金華市水資源時空分布不均，水資源季節性缺水嚴重，制約著灌區經濟的整體發展，目前主要依靠人工經驗進行水資源調度，水資源調度、閘門管理缺乏科學、高效的決策支持手段[4]。因此亟需利用信息化手段來管理，提出安地灌區的物聯網感知體系來優化水資源配置，實現優化選擇灌區水資源在不同時空條件下的配水方案，統籌協調解決灌區生產和生態用水之間、上下游不同灌片之間的用水矛盾，從而實現灌區水資源優化配置、合理調度、規范利用的水管理目標。

1 感知體系建設原則

安地灌區的物聯網感知體系在建設[5]實施過程中應遵循標準、兼容、安全、穩定、易用、可擴展、實時高效、集約建設、資源共享等原則[6]。以相關標準規范為依據，利用當前先進的科學技術成果，選用成熟可靠的設備和模型進行安地灌區的物聯網感知體系建設，同時規范施工過程。規劃主要體現以下幾個原則：

（1）先進性

在安地灌區的物聯網感知體系規劃時充分利用現代信息化科技的發展成果，把物聯網、云計算、移動互聯網等技術廣泛應用在水利數據采集、工程運行管理等業務體系中，項目建成后達到國內先進水平。

（2）可靠性

安地灌區的物聯網感知體系規劃時選用行業優秀品牌的設備，全部設備和軟件體系平均無故障時間（MTBF）達到國家和行業標準，同時提供良好的

服務，及時響應，及時排除體系故障，保障體系運行安全可靠。

（3）擴展性

安地灌區的物聯網感知體系各采集設備選型采用模塊化設計的產品，各功能單元維修、替換、擴充的實現方便快捷。應用軟件采用的結構和程序模塊化構造，充分考慮使之獲得較好的可維護性和可移植性，并同時考慮業主單位、地方水利體系等相關體系的數據共享。

（4）完整性

充分分析當前安地灌區自動化、信息化體系設施，建設安地灌區的物聯網感知體系，使體系建設滿足管理單位領導、業務管理等人員的運行管理要求，做到不缺項，保障體系完整。

（5）安全性

安地灌區的物聯網感知體系數據大多直接關系到調度安全，體系建設使用操作權限控制、設備鑰匙等多種手段防止體系數據被竊取。體系的設備都應嚴格執行國家、行業的有關標準的要求，貫徹質量條例，保證惡劣環境下和突發事故情況下體系的可靠運行。

2 體系整體結構設計

如圖1所示，為安地灌區物聯網感知體系的結構圖，包括底層硬件設備，數據通信、數據清洗、存儲與開放。其中底層硬件包括水情流量感知設備、土壤墑度感知設備、水質感知設備、雨量感知設備、視頻監視設備，數據通信，采用有線網與無線網相結合、自建與租用相結合、內網專網與外網相補充的方式。數據清洗、存儲與開發是對數據進一步處理形成分析結果，從而共同構成形成新型的一體化的自動感知體系。

圖1 體系整體結構圖

3 體系建設與實現

3.1 底層硬件選型

底層硬件設備主要包括水情流量感知設備、土壤墑度感知設備、水質感知設備、雨量感知設備、視頻監視設備。其中：

（1）水情流量感知設備

由雷達水位計（管道流量計）、無線遙測終端、太陽能供電體系、無線傳輸網絡等組成。該設備具有流量測量功能。水情流量感知設備以遙測站和通信網絡為核心，向下提供傳感器信號接口，向上提供數據接口，將分散的裝置構成一套遙測設備。遙測站裝備有太陽能電池板和蓄電池，可在無人干預的情況下連續工作7天，整個設備完整可靠。因此需要選擇量程范圍0～70 m、頻率范圍26 GHz、精度量程70 m、信號輸出RS485的設備。

（2）水質感知設備

具有實時快速監測地表水水質變化情況的功能。該設備包含多種水質傳感器（其中包括：水溫、酸堿度pH、電導率、溶解氧、濁度、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮）、能夠在線控制、自動取水、實時監測以及智能分析監測數據的功能。當水質感知設備運作時，分布于各監測斷面的監測站全自動運行，對現場水質進行實時監測并記錄水質的變化，通過專用的通信設備，將監測數據上傳至云服務器，從而實現遠程監控功能。數據采集傳輸單元采集在線監測體系的監測數據信息，然后通過傳輸4G網絡將數據、狀態傳輸到控制中心，同時控制中心通過傳輸網絡發送控制命令，數據采集傳輸單元根據命令控制在線監測體系工作。因此需要選用精度等級±0.5%R、公稱壓力1.6 MPa、量程比10∶01的設備。

（3）雨量感知設備

具有雨量數據的監測采集的功能。首先，該設備采用GPRS無線網絡進行通信，即發送雨情信息到標準化管理信息中心云平臺，實現雨情信息互聯互通。同時該設備采用蓄電池組供電、太陽能電池浮充的供電方式，既能保證正常供電，又可簡化設備結構。因此選擇設備應符合測量范圍0～0.5～3 m、輸出型號（4～20 mA、0～5 VDC、0～10 VDC）的標準，用于提高灌區內雨量采集工作精度。

（4）視頻監視設備

具有智能監控功能。該設備包括網絡高清攝像機和良好的人機交互界面，可在渠道敏感斷面、主要建筑物（渡槽、水閘、涵洞）等處，監視工程運行情況和安防管理。因此需要選用主控站工控機設備濕度10%～80%、溫度5℃～35℃，LCU設備濕度10%～95%、溫度-5℃～50℃，噪聲小于60 dB，在振動 5～200 Hz時，加速度不超過5 m/s2的條件下可以長期運行的設備。

（5）土壤墑情監測設備

具有長時間連續監測土壤墑情（土壤濕度）的功能。該設備利用電磁脈沖原理、根據電磁波在介質中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數，從而得到土壤相對含水量。土壤水分超過預先設定的限值時，立刻上報告警信息。因此需選用符合溫度精度±0.5℃、水分精度（0～50%內±2%、50%～100%內±3%）、水分量程0～100%、內核芯片耐熱＞70℃的設備。

3.2 數據通信網絡

灌區通信網絡的建設中我們將數據傳輸的“高速公路”鋪設到每一個信息節點，實現“最后一公里”的數據傳輸，從而能夠充分滿足當前及今后一段時間內信息的高速、穩定傳輸要求，為數據互通、共享和實時互動提供可靠通道。如圖2所示，底層硬件感知監測數據，可以通過以太網、GPRS、4/5G等通信方式，實現將匯聚后的感知數據，以約定的接口標準、更新頻率和安全認證方式將數據上報到基礎數據庫。

圖2 數據通信結構圖

在接口協議方面，本體系采用HTTPS協議，HTTPS是基于HTTP協議，通過SSL提供加密處理數據、驗證對方身份以及數據完整性保護的一種協議。接口協議中監測項目類型包括庫水位、水平位移、振弦、繞壩滲流、壩體滲流、溫度、電流、沉降、擾度、水平位移、接縫、應變、電壓、傾斜、揚壓力、電阻、位移基點、應力等。同時，我們將制定各類項目在各個階段的感知數據上報頻次要求，并視項目感知數據上報達標情況進行統計分析和自動預警。同時在數據接入認證規范方面，其主要涵蓋開戶申請、密鑰密匙生成以及鏈接認證三個部分，即通過規范數據接入認證方式，實現對接口調用方身份識別，保障數據的安全。

3.3 數據清洗存儲

在數據清洗方面，本體系首先利用ETL抽取將數據從各類數據源中抽取出來，進行數據間的關系梳理，建立數據信息聯系，然后對數據進行清理，把重復或錯誤數據剔除，如果數據信息錯誤則返回重新進行信息抽取，反之則進行下一步的信息轉換，這一步主要是對數據去冗余、消除同名異義和異名同義現象一致性檢查等數據的進一步清洗和轉換功能。經過轉換的信息通過信息的校核與審查，如果通過審查，信息準確且滿足標準則對數據進行匯總然后存入基礎信息數據庫，如果信息審查沒通過則要對未通過審查的數據進行重新校核直至通過審查后匯總、存儲，實現基礎信息整合后的管理，并對外提供數據共享和使用服務。

在數據存儲方面，本體系按照統一的數據框架、統一的信息分類編碼體系、統一的信息資源目錄體系、統一的面向對象數據組織的基本原則進行設計。同時我們通過分析數據關系，理清數據需求，建立表1所示的基礎數據庫為統一的數據模型設計和按需定制的數據共享機制提供支撐。該基礎數據庫主要包含水利基礎對象數據、數據字典、空間數據。水利基礎對象數據主要包括涉水水利基礎對象數據和水利基礎對象之間的關系。數據字典主要是對水文、山洪等業務的字典數據。同時該數據庫支持多時相、多精度的水利對象數據的存儲管理，支持數據的持續更新與歷史回溯，將以往“數據割裂、管理脫節”的流程，升級為“數據統一管理、審批無縫銜接、更新一體聯動”的新模式。

表1 基礎數據庫存儲內容

3.4 數據開放共享

數據開放共享面向上級業務主管部門及第三方數字化承建單位開放數據訪問服務，第三方單位數據訪問需提交數據接入申請，根據質量管理規則實施數據質量稽核和通過審批，通過后即完成數據訪問服務授權，從而面向授權用戶提供高質量的數據訪問服務。

根據數據應用的時效性、交互性、數據量等需求，平臺提供3種數據開放服務：(1) 對實時性要求較高的訪問，提供交互式查詢服務接口，基于關系型數據庫存儲數據實時返回查詢結果，滿足業務應用或業務中臺的交互式查詢需求；(2)對實時性要求不高的訪問，提供非交互式查詢服務接口，基于大數據平臺通過數據推送服務返回批量離線數據，滿足匯總統計、報表展示等非交互式查詢需求；(3) 對大量歷史數據的訪問，提供數據庫同步服務，通過配置數據同步調度任務，完成數據的定時批量推送。

4 結束語

灌區物聯感知體系的持續性、擴展性和兼容性建設是數字灌區建設的基礎和難題，本文提出建設安地灌區物聯網感知體系，該體系具有物聯網設備標準、數據通信、數據清洗和數據開發等功能，同時底層硬件設備能夠對水情流量、水質、雨量、土壤墑度等各項指標進行監測，實現跨區域、行業交換和共享，物聯網感知體系建設有助于安地灌區有效利用物聯感知設備，持續建設數字灌區，大大提高灌區水資源管理水平。