泛在智慧水利低成本建設方案

孫迎松，程小娟

（1.山東調水工程運行維護中心煙臺分中心，山東 煙臺 264000；2.天津水科機電有限公司，天津 301900）

1 引言

隨著物聯網信息通信技術的不斷發展，傳統的產業形態也在不斷地發生變革，大量的新技術、新模式和新產品的應用，推動了產業數字經濟快速發展。對物聯網發展前景的普遍看好和政府、企業的戰略性投入，推動物聯網迅速進入以“端-邊-管-云”一體化布局為模式的生態構建新階段。

泛在智慧水利低成本解決方案是借助泛在低成本物聯網+機器視覺+AI+智慧水利應用平臺，實現低成本、物聯網廣域覆蓋、豐富的物聯網監測應用、可視化大數據分析、AI 賦能、基于大數據系統的智能輔助決策等，構建的“物聯感知、互聯互通、科學決策、智能管理”的智慧水利建設方案。能夠實現水資源綜合監測、土壤墑情監測、江河湖泊水利設施監控、機房動環監控、智慧配電房監控、城市供水管網監測、農業節水灌溉應用、城鎮用水調節管控、工業用水及排污水質監測、水利水文、旱澇、地質等災害在線監測、預警及專家系統等應用。

2 LoRa 無線通信技術

LoRa 是”Long Rang”的意思，是一種低功耗長距離無線通信技術，主要面向物聯網（IoT）或 M2M等應用，是低功耗廣域網（LPWAN）一種重要的無線傳輸技術。采用擴頻調制來建立遠距離傳輸鏈路。傳統的無線傳輸方式使用（FSK）頻移鍵控調制作為物理層，這種調制方式大大的降低了功耗。而LoRa采用線性調頻擴頻調制方式，它不僅保持FSK 調制低功耗特性，同時增加了無線通信距離。由于線性擴頻技術的長距離傳輸和抗干擾性強等優點，廣泛應用在軍事領域和空間通信領域，而LoRa 技術是首個用于商業用途的低成本實現。

LoRa 技術的優勢是遠距離傳輸能力。LoRa 解調信噪比達到-20 dB 的信號，遠高于傳統（FSK）技術，其覆蓋可達到數百平方公里范圍。通常無線傳輸距離受環境或障礙物影響很大，惡略的環境或混凝土建筑都會降低無線傳輸距離，但LoRa 和LoRaWAN 的鏈路預算優于其他任何標準化的通信技術。LoRa 無線技術主要優點體現在以下幾方面：

（1）遠距離：在空曠地區傳輸距離可以高達20 km以上，甚至更遠。

（2）抗干擾：在接近城市的郊區傳輸距離也能達到10～15 km，穿透能力更強，受建筑物影響更小。

（3）低成本：不需要額外的頻譜費用，模塊成本低，通過簡單搭建部署以后就可使用，也不需要后續的運營費用。

（4）低功耗：LoRaWAN 協議專門為低功耗而開發，電池壽命可達多年。

3 泛在智慧水利解決方案研究

泛在智慧水利低成本解決方案突破傳統模式下組網復雜、建設及運營投資高昂、應用簡單、只能在局部或小范圍應用的水利、水文、地質災害物聯網監測限制，通過技術創新實現了基礎設施資源薄弱條件下的智慧水利低成本物聯網建設，構建端-邊-管-云和人-機-料-物-環，結合業界領先的水利、水文、地質等災害在線監測、預警及專家輔助決策系統。泛在智慧水利低成本解決方案主要內容有：

（1）低成本泛在物聯網傳輸網絡應用

基于LoRa 無線泛在物聯網，實現了低成本建設，減少了運營費用的投資，在水系全流域網絡廣泛覆蓋中10 年運營投資折算下來每公里僅2 000 元，在大面積水利行業物聯網傳輸網絡廣泛覆蓋折算下來每公里僅1 000 元。

（2）供電困難條件下的低成本智慧水利物聯網監控應用

基于LoRa 泛在連接網的智慧水利物聯網監控系統具有靈活組態，應用形式豐富多樣，所有變送器、傳感器等裝置都支持電池或太陽能供電，適應在河流、山區等供電困難條件下的智慧水利場景應用。

（3）泛在智慧水利解決方案的應用

泛在智慧水利低成本解決方案可應用于水位信息、水質信息、流速信息、溫度信息、土壤信息、蒸發信息等水文監測；水質信息、水土保持、排污口等水環境監測；水庫、閘門、泵站、大壩、堤防、取水口等工程運行監控；崩塌、滑坡、泥石流等地質災害監測；基于物聯網、大數據、云計算、AI、信息整合等給災害研究、防治與預警、決策提供科學智慧的手段與工具的智慧水利應用平臺；基于泛在物聯網的人員定位、設備資產管理等。助力水利、水文及地質災害實現全面的數字化管理轉型。提高智能化管理水平。

4 泛在智慧水利低成本建設方案

泛在智慧水利低成本建設方案是基于物聯網理念的信息化解決方案，其核心就是把傳感器嵌入或裝備到水資源、水文、水利設施中，并且被普遍連接，形成“感知物聯網”，然后利用云計算、大數據、人工智能等技術，通過全面感知、無線通信、自主診斷、場景應用等方面的結合，構建成全方位的水體生命周期管理系統，實現政府管理機構、企業和個體與水物理系統的整合。基于LoRa 通信的智慧水利物聯網解決方案選用可規模化部署、低功耗、低成本、高穩定性的一系列智能監測設備，通過LoRa 無線網絡，在無需布線的情況下，快速實現物聯網系統的部署，實現表計遠程集抄，壓力、液位、流量等參數的監測，井蓋安全監測，河流河道水質監測，水文雨情監測，泵站閘站監控等。泛在智慧水利低成本建設方案如圖1 所示。

圖1 泛在智慧水利低成本建設方案

為了解決LoRa 通信帶寬不足的缺點，泛在智慧水利低成本建設方案以LoRa 通信為主，靈活結合NB-IoT、4G、5G 或光纖網絡，構建寬窄帶一體的泛在智慧水利通信傳輸網絡系統。針對存量和行業特殊傳感器，利用通用傳感器連接器，實現上千種各種傳感器、執行器的快速接入。通用傳感器連接器具有數據采集（類PLC）、自供能、DTU 和野外環境使用的高防護功能。一體化集成的設計簡化了設備、降低了成本，能夠適配智慧水利絕大多數的應用場景。針對智慧水利日常巡檢管理、外包隊伍施工作業監管、野外資產防盜防破壞保護等需求，支持GPS+藍牙定位方案，解決智慧水利現場室內、室外場景的人員及資產定位需求。

基于LoRa 通信的智慧水利物聯網終端可以使用鋰電池或簡單太陽能裝置供電，使用電池供電的可連續使用2 年以上，電池電量耗盡后可更換電池繼續使用，支持低電量告警。自供能的終端每幾分鐘定時采集一次數據，固定周期上報自己的工作狀態和采集參數，當監測到報警狀態時，立即自動發送報警信息。自供能終端支持監測頻率可調，易安裝、低功耗，完全滿足智慧水利低成本建設的需要。以汛期河流水位監測應用裝置為例，系統工作原理如圖2 所示，通過在河流堤壩旁處安裝一臺自供能水位監測裝置，非汛期8 h 采集一次數據，汛期每15 min 采集一次江面水位數據，數據通過LoRa 采集箱傳送到LoRa 基站，最終在應用端顯示和生成曲線，便于管理人員隨時查看水位數據并及時做出應急處理預案。

圖2 自供能水位監測裝置工作原理

在水利信息化中視頻監控傳輸水利圖像的功能起到重要作用，真實地反映水文情況。目前在水文監測中視頻監控技術主要停留在模擬視頻監控技術，僅僅是對現場水情、雨情等圖像視頻采集錄像與傳輸存儲。這種視頻監控系統著重硬件信息的采集，而沒有建立硬件之間的映射關系。沒有發揮出視頻圖像信息的內部價值。泛在智慧水利建設方案采用機器視覺和物聯網技術，將人工智能的機器視覺技術引入到水利物聯網監測中，首次將物聯網技術、機器人視覺、人工智能等技術應用到水利行業的相關視頻監控系統中，對物聯網數據和圖像信息分析融合，建立一種可視化的操作終端，通過在水文監測地區、大型水庫安裝實時監控設備和數據傳感器，即可對可能或正在發生的汛情、險情、災情及水體污染進行動態監視和分析報警，充分發揮人工智能技術在水利信息化中的作用，形成監測及決策支持系統。

針對水利管理部門已建的智慧水利孤島系統，泛在智慧水利低成本建設方案可實現集成及被集成，實現技術資產的最大化利用。

5 結語

泛在智慧水利低成本建設方案采用LoRa 無線通信，傳輸距離遠、覆蓋范圍廣、穿透能力強，可以實現快速、低成本的網絡部署和業務應用；通用傳感器連接器具備多種供電方式、多種工業標準接口，可靈活接入智慧水利各類傳感器，適配各種各樣的智慧水務碎片化的物聯網應用場景；通過低成本泛在網絡、簡化設備部署的自供能傳感器終端等創新技術應用，實現了通信網絡、供電等基礎設施資源薄弱條件下的智慧水利低成本建設；智慧水利云平臺具有超強的PaaS 能力，功能完善，API 接口開放，可與多方設備無縫對接。同時，可以通過Web 平臺、手機APP、短信、電話等方式立體報警，將各種警情信息及時推送給相關人員。

泛在智慧水利低成本建設方案將使水利管理部門獲取高精度、高價值和多維度的大規模水利數據，通過構建各部門、各行業的信息互聯互通，實現數據融合，可充分釋放數據價值，刺激綜合應用，掌握行業規律，提升社會治理的效率和民生服務質量。

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