基于物联网的水文监测系统

晋美次旦 张红艳 班 莹

基于物联网的水文监测系统

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（1.西藏自治区水文水资源勘测局；西藏 拉萨 850000；2.水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012）

为进一步提高水文数据采集传感器的效率，提出了一种基于物联网的水文监测系统。该系统不仅整合了现有的各种传感器，提高了水文监测系统的智能化；也为更加及时、准确地监测洪峰流量、预报水情提供了保障。同时为水资源保护及其合理开发利用提供了重要的技术支撑；为防汛抗旱指挥调度提供了准确、及时的参考信息。

物联网；体系结构；水文监测系统

在水利系统，由于洪涝、干旱等自然灾害频繁发生，需要针对地域、地形和气候等复杂条件，建设覆盖主要江河湖泊的水文测报系统。以便于快速可靠地采集和传输水情、雨情等各类灾情信息，保障防灾、抗灾、救灾指挥信息的传达，最大限度地减少灾害损失。

“物联网”(Internet of Things),指的是将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。

近几年，水文监测系统发展速度明显加快，取得了显著的成效。但在取得成绩的同时，也显现了我国水文监测系统面临的一些突出困难和问题。主要体现在几个方面：①在基础建设过程中，缺乏统一的规划，造成智能化设施建设投资规模较小，影响了智能建设的整体规划和统一推进。②对于基础设施建设没有统一规划，存在一定的重复建设。③建设和管理过程中积累了大量的基础信息资源，但由于这些基础信息资源的网络化程度低，限制了信息资源的二次开发利用和深层次的综合加工处理，造成了信息资源的严重浪费。

利用物联网技术，将各类水文监测设备构成一张水文监测网络，实现M2M模式(man to man,man to machine,machine to machine)，从而构建一个基于物联网的水文监控系统。物联网应用为智能水文监测提供了更加广阔的发展空间。

1 物联网及其体系结构

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。目前多个国家都在花巨资进行深入研究，物联网是由多项信息技术融合而成的新型技术体系。

物联网顾名思义就是连接物品的网络，国际电信联盟(ITU)发布的ITU 互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

根据国际电信联盟(ITU)的定义，物联网主要解决物品与物品(Thing to Thing,T2T)，人与物品(Human to Thing,H2T)，人与人(Human to Human，H2H)之间的互连。但是与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接，从而使得物品连接更加地简化，而H2H是指人之间不依赖于PC而进行的互连。因为互联网并没有考虑到对于任何物品连接的问题，故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。

许多学者讨论物联网时，经常会引入一个M2M的概念,可以解释成为人到人(Man to Man)、人到机器(Man to Machine)、机器到机器(Machine to Machine)。但是，M2M的所有的解释并不仅限于能够解释物联网。同样，M2M这个概念在互联网汇总也已经得到了很好的阐释，就连人与人之间的互动，也已经通过第三方平台或者网络电视完成。人到机器的交互一直是人体工程学和人机界面等领域研究的主要课题，但是机器与机器之间的交互已经由互联网提供了最为成功的方案。从本质上讲,人与机器、机器与机器的交互，大部分是为了实现人与人之间的信息交互。

物联网架构可分为三层：感知层、网络层和应用层。

感知层由各种传感器构成，是物联网识别物体、采集信息的来源。主要包括温湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。

网络层由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户的接口，与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。

2 总体架构设计方案

物联网的核心理念是建立整个物理世界的感知网络，对整个物理世界进行实时控制、精确管理和科学决策。因此，根据水文监测系统的组成和特点，应用物联网的信息采集、传输和智能控制技术，制定配套的技术规范，探索构建一个安全、可靠、智能的基础水文监测感知网。

依据物联网的体系结构，水文监测网总体架构(见图1)分为3层：感知层、网络层、应用层。感知层主要包括各种传感器，如水位传感器、降雨传感器、六要素传感器等，主要负责数据的感知和采集。网络层主要数据的传输和对各传感器的控制。应用层主要负责对数据的整理、统计、分析、预警以及对各个传感器的调度、控制，主要包括实时水雨情监测系统、山洪灾害预警系统以及各级监控中心。

图1 结构层次图

2.1 感知层——数据采集层

感知层负责实时数据的采集，主要涉及到各个类型的传感器。最近几十年新兴技术的不断涌现，新技术的水文自动化传感器产品大量出现，包括水位、雨量、流速等。

（1）水位遥测站。水位遥测站是在无线传输情况下测量水库、河流、湖泊等的水位，监测水位变化的有效监测设备。主要有水位传感器（浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计）、RTU、3G、北斗卫星、太阳能电池板等。可实现查询上报和自动报汛模式，而自动报讯可以根据当时的水情进行加报加测。可设定多个通讯链路，包括有线、无线及卫星，组合设定多种自报策略，自动选择通讯链路完成数据通讯任务。

（2）降水遥测站。降水遥测站主要由翻斗式雨量计、RTU、通讯设备、电源等组成。可实现定时测报和加测加报。通讯链路可选择多个链路互备。主要为山洪灾害、中小河流中已布设的遥测站点。

（3）流量遥测站。流量遥测站在国内主要使用ADCP、RTU、通讯设备、电源等组成可实现查询上报和自动报汛模式，而自动报讯可以根据当时的水情进行加报加测。可设定多个通讯链路，包括有线、无线及卫星，组合设定多种自报策略，自动选择通讯链路完成数据通讯任务。

2.2 视频采集点

视频采集点由可控摄像机、硬盘录像机、室外防护罩、云台等组成，主要布设在重要河段、水库及提防处。可实现全天候对断面及河道情况的多媒体的展播。通讯链路可选择GPRS和有线的互备链路。视频采集点主要应用于对各个断面的监控管理和应急处理。

3 传输层

一个遥测系统的成败取决于对传输方式及传输链路的选择。

3.1 传输方式

考虑到今后的遥测站是必然的趋势，遥测站点会日益扩大，传输数据越来越多，因而采用集合转发模式。集合转发模式为遥测站将数据发往该遥测站所属的分中心，再由分中心打包转发至中心站，从而减少数据因堵塞和碰撞而产生的丢包。

3.2 传输链路

考虑到水文行业的特殊性以及水文遥测站的布设特性，在选择传输链路的选择应充分考虑其安全性、可靠性、实时性。

有线通信借助于有形媒质来传送信息，因而受到有线的限制。但稳定，很少受到外界的干扰，误码率低，传输速度高且安全，但在发生灾情时无法保障通信。

无线通信时通过电磁波来进行信息交换，不受有线的限制，发生灾情时受到的影响较小。但由于电磁波易受到外界的干扰，因而不稳定。

卫星通信也是通过电磁波完成通信，不受地域影响，发生灾情时通信不会受到影响，但缺点是传输容量较小。

由于多数遥测站布设在偏远区域，所以在选择链路时，选择无线为主，即选择GPRS和卫星通讯。

4 联动机制

每个遥测点的RTU中存入代表洪水流经的路径信息（见图2），图2主要记录该遥测站的下游站及所能影响到的站点的IP等信息。图中包括3项内容分别为：第一项，IP号，代表目标遥测站，意思是洪水流经的下游站；第二项，接口号，代表去往目标遥测站指令的出口，各个遥测站具有主备数据链路；第三项，度量值，代表该IP的物理位置远近。图中的各项是人为设置的，以减少不必的资源浪费。主要基于图2，向下游或流域内其他站点发出指令，进行观测和报讯频度的调整，从而能够捕捉到通过该断面的洪峰数据，以及对中心站的发出初步预警，从而使中心站通过视频能够直观地了解洪水行进路线上流域或河流的现场情况。

图2 路径信息图

某个雨量遥测站或水位遥测站，出现超警戒情况，首先要调整自己的观测和报讯频度，而后向中心站及分中心报讯发出初步预警；查询自己的表，通过度量值查出距自己最近的下游遥测站及受影响的遥测站的IP信息、出口的链路，发出指令，调整下游站的观测和报讯频度。

如果出现指令发不出去，再次查询表、调整端口、发出指令，若仍未发出，就要通过查询表中度量值、查询更下游站的IP等信息，再次发出指令。

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.03.006

P338.9；TP212

B

1008-1305（2014）03-0019-03

晋美次旦（1975年-），男，工程师。