基于NB-IoT通信技术的水文遥测系统设计

张新猛，刘树养，王灿辉

(1.广州南湾信息科技有限公司，广东 广州 511458；2.广州市南沙区防汛防旱防风指挥部办公室，广东 广州 511458)

水情测报是水文工作的重要组成部分,也是防汛抗旱决策的重要依据[1]，水文遥测系统以水位遥测仪和雨量感应器作为主要设备,通过物联网无线通信技术进行实时监测、自动感应水、雨情信息,实现不间断记录，水文遥测设备必须在实际工作环境中长时间稳定运行，设备的运行维护工作已逐渐成为水文情报工作的基础[2]。广州市南沙区位于珠江三大出海口门，四面环水，具有典型的亚热带季风气候雨热同期的特点，每年自四月份开始进入雨季，高温强降雨导致洪涝灾害及台风暴潮灾害发生频繁，为南沙区安全稳定发展带来了一定的影响，对自然灾害风险的监测与预警成为三防办重要的工作内容。广州南沙三防办要应对因恶劣天气所引发的自然灾害，提前做好应急资源及抢救力量的安排及调度的准备，在恶劣天气的情况下能否及时、准确且持续地获得水雨情动态信息就成了灾害防御的关键。《全国水利信息化发展“十三五”规划》(水利部综计﹝2016﹞205号)明确提出，充分利用物联网和移动终端技术，提升感知能力，形成多元化的智能采集体系，提高信息的完备性、真实性和实效性，满足精细化业务管理及支撑水利智能应用要求[3]。

广州市南沙区三防使用的是2005年建设的水文遥测系统，包括36个水文测站、11个中心站、1个中继站，包括34个水位遥测站和35个雨量(含风速)遥测站，系统采用超短波无线电探方式，通过超短波无线数传电台将自动采集的数据传输到各镇街中心站、区三防和市三防中心站，然而，该系统虽历经三次的系统建设扩充，建设36个水文监测点。自组网超短波通信系统组成复杂，在接收与发送端均需配置超短波电台，随着覆盖范围越大，监测点越多，则需建设的中继站就越多，且需要对水文遥测终端持续供电，遥测终端形态多以传感器+RTU+超短波电台组成(图1)，网络覆盖范围由中继站建设密度决定，欠缺灵活性，续建成本极高，不利于系统的后续扩展，同时还普遍存在通信速率低，误码率高，遥测终端对安装环境依赖度高、维护成本高等一系列弊端。当前的水文遥测系统受到各种外界因素的影响，经常在非汛期状态一切正常，一旦有恶劣天气影响，需要用的时候，却“瞎”了一片，导致水文遥测系统虚有其表，使得管理单位无法在应急情况下获得持续、可靠水雨情数据，导致系统运行难度大，只能采取最原始的人工读数的方式回传数据，依然未能完全覆盖南沙区所有关键水雨情监测点，导致人员及工作调度受到极大的限制，使得广州南沙区三防办只能利用人工监测的方式覆盖监测盲区，不仅增加了成本，还增加了人员操作风险，降低了工作效率。当前水文遥测系统建设方式属于传统的系统集成式，系统组成结构复杂，运维难度大，续建难度大。为此，广州市南沙三防办针对城市应急和三防业务实际应用需求，提出了基于NB-IoT通信技术，以产品集成式代替传统系统集成的方式设计水文遥测终端，进一步提高水文遥测系统的稳定性与扩展性，打造广州市南沙新一代的水文遥测系统。

图1 超短波水雨情监测组网示意

1 基于NB-IoT的水文遥测系统应用设计

1.1 总体设计思路

1.1.1设计思路

广州市南沙三防办提出建设水文遥测系统功能基于物联网技术实现。物联网的应用需要考虑许多因素，例如节点成本、网络成本、电池寿命、数据传输速率(吞吐率)、延迟、移动性、网络覆盖范围以及部署类型等，采用不同的通信技术，网络架构将会完全不同，进而影响前端水文感知设备形态，因此在系统设计过程中，需考虑每种制式的优缺点，另外，因系统所涉及的前端监测站点数量多，建设维护成本以及后续可扩展性也是考虑的重要因素，新建的水文遥测系统需达到“低成本、高可靠、易扩展、易维护”的新要求。

1.1.2通信制式选择思路

通信制式的选择直接影响网络架构以及前端监测传感器的最终形态，以往的水文遥测终端通信方式常见的有GSM、GPRS、卫星基站及超短波4种[4]，随着通信技术的发展，新增加了北斗卫星、LoRa与NB-IoT等3种物联网通信技术，其各自的主要特征及组网架构对比如下。

a)北斗卫星。北斗卫星通信是传统通信技术的重要补充(图2)，当运营商通信网络中断，使用北斗短消息进行通信，实现水雨情数据的回传，然而，利用北斗卫星通信，需要额外在数据收发端都部署专用收发终端，同时增加外部电源，这让系统组网变得复杂，稳定性降低，此外，因为三防水雨情监测采集频率较高，会使通信成本急剧增加，应急抢险对水文数据时效性要求高，在空中云层较厚时，会导致数据时延变大，因此，北斗卫星通信技术作为应急通信手段较为合适。

图2 北斗卫星水雨情监测组网示意

b)LoRa是一种低功耗远距离通信技术，增加了链路预算和更好的抗干扰性能,对深度衰落和多普勒频移具有更好的稳定性[5-6]。该制式在国内属于自建网，需在目标覆盖区域部署LoRa基站(图3)用作中继通信，需要考虑基站的部署建设，涉及到基站选址、供电以及站址协调问题。在水文监测领域，LoRa制式无法大面积部署，但在其他网络制式无覆盖的边缘区域，却是一个较好的补充方案。

图3 LoRa水雨情监测组网示意

c)NB-IoT。为大范围蜂窝网提供服务的低功耗广域网络(LPWAN)广播技术，是未来国内低功耗物联网通信应用发展的主流方向[7]，NB-IoT(图4)使用License频段，由运营商建网，无需考虑基站部署环节，在有信号覆盖的区域，有较好的服务质量保证，可采取带内、保护带或独立载波等3种部署方式，能与现有网络共存互补，因为低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点而备受关注[8]，与LoRa同属低功耗物联网通信技术的范畴，设备完成一次数据传输后，即进入休眠状态，直到下一次需进行数据传输时唤醒，使得前端设备功耗大幅度降低，续航时间大幅度增加，以电池供电即可续航几年以上，这也可以使得前端水雨情监测设备最终形态可以做到采集、供电、通信一体化，无需调试，无需外部电源，也无需复杂的工程布线，最大程度降低设备对外界环境的依赖程度，建设运营成本降低的同时让可靠性大幅度提升[9]。

图4 NB-IoT水雨情监测组网

由以上通信制式对比可知，根据水文遥测系统对前端有低成本、高可靠的应用需求，同时遵循设备与平台之间层级越少，对外界环境依赖越少，稳定性会越高的原则。基于广州南沙三防全区覆盖的监测需求，选择基于NB-IoT通信的水文遥测系统更符合实际的应用场景，而针对于在偏远、信号覆盖较差的区域则采用自建LoRa作为应急补充手段，一旦信号覆盖完整后，可自由切换为NB-IoT通信，使整个水文遥测系统设计更为灵活和完整。

1.2 总体架构设计

广州市南沙区三防水文遥测系统总体架构由感知层、网络传输层、资源层、数据支撑层、应用层和服务层等6个层次组成，按照总体设计思路，系统架构基于NB-IoT物联网为主、其他通讯为辅的通信模式，实现系统架构的6个层次互联互通，各个层次各司其职，为南沙区三防办提供快速准确全面的水文数据和应用服务。广州市南沙区三防水文遥测系统总体架构设计见图5。

图5 广州市南沙区三防水文遥测系统总体架构设计

广州市南沙区三防水文遥测系统总体架构分为感知层、网络传输层、数据支撑层、应用层及服务层6个层次，实现水文遥测系统监测、存储及数据展示功能。

1.3 分层设计

分层设计从感知层和网络传输层描述与NB-IoT通信技术密切相关的专项设计，而涉及资源、数据、应用和服务的功能设计不在此赘述。

1.3.1感知层设计

感知层设计主要从水文遥测终端机的结构和硬件设计上体现网络互通性、设备可靠性、易维护性等特性。

遥测终端传感器是数据“采集源头”，负责感应目标监测点运营期间水位、雨量参数的变化。随着计算机、电子信息、通信技术的发展，遥测终端机也不断朝着智能化、小型化、低功耗及多功能等方向发展。三防属于城市应急领域，设备的高可靠性是最基本的要求，该性能要求最大限度降低前端监测终端对安装监测点环境的依赖，同时针对水文遥测系统中水雨情遥测终端机工作环境的特殊性，也需考虑安装后设备现场巡检及运维便利性问题。因此，新一代水文监测终端的设计要求尽量朝集采集、通信、供电一体化的形态靠拢，提高设备的集成度，增加可靠性。新一代水雨情遥测终端机主要由微处理器、实时时钟、蓝牙、电源管理模块、Flash存储器、通讯模块、水位/雨量传感器接口、温湿度监测、陀螺仪组成[10]，具体结构见图6。

图6 遥测终端机结构

在控能耗设计方面，除了在通信制式上选用低功耗物联网通信技术NB-IoT/LoRa，最大程度地减少非必要通信频次外，还需通过电源管理模块降低整机功耗(图7)。电源管理模块主要分为常供电部分与非常供电部分，常供电模块保证设备能保持低功耗运行，非常供电部分由核心元件微处理器进行控制，当设备休眠状态时，处于断电状态，只有在需要工作时才会被加电唤醒。

图7 遥测终端机结构

1.3.2网络传输层设计

广州市南沙区水文遥测系统以物联网云平台的模式进行建设，定制成熟的数据接口，方便系统数据推送至原有城市应急综合数据管理平台，也便于推送至新的预警信息发布平台(图8)[13]，前端水位、雨量监测设备可按需扩充，系统后续的兼容性及延展性可完全满足管理需求。

图8 水文监测及视频预警网络架构

2 系统应用效果

广州市南沙区是临海城区，每年汛期几乎都会有台风登陆，沿南沙3条主要水道部署水雨情及视频预警监测设备，基于全区地理信息为三防应急提供水雨情变化及现场基础设施情况，提前做好应急决策和灾害防护措施。总体部署点位见图9[14]。

图9 水文监测及视频预警网部署点位

基于NB-IoT通信技术的水文遥测系统设计提供了稳定可靠的数据，真实反映现场变化情况，为应急决策提供数据参考。图10所示，水位数据可用作判断水闸开关状态，当水闸内外水位同步的时候，代表水闸处于开的状态，水位不同步，则代表水闸处于关的状态，便于管理者对水闸开关进行实时调度。

图10 水闸内、外水位曲线

2017年，国务院确定了当年60个内涝灾害严重的城市名单，广州名列其中。按照排水管网设计标准来说，国内大部分城市内涝重现期仅为20年，城市排水管道设计标准都比较低，地下管道的设计容量不足，极端暴雨天气频发是导致城市内涝的重要原因。南沙区定位为广州市的副中心，也存在排水管网的改建速度远跟不上城市发展速度的情况，在这种城市排水基础设施的条件下，短时间的强降雨让城市发生内涝的概率将会大大增加，所以雨量数据(图11)就成了管理片区内涝隐患点的重要参考值，利用NB-IoT传输的高集成雨量遥测终端使得精准监控内涝点雨量变化情况成为了可能，随着雨量遥测终端部署密度的增加，精准布防内涝防控的效果大幅度提高，可有效降低公共财产损失[15]。

图11 雨量统计

广州市南沙区已基本完成部署网格化500×500的雨量遥测终端的部署，根据雨量遥测终端反馈回来的实际雨量数据与历史最高雨量记录数据进行对比，即可预判城市内涝点可能出现位置，把有限的救援力量精准部署于城市历史记录内涝点以及可能内涝点周围，可大幅度提高救援精准度及效率，实现精准布防的目的。

3 系统建设效果

目前，广州市南沙区三防新建三防水文遥测系统，相对比系统建设前极大地提升了城市应急防汛的应变能力，主要体现有4个方面。

a)以信息化监测手段代替人力观测。在系统建设前，广州市南沙区大部分水闸依然沿用纯人工观测水尺的方式采集水位、雨量数据，在台风暴雨情况下采用人工观测的方式，不仅将观测人员置于危险境地，观测精准度还不高，数据不可靠，回传效率低；在系统建成后，管理人员可以通过物联网平台查看实时水位、雨量数据，降低了观测人员风险，节约大量用于观测水位数据的人力成本，并提高水雨情数据的精准度。

b)提高水雨情监测覆盖面。过去广州市南沙三防办仅有一小部分水闸采用了传统2G水位监测设备，因传统建设方式系统构成复杂、建设周期长，故障率高，运维难度大，导致并未大面积推广使用；现采用基于NB-IoT通信技术的低成本模式，建成完全覆盖整个南沙区的关键水闸的遥测系统，有效提升广州市南沙区三防办防汛应急决策的效率。

c)系统可靠性大幅度提升。新建的基于NB-IoT通信的水文遥测系统可靠性大幅度提升，以产品集成代替系统集成的建设方式，极大地减少了水雨情遥测终端对外界的依赖程度，不再有因供电、传输线路、采集部件故障所导致系统瘫痪的问题出现，使得在极端恶劣的天气环境下，依然可以稳定可靠地快速回传数据，有效保证防汛的眼睛不“瞎”。2019年系统经历了“山竹”台风的考验，在超大台风及暴雨环境下，水雨情遥测终端在线率高达98%，进一步证明了基于NB-IoT通信技术建设的水文遥测系统更适用于城市水务感知领域。

d)系统可持续性提高。新型水文遥测系统的扩展性更为灵活，后续根据实际需求可灵活增加新的水雨情监测点，安装维护极为方便，无需考虑施工环境、施工难度以及系统兼容性等问题；同时高度集成的遥测终端故障处理效率极快，无需从供电系统、采集系统、传输系统等方面逐一排查故障原因，利用备品备件直接替换已定位的设备故障点即可重新恢复数据点，故障处理效率成倍提高。

4 结语

在系统上线后，新一代水文遥测系统能持续稳定地为广州市南沙三防办及相关单位提供水位、雨量及视频图像数据，辅助三防应急决策，系统所获取的大量水位、雨量数据是以后城市应急决策数据模型及智能控制系统的主要数据来源，这种系统设计方式也为后续城市水务应急监测系统建设提供一条新的思路。基于NB-IoT通信技术可进一步将水雨情遥测终端的集成度提高，也让水文遥测系统扩展能力得到提升。然而NB-IoT通信技术自推广以来时间并不长，信号覆盖面相对弱于3G、4G网络，还存在一些信号覆盖薄弱区和信号盲区，此外，在极端恶劣的天气影响下，NB-IoT通信网络通信质量也会受到影响。所以，集成多种通信制式来保证监测数据质量是未来水文遥测监测终端发展的必然趋势，这样才能符合应急领域精细防控的需要。