金华安地灌区物联网感知体系规划和实践

范翠翠，郑 雷，廖宗方

（金华市梅溪流域管理中心,浙江 金华 321000）

0 引言

灌区是一个具有很强社会性质的半人工的生态体系，它是依靠自然环境提供的光、热、土壤资源，加上人为选择的作物和安排的作物种植比例等人工调控手段组成的[1]。从楚相孙叔敖主持兴建我国第一个蓄水灌溉工程芍陂以来，在漫长的农业社会发展历史征程中，灌区以其良好的农业生产条件，为历代统治者成就霸业，治国安邦发挥了重要作用。在加快进入工业化社会，建设社会主义和谐社会新的发展时期，灌区以其突出的灌排优势和服务功能，在保障国家粮食安全方面发挥着特殊的作用[2]。

水利部党组书记、部长李国英在2021年3月22日的《人民日报》发表题为《深入贯彻新发展理念 推进水资源集约安全利用》的署名文章中强调坚持科技引领和数字赋能，提高水资源智慧管理水平。浙江省水利[3]资源相对丰富，但存在人均占有量少、空间分布不均匀、时段分布不均匀等“先天”缺陷，依然是一个缺水的省份。金华市水资源时空分布不均，水资源季节性缺水严重，制约着灌区经济的整体发展，目前主要依靠人工经验进行水资源调度，水资源调度、闸门管理缺乏科学、高效的决策支持手段[4]。因此亟需利用信息化手段来管理，提出安地灌区的物联网感知体系来优化水资源配置，实现优化选择灌区水资源在不同时空条件下的配水方案，统筹协调解决灌区生产和生态用水之间、上下游不同灌片之间的用水矛盾，从而实现灌区水资源优化配置、合理调度、规范利用的水管理目标。

1 感知体系建设原则

安地灌区的物联网感知体系在建设[5]实施过程中应遵循标准、兼容、安全、稳定、易用、可扩展、实时高效、集约建设、资源共享等原则[6]。以相关标准规范为依据，利用当前先进的科学技术成果，选用成熟可靠的设备和模型进行安地灌区的物联网感知体系建设，同时规范施工过程。规划主要体现以下几个原则：

（1）先进性

在安地灌区的物联网感知体系规划时充分利用现代信息化科技的发展成果，把物联网、云计算、移动互联网等技术广泛应用在水利数据采集、工程运行管理等业务体系中，项目建成后达到国内先进水平。

（2）可靠性

安地灌区的物联网感知体系规划时选用行业优秀品牌的设备，全部设备和软件体系平均无故障时间（MTBF）达到国家和行业标准，同时提供良好的

服务，及时响应，及时排除体系故障，保障体系运行安全可靠。

（3）扩展性

安地灌区的物联网感知体系各采集设备选型采用模块化设计的产品，各功能单元维修、替换、扩充的实现方便快捷。应用软件采用的结构和程序模块化构造，充分考虑使之获得较好的可维护性和可移植性，并同时考虑业主单位、地方水利体系等相关体系的数据共享。

（4）完整性

充分分析当前安地灌区自动化、信息化体系设施，建设安地灌区的物联网感知体系，使体系建设满足管理单位领导、业务管理等人员的运行管理要求，做到不缺项，保障体系完整。

（5）安全性

安地灌区的物联网感知体系数据大多直接关系到调度安全，体系建设使用操作权限控制、设备钥匙等多种手段防止体系数据被窃取。体系的设备都应严格执行国家、行业的有关标准的要求，贯彻质量条例，保证恶劣环境下和突发事故情况下体系的可靠运行。

2 体系整体结构设计

如图1所示，为安地灌区物联网感知体系的结构图，包括底层硬件设备，数据通信、数据清洗、存储与开放。其中底层硬件包括水情流量感知设备、土壤墒度感知设备、水质感知设备、雨量感知设备、视频监视设备，数据通信，采用有线网与无线网相结合、自建与租用相结合、内网专网与外网相补充的方式。数据清洗、存储与开发是对数据进一步处理形成分析结果，从而共同构成形成新型的一体化的自动感知体系。

图1 体系整体结构图

3 体系建设与实现

3.1 底层硬件选型

底层硬件设备主要包括水情流量感知设备、土壤墒度感知设备、水质感知设备、雨量感知设备、视频监视设备。其中：

（1）水情流量感知设备

由雷达水位计（管道流量计）、无线遥测终端、太阳能供电体系、无线传输网络等组成。该设备具有流量测量功能。水情流量感知设备以遥测站和通信网络为核心，向下提供传感器信号接口，向上提供数据接口，将分散的装置构成一套遥测设备。遥测站装备有太阳能电池板和蓄电池，可在无人干预的情况下连续工作7天，整个设备完整可靠。因此需要选择量程范围0～70 m、频率范围26 GHz、精度量程70 m、信号输出RS485的设备。

（2）水质感知设备

具有实时快速监测地表水水质变化情况的功能。该设备包含多种水质传感器（其中包括：水温、酸碱度pH、电导率、溶解氧、浊度、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮）、能够在线控制、自动取水、实时监测以及智能分析监测数据的功能。当水质感知设备运作时，分布于各监测断面的监测站全自动运行，对现场水质进行实时监测并记录水质的变化，通过专用的通信设备，将监测数据上传至云服务器，从而实现远程监控功能。数据采集传输单元采集在线监测体系的监测数据信息，然后通过传输4G网络将数据、状态传输到控制中心，同时控制中心通过传输网络发送控制命令，数据采集传输单元根据命令控制在线监测体系工作。因此需要选用精度等级±0.5%R、公称压力1.6 MPa、量程比10∶01的设备。

（3）雨量感知设备

具有雨量数据的监测采集的功能。首先，该设备采用GPRS无线网络进行通信，即发送雨情信息到标准化管理信息中心云平台，实现雨情信息互联互通。同时该设备采用蓄电池组供电、太阳能电池浮充的供电方式，既能保证正常供电，又可简化设备结构。因此选择设备应符合测量范围0～0.5～3 m、输出型号（4～20 mA、0～5 VDC、0～10 VDC）的标准，用于提高灌区内雨量采集工作精度。

（4）视频监视设备

具有智能监控功能。该设备包括网络高清摄像机和良好的人机交互界面，可在渠道敏感断面、主要建筑物（渡槽、水闸、涵洞）等处，监视工程运行情况和安防管理。因此需要选用主控站工控机设备湿度10%～80%、温度5℃～35℃，LCU设备湿度10%～95%、温度-5℃～50℃，噪声小于60 dB，在振动 5～200 Hz时，加速度不超过5 m/s2的条件下可以长期运行的设备。

（5）土壤墒情监测设备

具有长时间连续监测土壤墒情（土壤湿度）的功能。该设备利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤相对含水量。土壤水分超过预先设定的限值时，立刻上报告警信息。因此需选用符合温度精度±0.5℃、水分精度（0～50%内±2%、50%～100%内±3%）、水分量程0～100%、内核芯片耐热＞70℃的设备。

3.2 数据通信网络

灌区通信网络的建设中我们将数据传输的“高速公路”铺设到每一个信息节点，实现“最后一公里”的数据传输，从而能够充分满足当前及今后一段时间内信息的高速、稳定传输要求，为数据互通、共享和实时互动提供可靠通道。如图2所示，底层硬件感知监测数据，可以通过以太网、GPRS、4/5G等通信方式，实现将汇聚后的感知数据，以约定的接口标准、更新频率和安全认证方式将数据上报到基础数据库。

图2 数据通信结构图

在接口协议方面，本体系采用HTTPS协议，HTTPS是基于HTTP协议，通过SSL提供加密处理数据、验证对方身份以及数据完整性保护的一种协议。接口协议中监测项目类型包括库水位、水平位移、振弦、绕坝渗流、坝体渗流、温度、电流、沉降、扰度、水平位移、接缝、应变、电压、倾斜、扬压力、电阻、位移基点、应力等。同时，我们将制定各类项目在各个阶段的感知数据上报频次要求，并视项目感知数据上报达标情况进行统计分析和自动预警。同时在数据接入认证规范方面，其主要涵盖开户申请、密钥密匙生成以及链接认证三个部分，即通过规范数据接入认证方式，实现对接口调用方身份识别，保障数据的安全。

3.3 数据清洗存储

在数据清洗方面，本体系首先利用ETL抽取将数据从各类数据源中抽取出来，进行数据间的关系梳理，建立数据信息联系，然后对数据进行清理，把重复或错误数据剔除，如果数据信息错误则返回重新进行信息抽取，反之则进行下一步的信息转换，这一步主要是对数据去冗余、消除同名异义和异名同义现象一致性检查等数据的进一步清洗和转换功能。经过转换的信息通过信息的校核与审查，如果通过审查，信息准确且满足标准则对数据进行汇总然后存入基础信息数据库，如果信息审查没通过则要对未通过审查的数据进行重新校核直至通过审查后汇总、存储，实现基础信息整合后的管理，并对外提供数据共享和使用服务。

在数据存储方面，本体系按照统一的数据框架、统一的信息分类编码体系、统一的信息资源目录体系、统一的面向对象数据组织的基本原则进行设计。同时我们通过分析数据关系，理清数据需求，建立表1所示的基础数据库为统一的数据模型设计和按需定制的数据共享机制提供支撑。该基础数据库主要包含水利基础对象数据、数据字典、空间数据。水利基础对象数据主要包括涉水水利基础对象数据和水利基础对象之间的关系。数据字典主要是对水文、山洪等业务的字典数据。同时该数据库支持多时相、多精度的水利对象数据的存储管理，支持数据的持续更新与历史回溯，将以往“数据割裂、管理脱节”的流程，升级为“数据统一管理、审批无缝衔接、更新一体联动”的新模式。

表1 基础数据库存储内容

3.4 数据开放共享

数据开放共享面向上级业务主管部门及第三方数字化承建单位开放数据访问服务，第三方单位数据访问需提交数据接入申请，根据质量管理规则实施数据质量稽核和通过审批，通过后即完成数据访问服务授权，从而面向授权用户提供高质量的数据访问服务。

根据数据应用的时效性、交互性、数据量等需求，平台提供3种数据开放服务：(1) 对实时性要求较高的访问，提供交互式查询服务接口，基于关系型数据库存储数据实时返回查询结果，满足业务应用或业务中台的交互式查询需求；(2)对实时性要求不高的访问，提供非交互式查询服务接口，基于大数据平台通过数据推送服务返回批量离线数据，满足汇总统计、报表展示等非交互式查询需求；(3) 对大量历史数据的访问，提供数据库同步服务，通过配置数据同步调度任务，完成数据的定时批量推送。

4 结束语

灌区物联感知体系的持续性、扩展性和兼容性建设是数字灌区建设的基础和难题，本文提出建设安地灌区物联网感知体系，该体系具有物联网设备标准、数据通信、数据清洗和数据开发等功能，同时底层硬件设备能够对水情流量、水质、雨量、土壤墒度等各项指标进行监测，实现跨区域、行业交换和共享，物联网感知体系建设有助于安地灌区有效利用物联感知设备，持续建设数字灌区，大大提高灌区水资源管理水平。