基于物联网技术的智慧水利发展与创新研究

时生乐 魏素盼

【摘要】近年来，我国越来越重视水利信息化建设，作为水利工程信息化建设的重要阶段，智慧水利建设既是落实新时代治水方针的必然措施，也是新时代水利工程发展的必然趋势。我国智慧水利建设虽然取得了一定效果，但水污染、水资源浪费、水质检测和预警能力不足等问题依然严峻。本文针对当前水利信息化建设过程中存在的突出问题，利用无线传感网络、NB-IoT、LoRa等当前先进的物联网技术，对智慧水利系统进行研究，全面推进智慧水利建设，促进水利治理体系和治理能力现代化。

【关键字】智慧水利;物联网;NB-IoT;LoRa;水利信息化

基金项目：1. 2019年度河南省教育科学“十三五”规划课题：基于校企合作的“三师一辅导制”高职院校人才培养模式研究（编号：〔2019〕-JKGHYB-0420）    2. 河南水利与环境职业学院院内课题：职业技能大赛对物联网专业建设实效性研究（编号：KY1906）

当前我国水利工程建设还处于向信息化过渡阶段，传统水利建设与管理技术仍旧处于主导地位。在水资源调度方面，水资源依据工作人员经验进行调度，调度的合理性和准确性受管理人员的专业水平和职业素养影响较大，调度不合理的情况时有发生;在水质检测预警方面，水质检测大多仍然是人工到水源地进行采样，然后带回实验室进行水质检测，浪费大量人力物力，并且不能对水质进行实时检测，当水资源受到污染时，不能及时进行预警和准确发现污染源。

随着NB-IoT、LoRa等物联网先进技术的快速发展，物联网在农业、交通、城市等各个行业得到广泛应用，将物联网技术应用到智慧水利建设中，是快速提升水利工程信息化的有效手段。本文重点研究如何将当前物联网相关先进技术巧妙运用到智慧水利建设中，减少人力物力投入，降低智慧水利建设成本，提升水利建设信息化水平，对我国水生态文明建设具有积极的推动作用。

1. NB-IoT技术在智慧水利建设中的应用

NB-IoT是窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）的简称。近年来NB-IoT技术得到快速发展，因NB-IoT具有覆盖区域广、连接数量多、功耗低、成本低、安全可靠等优点，NB-IoT技术已经在远程抄表、智能门锁、智能停车、智慧城市、智慧农业等领域得到广泛应用。在智慧水利建设中，对水质检测将用到大量传感器设备，采用传统有线方式虽然可以将数据传输到远程处理平台，但线路部署、运营等将耗费巨大人力物力，特别是一些偏远地区，部署设备和线路不现實，严重阻碍水利信息化建设进程和水利系统现代化。

针对数据传输过程中存在的问题，在传感数据传输过程中，使用NB-IoT技术将很好解决功耗大、难以部署等问题。首先NB-IoT的低功耗设计，电池使用寿命可以达到10年，极大节约电力和设备维护成本。NB-IoT通过电信运营商基站进行数据传输，不必另设基站即可远距离传输;NB-IoT技术中简化协议栈设计、简化基带处理，高度芯片集成，因此可以实现更低的芯片成本，从而进一步降低项目成本;NB-IoT与 2/3/4G通信系统相比，有50到100倍的上行容量提升，NB-IoT每个区域可达5万个连接;在设备部署过程中，不需要对NB-IoT设备额外供电，设备内自带的电源即可让设备正常运转10年之久，特别适合在条件恶劣的偏远地区部署。

2. LoRa技术在智慧水利建设中的应用

LoRa（Long Range）是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术的简称，是当前诸多低功耗广域网技术（Low Power Wide Area Network，LPWAN）中的一种，近年来，LoRa技术已经在国外得到广泛应用，国内也在对LoRa技术进行深入研究。LoRaWAN是LoRa Wide Area Network（LoRa广域网）的简称，是基于LoRa技术的一种通信协议，它主要包括LoRa终端、LoRa网关和LoRa服务器等3个通信实体，LoRa终端作为数据采集和控制终端，LoRa网关收集各个LoRa终端发送的数据，最后将收到的数据发送到LoRa服务器进行进一步处理。LoRa具有功耗低、成本低、传输距离远等优点，它工作在免费的ISM频段，该频段不需要授权即可使用，通信距离可能达到5km，这些优点必将使LoRa技术在各行各业得到广泛应用。

基于LoRa技术的这些优点，将LoRa技术运用到智慧水利建设当中，必将推动水利系统信息化快速发展。在需要检测水质的水源中部署大量传感器设备，使用LoRa终端将采集到的传感器数据通过低功耗、远距离LoRaWAN无线网络发送给LoRa网关，LoRa网关再通过互联网将数据传输到云平台，用户可通过云平台和各种移动终端设备，对水质各项指标进行实时检测和查看，进而实现水质远程实时检测和预警，减少人力物力成本，提高水利系统现代化、智慧化水平，缩短水利信息化建设周期，保障水安全、改善水生态、促进经济社会高质量发展。

3. 基于远程控制技术的水资源精准调度

我国是水资源相对匮乏的国家，区域水资源分布不均衡，需要对水资源进行跨流域甚至跨区域调度来缓解水资源分布不均问题，这对水资源的合理调度带来严峻考验。然而，使用传统水资源调度方式导致每年都有大量水资源因不合理调度而白白浪费和流失，致使水资源利用率低下。解决水资源精准合理调度问题将对我国水资源不足问题起到一定的缓解作用，也是智慧水利建设的重要内容。

当前水资源调度大多根据经验和水位进行调度，水资源不能合理分配，导致一些区域水资源过剩而另一些区域水资源紧缺，严重影响调度的决策和调度的效果。使用基于物联网技术设计自动化闸门系统，根据渠道断面，布设闸门监控系统和数据采集系统，采集渠道流量水位，通过移动互联网传输至云平台，根据用水量需求，进行地理信息、渠道监控、损耗分析、预警报警、闸门自动化控制等信息化管理，从而实现对水资源合理调度和智慧化控制，进而极大提高水资源利用率、大幅提升水利智慧化管理和服务水平、有效保护水资源和水环境，实现人水和谐，推动水生态文明建设。

4. 大数据、云计算助力智慧水利建设

智慧水利系统中利用各种传感设备对水质各个指标进行采集，这些传感器对水质环境信息的实时监测会产生大量数据，由于传感器故障、网络不稳定等因素，采集的数据不一定都是正确的数据，并且这些数据是非结构化的，不能直接存放到数据库中，因此需要对这些非结构化、包含噪音的数据进行清洗，去除无效和错误数据，并将这些数据做标准化、归一化处理之后才能存储到云平台中，为后续数据分析做准备。

对于采集的这些传感器数据，根据分析任务的需要建立数据仓库，最后在数据仓库的基础上进行挖掘分析。设计基于分类、聚类等的数据挖掘算法和基于神经网络的人工智能算法对数据仓库中的数据进行挖掘分析，云服务平台使用这些算法对数据进行挖掘、分析、处理，找出不同水质指标间的内在联系，实现水污染检测和早期预警，从而实现对水资源的智慧化管理。

5. 总结

本文提出在智慧水利建设中运用NB-IoT、LoRa、大数据、云计算等先进技术，对水质进行远程实时检测，对水资源进行远程精准化调度。通过使用这些先进技术，能够提升智慧水利智能化程度，能够极大降低智慧水利建设成本，加快我国水利工程信息化建设，推动我国水利系统向现代化、智能化、智慧化方向发展。

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