基于物联网的大型人工湿地数字化系统设计与应用

吴博帆 赵树成 刘丹

摘  要：该文紧紧围绕雄安新区府河河口湿地水质监测、水雨情监测、视频监控等系统运行管理特点，利用物联网技术，分析研究系统建设的关键问题，以在线自动监测信息管理为核心，以数字府河河口湿地运维管理平台为支撑，统筹考虑工程运行管理要求，进行感知层数据采集、传输、存储系统的建设，做到采集数据全面、传输及时、数据畅通、信息共享。该数字化系统具有监测数据实时浏览、查询、编辑、分析等功能，系统对于提高湿地全天候、全方位监测能力，实现大型湿地的远程监测及运维提供了重要的技术支持。

关键词：大型湿地  物联网  数字化  远程监测

中图分类号：TP391                        文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（b）-0006-09

Abstract： Focusing on the operation and management characteristics of Fuhe estuary wetland water quality monitoring， water and rain monitoring， video monitoring and other systems in Xiong'an new area， this paper analyzes and studies the key problems of system construction by using the Internet of things technology， with online automatic monitoring information management as the core， and digital Fuhe estuary wetland operation and maintenance management platform as the support， taking the project operation and management requirements into overall consideration， The construction of data acquisition， transmission and storage system in the perception layer can achieve comprehensive data acquisition， timely transmission， smooth data flow and information sharing. The digital system has the functions of real-time browsing， querying， editing and analyzing the monitoring data. The system provides important technical support for improving the all-weather and all-round monitoring ability of wetlands and realizing the remote monitoring and operation and maintenance of large wetlands.

Key Words： Large scale wetland; Internet of things; Digitization; Remote monitoring

濕地被人们称为“地球之肾”，具有涵养水分、调节气候、维护生态多样性和提供可利用资源等生态系统服务功能，是人类赖以生存和持续发展的重要基础[1]。白洋淀是“华北之肾”，维护白洋淀入淀水质和生态景观是雄安新区一项重要工作，府河河口湿地是雄安新区新建的大型人工湿地，面积为4.23 km2，湿地地处雄安新区腹地，紧靠安新和寨里组团，是府河、瀑河、漕河入淀河流的缓冲区域。雄安新区府河河口湿地位置见图1。工程任务是净化入淀水质，并兼顾应急处理突发水污染事故及湿地生态恢复，重点建设府河河口湿地物联网系统的水雨情监测系统、水质监测系统、视频监视系统等核心应用子系统，实现调度管理集中化，兼顾运行维护系统、安全保障体系、通信系统等辅助子系统，实现决策科学化，为工程运行管理提供现代化的信息技术保障。

物联网（Internet of things）是互联网的延伸，利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络[2]。府河河口湿地水质净化工程建设物联网系统，不仅顺应水利现代化管理的需要，同时也符合国家对水利信息化的要求以及雄安新区对城市规划的建设要求。府河河口湿地水质净化工程物联网系统建设水雨情监测系统、水质监测系统、视频监视系统、通信网络系统、运行维护管理平台等，能够有效提高府河河口湿地水质净化工程运维管理水平，物联网的应用也为实现大型湿地的远程监测提供了重要的技术支持。

1  系统总体设计

1.1 设计指导思想

基于物联网的大型人工湿地数字化系统以在线自动监测信息管理为核心，以运维管理平台为支撑，统筹考虑工程运行管理要求，进行感知层数据采集、传输、存储系统的建设，做到采集数据全面、传输及时、数据畅通、信息共享，为湿地运行管理提供功能强大的支持环境[3]。充分考虑系统建设的开放性、可靠性、可维护性，进行系统方案设计。

从府河河口湿地水质净化工程管理者角度出发，本着技术先进、经济合理、安全适用、便于安装、方便维护的使用要求，并结合雄安新区远期发展规划，以节省工程投资和降低维护费用、提高社会效益为指导思想进行设计。

1.2 设计要点

基于物联网的大型人工湿地数字化系统设计内容涵盖了硬件设备监测和软件应用系统，硬件设备监测的设计要点在于落实各系统功能需求，从工程实际出发，合理进行设备选型，合理组织系统架构。

软件应用系统的设计要点在于数据资源方面、各系统功能方面以及与雄安新区层面上平台的关系方面。

1.2.1 数据资源方面

物联网系统数据资源方面的要点，主要分为以下4点。

（1）数据的存储位置。目前可供数据存储的位置有雄安云和各县管理处，如何根据用户的需求、业务应用的内容确定各类数据的存储位置，是设计要点之一。

（2）数据的种类、来源、流程等。物联网系统中的业务系统种类较多，功能丰富，因此需要作为支撑的数据种类就非常多。在设计阶段明确数据的种类，思考各类数据的可能来源，理清各业务系统中的数据流程，为实施阶段的工作打好基础，是设计要点之一。

（3）接入不同硬件监测设备的数据。硬件监测设备的种类较多，监测对象和内容差异也较大。如何设计数据标准接入接口，统一接入各硬件监测设备的数据，是设计要点之一。

（4）与雄安新区层面上各平台数据的交换问题。雄安新区层面上平台种类较多，按新区要求，工程建设、运营治理过程中的业务数据、IoT数据应汇聚到指定平台，同时，工程建设、运营治理也可向该类平台申请共享其平台内的数据。如何向各平台提供数据或读取数据，是设计要点之一。

1.2.2 各系统功能方面

各系统的重点功能设计，是物联网系统设计要点，具体针对每个系统而言。

（1）运行维护管理系统中，各业务流程比较繁杂，需要理清各业务流程及相应的数据流程。

（2）数字府河河口湿地运维管理平台如何与其他的业务系统功能相关联，在具体业务上发挥运维平台的优势，是设计要点之一。

（3）物联服务支撑平台中，考虑如何将各系统集成，如何发挥其承上启下的作用，是设计要点之一。

1.3 设计思路

立足于府河河口湿地实际情况与整体水质净化工程设计，结合雄安新区的规划要求，以府河河口湿地在线自动监测为核心，高标准建设物联网硬件监测系统和软件应用系统，实现对工程建设和运行管理的数字化、信息化，并能够无缝对接雄安新区相关的信息化平台[4]。

1.4 总体框架结构

物联网系统总体框架共分为5个层次，从下到上依次为感知层、数据层、支撑层、应用层和用户层。同时安全保障体系为系统的全层次提供安全保障。具体见图2。

2  系统硬件设计

2.1 服务器硬件配置

系统服务器种类分为布设在雄安云的GIS服务器、网站服务器、应用服务器、文件服务器、数据库服务器、备份服务器和布设在各管理处的水质、水雨情监测服务器、闸门監控服务器。GIS服务器主要用于GIS相关平台，提供三维GIS服务[5]。网站服务器主要用于Web端和App端网站的部署和发布。应用服务器主要用于系统应用服务部署。文件服务器主要用于存储静态资源文件。数据库服务器主要用于存储IoT数据和业务数据。备份服务器主要对文件与数据库等进行备份。

采用虚拟服务器技术，将一台完整的服务器主机分成若干个主机。实质是将真实的硬盘空间分成若干份，然后供给不同用户，每一台被分割的主机都具有独立的域名和IP地址，但共享真实主机的CPU、RAM、操作系统、应用软件等，对外表现为多个服务器，从而可以充分利用服务器硬件资源。

基于虚拟服务器技术，考虑支持多用户同时并发请求大量数据的需求，该系统实际需要利用3台高性能的物理服务器进行虚拟。服务器配置见表1。

2.2 软件配置

推荐系统相关的软件配置具体如下。

服务器环境：JDK1.8.0版本+Tomcat8.0版本+CDH。开发环境：Java+Intellij IDEA+JDK1.8.0版本+Tomcat8.0版本。

数字府河湿地运维平台客户端配置如下。

B/S客户端，需要运维插件版方式支撑，应用能力强大，可支持可视化、查询、编辑等权限操作。客户端环境配置见表2。

2.3 网络配置

数字府河湿地运维平台网络配置，如果在局域网或政务内网共享，每个访问需100M带宽，服务端需根据用户同时访问量来计算网络带宽，客户端独享100M网络带宽。

系统性能要求：（1）WebGIS响应速度应小于5 s。（2）复杂报表响应速度应小于5 s。（3）一般查询响应速度应小于3 s。（4）信息接收并发数应不低于150。

（5）信息处理时间应不大于1 min。（6）信息报送到达时间应不超过30 min。（7）基础数据处理时间应不大于15 min。（8）该系统是一个涉及数据储存、数据库建设、数据库管理的完整体系，必须满足数据完整性、高可靠性和高可用性。

3  系统软件设计

3.1 监测数据系统设计

3.1.1 系统概述

运行维护管理系统对工程和运维人员进行管理。工程管理包括对工程的巡查维护、维修养护、管理考核、突发事件响应等运行维护阶段的各类业务进行信息化的管理[6]。运维人员管理侧重于为各类运维人员的运维工作提供信息化的辅助，包括值班管理、工单管理、巡检管理等功能[7]。通过运行维护管理系统的建设，为运维阶段的各项业务提供便利，保证正常生产，实现工程的全生命周期管理，保障工程正常运行。

3.1.2 系统业务流程

系统业务流程可分为6个部分，包括值班流程、巡检流程、养护流程、维修流程、考核流程以及突发事件响应流程。

值班流程首先是排班人员进行排班，可选择按模板或者不按模板，排班后生成值班计划。值班计划由系统流转到领导进行审批，不通过的需要重排，通过的由系统通过邮件、短信等方式通知当前值班人员。值班人员值班完成后向系统提交值班日志，系统自动生成值班记录。

巡检流程首先是管理人员根据巡检基础信息和设备台账信息制订巡检计划，由巡检人员执行。巡检人员在巡检中发现的问题包括工程存在隐患或者已经损坏，需及时通知管理的责任人，经过责任人存在隐患的设备进入养护流程，已经损坏的设备进入维修流程。巡检人员结束巡检后，系统自动生成巡检记录，并进行相关数据的统计分析。

养护流程由责任人首先制订养护计划，发起养护工单，工单流转到领导处进行审批，审批通过后由承办人执行养护任务。养护任务执行完成后责任人判断隐患是否排除，若已排除则结束工单，若仍未排除则进入维修流程。

维修流程首先由责任人提出维修申请，发起维修工单，工单流转到领导处进行审批，审批通过后由承办人执行维修任务。维修任务执行完成后责任人判断是否维修好，若损坏问题已经解决则结束工单，若仍未解决则继续制订维修计划进行进一步的维修。

考核流程是基于维修、巡检业务相关记录，提取值班缺勤率、问题缺报率、计划执行率、工程问题发生率等信息作为考核指标，对巡检人员及工程运维工作进行考核。

突发事件响应流程主要包括4个步骤：首先是事先制订突发事件下的响应预案，然后在系统中设置阈值进行突发事件发生前的预警，突发事件结束后形成响应记录，最后对该次突发事件的响应记录进行统计分析，根据统计分析结果不断完善响应预案。

系统业务流程图见图3。

3.1.3 系统数据流程

系统数据流程与各业务流程相对应，针对各业务流程总结重要的外部实体、数据处理和数据存储。

外部实体指系统以外和系统有联系的人或物，该系统包括排班人员、值班人员、巡检人员、领导、责任人和承办人。

数据处理指对数据的逻辑处理，也就是数据变换，它用来改变数据值。而每一种处理又包括数据输入、数据处理和数据输出等部分。该系统中包括值班管理、设备管理、工程巡检维护、工程维修养护、工程管理考核、突发事件管理。

数据存储用来存储数据，该系统中包括值班详情、突发事件记录、巡检详情、工程信息、设备台账、工单记录。

各外部实体与数据处理之间产生各种数据流，包括输入数据流和输出数据流。系统处理从数据存储中提取数据，也将处理的数据返回数据存储。

该系统各类数据流见图4。

3.1.4 系统功能设计

运行维护管理系统主要包括七大功能模块，分别为工程巡查维护、工程维修养护、工程管理考核、值班管理、设备管理、工单管理、突发事件响应。工程巡查维护主要针对工程巡查过程中产生的各类业务进行管理[8]。工程维修养护主要对维修养护的计划、组织、监督、验收等各个环节进行管理。工程管理考核选取指标对运行维护工作进行考核评分。值班管理主要对运维人员的值班业务进行信息化辅助。设备管理主要对设备的基本信息、资产信息、备品备件、变动記录等进行管理。工单管理主要对运行维护中产生的需要多流程处理的工单进行管理。突发事件响应主要对产生的突发事件采取具有针对性的措施。

系统功能结构图见图5。

系统具体具备以下功能。

（1）工程巡检维护。

工程巡检维护功能包括Web端和App端。App端主要开发巡检相关的业务系统App，巡检人员手持装有巡检App的移动设备进行巡检，提供巡检路线记录、问题上报、考核评分等业务辅助。

①基础信息管理：对巡检路线、巡检项目、巡检内容、标准等进行定义。

②巡检计划管理：对每一次巡检定义巡检计划，包括巡检路线、巡检项目、巡检时间等。

③巡检任务管理：制订巡检任务，巡检任务是对每一次巡检计划的执行，任务内容包括巡检计划、巡检人员等。

④巡检记录管理：巡检人员利用智能终端设备，扫描工程RFID标签，并可用文字、图片、视频等多种方式记录巡检情况。

⑤巡检统计分析：根据巡检记录，自动统计巡检完成情况以及工程异常情况，为工程的维修养护提供依据。

（2）工程维修养护。

①养护计划制订：参考巡检统计情况，针对工程制订养护计划，定期进行工程的养护。

②养护记录：针对每一次完成的养护，记录详细情况，包括养护时间、养护原因、养护人员、养护费用等。

③维修申请：针对工程出现大的损坏或问题时，工程的运维负责人提出维修申请，记录维修原因、预计维修时间、预计费用等。

④维修记录：针对每一次完成的维修，记录详细情况，包括实际维修时间、维修人员、实际费用、修后状态等。

⑤统计分析：对养护和维修的工程进行统计分析，总结一般规律，有助于养护的计划制订更为科学，维修合作商家的选择也更加满足要求。

（3）工程管理考核。

①工程运维考核：基于工程出现问题的次数以及养护、维修情况，选取指标对工程运维情况进行考核，考核详情记录在系统中。

②巡检人员考核：对巡检人员的巡检工作进行考核，选取巡检工作的相关指标，例如任务完成率、问题发现情况等，考核详情记录在系统中。

③统计分析：对工程运维、巡检人员考核情况进行统计分析，采用图、表等多种表现形式，便于管理人员从宏观层面直观地获取信息。

（4）值班管理。

①排班管理：通过选择时间、值班岗位与值班人员，在系统中对运维人员进行排班，自动生成排班表，支持打印输出与输出Excel格式。并可按照预先设立的模板进行排班，简化排班工作。针对突发事件需调班时，能够通过该功能对排班安排进行更改，实现调班事件的管理。

②值班记录查询：值班人员在值班完成后填写带班领导、值班人员、值班情况、已办事项、待办事项等信息，形成值班记录。系统可自动生成值班报表，并可修改、打印。

③值班提醒：值班人员可定时在指定时间向次日的值班人员发送值班提醒消息，消息包括短信、邮件等多种形式。也可根据规则，自动定时对次日值班的人员发送提醒。

（5）设备管理。

①设备台账管理：建立设备台账信息，对设备进行管理，明确设备基本属性（设备编号、设备名称、设备类型、规格型号、制造单位、出厂编号、出厂日期、购置时间、设备原值、安装位置等），同时记录设备的变动信息（安装记录、维修记录、养护记录、报废记录等）。

②备品备件出入库：按照备品备件出入库的规定，建立备品备件出入库记录，记录备品备件信息，对库存不足的备品备件自动通知相关责任人。

（6）工单管理。

①养护工单：根据养护计划，自动产生工单，方便管理人员、操作人员进行定期保养工作，并提交相关领导审批。

②维修工单：根据维修计划，自动产生工单，由维修人员对设备的故障进行维修工作，并提交相关领导审批。

③工单明细：工单生成后，开始操作之前，必须执行準备工作，包括一些安全操作、备件领用、人员安排等一系列的前期工作，确保工单顺利完成。

（7）突发事件响应。

①突发预警：通过选定相关阈值，对运行维护中可能突发的事件进行事先预警，及时通知相关人员。

②响应方案：制订可能的多种突发事件下的响应方案，记录入系统中。

③响应记录：对每一次突发事件的响应进行记录，包括事件类型、事件详细、采取方案、响应结果等。

④统计分析：对突发事件的响应情况进行统计，为下一次类似事件的处理提供经验。

3.2 传输网络设计

3.2.1 系统概述

府河湿地水质净化工程通信系统负责将前端感知层信息传至管理处各系统应用层，并将管理处下达的控制、调度指令传至各系统信息感知层，同时通信系统实现各管理处与雄安云之间的数据通信。

3.2.2 传输方式比选

通信系统传输方式可分为无线传输和光缆传输两种方式，其中无线传输又可分为公网传输和无线网桥传输两种方式[9]。现对3种传输方式进行比选，具体见表3。

经比较，公网传输由于传输可靠性低、后期租用费用高等缺点，不适用于该工程长期传输重要监控信息，可作为后备传输方案;无线网桥传输方式易受高层建筑、周边树木及雾霾天气影响，造成信号衰减，传输可靠性、稳定性降低，故不适用于该工程;光缆传输方式的建设周期较长，投资较高，但信号稳定性好，从长远角度考虑，光缆传输方式更适于该工程。

府河河口湿地物联网工程包含视频监控、水质监测、水雨情监测，信息传输量较大，因此采用自建光纤为主，公网为辅的方式进行通信。

3.2.3 通信传输方案

该工程使用光缆，将各闸站、监测点的数据信息传送至监控管理中心，并在监控管理中心租用公网实现与雄安云之间的数据通信。

3.2.4 通信系统传输的业务类型

通信系统传输的信息种类主要有数据、图像。主要包括：（1）视频监视系统图像信息;（2）数据信息;（3）泵阀及闸门控制系统的数据及控制信息;（4）监控管理中心与雄安云之间通信信息、府河湿地CIM平台、物联服务支撑平台等系统的数据信息。

3.2.5 通信组网方案

总体方案具体如下。

该工程建设水雨情监测系统、水质监测系统、泵阀及闸门控制系统、视频监视系统4个现地业务应用系统，按控制专网、业务内网进行通信组网。其中控制专网用于承载实时性要求最强、安全性要求最高的闸站监控信息，即承载泵阀及闸门控制系统信息[10]。业务内网用于承载包括水雨情监测系统、水质监测系统、视频监视系统等各应用系统信息。

监控管理中心总体组网方案见图6。

3.2.6 系统配置

（1）前端设备。

前端设备主要指各监控点的现地交换机设备，主要包含泵阀控制设备、视频监控设备、水雨情监测设备、水质监测站。

视频监视监控点较为分散，且点位间距离较远，网线不能连通，且监控点的带宽需求均为4M，故相邻较近的视频监控点设置1台级联交换机（2光8电），共计12台。

水雨情监测设备主要集中在6个区域，每个区域设置一台现地交换机，共计6台。

（2）监控管理中心设备。

监控管理中心设备主要包括：主交换机（8个可配置接口，2个万兆光纤扩展口）;泵阀及闸门控制系统核心交换机（24个千兆光口，8个千兆电口）;视频监控系统核心交换机（24个千兆光口，8个千兆电口）;水雨情、水质监测系统核心交换机（24个千兆光口，8个千兆电口）;业务应用系统核心交换机（24个千兆光口，8个千兆电口）。

3.3 湿地监测系统实现

府河湿地物联网监测系统共部署雨量计传感器1套，水位计传感器6套，水质监测站7套，视频监控设备14套。水雨情、水质传感器及视频监控设备通过超五类屏蔽双绞线连接现地交换机接入湿地光纤内网，光纤内网成环形设计，一方面通过光纤收发器接受各类传感器发来的湿地监测数据，另一方面通过串口连接到湿地管理房服务器，将接收到的湿地监测数据发送给服务器，运维管理平台从服务器可以实现数据读取、处理和展示。

系统网络拓扑图见图7，系统实现功能界面图见图8、图9。

4  结语

基于物联网的大型人工湿地数字化系统，对来自底层感知设备的水质、水位、雨量、视频信息数据进行传输和处理，实现人工湿地信息的实时浏览、查询、编辑、分析等功能。系统硬件主要由底层感知设备（摄像机、水质监测站、水位计、雨量计等）、光纤收发器、路由器、服务器、数字大屏、操作员工作站等组成。系统软件主要开展环形光纤网络设计、数据库设计和运维管理系统平台的研究。系统的研究将为合理开发、利用、保护湿地生态资源提供科学技术支撑。

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