基于物联网技术的水文监测控制系统及应用

毕庶刚，江 龙，韩 康

（烟台市水文中心，山东 烟台264000）

物联网的概念成型于20世纪末，使用网络将物与物直接连接，最早由西方学者提出。随着研究的深入，物联网的实质就是把任何物体各项特征变成一串数字，然后利用网络传送出去，进行分析处理，然后支撑相关应用的数据转换过程。相比于物联网的概念理论，物联网技术却处于发展的初级阶段，相比各传统技术是一门新兴技术，但是已经在电力、医学、道路、安防、污水处理等多个行业有所应用，相应地形成了较成熟的智能电网、智能交通、智能物流、智能医疗、智能家居等衍生产品。物联网技术的初步应用已经产生了较大的经济、社会效益，已引起全球不同国家或国际组织高度重视，特别是欧美等发达国家，其物联网技术应用的广度和深度都走在了世界的前列。

目前，物联网技术在水文监测、预测、预报、预警等领域的应用尚处在探索和摸索阶段，但是，物联网技术在水文相关领域的应用是未来水文行业产业革命和创新的必然之路。

1 物联网技术体系结构

物联网技术的体系结构，包括以下部件及各部件之间的联系，有各类传感器、云网络、智能设备、射频识别、信息传感器等，通过IoT等网络将各类物体以电子标签形式进行互联，达成精准、可靠、全面、智能等特性。从物联网在当下的应用需求分析，目前学界将物联网一般划分为以下3个层次：感知层、网络层、应用层，如图1示。

图1 物联网技术体系框架

1.1 感知层

感知层是物联网的基础，是收集信息和识别物体的关键和核心。其核心技术则是采集、识别与分析，通过各种传感器、GPS、摄像头、M2M终端等得以实现。近年来，特别是由于传感器的新工艺、新应用的不断出现，检测技术、控制技术得到了发展，信息采集能力、测量精度和可靠性得到了根本地提升。与此同时，传感器在进一步微型化、网络化，几种趋势合在一起，促进了物联网感知技术的进一步成熟。

1.2 网络层

网络层是位于物联网三层结构中第二层，其主要作用是信息处理，主要功能是传递，即通过网络对各类处理后的信息进行传输。网络层作为应用层和感知层的纽带和联系，相当于神经系统和运输系统。网络层可以通过各类电信网、广电网、专用网等实现高速、可靠、稳定、经济地传输感知层的信息。

1.3 应用层

应用层位于物联网三层结构中的最上层，直接面对用户提供服务，其主要功能为“处理”，即通过云计算平台、物联网中间件、物联网应用等进行信息处理。由于应用层与其对应的用户实行的是物理连接，使得它可以基于应用层面实现多地、多系统、多语言的交流和信息处理与应用。

2 臧格庄水文站水文缆道远程控制系统

2.1 臧格庄水文站概况

臧格庄水文站设站于1960年，位于栖霞市臧家庄镇臧家庄村，控制内夹河流域面积458 km2，属三类精度水文站，是中央报讯站。大沽夹河位于山东半岛烟台市的中北部，主要由内夹河和外夹河两大支流汇合而成，其中内夹河流域面积1 224 km2，干流长75 km，内夹河发源于栖霞小灵山，自西向东流经栖霞市（栖霞段称清洋河）和福山区，在福山城区东和外夹河汇流。

臧格庄水文站位于内夹河中游，水文站断面以上流域内70%为丘陵区，一般高程在50～200 m之间，无较大山峰，最高约在400 m左右。平原分布在下游，本站附近及其沿河两侧约占整个面积的30%，土壤以沙壤土和黄黏土为主，植被覆盖较好，水土流失不严重。内夹河属山溪性河流，洪水主要由暴雨形成，洪峰涨落急剧。

2.2 缆道远程控制系统

为提升基层测站自动测报能力建设，烟台市水文局建设基于5G物联网远程控制的自动缆道测流系统升级改造工程。该系统具有远程自动施测流量，云台、探照灯自动跟随铅鱼运动，多角度监控、语音自动识别、报文实时传输、水尺自动识别、站内对讲系统等系统功能。能够远程自动布设垂线进行自动测流，并实时输出成果文件。利用云台自动跟踪技术实现探照灯自动跟踪铅鱼的运动轨迹控制水平和垂直转动角度。利用视频监控和图像分析技术，实时观察观测场、基本和比降断面情况、铅鱼位置、上游漂浮物，可实时分析水尺数据，做到数据与视频同步显示；系统还设有雨水情可视化监测模块，可以实时监控本站或上游雨水情信息数据，做到随时本地化了解流域内所有的相关雨水情信息，并留有气象接口，如风速、风向、气温等，界面采用前卫的可视化技术，美观实用。报汛系统采用一键式发报功能模块，可以实现水情数据无时差随测随发，并采用网络化报文编制模块，方便测流人员编制相关报文。

2.3 硬件技术实现

1）基于运动控制。依托于高精度编码器，监测铅鱼的运动轨迹，自动控制摄像头及探照灯云台的转动角度。

2）基于雷达定位技术。依托于雷达定位技术，自动跟踪铅鱼的运动轨迹，自动控制摄像头及探照灯云台的转动角度。

3）基于高精度GPS定位。依托于高精度GPS定位技术，建立河道地理图形，实时监测铅鱼的坐标信息，自动控制摄像头及探照灯的转动角度。

4）视频监控与对讲系统。可监控断面上游及下游，以及缆道运动情况；操控人员与外协人员对讲系统可实时进行语音通话。自追踪式视频监控可实时追踪铅鱼位置或手动追踪铅鱼位置，穿戴式语音对讲系统，解放操控人员双手，操作便捷，以上各系统均采用独立电源，发生故障可切断任一功能单元。

2.4 亮点功能

1）5G远程操控。可通过移动通信设备利用5G网络对缆道控制台进行远程操控，通过实时监控画面查看测流时各设备状态，真正使测流工作做到随时随地、快速及时。

2）语音识别。可通过语音方式对控制台各功能进行自动控制。

3）报文实时传送。测流数据可实时传送至水情中心，并自动校验报文格式。

4）铅鱼实时监控。铅鱼上方安装有监控摄像头，可实时监控测流过程中铅鱼的位置及状态或河道情况。

5）软件辅助系统。通过柱形图、曲线、数据直观显示本站水位、雨量信息，帮助测站人员了解实时雨水情信息；实时展示近7 d雨量、温度等气象信息，实时同步中国气象网雨情预报信息；实时显示台风预测轨迹，依托于中国气象网权威发布信息；流域内雨水情信息。实时展示流域内各站点雨情及水情最新及历史信息，方便测站人员掌握降水及洪水动态可视化展示。

3 物联网应用水文监测的前景展望

随着全球互联互通日益深化，数字化、信息化、智能化将成为各行业具有核心竞争力的重要因素。借助由智能设备、网络、算法、规则生成的物联网，通过数字化的大数据产生不仅可以降低研发、运行、维护、升级的各种成本，也能提高生产质量和效率，缩短响应时间，促进科技进步。

面向未来，应通过物联网、人工智能、大数据、云服务与水文监测紧密结合，以数字中国、数字水利、数字水文基础性设施建设为基础，以数据资源体系整合、网络安全保障为支撑，以实现数字社会为目标，科学谋划、超前布局，全面建成数字水文监测应用示范，全面提升水利综合服务和管理水平，全面贯彻水利业务管理和发展理念。围绕水资源保障、应急水文监测、水生态保护、水灾害防御等业务核心，利用卫星遥感、人工智能、机器人、无人机、图像识别等技术，建设空天地网一体化的水文智能感知体系，实现感知全域覆盖、要素提升和智能分析，为全面提升水利治理能力提供基础支撑。