基于智能边缘物联终端构建水利新型感知体系

蔡 乐，俞 峰，刘胜军

（华为技术有限公司，北京 100073）

1 前言

推进智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的6 条实施路径之一。水利部2021 年印发了《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》等文件，2022年先后出台数字孪生流域、水网工程等系列文件，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以构建数字孪生流域为核心，全面推进算据、算法和算力建设，加快构建具有“四预”功能的智慧水利体系[1]。水利数字孪生建设需要更透彻的感知、更泛在的连接、更多元的算力、更智能的平台，高标准的要求对水利信息化建设带来一定挑战。

算据是构建数字孪生的数据基础，获取更透彻的感知数据对数字孪生建设尤为重要。当前，水利感知设备种类繁多、执行标准不一、运行维护难度较大，亟需采用更智能的感知设备，统一数据标准，进行集约化和智能化提升[2]，打造水利数字孪生新型感知体系，更好地为数字孪生建设提供数据支撑。

2 水利感知存在问题和面临的挑战

水利感知网主要包括传统水利监测站网和新型水利监测网，宜采用传统有线、无线等网络为主，北斗短报文、5 G、窄带物联网（NB-IoT）、紫蜂协议（ZigBee）、远距离无线电（LoRa）等为辅的通信方式，与水利信息网建立安全连接[3]。水利感知技术主要包括设备监测、遥感、互联网抓取、人工填报等[4]。设备监测作为水利感知传统且重要的技术之一，已经不能完全支撑数字孪生水利对透彻感知的要求。

（1）传统水利监测设备大多基于RTU（遥测终端），数据难以实现共享，现网设备接入存在困难。用于传输数据的RTU 设备品牌型号众多、性能接口参差不齐，而不同厂家设备自带接收平台进行数据信息接收、存储和展示，数据难以实现共享。由于不同设备数据传输格式不同，甚至同样设备传输格式也不同，大量现网设备数据传输格式解译难度大，无法统一纳入平台进行管理，进而又加剧了数据共享的难度。

（2）监测站点多，设备间相互独立，运行成本较高，分散管理为运行维护带来困难。目前水利监测站每站配备多个监测设备，如水文站配有雨量计、水位计、流量计、蒸发器和视频监控等，水库站配有雨量计、水位计、流量计、水质检测仪和视频监控等，每个监测设备均有遥测终端，同一站点多个遥测终端不仅造成设备投资的浪费，而且增加了运行成本。同时，分散建设的子系统无法对现有设备进行统一接入和管理，致使对设备的运行维护管理存在一定的困难。

（3）水利感知设备智能化水平有待提升。目前RTU 采集的监测数据，只有基本的数据滤波算法，没有进行数据的智能分析和判断。通过对数据的智能分析和判断，可大大减少人工观测的次数，提升数据监测质量，降低管理成本。

若具有水位智能校核功能即根据浮子水位计、雷达水位计、AI 视频水位数据进行实时校核，分析水位偏差值来校正水位数据，则当水位偏差大于预值时，实时抓拍水位尺当前水位图片和水位偏差警报信息上传至平台，由平台提示值班人员进行人工复核。

若具有雨量互检智能分析功能即根据备用雨量计数据与主雨量计数据进行实时校核，分析主雨量计和备用雨量计数据偏差是否在设定范围内来分析判断主雨量计是否损坏或承水器是否被堵，则当分析判断出主雨量计有故障时，系统自动切换到备用雨量计传输数据，并发出主雨量计故障报警信息上传至平台，由平台提示运行维护人员处理。

因此，研发一款安全、可靠、稳定的智能边缘物联终端，在监测站点统一接入各类传感器、远控设备、监控设备，基于容器进行协议的灵活管理，并且根据业务需求提供边缘计算能力进行数据预处理及解算，再通过多种可靠的物联网信道回传是十分有必要的。同时，在水利工程、水资源调度及城市水务等领域也存在大量的RTU、PLC设备，通过统一的智能边缘物联终端实现接入、数传、远控、管理也是十分迫切的。

3 智能边缘物联终端核心技术和优势

智能边缘物联终端是在数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。它可以作为连接物理和数字世界的桥梁，提供智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。智能边缘物联终端，如图1所示。

智能边缘物联终端应用于水利感知，可融合5G、AI、边缘计算、北斗通信等新一代信息技术，颠覆传统独立控制系统的架构，为水利感知网带来新的突破。

3.1 核心技术

（1）采用4 核ARM CPU，处理能力较强，支持M.2 硬盘接口扩展存储，支撑多App 并行处理。智能边缘物联终端架构，如图2所示。

图2 智能边缘物联终端架构

（2）边缘计算架构。开放软硬件资源，支持Linux LXC 或Docker容器管理，App随需部署。提供标准Linux 开发环境，提供SDK 实现计算、存储、网络资源灵活调用。支持多边缘计算场景、多传感接入等。

（3）异构协议兼容。支持RS-485、RS-232、DI/DO、基于IP 的电力线载波PLC 等多种接口和协议，实现监测场景设备和数据接入。

（4）多种网络制式。支持LTE FDD和LTE TDD，并可兼容WCDMA/GPRS/GSM；支持Micro SIM 制式，支持双SIM卡冗余备份设计。

（5）自然散热、双电源冗余设计。可长期工作在-40～+70℃、5%～95%（非凝露）环境，保障设备长期稳定运行。

（6）支持IPv6和IPsec加密，数据传输安全可靠。

3.2 优势分析

（1）多设备一站式接入。可支持采集数据类型包括水位、雨量、蒸发、流速、视频等，并且可以根据对接传感能力，不断扩展支持水质、土壤墒情、空气质量等更多采集数据。所有感知设备一站式接入，可基于1 张SIM 卡通信，大大节省建设和运行成本。智能边缘物联终端多设备一站式接入，如图3所示。

图3 智能边缘物联终端多设备一站式接入

（2）App 极简开发和部署。智能边缘物联终端硬件功能和边缘计算应用软件通过“容器”技术相互隔离，各种协议及应用通过容器部署，实现软硬件充分解耦，增加设备的适用性，后期协议和应用升级通过开发App形式，灵活便捷。

（3）多协议多标准全兼容。支持RS-485、Modbus-RTU、Modbus-TCP、MQTT、COAP 等通信协议，对自动监测设备传输链路模式、传输数据的报文帧结构框架、报文帧结构、报文正文结构、报文编码方法等内容进行详细规定。支持多容器部署，通过加密文件系统对业务数据进行加密，保证数据安全。不同App 间各自调用计算、存储、网络等资源，独立采集终端设备数据，保障业务安全。

（4）具备多样化、高可靠通信保障能力。支持光纤/5G/4G/北斗等多种通信方式，实现多种链路互为备份传输。具有通信链路诊断、自动切换信道、通信链路巡检等功能，在极端恶劣环境下为信号回传提供最高保障。

（5）支持AI 智能分析。支持叠加AI 处理盒子，算力更强，可加载伙伴AI算法。支持现有的摄像头视频接入，可根据业务需求实现视频的结构化解析处理，具有进出人员、车辆、水尺、流量、水面异常漂浮物等识别功能。智能边缘物联终端用于河流表面流速识别，如图4所示。

图4 智能边缘物联终端用于表面流速识别

（6）支持“端边管云”标准架构，具有低延时通信回传和高时效性边缘计算能力，满足监测站与主站之间水利行业协议适配以及业务状态分析和预警，同时平台能够实现设备、容器应用等远程统一管理。

4 某省智慧水库应用案例分析

某省有2 600多座中小水库，很多水库大坝已经使用超过50 a，90%大坝无市电，供电困难；现场设备功耗超过200 W；网络回传困难，基本靠4G，速率不超过5 Mbps；传感设备众多，统一规约困难；长期无人值守，设备管理维护困难。在此基础上，研发的智能边缘物联终端在全国率先完成“一站一端一平台”的智慧水库平台建设，如图5所示。该智能边缘物联终端为具有多数据接口、支持有线与无线组网模式、低功耗的智能一体远程控制终端，主要用于雨量、水位、流量、GNSS、视频等多种传感设备的数据采集、统一存储和上传，实现水库监测要素全感知、监测设备全托管的目标，解决目前RTU 功能单一、接收平台过多、采控不能统一的问题，提升了水库自动化、智能化监测的能力和水平。应用案例具备以下四大行业价值。

图5 智能边缘物联终端用于智慧水库建设

（1）1 台智能边缘物联终端接入视频、水雨情、工情、电源电池等采集传感器，SIM 卡由原来的3 000多张降至400张，通信费用降低30%。

（2）站点设备、通信等的一站式管理支持远程故障定位及处理，可大幅降低维护复杂度和现场维护成本。

（3）为解决多处偏远地区通信环境恶劣的问题，提供光纤、4 G、北斗、WiFi 自组网等多种通信方式，灵活切换，全天候可用。

（4）通过边缘计算和数据清洗、分析和挖掘，实现水文测量数据实时分析和预警。

5 结语

智能边缘物联终端作为一种新型的远程控制终端，集远程控制、本地管理、计算和通信、AI 智能分析于一体，实现多种水利监测传感器（设备）的数据采集、存储、上传的统一管理，解决目前RTU 功能单一、接收平台过多、采控不能统一的问题，在保障数据采集、传输安全的基础上，可以有效降低整体运行维护成本，提升工作效能。同时，内置AI 功能通过对数据的智能分析和判断，可以大大减少人工观测的次数，提升数据监测质量，降低管理成本。目前，智能边缘物联终端已经在多个省份智慧水库、智慧水文建设中得到应用。基于智能物联终端构建新型水利感知体系，使水利数据感知更加便捷、透彻和智能，更好地为数字孪生提供数据支撑。