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    选取雷達水位計進行水文情況實時監測和及時的系統介紹

    發表時間:2020-02-16   點擊次數:317 技術撑持:1560-1403-222

    摘  要 :水文監測在洪澇災害預防與治理中起著關鍵作用,針對傳統水文監測方法無法實時測量、無法獲得全面數據、無法準確分析結果等問題,提出應用物聯網技術,基于雷達水位計與流速傳感器建立一套物聯網水文監測系統,探討傳感器智能接口開發、數據融合與智庫實現及傳感器、無線網絡與智庫集成等關鍵技術,開發了物聯網水文監測系統軟件,并通過室內試驗與室外試點證明了該系統運行穩定,達到了預期的功能和效果,為水文監測系統的建設提供了一種新方法。

    雷達水位計

    引 言
    我國版图廣闊,河道湖泊眾多,豐富的水資源地面促進了農業發展,但洪澇災害給人民群眾帶來了不小的財產損失和人命威脅。洪災治理选取預防為主的方式,洪災預防要對河流進行監測,然后對采集到的實時數據進行分析,從而能夠準確預報大水情況。傳統的水文監測采用人工方法,定期到水庫、河道等現場實施檢測,但人工方法存在很多坏处,諸如無法做到實時測量、獲得全面數據、準確解析結果等,以至在少许偏遠區域,人工監測無法實施,致使該區域數據無法獲取。

    基于上述問題,建設現代化水文監測系統勢在。连年來,物聯網、大數據等信息技術的大力發展,推動了水文信息化建設出現長足,征服了傳統人工觀測方式的不敷。在基于物聯網的水文監測方面,有眾多學者實施了查究,諸如,賈琳娜等以船只搭載傳感器作為物聯網感知層的移動節點,提出一種基于物聯網的水情測報系統 [1] ;王慧斌等提出一種基于 CPS 體系架構的水文自動測報物聯網系統 [2],具 備“感知 - 物信互聯 - 過程跟蹤 - 智能處理”的特性 ;

    吳春祥等依托 4G 無線網絡與岸端水文數據監測大旨構建了一個智能化水文自動測報系統 [3] ;李杰采用物聯網技術構建丹東市水文監測信息系統 [4],可提高區域水文信息監測效率 ;熊萬提出使用 ZigBee 無線傳感器網絡技術以及 W5500 以太網模塊組成監控系統 [5],以實現水文信息的監測 ;馬朝從硬件平臺構建和軟件集成設計兩個方面,探討了基于物聯網的水文監測信息系統架構 [6] ;晉美次旦等提出一種基于物聯網的水文監測系統 [7],可提高水文監測系統的智能化水平 ;張云等構建了基于物聯網的水文監測系統 [8],运用 ZigBee技術在小范圍無線通讯方面的優點,結合水文預報的實際現場情況,采取樹形拓撲結構組建無線自動水文監測網絡 ;張洋洋等基于 ZigBee 和 GPRS 實時監測水文信息 [9],極大地升迁了水文監測的智能化程度 ;Dai 等基于水調度管理模塊,構建了基于物聯網的水文信息監測系統 [10] ;江勇等提出了基于物聯網的水文監測系統 [11],該系統具有處理、可視化顯示、報警及處理等功能。

    綜合以上文獻得出,物聯網技術在水文信息監測系統中得到了的應用,集中于运用 4G,ZigBee,GPRS 等無線組網方式實現傳感器數據的收集,当前有些處于實驗室試驗階段,并未用于監測現場。本文通過考究實施自動化水文監測系統,實現水位、流速水文信息的自動收集、傳輸和處理,树立水位、流速關聯決策系統,并在廣西境內建立試點,美满水文信息的存儲管理和交換,為水文數據的處理供应先進的技術权谋,為防汛抗旱、都会水務信息化、水資源管理等提供依據,滿足水利各類業務和其他行業對水文水資源預測預報的需求。

    1 物聯網體系架構
    物聯網 [12] 是通過射頻識、环球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等傳感設備,依照定協議將網絡與物品連接,實現信息交換和通信與智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網系統可實現物到物、人到物和人到人的互聯,通過傳感技術人與人之間的互聯擴大到了物的范圍 [13]。物聯網的核心是物物,可實現所有事物之間的信息交換和通讯,如圖 1 所示。

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    體系架構用于指導具體的系統設計,物聯網應用廣泛,急需创立一個共性框架支撐物聯網在各個領域的應用,同時,隨著應用需求的不斷發展,新技術不斷引入物聯網體系中。,物聯網系統包括感知層、網絡層和應用層,如圖 2 所示。

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    1.1 感知層
    物聯網要實現萬物聯,感知層是基礎,其主要基于雷達水位計傳感器搜集物體信息。感知層的關鍵技術包孕 RFID 技術、傳感器技術、無線傳感網絡技術等。感知層必要解決功耗、本钱等問題,并大力促使其向高靈敏度、全面的感知才能对象發展。

    1.2 網絡層
    網絡層主要完成感知信息的傳送,是物聯網信息的承載網絡。網絡層包含接入網、核心網等,接入網使物聯網實現網絡接入功能,接入網分為無線接入、有線接入等。核心網支撑終端移動性和異構接入。物聯網中的設備結構分歧,于是,物聯網應該是泛在的,并且物體是移動的,所以物聯網網絡層须要维持移動性,實現無縫透明接入。

    1.3 應用層
    應用層實現數據挖掘、應用決策等,最終實現物聯網領域應用。該層涉及多量數據的智能處理、中間件、分布式計算、信息發現等技術。物聯網行業應用均有各自系統,沒有統一的物聯網標準與物聯網接入、融合的管理平臺,因而,應用層必要一個通用框架,以滿足物聯網各行業的個性化應用。

    物聯網的特征是物物,無需人工干預,極大地提高了效率,同時降低了人工導致的不穩定性。物聯網把傳統信息通信網絡延伸到廣泛的物理天地。將“物”納入“網”中是信息化發展的一大趨勢。

    2 物聯網水文監測系統
    近年來,物聯網產業蓬勃興起,在各個行業都有成熟的應用典范。隨著物聯網的發展,“水聯網”時代已經到來,物聯網水文監測是水聯網中的一部分。應用物聯網信息技術,通過關鍵技術的研究建成常規監測與自動監測、固定監測與移動監測相結合的現代化水文信息采集體系,研究開發一套集采集、傳輸、處理、存儲、顯示于一體的自動化水文監測系統。該系統使用雷達水位計、流速計對水位、流速信息進行實時采集,通過無線網絡或有線網絡進行傳輸匯集,構建水文信息平臺,服務于防汛抗旱、城市水務信息化以及水資源監測等多項業務管理,從而能夠切實提高水利行業管理的綜合能力和管理水平,實現向精細管理、動態管理、定量管理和科學管理的轉變。

    2.1 系統組成
    物聯網水文監測系統运用傳感器進行水文信息搜集,使用 Internet/GPRS 通讯網创建信息傳輸網絡,并把信息傳輸監控主题的水文監測信息系統,形成區域內信息搜集、傳輸、處理的水文信息綜合數據庫,如圖 3 所示。

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    基于通用物聯網體系架構,物聯網水文監測系統由感知層、網絡層、應用層組成。

    感知層 :由雷達水位計水位傳感器、流速傳感器和數據終端機組成,采用 GDRD56雷達水位計采集水位信息,选拔 RG30 雷達流速計搜集流速信息,选取 DATA-6311 數據終端機剖析水位與流速傳感器信息,并數據傳送于網絡層。

    網絡層 :选择 Internet/GPRS 網絡相結合的方式。數據終端機解析得到的水位與流速數據通過網絡傳送到服務器進行存儲與處理。

    應用層 :開發基于 Web 的物聯網水文監測系統軟件,通過建立智庫使應用層能夠容易、快捷的獲得水文信息。

    2.2 關鍵技術
    實現該系統所涉及的關鍵技術包孕傳感器智能接口開發、數據融合與智庫實現以及傳感器、無線網絡與智庫的集成研究。

    (1)傳感器智能接口開發
    通過谙熟水位、流速傳感器的原理以及數據讀取、數據轉換等完成傳感器智能接口的開發,擬选拔 IEEE1451 標 準 [14],接口真理如圖 4 所示。IEEE1451 是一個智能傳感器接口的標準族,其定義了一系列為使智能傳感器連接到微處理器、儀表系統以及現場控制網絡的開放、通用的標準,該標準給傳感器配備了一個通用的軟硬件接口,使其能够方便的接入現場總線以及 Internet。

    4.jpg

    (2)數據融合與智庫實現
    主要對收集到的傳感數據進行篩選、過濾、存儲、處理、人機交互等,利用數據處理平臺與服務器,采用 WEKA 工具挖掘水位與流速的關聯關系,融合各種數據處理算法,造成智能決策系統,實現友好的人機交互與 Web 服務。數據融合與智庫實現如圖 5 所示。

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    傳感器、無線網絡與智庫的集成
    無線網絡的選用擬根據水文站、水庫、流域的現場情況而定,在鋪設有線 Internet 的現場,不妨通過覆蓋無線WiFi 網絡獲取各傳感器數據視頻、圖片 ;在沒有Internet 而有手機移動網絡的現場,可以选取 GPRS 等網絡傳輸數據 ;在沒有 Internet 與手機網絡的場所,擬选择斗极短報文方式傳輸數據。傳感器、無線網絡與智庫集成如圖 6所示。

    6.jpg

    2.3 室外試點
    物聯網水文監測系統包含室內查究和室外試點應用。室內研究在充分考慮各項關鍵技術的基礎上,建設了一套由監測點、數采儀、網絡、監測軟件構成的完整體系 ;室外試點應用在南寧水文站實施室外試驗,安裝雷達式水位計與流速計各 1 套,通過現場大量的實驗考究,驗證物聯網水文系統的實時性、準確性、穩定性。

    根據水文站現場勘察情況,結合必要安裝的水位計與流速計的工作道理,选拔豎桿與橫臂結合固定的办法,根據實際尺寸定制豎桿與橫臂并運送到現場安裝、調試。定制 L型立桿,采取鋼 Q235 资料,高 6 m、橫臂長 6 m,桿直徑180 mm、厚 6 mm,橫臂直徑 114 mm、厚 4mm。橫臂末尾預留三個吊鉤,用于安裝傳感器,吊鉤安裝孔遵守傳感器訂做 ;桿中端安裝一個室外監測箱用于安裝數據終端機 ;頂端安裝太陽能板支架,用于安裝太陽能板 ;桿和橫臂連接處安裝天線扣,用于安裝發射天線。整桿做防雷處理,電箱到傳感器之間預留連接線管及線孔。物聯網水文監測系統安裝如圖 7 所示。

    7.jpg

    安裝立桿前,在低水位與高水位處做 2 個基礎籠,挖地長 1 m,寬 1 m,深 3 m。选择 12×M24 圓鋼原料,3 m下料,帶面板,C30 混凝土。在枯水期時,將立桿安裝于低水位處 ;洪水期時,將立桿上移到高水位處。

    2.4 物聯網水文監測軟件
    實時搜罗無線傳感網絡傳輸的水位、流速數據,并赐与分類聚積、組合、存儲 ;預處理的數據屬于時序數據,选拔人工神經網絡建立數據模子,利用神經網絡和暧昧邏輯系統結合变成的神經模糊網絡模子對實時收集的數據實現智能決策 ;人機交互與 Web 服務界面拔取GoServer 快速 Web 應用開發平臺實現。GoServer 是一套用于開發 Web 應用系統的開發平臺,適用于開發各種應用系統,是 MIS,ERP,CRM,OA,HER,物流系統等。也適用于將 C/S 應用系統轉向 B/S 構架,或者將多套 C/S 應用系統進行整合,以及完成傳感器監測系統的上位機步伐。

    物聯網水文監測與預測系統軟件采取 GoServer 平臺開發而成,包孕系統管理、監測管理與監測剖析操作。系統管理模塊包括用戶管理、角色管理以及權限管理等功能,可以增加與刪除用戶 ID、用戶名、所屬角色及其聯系办法等 ;監測管理模塊具有監測點分類、監測點配置、參數配置與數據補償等功能,主要實施對水文監測點的參數設置與配置,該功能是達到準確監測結果的前提 ;監測剖析模塊具有監測、歷史數據保留、水位分析、液位剖析與水位預測功能,可以顯示水位、液位數據,并保留到數據庫,方便對水位、液位進行解析,如圖 8 所示。應用歷史數據,通過人工智能方法對水位實現預測。

    8.jpg

    3 結 語
    本文應用物聯網信息技術成立了一套基于雷達水位計和流速計的物聯網水文監測系統,通過室內試驗和室外試點,發現該系統運行、準確、穩定,達到了預期效果。該系統的胜利運行大大提升了水利水文領域的自主創新本事,突破了重點核心關鍵技術,實現了水利水文領域的創新驅動發展,有力支撐了廣西壯族自冶區水利產業結構優化升級,為后期建設功能明確、結構合理、良性、運行高效的智慧水文信息監控體系奠基了堅實的基礎。



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