泛在智慧水利低成本建设方案.pdf

136第 46 卷 第 08 期2023 年 08 月Vol.46No.08Aug.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 引言随着物联网信息通信技术的不断发展，传统的产业形态也在不断地发生变革，大量的新技术、新模式和新产品的应用，推动了产业数字经济快速发展。对物联网发展前景的普遍看好和政府、企业的战略性投入，推动物联网迅速进入以“端-边-管-云”一体化布局为模式的生态构建新阶段。泛在智慧水利低成本解决方案是借助泛在低成本物联网+机器视觉+AI+智慧水利应用平台，实现低成本、物联网广域覆盖、丰富的物联网监测应用、可视化大数据分析、AI 赋能、基于大数据系统的智能辅助决策等，构建的“物联感知、互联互通、科学决策、智能管理”的智慧水利建设方案。能够实现水资源综合监测、土壤墒情监测、江河湖泊水利设施监控、机房动环监控、智慧配电房监控、城市供水管网监测、农业节水灌溉应用、城镇用水调节管控、工业用水及排污水质监测、水利水文、旱涝、地质等灾害在线监测、预警及专家系统等应用。2 L o R a无线通信技术LoRa 是”Long Rang”的意思，是一种低功耗长距离无线通信技术，主要面向物联网（IoT）或 M2M 等应用，是低功耗广域网（LPWAN）一种重要的无线传输技术。采用扩频调制来建立远距离传输链路。传统的无线传输方式使用（FSK）频移键控调制作为物理层，这种调制方式大大的降低了功耗。而 LoRa采用线性调频扩频调制方式，它不仅保持 FSK 调制低功耗特性，同时增加了无线通信距离。由于线性扩频技术的长距离传输和抗干扰性强等优点，广泛应用在军事领域和空间通信领域，而 LoRa 技术是首个用于商业用途的低成本实现。LoRa 技术的优势是远距离传输能力。LoRa 解调信噪比达到-20 dB 的信号，远高于传统（FSK）技术，其覆盖可达到数百平方公里范围。通常无线传输距离受环境或障碍物影响很大，恶略的环境或混凝土建筑都会降低无线传输距离，但 LoRa 和LoRaWAN 的链路预算优于其他任何标准化的通信技术。LoRa 无线技术主要优点体现在以下几方面：（1）远距离：在空旷地区传输距离可以高达 20 km以上，甚至更远。（2）抗干扰：在接近城市的郊区传输距离也能达到 1015 km，穿透能力更强，受建筑物影响更小。收稿日期：2023-03-23作者简介：孙迎松（1971-），男，工程师，从事水利工程建设管理和调度运行工作。泛在智慧水利低成本建设方案孙迎松1，程小娟2（1.山东调水工程运行维护中心烟台分中心，山东 烟台 264000；2.天津水科机电有限公司，天津 301900）摘 要：我国地域广阔，水系多而复杂，存在大量的泵站、闸站、水电站等水利工程，并且往往地处偏僻地区。因此，探索和研究在基础设施资源薄弱的条件下的低成本智慧水利物联网建设方案，具有很强的现实意义。基础设施资源薄弱条件下的泛在智慧水利低成本解决方案采用云计算、大数据、人工智能等技术，通过全面感知、无线通信、自主诊断、场景应用等方面的结合，构建成全方位的生命周期管理系统，依托各种物联网传感终端，实现各种碎片化的智慧水利物联网应用，协助水利水电构建起现代水利基础设施网络平台，提升水利水电的管理效率和社会服务水平，推动水利信息化建设。关键词：智慧水利；泛在物联网；LoRa 技术；低成本建设方案中图分类号：TN915.02文献标识码：A文章编号：1672-5387（2023）08-0136-03D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.08.038137第 08 期孙迎松，等：泛在智慧水利低成本建设方案（3）低成本：不需要额外的频谱费用，模块成本低，通过简单搭建部署以后就可使用，也不需要后续的运营费用。（4）低功耗：LoRaWAN 协议专门为低功耗而开发，电池寿命可达多年。3 泛在智慧水利解决方案研究泛在智慧水利低成本解决方案突破传统模式下组网复杂、建设及运营投资高昂、应用简单、只能在局部或小范围应用的水利、水文、地质灾害物联网监测限制，通过技术创新实现了基础设施资源薄弱条件下的智慧水利低成本物联网建设，构建端-边-管-云和人-机-料-物-环，结合业界领先的水利、水文、地质等灾害在线监测、预警及专家辅助决策系统。泛在智慧水利低成本解决方案主要内容有：（1）低成本泛在物联网传输网络应用基于 LoRa 无线泛在物联网，实现了低成本建设，减少了运营费用的投资，在水系全流域网络广泛覆盖中 10 年运营投资折算下来每公里仅 2 000 元，在大面积水利行业物联网传输网络广泛覆盖折算下来每公里仅 1 000 元。（2）供电困难条件下的低成本智慧水利物联网监控应用基于 LoRa 泛在连接网的智慧水利物联网监控系统具有灵活组态，应用形式丰富多样，所有变送器、传感器等装置都支持电池或太阳能供电，适应在河流、山区等供电困难条件下的智慧水利场景应用。（3）泛在智慧水利解决方案的应用泛在智慧水利低成本解决方案可应用于水位信息、水质信息、流速信息、温度信息、土壤信息、蒸发信息等水文监测；水质信息、水土保持、排污口等水环境监测；水库、闸门、泵站、大坝、堤防、取水口等工程运行监控；崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测；基于物联网、大数据、云计算、AI、信息整合等给灾害研究、防治与预警、决策提供科学智慧的手段与工具的智慧水利应用平台；基于泛在物联网的人员定位、设备资产管理等。助力水利、水文及地质灾害实现全面的数字化管理转型。提高智能化管理水平。4 泛在智慧水利低成本建设方案泛在智慧水利低成本建设方案是基于物联网理念的信息化解决方案，其核心就是把传感器嵌入或装备到水资源、水文、水利设施中，并且被普遍连接，形成“感知物联网”，然后利用云计算、大数据、人工智能等技术，通过全面感知、无线通信、自主诊断、场景应用等方面的结合，构建成全方位的水体生命周期管理系统，实现政府管理机构、企业和个体与水物理系统的整合。基于 LoRa 通信的智慧水利物联网解决方案选用可规模化部署、低功耗、低成本、高稳定性的一系列智能监测设备，通过 LoRa 无线网络，在无需布线的情况下，快速实现物联网系统的部署，实现表计远程集抄，压力、液位、流量等参数的监测，井盖安全监测，河流河道水质监测，水文雨情监测，泵站闸站监控等。泛在智慧水利低成本建设方案如图 1 所示。图 1 泛在智慧水利低成本建设方案为了解决 LoRa 通信带宽不足的缺点，泛在智慧水利低成本建设方案以 LoRa 通信为主，灵活结合 NB-IoT、4G、5G 或光纤网络，构建宽窄带一体的泛在智慧水利通信传输网络系统。针对存量和行业特殊传感器，利用通用传感器连接器，实现上千种各种传感器、执行器的快速接入。通用传感器连接器具有数据采集（类 PLC）、自供能、DTU 和野外环境使用的高防护功能。一体化集成的设计简化了设备、降低了成本，能够适配智慧水利绝大多数的应用场景。针对智慧水利日常巡检管理、外包队伍施工作业监管、野外资产防盗防破坏保护等需求，支持GPS+蓝牙定位方案，解决智慧水利现场室内、室外场景的人员及资产定位需求。基于 LoRa 通信的智慧水利物联网终端可以使用锂电池或简单太阳能装置供电，使用电池供电的可连续使用 2 年以上，电池电量耗尽后可更换电池继续使用，支持低电量告警。自供能的终端每几分钟定时采集一次数据，固定周期上报自己的工作状138第 46 卷水 电 站 机 电 技 术态和采集参数，当监测到报警状态时，立即自动发送报警信息。自供能终端支持监测频率可调，易安装、低功耗，完全满足智慧水利低成本建设的需要。以汛期河流水位监测应用装置为例，系统工作原理如图 2 所示，通过在河流堤坝旁处安装一台自供能水位监测装置，非汛期 8 h 采集一次数据，汛期每15 min 采集一次江面水位数据，数据通过 LoRa 采集箱传送到 LoRa 基站，最终在应用端显示和生成曲线，便于管理人员随时查看水位数据并及时做出应急处理预案。图 2 自供能水位监测装置工作原理在水利信息化中视频监控传输水利图像的功能起到重要作用，真实地反映水文情况。目前在水文监测中视频监控技术主要停留在模拟视频监控技术，仅仅是对现场水情、雨情等图像视频采集录像与传输存储。这种视频监控系统着重硬件信息的采集，而没有建立硬件之间的映射关系。没有发挥出视频图像信息的内部价值。泛在智慧水利建设方案采用机器视觉和物联网技术，将人工智能的机器视觉技术引入到水利物联网监测中，首次将物联网技术、机器人视觉、人工智能等技术应用到水利行业的相关视频监控系统中，对物联网数据和图像信息分析融合，建立一种可视化的操作终端，通过在水文监测地区、大型水库安装实时监控设备和数据传感器，即可对可能或正在发生的汛情、险情、灾情及水体污染进行动态监视和分析报警，充分发挥人工智能技术在水利信息化中的作用，形成监测及决策支持系统。针对水利管理部门已建的智慧水利孤岛系统，泛在智慧水利低成本建设方案可实现集成及被集成，实现技术资产的最大化利用。5 结语泛在智慧水利低成本建设方案采用 LoRa 无线通信，传输距离远、覆盖范围广、穿透能力强，可以实现快速、低成本的网络部署和业务应用；通用传感器连接器具备多种供电方式、多种工业标准接口，可灵活接入智慧水利各类传感器，适配各种各样的智慧水务碎片化的物联网应用场景；通过低成本泛在网络、简化设备部署的自供能传感器终端等创新技术应用，实现了通信网络、供电等基础设施资源薄弱条件下的智慧水利低成本建设；智慧水利云平台具有超强的 PaaS 能力，功能完善，API 接口开放，可与多方设备无缝对接。同时，可以通过 Web 平台、手机APP、短信、电话等方式立体报警，将各种警情信息及时推送给相关人员。泛在智慧水利低成本建设方案将使水利管理部门获取高精度、高价值和多维度的大规模水利数据，通过构建各部门、各行业的信息互联互通，实现数据融合，可充分释放数据价值，刺激综合应用，掌握行业规律，提升社会治理的效率和民生服务质量。参考文献：1龚天平.LORA技术实现远距离、低功耗无线数据传输J.电子世界，2016（10）：115，117.2胡哲诚.物联网无线连接的测试测量痛点及固纬电子的LoRa 解决方案 J.电子产品世界，2020（6）：24.3王鹏，刘志杰，郑欣.LoRa无线网络技术与应用现状研究J.信息通信技术，2017，11（5）：65-70.4杨磊，梁活泉，张正，等.基于 LoRa的物联网低功耗广域系统设计 J.信息通信技术，2017（1）：40-46.