吳建剛，房福龍，許建平，金建宏，韋鎖蘭

（1.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2.江蘇省水利廳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心，江蘇 南京 210017）

0 引言

我國的水利工程星羅棋布，已初步建成具有防洪、排澇、調(diào)水、檔潮、灌溉的水利工程體系，在抗御歷次洪澇干旱災害中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。為全面推進水利現(xiàn)代化建設，應注重工程和非工程措施相結(jié)合，運用現(xiàn)代信息技術(shù)改造提升傳統(tǒng)水利業(yè)務，實現(xiàn)防汛決策指揮和水資源調(diào)度的精準化、科學化。

物聯(lián)網(wǎng)被正式列為我國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，物聯(lián)網(wǎng)在水利工程設施監(jiān)控、旱澇預警、水生態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

為進一步提升水利樞紐工程的科學管理水平，本文結(jié)合沭陽水利樞紐工程整治建設開展物聯(lián)網(wǎng)在水利樞紐工程的初步應用探討。沭陽樞紐工程位于沭陽縣境內(nèi)，由南偏泓閘、北偏泓閘、漫水子埝閘、六七道溝閘和發(fā)電站等工程組成，南北偏泓閘相隔2km，控制中心設在樞紐管理所內(nèi)。

1 樞紐工程物聯(lián)網(wǎng)的總體方案

水利樞紐工程物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過無線射頻識別（RFID）裝置、水位采集器、閘位測控儀、視頻圖像等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡， 其實質(zhì)是利用傳感器網(wǎng)絡，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)水利樞紐工程信息的自動識別和信息的互聯(lián)與共享，達到物-物相連的目的?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示 。

1.1 傳感器網(wǎng)絡

RFID 技術(shù)已廣泛地應用于物流、軍隊、煤礦和交通等領(lǐng)域，為物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)的普及打下了一定的應用基礎(chǔ)[1]。RFID 技術(shù)應用于水利工程的工程基礎(chǔ)信息、設備、運維等管理有著廣闊前景，如：傳感器、設備運行、維護、汛前檢查等情況可利用 RFID 技術(shù)進行管理。

水位、揚壓力、閘位等傳感器采用低功耗和無線接入技術(shù)，形成傳感器網(wǎng)，通過 M2M（Machineto-Machine）智能終端接入實現(xiàn)設備到設備、設備到人和人到設備的信息傳遞，真正做到物-物相連。

1.2 通信網(wǎng)絡

網(wǎng)絡接入有線和無線2種方式。無線接入包括 SMS，USSD，GPRS 和 3G 等方式，有線接入包括同軸，ADSL，LAN 和光纖等方式[2]。另外，短距離無線接入方式包括藍牙，ZigBee 和 WLAN 等。

1.3 樞紐物聯(lián)網(wǎng)

圖1 水利樞紐工程物聯(lián)網(wǎng)應用總體結(jié)構(gòu)

在傳感器網(wǎng)絡、智能感知、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)在樞紐工程運用的基礎(chǔ)上，進行防汛決策、水資源調(diào)度、水利工程管理等應用系統(tǒng)的開發(fā)，并建立 Web 瀏覽、PDA、短信服務為手段的信息發(fā)布與反饋系統(tǒng)，將工程的信息采集、傳送、分析、處理和管理智能化。

“物聯(lián)網(wǎng)”概念應用于水利行業(yè)，打破了過去一直將工程和 IT 設施分開的傳統(tǒng)工程管理思維，而是將水利鋼筋混凝土、機電設備、水位、閘位、視頻和 IT 設備等整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設施，在此意義上，水利工程設施通過物聯(lián)網(wǎng)的應用實現(xiàn)包括調(diào)度監(jiān)控、運維管理、安全評估、通信預警和信息發(fā)布等的智能化。

2 物聯(lián)網(wǎng)在樞紐工程中的應用

本工程結(jié)合水利樞紐工程監(jiān)控系統(tǒng)建設運用了一些物聯(lián)網(wǎng)元素，如傳感網(wǎng)智能化接入、無線通信網(wǎng)絡、虛擬現(xiàn)實可視化等。

2.1 樞紐工程物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能

2.1.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與感知

閘門開度信號采集，采用 ZigBee 無線通信接入智能終端；電氣信號采集，通過電氣智能檢測儀采集電氣信息；上、下游水位信號采集，通過水位傳感器采集水位值并存入實時數(shù)據(jù)庫；圖像信號采集，網(wǎng)絡攝像機監(jiān)視啟閉機、閘門、上下游等運行狀態(tài)。

2.1.2 網(wǎng)絡傳輸

通過網(wǎng)絡信道傳輸圖像、運行數(shù)據(jù)、監(jiān)控命令等信息數(shù)據(jù)，本項目網(wǎng)絡通道有無線和有線2種方式。北閘地處偏僻，與控制中心被新沂河隔離，采用無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡傳輸，南閘與樞紐控制中心采用光纖聯(lián)接；樞紐控制中心與上級中心租用商用寬帶網(wǎng)聯(lián)接。

2.1.3 應用功能

1）數(shù)據(jù)收集與入庫。收集圖像信息、電氣量、閘門開度、揚壓力，以及運行和斷路器狀態(tài)、事故信號、行程開關(guān)等。對各種運行數(shù)據(jù)匯集、提取、計算、統(tǒng)計等處理，并寫入實時和歷史數(shù)據(jù)庫。

2）數(shù)據(jù)查詢與管理。查詢運行數(shù)據(jù)，操作、定值變更、事故及故障統(tǒng)計、參數(shù)越復限統(tǒng)計等記錄，以及運行日志等信息。對數(shù)據(jù)庫的記錄進行補充、刪除、修正等數(shù)據(jù)維護。

3）運行統(tǒng)計與報表。根據(jù)上下游水位和閘門開啟孔數(shù)和開高，計算出過閘流量，統(tǒng)計時段過閘水量，生成年月日運行報表。

4）控制與調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)具有現(xiàn)地手動、人工干預自動和程序優(yōu)化運行等控制功能。人工干預自動控制是操作員利用鼠標或鍵盤，發(fā)出控制命令對閘門運行進行控制；程序優(yōu)化運行控制是根據(jù)閘的工況要求設定流量和開度控制，將閘門開到設定流量或開度，并進行自動調(diào)節(jié)；現(xiàn)地手動控制是直接在機旁箱控制按鈕對閘門進行控制操作。

5）報警與保護功能。在閘門運行控制出現(xiàn)異常時，向運行人員發(fā)出報警，并切斷電源自動保護。

6）系統(tǒng)管理功能。具有操作人員權(quán)限管理、系統(tǒng)自診斷、運行操作幫助和仿真培訓等功能。

2.2 在沭陽水利樞紐自動化系統(tǒng)中的應用

沭陽水利樞紐自動化系統(tǒng)為分級分層開放式結(jié)構(gòu)。從控制功能上分為3級，即遠控級、主控級與現(xiàn)地級。控制權(quán)限由高到低順序為現(xiàn)地、主控與遠控，進行無擾動切換。從物聯(lián)網(wǎng)角度上分為3層，即數(shù)據(jù)采集感知層、網(wǎng)絡層、應用層。

應用層為上級管理部門，通過光纖與本樞紐控制系統(tǒng)聯(lián)接，實現(xiàn)運行狀態(tài)、參數(shù)及視頻圖像收集，結(jié)合調(diào)度應用系統(tǒng)完成指令下發(fā)和閘門的遠程控制；網(wǎng)絡層是數(shù)據(jù)傳輸和命令下達的鏈路，由于信息采集點位置偏遠，可采用網(wǎng)絡、光纖和無線通信等技術(shù)；感知層主要由閘門開度儀，揚壓力傳感器、水位傳感器，視頻監(jiān)控和現(xiàn)地測控裝置等設備組成。系統(tǒng)組成總體方案如圖2所示。

圖2 沭陽樞紐自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)的感知、傳輸與可視化應用由3個部分組成。

1）無線水閘測控儀。本次項目應用的閘門開度儀采用低功耗設計，具有物聯(lián)網(wǎng)傳輸功能的無線水閘測控儀，測控儀讀取傳感器測得的各類數(shù)據(jù)，經(jīng)過必要的處理后通過嵌入設計的無線通信接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿l PLC 無線路由節(jié)點，再由無線網(wǎng)橋與主控制中心聯(lián)接；同時，圖像信息采集后也通過同樣信道傳至中心，構(gòu)成水閘監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)典型應用結(jié)構(gòu)。

無線水閘測控儀采用 ARM 芯片為核心開發(fā)，主要功能如下：

數(shù)據(jù)采集，采集閘位、水位、揚壓力等數(shù)據(jù)；

有線通訊，RS-232，RS-485，以太網(wǎng)，支持多種通信規(guī)約；

無線通信，通過無線 ZigBee 進行組網(wǎng)通信；

無線通信距離，最大傳輸距離100m（標配），2.4G 擴頻；

工作電壓，24V（標配）；

嵌入式操作系統(tǒng)，uCOS-II。

2）無線網(wǎng)橋。無線網(wǎng)橋可在2個或多個網(wǎng)絡之間搭起無線網(wǎng)絡的橋接，比其它有線網(wǎng)絡設備更方便部署。由于北偏泓閘地處偏僻，與控制中心被新沂河隔開（近2000m），不適宜光纜敷設，因此采用無線網(wǎng)橋進行網(wǎng)絡聯(lián)接。在南北偏泓閘各安裝1臺，用于數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，網(wǎng)橋采用 OFDM（正交頻分復用）技術(shù)，具有頻譜效率高，帶寬擴展性強，抗多徑衰落，頻譜資源靈活分配，實現(xiàn) MIMO（多天線）技術(shù)較簡單等特點。本項目無線網(wǎng)橋工作在 5.8G 頻段，采用 IEEE 802.11g，802.11a 數(shù)據(jù)標準，點對點工作方式，具備54Mbps 的傳輸帶寬，應用效果良好。

3）可視化應用?？梢暬俏锫?lián)網(wǎng)應用的重要內(nèi)容，水利工程管理都需要更加直觀有效的監(jiān)測和管理系統(tǒng)。偏遠地區(qū)水利工程可視化物聯(lián)網(wǎng)對于真實場景與環(huán)境的還原功能具有現(xiàn)實意義。通過實時采集水位、閘位、揚壓力、圖像傳感器等數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，進行傳輸分析處理后，再以表單、圖表、文字、虛擬現(xiàn)實等方式進行展示，同時響應互聯(lián)網(wǎng)（遠程）用戶的各種請求，如實時數(shù)據(jù)更新、圖像虛實擬合、遠程控制等，實現(xiàn)高清、實時、全面感知樞紐各個方面信息。

4 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)在水利上應用的深入展開，水利部“感知太湖·智慧水利”物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水利應用示范項目快速推進，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將更多地應用于水利工程監(jiān)控、水資源管理、水生態(tài)建設等水利項目。本項目僅對新沂河沭陽樞紐工程的物聯(lián)網(wǎng)應用進行初步探討，將來建成的新沂河流域水利工程物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，將對流域智能調(diào)度中的感知、仿真、預警、調(diào)度、控制、數(shù)據(jù)處理和運維等關(guān)鍵技術(shù)綜合運用，實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的“智慧流域”。

[1] 黎立，朱清新，王芳.EPC 系統(tǒng)中的中間件研究[M].計算機工程與設計，2006,27（18）: 21-23.

[2] 孔寧.物聯(lián)網(wǎng)資源尋址關(guān)鍵技術(shù)研究[R].北京：中國科學院研究生院，2008.