水利工程物联技术的现状与应用

2005年11月17日,国际电信联盟(ITU)在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,发布了“ITU互联网报告2005:物联网”。这份报告指出,无所不在的“物联网”通信时代即将来临,传感器技术、射频识别技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。

2009年1月28日,IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念,建议美国政府投资建设新一代的智慧型基础设施,并阐明了其短期和长期效益。奥巴马对此给予了积极的回应。“智慧地球”的概念自提出就得到了美国各界的高度关注,目前这一构想已经上升至美国的国家战略,并在全世界范围内引起了轰动。

物联网技术的应用在国外起步较早,目前已经有许多业务在国外得到广泛应用。事实上,物联网应用就产生于2002年的美国,当时美国最大的水处理产品供应商Bio Lab公司运用M2M技术,远程监控游泳池水中的p H值和消毒剂投放情况(系统采用Nokia的无线通信解决方案Nokia30和Opto22的数据采集设备Ultimate I/O),之后物联网应用便在全球如火如荼地发展起来,并表现出极具爆发力的增长势头。

而我国早在1999年,中国科学院就启动了传感网研究,分别在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等方面取得重大进展。我国的技术研发水平目前处于世界前列,并拥有多项专利。据工信部透露,到目前为止,我国传感网标准体系已形成初步框架,向国际标准化组织提交的多项标准提案已被采纳。在这个全新产业未来发展中,我国和国际上的其他国家相比具有优势,在传感领域目前走在世界前列,与德国、美国、英国等一起,成为国际标准制定的主导国之一。尽管如此,今后仍需加大对物联网研发和应用的支持力度,要极力避免当初计算机和互联网产业大规模发展时,因为没有掌握核心技术而不得不付出的巨大代价。

在物联网网络通信服务业领域,我国物联网M2M网络服务保持高速增长势头,目前M2M终端数已超过1000万,年均增长率超过80%,应用领域覆盖公共安全、城市管理、能源环保、交通运输、公共事业、农业服务、医疗卫生、教育文化、旅游等多个领域,未来几年仍将保持快速发展,预计“十二五”期间将突破亿级。三大电信企业在资源配置方面积极筹备,加紧建设M2M管理平台,并推出终端通信协议标准,以推进M2M业务发展。国内通信模块厂商发展较为成熟,正依托现有优势向物联网领域扩展。国内M2M终端传感器及芯片厂商规模相对较小,处于起步阶段。尽管我国在物联网相关通信服务领域取得了不错的进展,但应在M2M通信网络技术、认知无线电和环境感知技术、传感器与通信集成终端、RFID与通信集成终端、物联网网关等方面提升服务能力和服务水平。

在物联网应用基础设施服务业领域,虽然不是所有云计算产业都可纳入物联网产业范畴,但云计算是物联网应用基础设施服务业中的重要组成部分,物联网的大规模应用也将大大推动云计算服务发展。国内云计算商业服务尚在起步,SaaS已形成一定规模,而真正具有云计算意义的IaaS和PaaS商业服务还未开展。目前,我国在云计算服务的基础设施(IDC中心)建设、云计算软硬件产业支持和超大规模云计算服务的核心技术方面与发达国家尚存在差距。云安全方面,我国企业具有一定的特点和优势。随着物联网应用的规模推进、互联网快速发展和国家信息化进程的不断深入,我国云计算服务将形成巨大的市场需求空间,“十二五”期间将呈现快速发展态势。

在水利信息采集方面的应用。现代水利工作中大量使用自动化以及半自动监测逐步代替人工操作,发展了类型丰富、性能可靠、各具特点的传感器监测系统。监测系统包括工程安全监测、水质监测、水文监测、水土保持监测等,监测物理数据囊括了水位、雨量、风力风向、位移、温度、压力、视频以及多种水质参数。这些应用已经契合了物联网在信息采集末端的应用方式。长期对水利信息的处理积累了大量经验数据和模型,并且形成了一定程度上固有的处理方式和流程,这将成为物联网应用中人工智能系统建设的基础层。

在水利灌浆系统方面的应用。基于物联网的灌浆监测系统就是每个灌浆记录仪都具有唯一的识别码,多台灌浆记录仪通过无线技术连接起来,并能够将各台灌浆记录仪的实时数据融合到一起的物联网。通过该系统管理人员能够读取每台灌浆记录仪的数据信息,了解到灌浆过程数据,并且能够对数据进行统计分析,帮助管理人员进行决策。该系统采用多种无线技术将多台灌浆记录仪采集到的灌浆过程数据收集到数据服务器中,形成物联网。物联网中多种无线技术的运用降低了布线成本,简化了工程设计,实施了灌浆记录仪的全面监测。基于物联网的灌浆监测系统为水利灌浆行业的发展提供了坚实保障。

在水利填筑碾压监控系统方面的应用。系统集合GPS(GNSS)定位技术、数据通信传输技术等高新科技,现场安装碾压机械移动监测点、网络中继站等硬件设备,建立主控中心与现场分控站,连续、实时、高精度地对碾压机械进行自动定位,进而进行碾压遍数计算与显示,可应用软件处理方法计算填筑层厚度、碾压遍数、激振力、压实度、合格率等监控指标。该系统采用定位技术、激振传感器、碾压监控软件等,将碾压过程数据收集到数据服务器中,形成物联网。基于物联网的填筑碾压监控系统为水利碾压行业的发展提供了技术支撑和科学依据。(www.xing528.com)

在水利信息管理系统方面的应用。水利工程具有地域分布广、管理部门分散、信息量大的特点,加之运行管理部门、水资源调度部门、工程维护部门、上级决策部门的分别建立和独立运行,导致采用通信专网、计算机网络、图像监控等的信息自动化系统很难完全满足各部门管理人员实时、准确、全面地了解和掌握整个水利工程运行的需求。建设一个能够适应水利工程特点的综合集成型业务应用平台,是解决“信息孤岛”问题的有效措施。为探索提高水利工程信息化管理水平的新途径,进行了智慧水利工程管理方法的研究与实践,形成了一套基于物联网技术的智慧水利工程信息管理系统。该系统的应用为水利工程的运行管理提供了安全、可靠、经济、科学、先进的技术手段,同时也为安全、科学、合理的运营管理提供了实时数据和决策支持功能。

在智慧水利系统方面的应用。基于物联网技术的智慧水利系统将各种前沿物联网技术综合运用到一个系统中,并且能有机结合发挥出各子系统的最大效能。主要包含以下四大特征:①实时感知,通过先进的传感器和智能设备构筑遍布流域的“水利传感网”,全面实时地测量、监控和分析水文、水情等信息;②全面整合,通过通信和计算机网络将整个水利系统完全连接和融合,充分整合共享现有系统的基础设施;③创新应用,通过科技创新为政府、企业和个人提供更为高效、便捷的业务应用,为水利信息化提供源源不断的发展动力;④统一协作,通过统一的水利综合信息管理平台,实现各个关键系统之间的协同运作,达成科学的运行状态。通过实时采集水文、气象、水位、流速、流量、图像传感器等数据终端的数据,进行传输分析处理后,再以表单、图表、文字、虚拟现实等方式进行展示,同时响应互联网(远程)用户的各种请求,如实时数据更新、图像虚实拟合、远程控制等,实现高清、实时、全面感知枢纽各个方面信息。

在流域智能调度方面的应用。流域水资源调度问题涉及因素多,环境复杂,影响范围大,现有的手段仍然无法解决面临的技术难题和实践问题。然而,最近兴起的物联网技术为此提供了契机。以物联网技术作为支撑,构建流域智能化调度系统,建立完备的监测、仿真、诊断与预警、调度与处置和控制体系,集成建设智能综合指挥平台,提高应对气候变化的能力,保障“六大安全”,为促进流域调度向数字化、信息化、现代化、自动化和智能化等(简称“五化”)方向发展奠定了基础,并引领未来水利信息化发展的潮流。物联网技术是一项综合性的技术,具体实现步骤分为感知层、传输层、应用层3个层次。以流域应用为例,物联网层次结构和体系框架如图6-1和图6-2所示。

图6-1　流域调度物联网层次结构

流域的智能化调度系统是“智慧地球”在流域调度方面的具体应用,以坚实的科学基础和技术手段保障防洪、供水、生态、能源、航运和工程的安全。

图6-2　基于物联网技术的流域智能调度技术体系框架