物联网在水利枢纽工程中应用的探讨

吴建刚，房福龙，许建平，金建宏，韦锁兰

（1.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2.江苏省水利厅网络数据中心，江苏 南京 210017）

0 引言

我国的水利工程星罗棋布，已初步建成具有防洪、排涝、调水、档潮、灌溉的水利工程体系，在抗御历次洪涝干旱灾害中发挥了关键作用。为全面推进水利现代化建设，应注重工程和非工程措施相结合，运用现代信息技术改造提升传统水利业务，实现防汛决策指挥和水资源调度的精准化、科学化。

物联网被正式列为我国五大新兴战略性产业之一，物联网在水利工程设施监控、旱涝预警、水生态监测等领域具有广阔的应用前景。

为进一步提升水利枢纽工程的科学管理水平，本文结合沭阳水利枢纽工程整治建设开展物联网在水利枢纽工程的初步应用探讨。沭阳枢纽工程位于沭阳县境内，由南偏泓闸、北偏泓闸、漫水子埝闸、六七道沟闸和发电站等工程组成，南北偏泓闸相隔2km，控制中心设在枢纽管理所内。

1 枢纽工程物联网的总体方案

水利枢纽工程物联网是在计算机互联网的基础上，通过无线射频识别（RFID）装置、水位采集器、闸位测控仪、视频图像等信息传感设备，按约定的协议，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、监控和管理的一种网络， 其实质是利用传感器网络，通过计算机互联网实现水利枢纽工程信息的自动识别和信息的互联与共享，达到物-物相连的目的。总体结构如图1所示 。

1.1 传感器网络

RFID 技术已广泛地应用于物流、军队、煤矿和交通等领域，为物联网在国内的普及打下了一定的应用基础[1]。RFID 技术应用于水利工程的工程基础信息、设备、运维等管理有着广阔前景，如：传感器、设备运行、维护、汛前检查等情况可利用 RFID 技术进行管理。

水位、扬压力、闸位等传感器采用低功耗和无线接入技术，形成传感器网，通过 M2M（Machineto-Machine）智能终端接入实现设备到设备、设备到人和人到设备的信息传递，真正做到物-物相连。

1.2 通信网络

网络接入有线和无线2种方式。无线接入包括 SMS，USSD，GPRS 和 3G 等方式，有线接入包括同轴，ADSL，LAN 和光纤等方式[2]。另外，短距离无线接入方式包括蓝牙，ZigBee 和 WLAN 等。

1.3 枢纽物联网

图1 水利枢纽工程物联网应用总体结构

在传感器网络、智能感知、无线数据通信等技术在枢纽工程运用的基础上，进行防汛决策、水资源调度、水利工程管理等应用系统的开发，并建立 Web 浏览、PDA、短信服务为手段的信息发布与反馈系统，将工程的信息采集、传送、分析、处理和管理智能化。

“物联网”概念应用于水利行业，打破了过去一直将工程和 IT 设施分开的传统工程管理思维，而是将水利钢筋混凝土、机电设备、水位、闸位、视频和 IT 设备等整合为统一的基础设施，在此意义上，水利工程设施通过物联网的应用实现包括调度监控、运维管理、安全评估、通信预警和信息发布等的智能化。

2 物联网在枢纽工程中的应用

本工程结合水利枢纽工程监控系统建设运用了一些物联网元素，如传感网智能化接入、无线通信网络、虚拟现实可视化等。

2.1 枢纽工程物联网系统功能

2.1.1 现场数据采集与感知

闸门开度信号采集，采用 ZigBee 无线通信接入智能终端；电气信号采集，通过电气智能检测仪采集电气信息；上、下游水位信号采集，通过水位传感器采集水位值并存入实时数据库；图像信号采集，网络摄像机监视启闭机、闸门、上下游等运行状态。

2.1.2 网络传输

通过网络信道传输图像、运行数据、监控命令等信息数据，本项目网络通道有无线和有线2种方式。北闸地处偏僻，与控制中心被新沂河隔离，采用无线网桥实现网络传输，南闸与枢纽控制中心采用光纤联接；枢纽控制中心与上级中心租用商用宽带网联接。

2.1.3 应用功能

1）数据收集与入库。收集图像信息、电气量、闸门开度、扬压力，以及运行和断路器状态、事故信号、行程开关等。对各种运行数据汇集、提取、计算、统计等处理，并写入实时和历史数据库。

2）数据查询与管理。查询运行数据，操作、定值变更、事故及故障统计、参数越复限统计等记录，以及运行日志等信息。对数据库的记录进行补充、删除、修正等数据维护。

3）运行统计与报表。根据上下游水位和闸门开启孔数和开高，计算出过闸流量，统计时段过闸水量，生成年月日运行报表。

4）控制与调节功能。系统具有现地手动、人工干预自动和程序优化运行等控制功能。人工干预自动控制是操作员利用鼠标或键盘，发出控制命令对闸门运行进行控制；程序优化运行控制是根据闸的工况要求设定流量和开度控制，将闸门开到设定流量或开度，并进行自动调节；现地手动控制是直接在机旁箱控制按钮对闸门进行控制操作。

5）报警与保护功能。在闸门运行控制出现异常时，向运行人员发出报警，并切断电源自动保护。

6）系统管理功能。具有操作人员权限管理、系统自诊断、运行操作帮助和仿真培训等功能。

2.2 在沭阳水利枢纽自动化系统中的应用

沭阳水利枢纽自动化系统为分级分层开放式结构。从控制功能上分为3级，即远控级、主控级与现地级。控制权限由高到低顺序为现地、主控与远控，进行无扰动切换。从物联网角度上分为3层，即数据采集感知层、网络层、应用层。

应用层为上级管理部门，通过光纤与本枢纽控制系统联接，实现运行状态、参数及视频图像收集，结合调度应用系统完成指令下发和闸门的远程控制；网络层是数据传输和命令下达的链路，由于信息采集点位置偏远，可采用网络、光纤和无线通信等技术；感知层主要由闸门开度仪，扬压力传感器、水位传感器，视频监控和现地测控装置等设备组成。系统组成总体方案如图2所示。

图2 沭阳枢纽自动化系统结构

在系统中，物联网的感知、传输与可视化应用由3个部分组成。

1）无线水闸测控仪。本次项目应用的闸门开度仪采用低功耗设计，具有物联网传输功能的无线水闸测控仪，测控仪读取传感器测得的各类数据，经过必要的处理后通过嵌入设计的无线通信接口，将数据传输到水闸 PLC 无线路由节点，再由无线网桥与主控制中心联接；同时，图像信息采集后也通过同样信道传至中心，构成水闸监控物联网典型应用结构。

无线水闸测控仪采用 ARM 芯片为核心开发，主要功能如下：

数据采集，采集闸位、水位、扬压力等数据；

有线通讯，RS-232，RS-485，以太网，支持多种通信规约；

无线通信，通过无线 ZigBee 进行组网通信；

无线通信距离，最大传输距离100m（标配），2.4G 扩频；

工作电压，24V（标配）；

嵌入式操作系统，uCOS-II。

2）无线网桥。无线网桥可在2个或多个网络之间搭起无线网络的桥接，比其它有线网络设备更方便部署。由于北偏泓闸地处偏僻，与控制中心被新沂河隔开（近2000m），不适宜光缆敷设，因此采用无线网桥进行网络联接。在南北偏泓闸各安装1台，用于数据的接收与发送，网桥采用 OFDM（正交频分复用）技术，具有频谱效率高，带宽扩展性强，抗多径衰落，频谱资源灵活分配，实现 MIMO（多天线）技术较简单等特点。本项目无线网桥工作在 5.8G 频段，采用 IEEE 802.11g，802.11a 数据标准，点对点工作方式，具备54Mbps 的传输带宽，应用效果良好。

3）可视化应用。可视化是物联网应用的重要内容，水利工程管理都需要更加直观有效的监测和管理系统。偏远地区水利工程可视化物联网对于真实场景与环境的还原功能具有现实意义。通过实时采集水位、闸位、扬压力、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。

4 结语

随着物联网在水利上应用的深入展开，水利部“感知太湖·智慧水利”物联网技术水利应用示范项目快速推进，物联网技术将更多地应用于水利工程监控、水资源管理、水生态建设等水利项目。本项目仅对新沂河沭阳枢纽工程的物联网应用进行初步探讨，将来建成的新沂河流域水利工程物联网应用系统，将对流域智能调度中的感知、仿真、预警、调度、控制、数据处理和运维等关键技术综合运用，实现在物联网技术基础上的“智慧流域”。

[1] 黎立，朱清新，王芳.EPC 系统中的中间件研究[M].计算机工程与设计，2006,27（18）: 21-23.

[2] 孔宁.物联网资源寻址关键技术研究[R].北京：中国科学院研究生院，2008.