基于NB-IoT通信技術的水文遙測系統設計

張新猛，劉樹養，王燦輝

(1.廣州南灣信息科技有限公司，廣東 廣州 511458；2.廣州市南沙區防汛防旱防風指揮部辦公室，廣東 廣州 511458)

水情測報是水文工作的重要組成部分,也是防汛抗旱決策的重要依據[1]，水文遙測系統以水位遙測儀和雨量感應器作為主要設備,通過物聯網無線通信技術進行實時監測、自動感應水、雨情信息,實現不間斷記錄，水文遙測設備必須在實際工作環境中長時間穩定運行，設備的運行維護工作已逐漸成為水文情報工作的基礎[2]。廣州市南沙區位于珠江三大出海口門，四面環水，具有典型的亞熱帶季風氣候雨熱同期的特點，每年自四月份開始進入雨季，高溫強降雨導致洪澇災害及臺風暴潮災害發生頻繁，為南沙區安全穩定發展帶來了一定的影響，對自然災害風險的監測與預警成為三防辦重要的工作內容。廣州南沙三防辦要應對因惡劣天氣所引發的自然災害，提前做好應急資源及搶救力量的安排及調度的準備，在惡劣天氣的情況下能否及時、準確且持續地獲得水雨情動態信息就成了災害防御的關鍵。《全國水利信息化發展“十三五”規劃》(水利部綜計﹝2016﹞205號)明確提出，充分利用物聯網和移動終端技術，提升感知能力，形成多元化的智能采集體系，提高信息的完備性、真實性和實效性，滿足精細化業務管理及支撐水利智能應用要求[3]。

廣州市南沙區三防使用的是2005年建設的水文遙測系統，包括36個水文測站、11個中心站、1個中繼站，包括34個水位遙測站和35個雨量(含風速)遙測站，系統采用超短波無線電探方式，通過超短波無線數傳電臺將自動采集的數據傳輸到各鎮街中心站、區三防和市三防中心站，然而，該系統雖歷經三次的系統建設擴充，建設36個水文監測點。自組網超短波通信系統組成復雜，在接收與發送端均需配置超短波電臺，隨著覆蓋范圍越大，監測點越多，則需建設的中繼站就越多，且需要對水文遙測終端持續供電，遙測終端形態多以傳感器+RTU+超短波電臺組成(圖1)，網絡覆蓋范圍由中繼站建設密度決定，欠缺靈活性，續建成本極高，不利于系統的后續擴展，同時還普遍存在通信速率低，誤碼率高，遙測終端對安裝環境依賴度高、維護成本高等一系列弊端。當前的水文遙測系統受到各種外界因素的影響，經常在非汛期狀態一切正常，一旦有惡劣天氣影響，需要用的時候，卻“瞎”了一片，導致水文遙測系統虛有其表，使得管理單位無法在應急情況下獲得持續、可靠水雨情數據，導致系統運行難度大，只能采取最原始的人工讀數的方式回傳數據，依然未能完全覆蓋南沙區所有關鍵水雨情監測點，導致人員及工作調度受到極大的限制，使得廣州南沙區三防辦只能利用人工監測的方式覆蓋監測盲區，不僅增加了成本，還增加了人員操作風險，降低了工作效率。當前水文遙測系統建設方式屬于傳統的系統集成式，系統組成結構復雜，運維難度大，續建難度大。為此，廣州市南沙三防辦針對城市應急和三防業務實際應用需求，提出了基于NB-IoT通信技術，以產品集成式代替傳統系統集成的方式設計水文遙測終端，進一步提高水文遙測系統的穩定性與擴展性，打造廣州市南沙新一代的水文遙測系統。

圖1 超短波水雨情監測組網示意

1 基于NB-IoT的水文遙測系統應用設計

1.1 總體設計思路

1.1.1設計思路

廣州市南沙三防辦提出建設水文遙測系統功能基于物聯網技術實現。物聯網的應用需要考慮許多因素，例如節點成本、網絡成本、電池壽命、數據傳輸速率(吞吐率)、延遲、移動性、網絡覆蓋范圍以及部署類型等，采用不同的通信技術，網絡架構將會完全不同，進而影響前端水文感知設備形態，因此在系統設計過程中，需考慮每種制式的優缺點，另外，因系統所涉及的前端監測站點數量多，建設維護成本以及后續可擴展性也是考慮的重要因素，新建的水文遙測系統需達到“低成本、高可靠、易擴展、易維護”的新要求。

1.1.2通信制式選擇思路

通信制式的選擇直接影響網絡架構以及前端監測傳感器的最終形態，以往的水文遙測終端通信方式常見的有GSM、GPRS、衛星基站及超短波4種[4]，隨著通信技術的發展，新增加了北斗衛星、LoRa與NB-IoT等3種物聯網通信技術，其各自的主要特征及組網架構對比如下。

a)北斗衛星。北斗衛星通信是傳統通信技術的重要補充(圖2)，當運營商通信網絡中斷，使用北斗短消息進行通信，實現水雨情數據的回傳，然而，利用北斗衛星通信，需要額外在數據收發端都部署專用收發終端，同時增加外部電源，這讓系統組網變得復雜，穩定性降低，此外，因為三防水雨情監測采集頻率較高，會使通信成本急劇增加，應急搶險對水文數據時效性要求高，在空中云層較厚時，會導致數據時延變大，因此，北斗衛星通信技術作為應急通信手段較為合適。

圖2 北斗衛星水雨情監測組網示意

b)LoRa是一種低功耗遠距離通信技術，增加了鏈路預算和更好的抗干擾性能,對深度衰落和多普勒頻移具有更好的穩定性[5-6]。該制式在國內屬于自建網，需在目標覆蓋區域部署LoRa基站(圖3)用作中繼通信，需要考慮基站的部署建設，涉及到基站選址、供電以及站址協調問題。在水文監測領域，LoRa制式無法大面積部署，但在其他網絡制式無覆蓋的邊緣區域，卻是一個較好的補充方案。

圖3 LoRa水雨情監測組網示意

c)NB-IoT。為大范圍蜂窩網提供服務的低功耗廣域網絡(LPWAN)廣播技術，是未來國內低功耗物聯網通信應用發展的主流方向[7]，NB-IoT(圖4)使用License頻段，由運營商建網，無需考慮基站部署環節，在有信號覆蓋的區域，有較好的服務質量保證，可采取帶內、保護帶或獨立載波等3種部署方式，能與現有網絡共存互補，因為低功耗、連接穩定、成本低、架構優化出色等特點而備受關注[8]，與LoRa同屬低功耗物聯網通信技術的范疇，設備完成一次數據傳輸后，即進入休眠狀態，直到下一次需進行數據傳輸時喚醒，使得前端設備功耗大幅度降低，續航時間大幅度增加，以電池供電即可續航幾年以上，這也可以使得前端水雨情監測設備最終形態可以做到采集、供電、通信一體化，無需調試，無需外部電源，也無需復雜的工程布線，最大程度降低設備對外界環境的依賴程度，建設運營成本降低的同時讓可靠性大幅度提升[9]。

圖4 NB-IoT水雨情監測組網

由以上通信制式對比可知，根據水文遙測系統對前端有低成本、高可靠的應用需求，同時遵循設備與平臺之間層級越少，對外界環境依賴越少，穩定性會越高的原則。基于廣州南沙三防全區覆蓋的監測需求，選擇基于NB-IoT通信的水文遙測系統更符合實際的應用場景，而針對于在偏遠、信號覆蓋較差的區域則采用自建LoRa作為應急補充手段，一旦信號覆蓋完整后，可自由切換為NB-IoT通信，使整個水文遙測系統設計更為靈活和完整。

1.2 總體架構設計

廣州市南沙區三防水文遙測系統總體架構由感知層、網絡傳輸層、資源層、數據支撐層、應用層和服務層等6個層次組成，按照總體設計思路，系統架構基于NB-IoT物聯網為主、其他通訊為輔的通信模式，實現系統架構的6個層次互聯互通，各個層次各司其職，為南沙區三防辦提供快速準確全面的水文數據和應用服務。廣州市南沙區三防水文遙測系統總體架構設計見圖5。

圖5 廣州市南沙區三防水文遙測系統總體架構設計

廣州市南沙區三防水文遙測系統總體架構分為感知層、網絡傳輸層、數據支撐層、應用層及服務層6個層次，實現水文遙測系統監測、存儲及數據展示功能。

1.3 分層設計

分層設計從感知層和網絡傳輸層描述與NB-IoT通信技術密切相關的專項設計，而涉及資源、數據、應用和服務的功能設計不在此贅述。

1.3.1感知層設計

感知層設計主要從水文遙測終端機的結構和硬件設計上體現網絡互通性、設備可靠性、易維護性等特性。

遙測終端傳感器是數據“采集源頭”，負責感應目標監測點運營期間水位、雨量參數的變化。隨著計算機、電子信息、通信技術的發展，遙測終端機也不斷朝著智能化、小型化、低功耗及多功能等方向發展。三防屬于城市應急領域，設備的高可靠性是最基本的要求，該性能要求最大限度降低前端監測終端對安裝監測點環境的依賴，同時針對水文遙測系統中水雨情遙測終端機工作環境的特殊性，也需考慮安裝后設備現場巡檢及運維便利性問題。因此，新一代水文監測終端的設計要求盡量朝集采集、通信、供電一體化的形態靠攏，提高設備的集成度，增加可靠性。新一代水雨情遙測終端機主要由微處理器、實時時鐘、藍牙、電源管理模塊、Flash存儲器、通訊模塊、水位/雨量傳感器接口、溫濕度監測、陀螺儀組成[10]，具體結構見圖6。

圖6 遙測終端機結構

在控能耗設計方面，除了在通信制式上選用低功耗物聯網通信技術NB-IoT/LoRa，最大程度地減少非必要通信頻次外，還需通過電源管理模塊降低整機功耗(圖7)。電源管理模塊主要分為常供電部分與非常供電部分，常供電模塊保證設備能保持低功耗運行，非常供電部分由核心元件微處理器進行控制，當設備休眠狀態時，處于斷電狀態，只有在需要工作時才會被加電喚醒。

圖7 遙測終端機結構

1.3.2網絡傳輸層設計

廣州市南沙區水文遙測系統以物聯網云平臺的模式進行建設，定制成熟的數據接口，方便系統數據推送至原有城市應急綜合數據管理平臺，也便于推送至新的預警信息發布平臺(圖8)[13]，前端水位、雨量監測設備可按需擴充，系統后續的兼容性及延展性可完全滿足管理需求。

圖8 水文監測及視頻預警網絡架構

2 系統應用效果

廣州市南沙區是臨海城區，每年汛期幾乎都會有臺風登陸，沿南沙3條主要水道部署水雨情及視頻預警監測設備，基于全區地理信息為三防應急提供水雨情變化及現場基礎設施情況，提前做好應急決策和災害防護措施。總體部署點位見圖9[14]。

圖9 水文監測及視頻預警網部署點位

基于NB-IoT通信技術的水文遙測系統設計提供了穩定可靠的數據，真實反映現場變化情況，為應急決策提供數據參考。圖10所示，水位數據可用作判斷水閘開關狀態，當水閘內外水位同步的時候，代表水閘處于開的狀態，水位不同步，則代表水閘處于關的狀態，便于管理者對水閘開關進行實時調度。

圖10 水閘內、外水位曲線

2017年，國務院確定了當年60個內澇災害嚴重的城市名單，廣州名列其中。按照排水管網設計標準來說，國內大部分城市內澇重現期僅為20年，城市排水管道設計標準都比較低，地下管道的設計容量不足，極端暴雨天氣頻發是導致城市內澇的重要原因。南沙區定位為廣州市的副中心，也存在排水管網的改建速度遠跟不上城市發展速度的情況，在這種城市排水基礎設施的條件下，短時間的強降雨讓城市發生內澇的概率將會大大增加，所以雨量數據(圖11)就成了管理片區內澇隱患點的重要參考值，利用NB-IoT傳輸的高集成雨量遙測終端使得精準監控內澇點雨量變化情況成為了可能，隨著雨量遙測終端部署密度的增加，精準布防內澇防控的效果大幅度提高，可有效降低公共財產損失[15]。

圖11 雨量統計

廣州市南沙區已基本完成部署網格化500×500的雨量遙測終端的部署，根據雨量遙測終端反饋回來的實際雨量數據與歷史最高雨量記錄數據進行對比，即可預判城市內澇點可能出現位置，把有限的救援力量精準部署于城市歷史記錄內澇點以及可能內澇點周圍，可大幅度提高救援精準度及效率，實現精準布防的目的。

3 系統建設效果

目前，廣州市南沙區三防新建三防水文遙測系統，相對比系統建設前極大地提升了城市應急防汛的應變能力，主要體現有4個方面。

a)以信息化監測手段代替人力觀測。在系統建設前，廣州市南沙區大部分水閘依然沿用純人工觀測水尺的方式采集水位、雨量數據，在臺風暴雨情況下采用人工觀測的方式，不僅將觀測人員置于危險境地，觀測精準度還不高，數據不可靠，回傳效率低；在系統建成后，管理人員可以通過物聯網平臺查看實時水位、雨量數據，降低了觀測人員風險，節約大量用于觀測水位數據的人力成本，并提高水雨情數據的精準度。

b)提高水雨情監測覆蓋面。過去廣州市南沙三防辦僅有一小部分水閘采用了傳統2G水位監測設備，因傳統建設方式系統構成復雜、建設周期長，故障率高，運維難度大，導致并未大面積推廣使用；現采用基于NB-IoT通信技術的低成本模式，建成完全覆蓋整個南沙區的關鍵水閘的遙測系統，有效提升廣州市南沙區三防辦防汛應急決策的效率。

c)系統可靠性大幅度提升。新建的基于NB-IoT通信的水文遙測系統可靠性大幅度提升，以產品集成代替系統集成的建設方式，極大地減少了水雨情遙測終端對外界的依賴程度，不再有因供電、傳輸線路、采集部件故障所導致系統癱瘓的問題出現，使得在極端惡劣的天氣環境下，依然可以穩定可靠地快速回傳數據，有效保證防汛的眼睛不“瞎”。2019年系統經歷了“山竹”臺風的考驗，在超大臺風及暴雨環境下，水雨情遙測終端在線率高達98%，進一步證明了基于NB-IoT通信技術建設的水文遙測系統更適用于城市水務感知領域。

d)系統可持續性提高。新型水文遙測系統的擴展性更為靈活，后續根據實際需求可靈活增加新的水雨情監測點，安裝維護極為方便，無需考慮施工環境、施工難度以及系統兼容性等問題；同時高度集成的遙測終端故障處理效率極快，無需從供電系統、采集系統、傳輸系統等方面逐一排查故障原因，利用備品備件直接替換已定位的設備故障點即可重新恢復數據點，故障處理效率成倍提高。

4 結語

在系統上線后，新一代水文遙測系統能持續穩定地為廣州市南沙三防辦及相關單位提供水位、雨量及視頻圖像數據，輔助三防應急決策，系統所獲取的大量水位、雨量數據是以后城市應急決策數據模型及智能控制系統的主要數據來源，這種系統設計方式也為后續城市水務應急監測系統建設提供一條新的思路。基于NB-IoT通信技術可進一步將水雨情遙測終端的集成度提高，也讓水文遙測系統擴展能力得到提升。然而NB-IoT通信技術自推廣以來時間并不長，信號覆蓋面相對弱于3G、4G網絡，還存在一些信號覆蓋薄弱區和信號盲區，此外，在極端惡劣的天氣影響下，NB-IoT通信網絡通信質量也會受到影響。所以，集成多種通信制式來保證監測數據質量是未來水文遙測監測終端發展的必然趨勢，這樣才能符合應急領域精細防控的需要。