5G通訊技術在水文中的應用及需求模型

劉運珊，劉訓華，郭冬榮

(贛江上游水文水資源監測中心，江西 贛州 341000)

在水文現代化的大背景下，水文各方面較傳統水文均有較大改變[1]。2021年全國水文工作視頻會議明確了“十四五”時期水文工作目標要基本實現水文全要素、全量程自動監測，要推進水文監測自動化、水文預報預警實時化及水文信息分析評價智能化[2]。水文服務向縱深廣拓展[3]，水文管理也要求更加規范，這些能力的提升離不開較高程度的信息化。作為與移動通信技術發展緊密相連的水文行業[4]，這些新的要求都對現有通信技術提出挑戰。5G的出現為傳統水文向智慧水文跨越式發展的實現提供了極大便利。隨著2019年進入5G商用元年[5]，5G移動通信技術作為當前炙手可熱的前沿科技，其所引導的科技變革已然開始，所產生的技術迭代不斷。目前，自動駕駛、智慧醫療、工業互聯網、智慧鋼鐵、礦產等眾多領域已取得良好效益[6-10]。在水文行業，現已有孫衛軍[11]對基于 5G 技術組網的水情自動測報系統進行了相關研究，曹均昌[12]對5G在智慧水利方面的應用做了相關研究，史東華等[13]對5G通信技術在水文自動監測中的應用前景進行了研究等，但5G在水文行業的應用情況及基于5G的水文行業需求并沒有深入研究。本次研究依托5G通訊技術在贛州水文中的應用進行試驗，研究5G技術在水文行業的應用情況，建立基于5G的智慧水文需求模型，并分析5G應用在水文發展中的困境。

1 贛州水文信息化概況

1.1 站網情況

以觀測項目統計，贛州全市共有各類水文測站1 788處(表1)，約占江西省1/3。降水量、水位、流量、泥沙、蒸發、水溫、水質、墑情等都可以進行自動監測。大量的站點的水文要素實時傳輸、處理對通訊技術提出更高要求。

1.2 水文信息化現狀

贛州水文目前信息化主要包含一平臺、多系統、全站點。

全要素監測平臺涵蓋了水位、雨量、流量、沙量、蒸發、水溫、安全監控等，從數據自動化采集、計算、傳輸、存儲再到集中展示、查詢、下載的一體化平臺，目前已投入穩定使用。

開發了多個信息化系統。包括贛州市洪水自動預報系統、贛州市洪水風險預警系統、水文站實時監測展示與查詢系統、贛州水文三維虛擬電子沙盤、贛州水文虛擬仿真互動體驗系統、實時水雨情信息移動報送系統以及5G+智慧水文系統等。這些系統涵蓋了水情值班信息查詢、數據整合管理、淹沒區數據分析展示、三維地形瀏覽分析、自動暴雨洪水預警、模擬水庫調度、對接河長制、水文科普講解等多方面功能，直接服務于防汛抗旱預測、預警、預報工作，這些系統形成水文業務綜合管理體系。

水文站網管理信息化。轄區共有雨水情遙測站點1 042處，運行穩定，站點通暢率達98%以上，在歷年大洪水甚至超歷史洪水期間中發揮了重要作用，但由于通訊鏈路的原因出現誤碼率較高，導致數據校驗失敗并重新發送延誤時間。

由于網絡通道帶寬較窄，傳輸受限，很多重要的數據不能保證準確實時傳輸；贛江上游水文水資源監測中心機房約20 m2，服務器計算存儲能力不足，雖然建有 Oracle、SQL 基礎數據庫，但軟硬件支撐平臺沒有完全搭建好，智慧應用、AI、大數據、物聯網、云計算等新一代信息技術尚未得到廣泛的使用。

1.3 通訊情況

贛州1 788處站點中，遙測站數量為1 042處，目前采用的數據傳輸方式為GPRS、4G通訊、衛星和有線傳輸。目前商用成熟的衛星、GPRS和4G無線通信技術在水文自動監測的大容量實時數據傳輸和可視化等方面均存在速率低和時延大等問題；以光纜為載體的有線數據傳輸方式前期投入大，后期維護費用昂貴；衛星通信等方式在傳輸容量方面的限制制約其應用范圍。從目前發展趨勢來看，贛州5G的商用化和覆蓋面仍顯不足，但隨著5G通信網絡的構建及其商用生態的完善，其高速率、低延時、大容量的優勢會越來越具有吸引力。

2 5G的試點應用

依托5G在贛州信豐(二)水文站的試點應用，從視頻監控、水文要素采集、軟件系統三方面進行分析。以高點高清視頻監控及影像在線測流系統接入5G+智慧水文平臺為基礎，通過對比5G與目前水文行業內使用廣泛的4G的應用情況，分析5G通訊技術在水文中的應用優勢，為5G技術在水文監測中的推廣應用進行有益探索。

2.1 5G在視頻監控中的應用

2020年，信豐(二)水文站于站房樓頂安裝了高點監控。采用的是200萬超星光44倍激光超感8寸球形網絡攝像機(高點監控攝像機)，可支持1 920×1 080/60 幀每秒，通過計算，該設備運行時，每秒15.6 MB的數字信號需要處理。現有方式下，由于4G網絡雖然其理論上行速度能達到50 M，但在實際使用過程中受技術特點及使用環境限制，其上行速度大部分時間低于10 Mbit/s，通過4G直接將數字信號傳輸時，在平臺顯示時視頻卡頓。但采用5G通訊，上行速率理論上最大可以達到10 Gbit/s，時延最小可低達0.1 ms，在試驗中，采用5G通訊時視頻流暢，肉眼無法看出延時。其高速率、低延時和高穩定性能極大滿足該視頻系統大量實時數據遠程傳輸和實時展示的需求。

2.2 5G在流量監測中的應用

信豐(二)水文站在站址下游約4.5 km處桃江大橋上安裝了3臺宇視800萬超星光全彩筒型網絡攝像機，搭配3臺4路網絡視頻錄像機作為影像法測流的前端數據采集設備，采集設備連接的RTU集成了向下兼容4G的5G DTU。可支持3 840×2 160/30 幀每秒，通過計算，該設備運行時，每秒31.1 MB的數字信號需要處理。經現場測試，在4G方式下，視頻平均上行速度為8 Mbit/s，在平臺顯示時視頻卡頓；采用5G通信時，平均上行速度約為48 Mbit/s，視頻質量比4G方式下高，顯示時不卡頓。對比該站高點監控設備，雖然高點監控設備刷新頻率60 Hz,而影像法測流設備刷新頻率僅為30 Hz，但肉眼分辨率為24 Hz,在采用5G通訊時，二者均看不出閃動及卡頓，由于5G信道可支持畫質更高，可看出影像法測流畫質優于高點監控畫質。而采用4G通訊時，二者均卡頓嚴重，肉眼則無法辨別影像法測流畫質優于高點監控畫質。

2.3 5G在智慧水文系統中的應用

5G+智慧水文視頻監控系統用戶通過PC端可以查看到河道水位、流量、降水量、蒸發、水質、含沙量、水溫、岸溫、干旱、等要素，合并了地圖、視頻監控、VR全景、預警監測、科普宣傳及贛州水文站網監測展示與查詢系統等功能，正在合并其他水文服務功能。在使用傳統無線移動網絡傳輸時速率慢、視頻加載延時明顯、經常出現馬賽克或斷連現象，清晰度感官性差等問題，視頻監控不能完全實時。5G時代的視頻監控可實現全高清流暢監控，5G網絡具有高帶寬和低延時的優越特性能夠保障水文數據實時采集信息、高清視頻實時回傳。

3 基于5G的智慧水文需求模型

5G在贛州信豐(二)水文站的應用情況表明5G技術在高清視頻監控、水文要素采集、軟件系統等方面較現有通訊技術具有優勢，其高速率、低延時等特點體現較明顯，5G在水文行業應用前景廣闊，水文對5G通訊技術的需求體現在多方面。

3.1 水文監測對5G通訊技術的需求

水文自動監測需要一個可靠性高、速率高、容量大的無線傳輸網絡。隨著水文信息化發展，水文自動監測由水位、雨量等簡單參數的監測向全要素、多方位方向發展。監測要素自動監測的不斷增加及水文服務要求地不斷提高，特別是針對較大體量、要求低延時的數據傳輸，4G傳輸已不能滿足要求，而5G卻是優勢所在。基于5G的自動監測在提升水文要素信息采集能力的同時應注意數據監管，數據的存儲及安全是5G+智慧水文的重要保障。

3.2 技術及設備對5G通訊技術的需求

水文現代化的推進少不了先進技術和新儀器設備的支撐。先進技術手段和儀器設備需要兼容性強的無線傳輸網絡，不同的設備儀器對通信網絡的要求不同，有的需要可靠性高，有的需要延時低，有的需要高帶寬。若瞬時測量數據量大且需要不斷校正，而儀器本身卻不具備大數據量計算能力，這種水文儀器設備則需要5G來支撐其使用。例如贛州有3處影像法測流站點、43處視頻水位監控站點。視頻水位監控站點全部采用DH-NVR41H-4G攝像機，采用大華DH-SD-6A9286U球機30處(含合并使用大華DH-IPC-HFW4329S-K2槍機13處)，大華DH-SD2968-GN球機13處。采用4G通訊27處，采用4G通訊與寬帶聯合9處，單獨采用寬帶7處。這些設備就要求通訊網絡擁有高帶寬和低延時，而5G恰好同時擁有這些特點。

3.3 視頻監控對5G通訊技術的需求

視頻監控配合識別算法需要連接便利、易于維護的傳輸網絡。目前高清圖像和視頻大部分采用的是傳統有線接入，而5G具有的高速率和高穩定性的優點，有效解決了偏遠地區鋪線成本高、后期維護難的問題。例如贛州20處高點監控站點中，使用寬帶傳輸19處，4G、寬帶、5G聯合1處(試點站信豐(二)水文站)，20處高點監控站均位于城鎮區域，偏遠地區的站點有線接入困難且成本高，維護困難，4G無線通訊又不能滿足通訊需求，故暫未建設。高點監控是實時掌握江河水清、河堤安全、環境監控、山洪監視的重要手段，若有5G覆蓋，則偏遠地區則有實現高點監控的可能。

3.4 軟件系統對5G通訊技術的需求

軟件系統既作為水文的應用又可對水文某些功能進行支撐，需要5G技術的加持。例如水文情報預報領域常用的洪水自動預報系統、洪水風險預警系統、水文站實時監測展示與查詢等，應用的是遙測、通信、計算機和網絡等技術來實現流域內遙測站點的降水量、水位、流量等水文要素的自動采集、傳輸、處理[14]，以實現不同功能的軟件系統。若5G技術應用，則可考慮集成為水文業務綜合系統。對于大型綜合系統，可采用主、備雙信道混合組網模式，在有5G移動信號覆蓋的區域里的站點可采用5G主信道、GSM/4G備信道，無5G信號覆蓋區域的站點則采用GSM/4G主信道、衛星備信道方式組網，保持主信道持續在線，備用信道隨時待命。隨著5G應用越來越廣泛，通信終端(DTU，Data Transfer unit)將朝著向下兼容其他信道的5G DTU方向發展，DTU預期可承載5G與其他信道形成雙網絡通信或多網絡通信業務。

3.5 水文服務對5G通訊技術的需求

利用5G對水文服務實現質的提升，以基于5G技術發展的硬件設備及軟件系統支撐包括防汛抗旱、應急搶險、無人機巡河、城市水文、縣域水文、海綿城市、水源保護等各類水文服務，是水文依托5G發展的關鍵。水文服務是水文價值的體現，水文服務向智慧化邁進是必然的，依托于5G技術能更好的實現水文服務現代化。

3.6 其他拓展應用對5G通訊技術的需求

拓展更多應用，增強水文行業管理。發展水文物聯網，屆時將車輛、水文重要資產、水文專業儀器設備等的動態管理納入5G物聯，實現對監測車輛的運行軌跡、油耗情況、安全行駛進行動態監控，對重要資產物資進行使用跟蹤、存放跟蹤、報廢跟蹤；對水文專業儀器設備進行使用情況、送檢年限、設備去向等進行實時調控。推進水文水資源管理、水文經濟管理、水文人才管理等標準化，依托大數據收集、模擬、分析，制定更加科學、完善的發展規劃、發展策略[15]。雖然拓展業務暫時還沒有很好的在水文中應用，但水文現代化的未來可往此方向發展。

3.7 基于5G的水文需求模型構建

基于以上關于5G的需求點的分析，建立需求點之間的聯系，鋪設各需求點在模型中的架構，構建5G+智慧水文需求模型。水文監測與視頻監控負責各數據采集，數據監管負責存儲二者采集的數據及數據安全保障。水文服務與系統軟件均為智慧水文的應用項目，不同的是軟件系統與硬件設施同作為水文服務的支撐。，另外實現智慧水文有拓展水文物聯、水文管理等方面應用的需求。智慧水文的實現，需要離不開人工智能的支撐及云計算對數據的調用。水文對5G技術的需求模型見圖1。

圖1 水文對5G技術的需求模型

4 5G在水文中的應用困境

5G技術的應用推動水文事業由數字水文向智慧水文發展。智慧水文和5G技術的有力結合，必將使水文工作在信息采集、數據監管、工程安全、水文服務、管理水平等方面取得質的飛躍。雖然水文對5G的需求廣泛，但5G成熟運用于水文行業支撐智慧水文的發展還面臨較多的挑戰，主要在于以下方面。

a)5G支持設備工業化程度低。目前遙測站大多采用傳統通信組網方式，換代慢，基于5G的遙測站設備配件尚處研究開發階段，暫無批量生產。

b)5G產品及支持設備成本高。一是5G商用在水文行業尚不普及，業務模式尚不成熟，運營收費必然較高。二是5G支持設備成本高，目前工業級的5G DTU尚處于研發階段，研發成本較高，此外還需考慮支持超高清視頻處理的RTU研發周期及設備成本問題。

c)5G信號覆蓋不均范圍較小。人口集中的經濟發達地區5G覆蓋較全面，但大部分山區等偏遠區域尚未覆蓋，而大量遙測站點部署在偏遠地區，雖然已有5G網絡建設在偏遠地區的方案和試驗成功的報道[16-17]，但偏遠地區5G信號覆蓋難度依然很大。因此建議采用不同地區視情況分別采用5G和其他通信方式混合組網。

d)人才團隊建設還需加強。新時代智慧水文較傳統水文在工作側重、監測方式、服務方向、管理模式等多方面均有很大差別及更高的要求，新一代迎合5G時代的水文信息化人才和團隊的培養面臨挑戰。

5 結語

依托贛州信豐(二)水文站以視屏監控、水文要素采集、軟件系統三方面進行分析，通過對比5G與目前水文行業內使用廣泛的4G，發現在傳輸大容量數據時5G的高速率、低延時性明顯高于4G。水文對5G的需求主要體現在水文監測、設備技術、視頻監控、軟件系統、水文服務及水文物聯網、水文管理等其他可拓展業務方面。在5G技術的支撐下必將使水文工作在信息采集、數據監管、水文安全、水文服務、管理水平等方面取得質的飛躍。下一步研究重點可放在解決5G要在水文成熟運用面臨的支持設備工業化程度低、成本高、信號覆蓋小及人才團隊培養等問題上。