智慧水利感知系統(tǒng)通信傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾德山

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

1 智慧水利感知系統(tǒng)概述及架構(gòu)體系

1.1 智慧水利感知系統(tǒng)概述

近來年，我國水利設(shè)施向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化創(chuàng)新發(fā)展。智慧水利是水利信息化建設(shè)的更高階段，運(yùn)用新一代信息化技術(shù)手段提升了水利工程建設(shè)、管理維護(hù)和后期社會(huì)服務(wù)的智慧化水平，提高了水土資源利用效率和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，有效支撐我國糧食安全、鄉(xiāng)村振興與生態(tài)文明建設(shè)。

智慧水利感知系統(tǒng)是信息來源的重要基礎(chǔ)，采用物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備和高清攝像頭等終端采集視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、水質(zhì)、水量、水雨情、量測和遙測等前端數(shù)據(jù)信息，借助無線網(wǎng)絡(luò)通信、有線網(wǎng)絡(luò)通信、衛(wèi)星通信等專用通信網(wǎng)或公用通信網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)信息[1]。

1.2 智慧水利感知系統(tǒng)的架構(gòu)體系

智慧水利前端感知系統(tǒng)與信息化平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)、量測水系統(tǒng)平臺(tái)和視聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行融合集成后，接入水利廳綜合信息平臺(tái)。

根據(jù)水利部智慧水利總體要求，水情監(jiān)管方式需從傳統(tǒng)人工、被動(dòng)發(fā)現(xiàn)向智能發(fā)現(xiàn)、全程監(jiān)管轉(zhuǎn)變，基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全面互聯(lián)、數(shù)據(jù)融合共享、數(shù)據(jù)深度挖掘分析和關(guān)鍵業(yè)務(wù)智能應(yīng)用，建成水利網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系[2]。

2 智慧水利感知系統(tǒng)通信傳輸設(shè)計(jì)

2.1 傳輸需求

設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳；可視化視頻監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳；設(shè)備的上下行控制連接數(shù)據(jù)傳輸；行政區(qū)劃斷面實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)上傳。

2.2 傳輸設(shè)計(jì)思路

（1）整體性。傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能與新增的量測水設(shè)備與上層平臺(tái)有效連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)本地網(wǎng)一體化、自動(dòng)化管理的整體性。

（2）安全性。安全性指保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定、安全，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的保護(hù)、恢復(fù)以設(shè)備板件的保護(hù)備份等。水利傳輸網(wǎng)絡(luò)是主要分布在廣大農(nóng)村山地及平原地區(qū)，范圍大、節(jié)點(diǎn)多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全性相對(duì)較弱，所以確保安全至關(guān)重要。

（3）經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。考慮水利系統(tǒng)信息需求和遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)發(fā)展趨勢，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境，提出系統(tǒng)配置方案，兼顧經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

（4）可靠性。水利傳輸網(wǎng)絡(luò)要求高度的穩(wěn)定性、可靠性，應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)線路和設(shè)備的冗余，選用可靠性好、安全性高的網(wǎng)絡(luò)，制定備份措施，保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 傳輸技術(shù)選型分析

（1）有線傳輸。有線傳輸包括光纖、雙絞線等形態(tài)，是目前使用最廣泛的通信方式，具有寬帶信息容量大、損耗低，可長距離傳送、抗電磁干擾能力強(qiáng)、安全性能和保密性好等特點(diǎn)，適用于大流量視頻或小流量傳感數(shù)據(jù)傳輸，主要由運(yùn)營商提供有線鏈路服務(wù)。

（2）4G LTE。4G LTE是目前國內(nèi)運(yùn)營商提供的主流無線通信方式。目前國內(nèi)4G通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完善、信號(hào)覆蓋效果較好，此傳輸方式適用于大流量或小流量傳感數(shù)據(jù)傳輸、部署范圍跨度大、范圍廣的場景，主要實(shí)現(xiàn)形式是由運(yùn)營商提供無線鏈路服務(wù)。

（3）NB-IoT 通訊。NB-IoT是蜂窩網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可通過對(duì)現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造部署實(shí)現(xiàn)，運(yùn)營商根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用區(qū)域部署NB-IoT，此技術(shù)不適用于要求低時(shí)延、高可靠性的業(yè)務(wù)，主要用于較高密度部署、低頻次、小流量、非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集傳輸。

（4）衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大，但有較大的信號(hào)傳輸時(shí)延和回波干擾，并易受各種氣象條件或衛(wèi)星位置干擾，適用于沒有運(yùn)營商信號(hào)覆蓋、通信區(qū)域跨度廣、中小流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍埃饕獮樽灾鞔罱ㄐl(wèi)星站或由衛(wèi)星通信供應(yīng)商提供鏈路服務(wù)。

（5）LoRa通信。LoRa技術(shù)需要單獨(dú)建設(shè)自由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可用于沒有運(yùn)營商信號(hào)覆蓋、通信區(qū)域相對(duì)跨度不大的場景，實(shí)現(xiàn)方式需要自主搭建自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，建造成本高，適應(yīng)于小流量、大覆蓋的數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 傳輸設(shè)計(jì)

傳輸設(shè)計(jì)方案通常根據(jù)擬建感知系統(tǒng)站點(diǎn)的實(shí)地勘察，綜合考慮站點(diǎn)的地理位置，站點(diǎn)分布的遠(yuǎn)近，運(yùn)營商4G、5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋等情況，并對(duì)采用LoRa、NB-IoT、衛(wèi)星通信等其他組網(wǎng)傳輸方式實(shí)施方案的技術(shù)可行性、建造成本等進(jìn)行多維度分析，形成最優(yōu)的傳輸設(shè)計(jì)方案。經(jīng)綜合分析，現(xiàn)階段感知系統(tǒng)以4G無線網(wǎng)傳輸為主，少數(shù)AI視頻攝像頭點(diǎn)位采用有線傳輸。

傳輸網(wǎng)絡(luò)采用專用傳輸通道接入服務(wù)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的封包和加密在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)，公共網(wǎng)絡(luò)上的用戶無法通過虛擬通道訪問內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)到有效的網(wǎng)絡(luò)隔離。

圖1 網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.4.1 無線傳輸設(shè)計(jì)

水利感知網(wǎng)無線傳輸采用運(yùn)營商4G無線網(wǎng)傳輸方式，前端配置全網(wǎng)通傳輸模組，其中量測水設(shè)備水文監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與視頻監(jiān)控傳輸分別使用物聯(lián)網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚至云數(shù)據(jù)中心，由云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)，各個(gè)管理使用單位通過水利感知網(wǎng)調(diào)看云數(shù)據(jù)中心的感知設(shè)備數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)。

從物聯(lián)感知終端傳輸數(shù)據(jù)主要為報(bào)文數(shù)據(jù)，單次傳輸數(shù)據(jù)＜5 kB，根據(jù)云數(shù)據(jù)中心量測水系統(tǒng)自定義，最高采集頻次為每5分鐘采集一次；單站點(diǎn)采用運(yùn)營商4G網(wǎng)絡(luò)平均傳輸速率滿足＞1 Mbps。視頻攝像頭點(diǎn)位主要為圖片數(shù)據(jù)（1920×1080@30fps,H.265）定時(shí)上傳，單次傳輸為1 MB，傳輸頻率≤30分鐘每次；視頻信息（1920×1080@30fps,H.265）根據(jù)云數(shù)據(jù)中心量測水系統(tǒng)自定義，為前端存儲(chǔ)、后端平臺(tái)調(diào)用不存儲(chǔ)；單站點(diǎn)采用運(yùn)營商4G網(wǎng)絡(luò)平均傳輸速率滿足≥4 Mbps。

（1）無線雙鏈路。傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)打通，針對(duì)量測水站點(diǎn)的水文監(jiān)測信息采用主備運(yùn)營商4G雙鏈路網(wǎng)絡(luò)通信方式，將數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合、統(tǒng)一處理，使上層平臺(tái)具備接入不同運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)卡的能力。

雙鏈路傳輸系統(tǒng)通過在本地端RTU加載雙鏈路通信系統(tǒng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)雙鏈路備份，支持冷、熱備份模式選擇，并上報(bào)上下行數(shù)據(jù)信息到云數(shù)據(jù)中心水利物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，平臺(tái)調(diào)用上報(bào)數(shù)據(jù)自主選取最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)（信號(hào)最好）。

（2）流量靈活共享。針對(duì)多個(gè)設(shè)備使用流量不固定、分布廣泛且場景較多的特點(diǎn)，為有效使用網(wǎng)絡(luò)流量，采用全域共享流量池模式，即針對(duì)采用無線物聯(lián)網(wǎng)卡傳輸?shù)牧繙y站點(diǎn)，建立統(tǒng)一的流量池，并定制不同類型的基礎(chǔ)通信流量；通過設(shè)定自動(dòng)化規(guī)則監(jiān)控用量，動(dòng)態(tài)調(diào)整物聯(lián)網(wǎng)卡流量計(jì)劃，使檔位和用量相近的物聯(lián)網(wǎng)卡靈活共享通信流量。同時(shí)，配合上層物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)卡掉線、流量超套、費(fèi)用不足等異常情況及時(shí)預(yù)警功能的支持。

（3）安全專用傳輸通道。水利工程所采集的各類量測水信息是水資源開發(fā)利用控制的重要數(shù)據(jù)。水利感知網(wǎng)采用安全VPN通道傳輸方式，保障量測水設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他無關(guān)數(shù)據(jù)隔離。在云數(shù)據(jù)中心接入配置點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)協(xié)議，前端物聯(lián)網(wǎng)卡配置對(duì)應(yīng)的APN接入點(diǎn)名稱，然后終端向的接入平臺(tái)間建立GRE隧道，數(shù)據(jù)會(huì)安全的在終端與云中心間傳輸。

2.4.2 有線傳輸設(shè)計(jì)

針對(duì)少數(shù)重要斷面區(qū)域，需進(jìn)行數(shù)據(jù)量較大的實(shí)時(shí)AI視頻分析，通過有線傳輸網(wǎng)，從物聯(lián)感知終端通過光纖連接到運(yùn)營商的傳輸匯聚點(diǎn)，再通過匯聚點(diǎn)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心，由云數(shù)據(jù)中心將視頻進(jìn)行存儲(chǔ)，各個(gè)管理單元可調(diào)看云數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)。

結(jié)合水文監(jiān)測站點(diǎn)的上下行水文監(jiān)測并發(fā)數(shù)據(jù)，每路每次傳輸數(shù)據(jù)＜5 kB，同時(shí)考慮到后期新增站點(diǎn)擴(kuò)展和傳輸冗余需求，針對(duì)水文數(shù)據(jù)雙鏈路從匯聚點(diǎn)到云中心傳輸，運(yùn)營商傳輸帶寬需求為50 Mbps；前端攝像頭圖片為定時(shí)上傳（單次上傳圖片大小1～3 MB，傳輸頻率≤30分鐘每次），前端攝像頭視頻信息為前端存儲(chǔ)、后端平臺(tái)調(diào)用不存儲(chǔ)，并發(fā)率較小，并考慮到傳輸冗余，針對(duì)圖片及視頻信息從匯聚點(diǎn)到云中心傳輸，運(yùn)營商傳輸帶寬需求為200 Mbps，確保視頻調(diào)用、瀏覽不會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

采用有線專用傳輸通道接入，通過三層虛擬VPN通道，前端點(diǎn)位通過ON U光纖接入至運(yùn)營商OLT處，收斂匯聚至運(yùn)營商城域網(wǎng)，接入運(yùn)營商BR A S設(shè)備，再通過波分設(shè)備傳輸至云數(shù)據(jù)中心PEOTN設(shè)備，運(yùn)營商提供匯聚端口連接至安全設(shè)備接口處。

針對(duì)部分區(qū)域通過本地BRAS設(shè)備收斂匯聚前端視頻監(jiān)控點(diǎn)位網(wǎng)絡(luò)，再通過運(yùn)營商骨干傳輸連接至云數(shù)據(jù)中心PEOTN設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同地市跨域長途鏈路傳輸。

3 智慧水利感知系統(tǒng)傳輸運(yùn)行保障

3.1 通信系統(tǒng)保障

通信系統(tǒng)不僅要考慮信息內(nèi)容傳輸?shù)目煽啃裕惨紤]在極端情況下通信系統(tǒng)能夠有效、快速地倒換，并提供冗余帶寬及備份路由。

通信系統(tǒng)在搭建時(shí)采用“口字型”架構(gòu)，即同一條業(yè)務(wù)在接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)后，分配主備路由方式進(jìn)行傳送，在主用路由產(chǎn)生故障時(shí)啟用備用路由。

全網(wǎng)部署以下故障保護(hù)倒換機(jī)制：啟用BFD for ISIS做為故障檢測機(jī)制，ISIS SR啟用TI-LFA做為故障保護(hù)倒換機(jī)制，TI-LFA自動(dòng)為每一個(gè)SR Prefix SID計(jì)算出預(yù)先故障情況下的備份路徑，可以保護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的鏈路及節(jié)點(diǎn)故障，提供50 ms內(nèi)的保護(hù)倒換。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)保障

根據(jù)水利信息化建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際情況，由于受水利環(huán)境影響，可能存在部分視頻監(jiān)控點(diǎn)位置偏遠(yuǎn)，有線傳輸網(wǎng)絡(luò)不能到達(dá)的情況，可采用4G、5G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸。為保證基站的覆蓋，運(yùn)營商基站需要對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行仿真和鏈路預(yù)算，滿足最大的允許路徑損耗，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化或補(bǔ)建，同時(shí)需要跟據(jù)上下行數(shù)據(jù)鏈路帶寬要求做好基站的容量保障。

3.3 有線光纜保障

信息采集設(shè)備接入運(yùn)營商內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)時(shí)所使用光纜采用“1+1”方式進(jìn)行備份，即預(yù)留與使用相同的纖芯數(shù)量，在纖芯發(fā)生故障時(shí)可快速進(jìn)行纖芯切換。在通信系統(tǒng)中適時(shí)采用OMSP/OLP保護(hù)機(jī)制，保證在極端情況下光纜能夠快速、自動(dòng)切換。

3.4 通信設(shè)備保障

在設(shè)備配置時(shí)充分考慮設(shè)備的可靠性，建設(shè)時(shí)選取適合水利系統(tǒng)的設(shè)備。在端口配置方面，接入層交換機(jī)或光纖收發(fā)器采用“1+N”端口預(yù)留方式，將下行和上行端口采用不同板卡進(jìn)行接入，盡量將下行不同設(shè)備的端口平均分配在不同板卡上，保證在一塊板卡失效時(shí)不對(duì)其他業(yè)務(wù)造成影響。在接入交換機(jī)時(shí)，盡量將不同區(qū)域、不同業(yè)務(wù)分配至不同端口與其對(duì)接，將因設(shè)備引發(fā)的故障可能性降至最低。

4 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)代智慧水利感知系統(tǒng)通信傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌全局，結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商現(xiàn)狀，確保設(shè)備接入后能穩(wěn)定在線，實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)打通，針對(duì)量測水測站的量測水文信息采用主備網(wǎng)絡(luò)通信方式，將數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合、統(tǒng)一處理，使上層平臺(tái)具備接入不同運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)卡的能力。隨著我國5G通信覆蓋的逐步完善，為智慧水利項(xiàng)目工程提供安全、穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為水利指揮中心提供全方位智能化服務(wù)，助力我國水利智慧化升級(jí)。