基于5G技术组网的水情自动测报系统应用探索

孙卫军，洪 林

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

1 水情自动测报系统的现状分析

我国水情自动测报系统随着无线通信技术以及硬件水平的发展，取得了较为显著的进步，但仍有很多不足，主要是由于以下几方面原因所导致的。

（1）新产品研发投入不足。目前，从事水情系统研究的科研或产业单位受科研经费紧张、市场环境狭窄、用户需求不足等条件影响，都不能够及时开展更先进的技术研究或研制新的产品，从而阻碍了新技术的应用，使得行业发展相对滞后。

（2）硬件更新换代缓慢。硬件设备特别是微功耗的芯片设备更新迭代速度较快，但是作为水情系统遥测站的核心设备RTU（远程终端单元）更新迭代较慢，此外作为遥测站无线通信的核心模块DTU(Data Transfer unit)的发展相对滞后，从而影响了遥测站的硬件集成。

（3）传感器精度偏低。国产水情采集的传感器种类虽然较多，但与国外同类传感器相比，无论是精度、稳定性方面都存在较大差距，部分传感器仍无法实现国产化替代，一些对精度及稳定性要求较高的场景仍以采用国外传感器居多。

（4）通信组网的方式滞后。水情系统常用的通信组网方式包括基于超短波（VHF，Very HighFrequency）、GSM、GPRS、卫星、光纤等信道组网。目前实际应用中基于3G/4G通信组网方式应用较少，基于5G的通信组网尚处于研究阶段。

2 5G发展概述

从20世纪贝尔实验室研制出第一代移动通信系统（先进移动电话系统，AMPS）到21世纪初的第四代移动通信系统(4G，4st Generation)，移动通信系统已经完成了从模拟通信到数字通信、从电路交换到IP交换的数次技术更新换代，每一次更新都带来更快的速度、更低的延迟和特性，通信行业的发展带动与之相关的产业的整体发展与进步。

第五代移动通信系统(5G，5st Generation)是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。根据移动通信的发展规律，5G将具有超高的频谱利用率和能效,在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高,其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高[1]。

（三）小学数学作业批改的方式及优化。关于小学生数学作业的批改，也是应该重视的。既然布置了作业，由学生完成，教师做好作业的批改工作责无旁贷，批改作业可以让学生更好地了解自己对于数学知识的掌握情况，清楚知道哪里还有不足，哪里还需要进一步加强，有利于学生及时查漏补缺，不断提高学习的水平。要实现作业批改的优化，可以采取多种方式进行，可以发挥学生的主体作用，让学生互改作业，最后由教师完成总结性批复，从而使学生更好地理解所学的数学知识，进而掌握好数学基础知识。

采用5G的水情系统因基于流量计费而降低了通信成本，基础水情信息数据传输量相对较小，如果考虑搭载高清摄像头的遥测站会占用较多带宽，但基于5G的高传输带宽特性完全能解决此问题。通常水情遥测站点部署在野外偏僻地区，有无5G信号便成了能否采用5G组网的关键，就5G建设进度来看，部署在城镇附近的遥测站点可以优先采用5G组网方式，部分偏远地区用其他组网方式过渡。

3 水情系统中应用5G的优势分析

相较于传统通信组网方式，5G组网有如下优势：

（1）更高的无线接入宽带。5G组网可靠传输带宽在100 Mbit/s以上，部分应用场景数据传输速率可达到Gbit/s的级别，对于遥测站的数据传输要求完全满足，甚至可以部署超高清工业摄像头进行实时高清视频传输。

（2）低时延高可靠性[2]。5G通信时延在毫秒级别，通信可靠性高，对于遥测站的数据召测、远程参数设置等工作可实时完成，相较于传统通信组网方式，5G遥测组网能极大提高站点的维护效率。同时，低时延的特性对于汛期水情数据监视尤为重要，中心站接收的水情数据能够实现遥测站数据的实时更新监视，极大提高了防洪决策的时效性。

（3）独立组网特性。5G组网具备网络切片的功能，能够将物理网络通过虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）技术切分为若干相互独立的虚拟网络[3]，从而服务于不同的通信业务场景，对于水情系统组网能够形成类似于租用运营商专线的效果，能够一定程度上满足水情系统通信组网的安全防护方面的需求。

（4）运营成本低。5G是按照流量进行收费，而且流量的资费标准在5G大规模建设后会逐渐降低，相较于短信或北斗的通信组网方式能够节约较大的通信资费。

4 基于5G的水情系统通信组网

水情系统通信组网主要涉及遥测站、通信方式、中心站等三个部分内容，遥测站主要实现雨量、水位等项目的监测。系统主要包括水位传感器、雨量传感器、数据采集器、通讯模块、机箱、太阳能供电系统等设备。传统水情系统常用的数据传输方式有卫星通信、超短波通信（VHF）、GSM通信、GPRS通信等，各种通信方式在通信机理、设备性能、运行功耗等方面有各自的特点。中心站主要包括遥测接收设备及服务器。

对于人口密集的经济发达地区的水情系统，因5G网络覆盖全面，可采用5G/GSM的方式组网，主信道可采用“一直在线”工作模式，备用信道采用“待机”工作模式。对于大型梯级调度的多中心的水情系统，可采用混合组网模式[4]，有5G移动信号覆盖的站点可采用5G/GSM，野外站点无5G信号采用GSM/卫星方式组网，中心站采集服务器采用运营商分配的固定IP联网。

以5G/GSM信道的方式组网的水情系统见图1。

图1 5G通信组网的水情自动测报系统

为建设标准性好、兼容性强、资源共享方便的的水情系统，遥测站与中心站通信可采用国家水利水资源相关部门组织编制的水文[5]、水资源[6]标准通信规约，对于装有高清摄像头的遥测站，可利用高清视频传输协议经由5G信道传输至水情中心站。

5 基于5G技术的遥测站硬件组成

5G遥测站主要任务是及时、准确地通过传感器采集和报送水雨情、气象数据,可采用多种信道，信道可主备任意设置。遥测站能长期、稳定、持续、可靠地工作，信息传输迅速、准确，有较高的精确度。遥测站原则上采取利用无民用建筑物，使用一体化仪器箱（筒）方式建设，一体化仪器箱（筒）设计时充分考虑到防水、防雷击、防盗等措施。遥测站组成主要包括数据采集器、通讯模块、机箱、太阳能供电系统等设备，以及水位、雨量等传感器，基于5G技术的遥测站可搭配超高清摄像机[7]。遥测站组成见图2。

图2 基于5G通信组网的水情系统遥测站结构图

目前工业级的5G通信终端（DTU，Data Transfer unit)尚处于研究阶段，但随着5G建设的大规模展开，向下兼容GSM的5G DTU也将投入使用，届时一个DTU预期可同时承载5G/GSM网络通信业务，实现遥测站低成本可靠通信。

6 5G遥测站应用场景

基于5G的更高的无线接入宽带、低时延高可靠性等特征，采用5G组网的水情测报系统除信息延迟小、时效性高等特征之外，较传统通信组网的水情系统具备几种特色应用场景。

6.1 实时数据召测及参数设置

实时数据召测及参数设置。传统无线通信组网的水情系统数据传输延时较大，尤其是汛期当需要实时召测遥测站数据时等待时间较长，影响防洪决策的时效性，另外在对遥测站进行远程维护时也存在同样问题，采用有线通道组网的水情系统延迟较小，维护较为方便，但是有线组网的成本较高，适用面较小。采用5G组网的水情系统在具备低成本优势的前提下，能够实现遥测站数据召测及远程维护的实时性，提高防洪及水库调度决策的时效性，节约维护成本。

6.2 实时超高清视频传输

传统无线通信组网的水情系统不具备传输视频信息条件，依托于GPRS能够实现部分图像的传输，但分辨率有限、清晰度不高，且占用带宽较多，实际应用范围有限，采用光纤组网的遥测站建设成本高昂，不利于实际应用。工业电视系统能够实现视频的传输，但同样建设成本高昂。因此，搭载高清摄像头的5G遥测站应用有着广泛的应用场景，依据5G高带宽低时延的特征可传输4K超高清视频信号，能够替代工业电视的功能，给遥测站装上高清摄像头，能够直接实时观测到有水尺的水位站水位，实时观测遥测站周边水文环境信息，且图像达到4K分辨率，数据观察更加准确，给防汛决策及水库调度提供更直接的参考依据。另外，通过5G网络实时控制摄像头角度，可实现遥测站周边环境视频监测，给站点维护提供参考信息，便于测站管理运维。

不过，超高清视频的传输对于硬件设备要求较高，首先遥测站RTU需要支持超高清视频处理及传输，如不支持，需要部署独立的视频处理及传输设备，这就会增加遥测站成本和功耗，所以何种环境下采用搭载超高清摄像头的遥测站就需要综合考虑各种因素。

7 5G的建设难度探讨

2019是5G商用元年，运营商已陆续开始5G网络建设，基于5G组网的水情测报系统研究具有一定的前瞻性，但也面临一些挑战，主要建设难度在于以下方面：

（1）厂家支持少。目前水情遥测站厂家采用设备更新换代较慢，采用传统通信组网方式较多，基于5G的遥测站设备集成尚处于研究阶段，目前尚无产品支持，随着5G建设的开展，后续5G遥测站何时投入使用有待观察。

（2）设备成本高。目前工业级的5G通信终端尚处于研发阶段，未大量投入市场，且成本较高，可以预见在5G实现大规模覆盖完成以前，采用5G组网的遥测站不具备成本优势，另外如果考虑搭载超高清摄像头的遥测站建设，也要考虑支持超高清视频处理的RTU研发周期及设备成本。

（3）信号覆盖小。水情遥测站点很多在部署在偏远地区，甚至很多地方只有2G网络，所以遥测站点是否处于5G信号覆盖范围将成为能否采用5G组网的关键因素，目前已有研究偏远地区5G网络建设方案的研究[8]，也有相关偏远地区5G建设基站建设试验成功的报道[9]，但是对于人口稀少、地形复杂的偏远地区5G信号如何覆盖未来依旧是个难题。对于人口密度大、较发达城镇及周边地区5G信号会优先覆盖，这些地区水情系统建设可优先考虑采用5G组网，无5G信号地区可暂时采用其他通信方式进行组网。

8 结语

虽然采用5G组网的水情系统面临着厂家支持少、设备成本高、信号覆盖小等难题，但将5G技术应用到水情系统当中仍有着重要意义，采用5G组网的水情系统具备更高的无线接入宽带、低时延高可靠性、独立组网、运营成本低等优势，能够实现实时数据的获取、召测，极大地提高防汛决策及水库调度的实时性及时效性，对于站点能够实现实时参数设置及维护，节约维护成本，对于搭载超高清摄像头的遥测站能够替代工业电视功能，数据观察更加准确，对遥测站周边环境信息掌握更加全面，从而给防汛及水库调度决策提供更直接的参考依据。