自动化技术在水文监测的应用分析

龙依

（湖南省湘潭水文水资源勘测中心，湖南 湘潭 411100）

0 引言

水文监测与人民的实际生活有着紧密的联系，水文监测技术体系有较多的技术短板。现阶段经济快速发展，国家对生态环境更加重视。不仅是装备本身质量升级，而是系统提升水文监测体系，引入自动化技术，解决软硬件缺陷，提高数据采集和传输的成功率，使水文监测满足高水平的质量要求，构建水文信息的自动化监测报一体式架构。

1 水文监测的现状

1.1 装备技术逐渐过时

社会的发展提高了水文测报能力的需求，监测服务项目和内容日益增多，对水文信息也进一步提出了实时、多元和精准的要求；但是在进行水文监测实际工作中，一般监测站采用单一独立设备进行测量，设备自动程度低，对外接口少，虽然得到的数值相对正确，但数据需要导出、转换后进行传递，一旦出现了复杂多变的恶劣环境情况，就会出现相当多的问题[1]。

例如，在水文监测工作中必须监测多个高水位站点，并同时把相关数据信息传送给数据处理中心。因为水文监测站数量种类相对比较多，相应的测点位置较为散乱，因而开展外勤的路线复杂，导致水文工作的一线监测人员的体力劳动量占工作总量比例较高。在洪灾来临时，交通状况差，人工监测方法的施行难度加大，伴随降雨、狂风时，人工取数读数难，这很大程度是造成水文监测一手信息实现完整价值转换困难的直接原因。

转换分析过程难。数据采集后需要用专用数据线缆以硬件连接方式下载数据，由于设备比较落后，电路板、通信接口及线缆逐渐老化，连接器插芯缩芯、接触电阻增大、屏蔽层失效等故障发生概率增大，导致接口不易识别、下载突然中断等问题。

可维护性差。老款监测装备专用型号可能因内部电子元器件停产、生产线升级等客观影响，导致配件难以购买，造成设备维修、保养费用高昂，有些进口供应商甚至可能直接停产。

过时装备在目前水文测报结构体系中运用过程的主要特征是：信息采集源为单点设备，信息跨平台传递靠人工，传输介质速度慢。

1.2 超标准测报能力弱

秦年秀等[2]指出湖南省37 个县市有35%左右县市极易遭到洪水威胁，主要是靠近湖泊、地势低洼，汇水面积大且地势低洼，属于中、高风险，需要重点防范。通常超标洪水测报工具和方法一般有ADCP、水位计、浮标法、手持电波流速仪等，洪水过后进行洪调，追查洪痕点，测量洪痕高程、时长等。

现有超标准洪水监测和报告的流程体系中，存在以下执行的难点：人、设备、操作技术等多种因素需相互协调，风险点多，管控难度较大；洪灾发生时往往伴随多雨、多云雾等问题，目视观测精度较低，尤其在夜晚，必须使用探照灯辅助照明，导致夜视角度偏小，观测距离变短；洪灾可能导致环境参照物减少，需依赖水文人员的地理经验判断基准点；在中小河流站测点周围通信信号受影响，难以及时与后方技术专家有效沟通和提供解读支援；信息的存储和传递过程主要靠人工，再传递的数据存在信息滞后和失真的风险。

尽管监测站设备不断健全，但是对超标洪水的监测工作仍然面临着比较多的条件限制和技术难点，在监测洪灾的时候，一般还是选择用普通的形式进行监测，故监测质量的保障难度极高。在洪水可能面临的巨大经济损失面前，尽快系统性提高超标准测报能力势在必行。

1.3 监测体系依赖检查

目前测报体系中存在水文取样、读数等人为要素较多，人的作业质量直接影响水文测报体系成果。由于从业人员的专业知识储备、从业年限、设备操作熟练度等不同，每个人积累理论和实践经验不一，形成了工作质量不同的客观事实。

现有体系中，设备作业人员需要培训合格后上岗，而即便是有经验者，也偶然会出现数据丢失，数据格式错误等意外问题，这就说明设备操作难度还较大，导致数据存在不可靠的风险，在实际开展水文监测工作中，若因人员失误，影响数据分析、决策判断的准确性，影响资料真实性和可信度。为此水文监测作业体系中必备各种检查方法，如相互检查、主管校核、领导审核等，施加事后检查的办法一定程度上可确保监测结果质量可靠，导致现有体系对质量检查的投入较大。

质量不是检查出来的，因此要优化水文监测管理体系，降低数据失信的风险，必须从根本上提高第一手数据的采集质量。

1.4 水文测报现状的思考

由于水文监测工作不受资本青睐，水文监测行业内长期投入科研资金较少、难以吸引前沿科学技术人才留驻，内生技术创新速度较为缓慢，导致在役装备、技术手段未及时更新。

目前水文监测体系中未系统、全面充分地运用新技术，要求水文监测从业者具备过硬的综合素质：掌握原理知识，操作老旧设备的耐心，应急处理的诀窍，对面极端天气的勇气。而即便如此，也难免会偶发设备失效、环境影响或人员误读误传等，出现数据遗漏等问题。

2 构建自动化水文监测系统

2.1 系统概述

水文监测自动化系统主要由数据采集设备、传输通道、管理软件、数据库和前端人机界面组成，实现自动采集—自动传输—自动储存—自动分析—自动警报—智能预测的全过程自动化。电子水尺、压力式水位计、浮子式水位计、超声波水位计等重要水位传感器均在自动化监测系统中发挥出积极作用。各类传感器设备可与RTU 设备直接连接，对水位参数进行自动监测，确保地下水与地下水位监测结果两者保持一致。

GPRS 具有较低使用费用和较快传输速度的特点，在信息传输阶段，其速度可达到每秒171.2kb/s。相比较于无线通信方式而言，选择应用GPRS 无线通信方式可谓具有很强的灵活性。另外，高性价比、简单的维护方式、较低的投资运行费用、简单的拓展和灵活的组网等，都为系统搭建和自动化水文监测提供便利。

2.2 软硬件要求

数据采集设备是遥测雨量、水位、流量站的信息的采集端，配置各种传感器，具备无线遥感、图像识别、智能诊断报警等诸多能力，自动将数据压缩，以可靠形式发送至管理软件，通过接收、译码，原始数据按站类站号等分类自动储存于数据库中。设备需具有自检、诊断能力，以便保养和及时故障维修。

首先从控制系统软件方面做好体系的建设工作，为自动化技术的实现提供前提保证。水文监测系统软件是对水文监测点数据进行接收、汇总、统计、分析的管理平台，软件具备动态实时监测、历史数据查询、报警数据查询、登录日志及操作日志查询、时段统计、曲线分析、用户管理、测点管理、历史数据导入等多项功能。水文监测系统软件采用C/S 结构设计，具有操作权限的管理人员，只要安装访问客户端即可登入该系统，保证了系统的安全性。软件具有全局变量设置、数据库管理、统计分析、用户管理、测点管理等功能。

2.3 系统结构

通过财通水文测报机在现场监控点位置完成水文信息采集，直接连接GPRSDTU 终端和RS485 接口，通过GPRSDTU 终端内嵌处理器对水文测报机采集到的数据信息实施处理，并将其协议封装以后传输到GPRS 无线网络。

以公网的形式将服务器与Internet 连接，比如ADSL 拨号/电信专线宽带上网等，按照流程与标准实现公网固定IP 地址申请，采集容量中等或者较少的数据。应用省移动通信公司提供的DDN 专线作为服务器，并完成固定IP 地址申请与配置，连接到GPRS 网络。由于DDN 专线提供的带宽较高，可增加环保信息采集点数量和规模，不同将中心进行扩容处理便可满足使用需求，同时采集大容量数据信息。

监控中心位置的RADIUS 服务器所接受的数据信息来自于GPRS 网路，并通过AAA 认证，之后再将数据信息传输到监控中心计算机主机内，利用系统软件还原显示数据信息并作出数据信息的进一步处理，由此可强化数据信息安全性与传输稳定性。

水文测报机经过GPRS/GMS 网络空中接口功能模块完成数据信息采集，并解码处理各项数据信息，将数据信息进行转化以获得公网数据传输所需要的格式。利用中国移动GPRS 无线数据网络完成数据信息传输，将最终的数据信息传输到监控中心IP地址，如图1 所示。

图1 水文监测物联网系统拓扑

2.4 系统功能

利用自动化监测系统，除了可实现日常水文监测，还可定制功能，例如建立自动化预警、预报系统，搭建信息化测报平台，输出洪水发展预测分析报告等，如图2 所示。

图2 中心软件整体框架

2.5 系统应用优势分析

相比较于SMS 短信息，系统选用面向连接的TCP 协议进行通信，在实际应用中可有效避免丢失数据包的问题，确保传输数据信息时的可靠性。中心可同时间与多个不同的监测点完成数据传输，且相互之间不存在干扰的现象。GPRS 网络本身的频分服用机制比较完善，同时在应用中能表现出良好的抗干扰性能，从而以规避传输期间出现多机频段相互碰撞的故障。

GPRS 具有全天候在线特征，传输数据信息时的时延很小，同时还支持多点同时传输数据信息，在数据监测中心位置可实现动态性、快速度的双向通信，并符合实时性传输、实时性采集数据的多种要求。当前，GPRS 在数据信息传输时的速率保持在30kbit/s 左右，能够达到规定的标准。

3 推动自动化监测技术应用

3.1 加大政策支持

科技水平是第一生产力。落后的技术无法完全实现水文行业数十年累积数据的社会价值和经济价值，采用旧技术装备的测报体系实现可靠传递信息的速度并不理想，而且老旧的技术需要高昂的检修维护成本，同时又因为流程中人因多，管理成本高。水文监测数据关乎民生幸福，应加快技术体系升级进程，构建基于自动化装备的水文监测体系。

水文监测行业发展至今少不了政策的大力支持，必须充分考虑其自身条件的复杂性，施加更多的政策推动，近年来国家提出了城市绿心、海绵城市等概念，客观上是对本行业有拉动作用的，有望吸引更多城市在规划建设、水土治理和湿地保持等政策中加强水文监测的支持力度，将水文监测系统的科技创新水平推到更高的境界。

3.2 增加水文监测收入

水文站点多、站网密，需要大量的新设备来支撑这套系统，增加对水文站设备建设的投入。宏观环境上国家对保护水土环境给予经济支持，媒体对近年极端洪涝、大旱灾的深情报道，推动水文监测行业为人所知，逐渐有远见的企业家、投资人关注水文。

逐渐开发水文监测数据、预报商业化的渠道，吸引社会资本进入，增加水文站收入来源，或由国家提高资金拨款，促进设备升级、服务功能升级。

3.3 老化升级

随着科学技术的发展，市场化程度较高的行业大多进行了智能、无人作业的实践升级，例如运用智能图像识别和精确定位导航自动行驶技术搭建的智慧物流仓储体系中，物流小车可自动高效、准确地转运货物，并将结果数字化、图形化呈现在管理者的手机；例如运用超声波传感器测量地下水位，使用无线通信传输至云端，可实时向云端报告地下水位，并调用分析软件预测水位趋势，及时自动报警[3]。

由于一些水文站建设年份比较悠久，其设施、设备也较为陈旧落后，因此无法确保测洪防洪等工作的正常进行，数据质量和人员工作量也较大，维护老化成本较高，在全面综合进行成本考量，制定升级计划，新老更替，使老站焕发新活力。

同样需要各渠道投资支持，对现存的水文站设备加以维修，推动所有水文站安全性能的进一步提升，为水文监测工作的顺利开展提出了有效保证。

4 水文监测自动化应用的优点

4.1 监测能力强

自动监测设备使用成熟的信息监控技术，灵活配置多种传感器，通过无线传输至云端，可实现24h 全天候值守，形成实时在线监控能力，积累海量一手数据。信息经传感器采集后可由程序自动进行比对检验，由于数据具有连续性，误差较大等异常会立刻报警，可组织尽快修理。数据完全未经人工采集读取，由软件自动发送至云端存储，可在历史经验学中得到广泛运用。可以加大采集范围，由于网络技术发展，卫星覆盖面下均可以实现信息通信。通过水文监测自动化技术的使用，有效扩大了水文监测的覆盖范围，并利用了GPRS 联网，未来可升级5G，以满足更高数据量传输需求。通过使用5G 通信，可以有效提高数据传输的速度和准确度，即使进行大型数据信号传送时，数据传输的速度和准确度也可以完全得到提高，对提高水文观测信号传输速度也具有着积极的意义[1]。

鉴于很多情况下水文特征转瞬即逝，譬如洪峰一旦错过便无法再现，运用实时自动监控并传输的终端采集设备可以避免人因不及时遗漏监测的风险，提高应对极端情况方案框架的完整性。

4.2 拓展性强

水文监测自动化技术具有超强的信息处理功能。多线程处理多个监测点的水文数据，水文监测的效率也有着极大的提高，最少的时间内掌握水文状况。对边远地区、乡村均可高效的实现水文信息的收集，拓展水文监测的覆盖范围，并利用GPRS 无线传输将水文信号及时反馈，高效远程管理。

通过与相当数量的水文站间建起相互网络联系，将可以达到统计数据信息间的数据共享，从而减轻了不同水文站的工作压力。将有助于水文地质方案的建立，并为其的精度和有效性提供了有力的保证，进一步的提升了水文监测的准确性。

拓展使用人工智能技术，更有效地丰富了水文监控的功能，可实现装备故障诊断、水情预报预警、洪水发展过程预测等。

4.3 质量风险可控

自动化程序实时处理数据，通过机器学习不断优化程序计算逻辑，基于后台数据库支撑生成决策建议，提高结论可靠度，排除人为因素影响，降低人脑参与可以系统控制决策风险，具有及时、稳定、可靠的优点，大大提高了水文人员信息管理工作的有效性和管理工作实施的正确性。面对数量庞大的信号收集点，水文中心站在每一水文信号收集点的信号和数据保持高效和精确，仍然可以保证有效的信息传输速度，以发挥自动化技术的关键功能。

5 结语

水文监测工作十分关键，其监测数据的精确性将直接影响到整个国家和民众的权益，确保水文监测工作顺利、正确的开展尤其重要。而目前，由于自动化技术已经在诸多行业工作领域中获得了较普遍的运用，所以通过对水文监测行业中自动化技术的基本概念加以广泛认识，并探讨了通过有关途径进行对该技术的系统化运用，推广免维护无线传感器、自控夜视远程监控采集、云端存储、智能分析与诊断、智能多维图像汇报等技术创新产品，将会使水文监测发挥出重要的功能，对中国水利建设将具有重大的现实意义。