摘要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，智能感知技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，其中包括水利領(lǐng)域。水利信息采集與處理作為水利工程管理的重要組成部分，對(duì)于保障水資源的合理利用、防洪排澇、水環(huán)境保護(hù)等方面具有重要意義，這就需要引入智能感知技術(shù)。對(duì)智能感知技術(shù)進(jìn)行了一定論述，在此基礎(chǔ)上，分別探討了智能感知技術(shù)在水利信息采集與處理中的具體應(yīng)用，有助于實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)的全面監(jiān)測(cè)和智能管理，提高水利管理的科學(xué)性和智能化水平。

關(guān)鍵詞：智能感知技術(shù)；水利信息；采集；處理

一、前言

隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的加劇，水資源管理和防災(zāi)減災(zāi)成為各國(guó)面臨的重要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的水利信息采集和處理方式已經(jīng)難以滿足日益復(fù)雜的水文環(huán)境和高效管理的需求。智能感知技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用，為水利信息化建設(shè)提供了新的解決方案。通過各種傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，智能感知技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水文、水質(zhì)、氣象等多種環(huán)境參數(shù)，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時(shí)處理。因此，進(jìn)行智能感知技術(shù)在水利信息采集與處理中的應(yīng)用研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

二、智能感知技術(shù)在水利信息采集中的具體應(yīng)用

（一）水利信息采集的技術(shù)需求

水利信息采集的技術(shù)需求主要包括多種數(shù)據(jù)類型的準(zhǔn)確采集、高精度和實(shí)時(shí)性、設(shè)備的多樣性和復(fù)雜性管理等方面。第一，在數(shù)據(jù)類型方面，需要采集的水利信息包括水文數(shù)據(jù)（水位、流量、降雨量等）、水質(zhì)數(shù)據(jù)（pH值、濁度、溶解氧等）、氣象數(shù)據(jù)（溫度、濕度、風(fēng)速等），閘門開度、載荷以及運(yùn)維狀態(tài)信息，水庫大壩安全監(jiān)測(cè)中滲壓、變形、表面位移（GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)）等信息。這些數(shù)據(jù)要求具備高精度和實(shí)時(shí)性，以確保水利管理和決策的科學(xué)性和有效性。第二，由于水利設(shè)備種類繁多，包括固定和移動(dòng)傳感器、無人機(jī)、遙感衛(wèi)星、信息化和自動(dòng)化系統(tǒng)中的信息采集與智能感知儀器等，設(shè)備間通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式多樣，導(dǎo)致統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)整合的難度增加。因此，水利信息采集系統(tǒng)需要具備良好的兼容性和靈活性，以支持不同設(shè)備和協(xié)議的接入和協(xié)同工作。第三，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和安全性，系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、存儲(chǔ)和處理，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和健全的安全機(jī)制，以應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析需求，確保數(shù)據(jù)在傳輸和處理過程中的完整性和保密性[2]。

（二）水利智能感知平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)的架構(gòu)和功能

（1）平臺(tái)總體架構(gòu)

水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)的架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)旨在高效整合和管理多樣化的水利感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)采集。平臺(tái)總體架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層四個(gè)主要部分。感知層由各種傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水文、水質(zhì)、氣象等環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)初步處理后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層采用多種通信技術(shù)，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、LoRa、NB-IoT等，確保數(shù)據(jù)在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定傳輸。平臺(tái)層是系統(tǒng)的核心，采用分布式混合存儲(chǔ)架構(gòu)，支持多協(xié)議解析和數(shù)據(jù)管理，能夠靈活處理不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和水利報(bào)文協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類前端設(shè)備的統(tǒng)一接入和管理。平臺(tái)層還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、索引、緩存等功能模塊，通過NoSQL數(shù)據(jù)庫和緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和快速訪問。應(yīng)用層基于實(shí)時(shí)計(jì)算和業(yè)務(wù)規(guī)則，提供在線預(yù)警、多設(shè)備聯(lián)動(dòng)響應(yīng)、遠(yuǎn)程控制等高級(jí)功能，通過可視化界面為用戶提供全面的數(shù)據(jù)分析和決策支持。

（2）分布式混合存儲(chǔ)架構(gòu)

水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)的分布式混合存儲(chǔ)架構(gòu)是高效處理和管理海量數(shù)據(jù)的核心技術(shù)。該架構(gòu)結(jié)合了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、NoSQL數(shù)據(jù)庫和時(shí)序數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的靈活存儲(chǔ)和高效訪問。在分布式架構(gòu)中，數(shù)據(jù)按照不同類型和用途進(jìn)行分類存儲(chǔ)：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如設(shè)備信息、用戶配置等。NoSQL數(shù)據(jù)庫適用于存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如傳感器日志、文本數(shù)據(jù)等。時(shí)序數(shù)據(jù)庫則專門用于處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)，如水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有時(shí)間戳特性，時(shí)序數(shù)據(jù)庫能夠高效地進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢。同時(shí)，混合存儲(chǔ)架構(gòu)還包括緩存層，使用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)，如Redis，對(duì)頻繁訪問的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，加快數(shù)據(jù)讀取速度，提升系統(tǒng)性能。分布式存儲(chǔ)確保數(shù)據(jù)在多臺(tái)服務(wù)器之間分布，既提高了存儲(chǔ)容量，也增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的容錯(cuò)性和可靠性。在數(shù)據(jù)處理過程中，平臺(tái)通過分布式計(jì)算框架，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的并行處理和實(shí)時(shí)分析，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠迅速轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的信息，為實(shí)時(shí)預(yù)警和決策提供支持。

2.設(shè)備接入管理

（1）通用型傳輸協(xié)議和專有協(xié)議的解析

在水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)中，設(shè)備接入管理的關(guān)鍵在于對(duì)通用型傳輸協(xié)議和專有協(xié)議的解析，以確保各種類型和品牌的設(shè)備能夠無縫接入和統(tǒng)一管理。通用型傳輸協(xié)議包括HTTP、MQTT、OPC等，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和通信。平臺(tái)通過內(nèi)置的協(xié)議解析引擎，可以自動(dòng)識(shí)別并處理這些通用協(xié)議的報(bào)文，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和解析。對(duì)于水利行業(yè)特有的設(shè)備，還涉及國(guó)家水文規(guī)約、國(guó)家水資源規(guī)約和環(huán)保規(guī)約等專有協(xié)議。專有協(xié)議通常具有較為復(fù)雜的報(bào)文結(jié)構(gòu)和特定的傳輸要求。平臺(tái)在底層設(shè)計(jì)了專有協(xié)議解析模塊，能夠針對(duì)不同的專有協(xié)議類型進(jìn)行深度解析。

（2）協(xié)議字典、通道配置、協(xié)議配置、解析項(xiàng)配置

在水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)中，設(shè)備接入管理通過協(xié)議字典、通道配置、協(xié)議配置和解析項(xiàng)配置等功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多樣化設(shè)備的高效接入和管理。協(xié)議字典用于管理和維護(hù)各種通信協(xié)議的基本信息，包括協(xié)議名稱、協(xié)議代碼和報(bào)文結(jié)構(gòu)等，確保平臺(tái)能夠識(shí)別和處理不同協(xié)議類型的數(shù)據(jù)。通道配置模塊負(fù)責(zé)設(shè)定設(shè)備與平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，包括通道名稱、通道類型和通道組設(shè)置等，通過合理配置通道，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。協(xié)議配置則提供詳細(xì)的協(xié)議參數(shù)設(shè)定，如幀代號(hào)、報(bào)文類型、方向、功能碼和協(xié)議版本等，這些配置項(xiàng)確保平臺(tái)能夠正確解析和處理各類設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文。解析項(xiàng)配置則用于定義報(bào)文中具體數(shù)據(jù)項(xiàng)的解析規(guī)則，包括數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、解析方法等，使平臺(tái)能夠?qū)⒔邮盏降脑紨?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化信息，并進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。

（3）設(shè)備接入

設(shè)備接入流程是確保各類傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備順利集成到系統(tǒng)中的關(guān)鍵，通常包括以下幾個(gè)階段。第一是設(shè)備注冊(cè)階段，新的設(shè)備需要在平臺(tái)上進(jìn)行注冊(cè)，錄入設(shè)備的基本信息，如設(shè)備ID、類型、位置等。第二是協(xié)議配置階段，針對(duì)不同設(shè)備的通信協(xié)議，進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議配置，包括選擇通用型傳輸協(xié)議或?qū)Ｓ袇f(xié)議，設(shè)定協(xié)議的幀格式、報(bào)文類型、數(shù)據(jù)編碼方式等細(xì)節(jié)。第三是通道配置階段，通過建立和維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸通道，確保設(shè)備與平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信暢通無阻，這涉及通道的名稱、類型、組設(shè)置等內(nèi)容。然后進(jìn)入工作模式配置階段，設(shè)備可以根據(jù)具體需求設(shè)置為自報(bào)模式或查詢/應(yīng)答模式，確定數(shù)據(jù)上報(bào)的頻率和響應(yīng)機(jī)制。第四是指令和心跳配置，定義設(shè)備的控制指令和心跳機(jī)制，確保設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)，鏈路心跳用于維持長(zhǎng)連接，狀態(tài)心跳則定期上報(bào)設(shè)備的運(yùn)行信息。最后，設(shè)備通過數(shù)據(jù)傳輸通道，將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至平臺(tái)，平臺(tái)通過協(xié)議解析和數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解析和存儲(chǔ)[3]。

三、智能感知技術(shù)在水利信息處理中的具體應(yīng)用

（一）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理

水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理體系融合了分布式NoSQL技術(shù)、通用表設(shè)計(jì)以及精細(xì)化的數(shù)據(jù)入庫與糾錯(cuò)流程，以應(yīng)對(duì)海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。該平臺(tái)采用基于分布式架構(gòu)的NoSQL數(shù)據(jù)庫，結(jié)合索引與緩存策略，不僅實(shí)現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)化與半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如傳感器日志、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備信息）的高效存儲(chǔ)與快速訪問，還通過分散存儲(chǔ)于多節(jié)點(diǎn)提升系統(tǒng)容錯(cuò)性和并發(fā)處理能力。索引機(jī)制的優(yōu)化確保了數(shù)據(jù)查詢的迅速與精確，而緩存層則利用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，如Redis緩存高頻數(shù)據(jù)，大幅降低了查詢延遲，增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。同時(shí)，平臺(tái)制定了通用表及字段編碼規(guī)則，通過預(yù)定義的表結(jié)構(gòu)和編碼體系，統(tǒng)一處理并存儲(chǔ)來自不同源的數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)的一致性與可擴(kuò)展性，同時(shí)提升數(shù)據(jù)管理的效率和準(zhǔn)確性，為后續(xù)分析挖掘奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，數(shù)據(jù)入庫流程融入預(yù)處理、校驗(yàn)與完整性檢查，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)糾錯(cuò)機(jī)制則通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)修復(fù)及人工干預(yù)相結(jié)合的方式，有效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)異常或錯(cuò)誤，進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性[4]。

（二）數(shù)據(jù)處理和分析

1.計(jì)算公式配置和數(shù)據(jù)變量關(guān)聯(lián)

計(jì)算公式配置功能允許用戶根據(jù)具體需求定義和編輯各種計(jì)算公式，用于處理和分析采集到的水利數(shù)據(jù)。這些公式可以涵蓋從簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算到復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析和物理模型。例如，計(jì)算平均值、總和、標(biāo)準(zhǔn)差，或者進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)和異常檢測(cè)。數(shù)據(jù)變量關(guān)聯(lián)則是將這些計(jì)算公式與具體的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行綁定，使得平臺(tái)能夠自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。通過數(shù)據(jù)變量關(guān)聯(lián)，平臺(tái)將傳感器數(shù)據(jù)、歷史記錄和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等各種變量與計(jì)算公式有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和動(dòng)態(tài)更新。例如，在水位監(jiān)測(cè)中，平臺(tái)可以通過公式計(jì)算實(shí)時(shí)水位變化率，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來的水位趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

2.數(shù)據(jù)分發(fā)接口和子平臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用

在水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理和分析過程中，數(shù)據(jù)分發(fā)接口和子平臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和多平臺(tái)協(xié)同的重要機(jī)制。數(shù)據(jù)分發(fā)接口負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行分類和分發(fā)，以支持不同子平臺(tái)或應(yīng)用模塊的需求。平臺(tái)通過標(biāo)準(zhǔn)化的API接口將數(shù)據(jù)分發(fā)到各子系統(tǒng)，如水質(zhì)監(jiān)測(cè)子平臺(tái)、洪水預(yù)警子平臺(tái)、灌溉管理子平臺(tái)等，使得各子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行獨(dú)立分析和處理。數(shù)據(jù)分發(fā)接口具備高靈活性和可配置性，用戶可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)定數(shù)據(jù)分發(fā)策略，如按時(shí)間段、地理區(qū)域或數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分發(fā)。子平臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用則通過這些API接口實(shí)時(shí)訪問和獲取主平臺(tái)的數(shù)據(jù)，確保各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性和同步性。通過數(shù)據(jù)分發(fā)接口，主平臺(tái)不僅能提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，還能實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢和調(diào)用，支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和報(bào)告生成。

（三）實(shí)時(shí)在線預(yù)警與響應(yīng)

1.報(bào)警管理系統(tǒng)

在水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)中，報(bào)警管理系統(tǒng)是確保水利設(shè)施安全運(yùn)行和及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的核心組件。該系統(tǒng)通過設(shè)定高限報(bào)警、低限報(bào)警及超時(shí)報(bào)警規(guī)則，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。高限報(bào)警和低限報(bào)警規(guī)則用于設(shè)定監(jiān)測(cè)參數(shù)的閾值范圍，當(dāng)參數(shù)超出預(yù)設(shè)的上限或下限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。超時(shí)報(bào)警規(guī)則用于監(jiān)測(cè)設(shè)備或數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫?yīng)時(shí)間，當(dāng)設(shè)備未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)上報(bào)數(shù)據(jù)或未按預(yù)期時(shí)間響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)同樣會(huì)發(fā)出警報(bào)。實(shí)時(shí)警情管理能夠即時(shí)顯示當(dāng)前的報(bào)警狀態(tài)，提供報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和具體參數(shù)值，方便運(yùn)維人員迅速定位問題并采取措施。歷史警情管理則記錄和存儲(chǔ)所有發(fā)生過的報(bào)警信息，包含報(bào)警的時(shí)間、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、處理措施和結(jié)果等詳細(xì)數(shù)據(jù)。通過對(duì)歷史警情的分析，可以識(shí)別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和常見故障點(diǎn)，優(yōu)化報(bào)警規(guī)則，提升系統(tǒng)的預(yù)警能力和響應(yīng)效率。

2.聯(lián)合響應(yīng)機(jī)制

在水利智能物聯(lián)感知平臺(tái)中，聯(lián)合響應(yīng)機(jī)制是實(shí)現(xiàn)多設(shè)備聯(lián)動(dòng)和協(xié)同操作的關(guān)鍵。多設(shè)備聯(lián)動(dòng)響應(yīng)通過預(yù)設(shè)的響應(yīng)規(guī)則，當(dāng)某一設(shè)備觸發(fā)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)協(xié)調(diào)相關(guān)設(shè)備共同響應(yīng)。例如，在洪水預(yù)警中，當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到水位超限，系統(tǒng)不僅會(huì)發(fā)出報(bào)警，還會(huì)自動(dòng)開啟排水泵、關(guān)閉閘門或啟動(dòng)預(yù)設(shè)的應(yīng)急措施，以有效減少災(zāi)害影響。遠(yuǎn)程控制功能使得管理人員能夠通過平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，包括啟動(dòng)、停止、參數(shù)調(diào)整等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利設(shè)施的遠(yuǎn)程管理和控制。為了確保遠(yuǎn)程控制的安全性，平臺(tái)采用多層次的安全保障機(jī)制，包括身份認(rèn)證、權(quán)限管理和指令加密。身份認(rèn)證通過令牌或數(shù)字證書驗(yàn)證操作人員身份。權(quán)限管理則根據(jù)不同用戶的角色和職責(zé)設(shè)定不同的操作權(quán)限，防止未經(jīng)授權(quán)的操作。指令加密通過加密算法對(duì)控制指令進(jìn)行加密傳輸，防止指令在傳輸過程中被篡改或截取。

四、結(jié)語

綜上所述，智能感知技術(shù)的應(yīng)用極大地推動(dòng)了水利信息化建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)智慧水利提供了有力的技術(shù)支持。在不斷的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用實(shí)踐中，智能感知技術(shù)將持續(xù)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，為水資源管理、防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)保護(hù)做出更大的貢獻(xiàn)。

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作者單位：中水三立數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司

責(zé)任編輯：張津平、尚丹