水文監(jiān)測系統(tǒng)

1、水文監(jiān)測工作中的問題與對策水是生命之源，在人類的生存和發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用，但是當前由水而引發(fā)的自然災害嚴重威脅人們的生命和財產(chǎn)安全，造成了大量的財產(chǎn)損失和人員傷亡，因此做好水文監(jiān)測工作成為社會主義現(xiàn)代化建設中的一個重要課題。水文監(jiān)測工作涉及的范圍比較廣泛，且需要依靠較高的科學技術手段作為保障，特別是近年來隨著水文災害的不斷加劇，對水文監(jiān)測工作的質量提出了更高的要求。為此，針對當前水文監(jiān)測中存在的問題，相關部門必須要加強認識，積極采取有效措施加以解決和應對，促進水文監(jiān)測工作的順利展開和發(fā)展。1水文監(jiān)測工作中的問題1.1監(jiān)測設施設備的測洪能力較低自從1998年發(fā)生特大洪災以來，我國的水文監(jiān)

2、測工作取得了一定的發(fā)展，用于水文監(jiān)測的基礎設施建設水平有了大幅度的提高，并更新和改造了大型動力測船以及水文纜道等，使得水文監(jiān)測能力和質量大大提高。但是從整體上來看，水文監(jiān)測設施設備的測洪能力依然較低，主要表現(xiàn)在以下方面：一是改造之后的測洪能力只是能夠測量到設站以來的最大洪水，對于超標洪水的監(jiān)測遠遠不夠：二是對于一些大洪水或者是特大洪水的監(jiān)測依然采用的是傳統(tǒng)的浮標測洪法，監(jiān)測質量低下。1.2技術手段較為落后在當前的水文監(jiān)測中，不少監(jiān)測站依然是利用測深桿來測量水深，利用流速儀來測量水流速度，利用橫式采樣器來采取沙樣等。這些測量方式在中低水測量中的準確度較高，但是監(jiān)測大洪水時往往存在著測速和取沙定位

3、困難、精準度較差的問題。并且由于單次測驗所耗費的時間較長，勞動強度較大，且所測量的數(shù)據(jù)無法自動傳輸給計算機，使得水文監(jiān)測工作的質量和效率不高。1.3水文監(jiān)測人員的綜合素質較低水文監(jiān)測工作的好壞在很大程度上取決于水文監(jiān)測人員的專業(yè)水平和自身能力，但是當前很多的水文監(jiān)測人員綜合素質較低，在很大程度上影響和制約了水文監(jiān)測工作的質量和效率。主要表現(xiàn)為水文監(jiān)測人員不能與時俱進，在業(yè)務技術、思想政治、以及職業(yè)道德等方面存在著一定的問題和缺陷，使得水文監(jiān)測的技術水平受到限制，再加上缺乏足夠的責任心和責任感，在實際的工作中存在著晚測、漏測、誤測等現(xiàn)象，使得水文監(jiān)測資料的真實性無法得到保障，對以后的防災減災工作

4、產(chǎn)生了不利影響。1.4科技成果的推廣轉化工作不到位當前我國在水文監(jiān)測方面所投入的經(jīng)費不足，導致水文實驗研究以及科技成果的推廣轉化工作比較薄弱，影響了水文監(jiān)測工作質量的提高。到目前為止，我國的水文工作人員在水平升級、小發(fā)明、以及小創(chuàng)造等活動中研發(fā)出了一批有較強實用性的科研成果，但是卻僅僅局限于研發(fā)單位的內部使用，并沒有得到廣泛推廣，無法充分發(fā)揮其價值和作用。2水文監(jiān)測問題的對策2.1加強水文監(jiān)測隊伍建設首先，要建立一支高素質高水平的職工隊伍，從職稱、學歷、技能等方面入手，對人才結構進行合理調整，實現(xiàn)人力資源的優(yōu)化配置，從整體上提高水文監(jiān)測職工隊伍的綜合素質。并且要加強對職工的教育和培訓工作，提高

5、他們的專業(yè)技能和責任意識，以滿足水文監(jiān)測工作的實際需要；同時，還要注重對領導隊伍的建設工作，提高領導管理的質量和水平。具體來說就是要加強對領導隊伍的思想建設、作風建設、組織建設、以及能力建設等。2.2積極引進新技術和新設備水文監(jiān)測工作的質量和效率在很大程度上要依賴于監(jiān)測技術和檢測設備，當前水文監(jiān)測工作中的一個突出問題就是監(jiān)測技術和檢測設備相對落后，已經(jīng)漸漸無法滿足監(jiān)測工作的實際需要，因此必須要積極引進新技術和新設備。具體來說就是要積極引進包括雷達、衛(wèi)星等在內的多種遙感和遙測手段，提高水文監(jiān)測工作的質量和時效，以滿足水利工程管理和建設、以及防汛抗旱指揮的需要。同時還要積極引進有關測深、測速、以及

6、取沙等工作的新技術和新設備，有效解決泥沙、流量測驗等過程中存在的問題。2.3實現(xiàn)規(guī)范化、科學化的管理這就需要聘用進行質量監(jiān)督管理工作的專業(yè)人才，積極健全和完善質量監(jiān)督隊伍，并制定質量監(jiān)督管理制度，保證質量管理辦法和評定標準的可行性，同時還要建立健全獎懲制度，提高工作人員工作的積極性和主動性。具體來說要想實現(xiàn)規(guī)范化科學化的管理就需要做到以下幾點：要建立上級抽查、同級互查、以及基層自查的管理體系，從根本上保證水文監(jiān)測工作的質量；要堅持預防為主和事后監(jiān)督的管理方針；加強技術指導和管理工作，提前做好汛期前的準備工作，推動水文監(jiān)測質量的升級?；赯igBee的水文監(jiān)測系統(tǒng)的設計我國是多河流、多湖泊、多水

7、庫的國家，為了能夠實時、有效地對重點水域的水流量、水量的庫存及水資源的開發(fā)利用，需要及時掌握重點水域地區(qū)的水位、水流速度、上下游地區(qū)的降水量、閘位等重要的數(shù)據(jù)信息。監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)信息決定了水利資源的應用背景，特別是在通信不發(fā)達的且重要的監(jiān)控區(qū)域，因此采用先進的無線通信技術是很好的措施。本文采用先進ZigBee技術1和成熟的GPRS技術相結合，提出了實時監(jiān)測新方案，從而使之能夠滿足監(jiān)測的實時化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化的要求，進而保證監(jiān)控的費用低、能耗低及可靠性高，滿足大范圍重點區(qū)域的水文監(jiān)測功能要求。1基于ZigBee的水文監(jiān)測系統(tǒng)的設計采用上述結構的系統(tǒng)可以實時或定時的采集數(shù)據(jù)信息，同時也可以實時或定

8、時地將所采集的數(shù)據(jù)信息使用無線網(wǎng)絡傳送到監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)處理服務器。系統(tǒng)主要由以下幾部分構成：（1）ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡：主要負責水文數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡上傳到匯聚節(jié)點2，再由匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡。（2）GPRS傳輸網(wǎng)絡：使用GPRS無線模塊為主要通信設備，作為主要的數(shù)據(jù)傳輸建立無線連接，實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的通信，將所檢測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡奖O(jiān)控中心，完成遠距離傳輸。（3）監(jiān)測中心：實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、處理以及實時、定時的遠程監(jiān)控，包括：現(xiàn)成設備的參數(shù)設定，對采集到的數(shù)據(jù)存儲、分析和匯總，便于對重點監(jiān)測水域狀況的檢測與分析。2系統(tǒng)硬件設計各水文監(jiān)測單元一般安裝在河流、水庫的指

9、定地點，長期在無人監(jiān)管的環(huán)境下工作。因此，節(jié)點的微處理器應該滿足高穩(wěn)定性、低消耗以及小體積的原則。根據(jù)這個原則，本設計采用TI公司推出的單片、低功耗、多頻段、超高頻射頻芯片CC25304-5。傳感器是監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)測量、傳輸及控制的重要設備，主要有水位傳感器、壓力傳感器、雨量傳感器等，以水位傳感器使用的最多。在本系統(tǒng)的設計當中，主要采用壓力式水位傳感器，通過它檢測監(jiān)控區(qū)域的數(shù)據(jù)信息。壓力式水位傳感器是根據(jù)不同的水位產(chǎn)生凈水壓強是不同的，測量出水壓，就可以計算出水位值。傳感器采用投入水位傳感器，安裝時安裝在鉆有孔的鋼管中，避免動水引起測量誤差。其工作過程是首先傳感器輸出的4-20mA模擬量信號，經(jīng)

10、A/D轉換后，然后將模擬量信號輸入到CC2530單片機，由CC2530完成測量數(shù)據(jù)的轉換和處理，最后，將處理得到的數(shù)據(jù)信息傳輸至射頻模塊，由匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)信息調制成2.4GHz無線信號，進行無線傳輸?shù)臏蕚?，實現(xiàn)無線收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳送。3終端節(jié)點程序設計3.1協(xié)調器節(jié)點的程序設計首先，數(shù)據(jù)采集節(jié)點工作后，進行傳輸網(wǎng)絡的搜索，向網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，當接到應答信號后，傳感器節(jié)點加入了網(wǎng)絡；之后，系統(tǒng)采集節(jié)點發(fā)送的發(fā)送是水位數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點接收信息，并與系統(tǒng)設定的缺省值進行比較，如果超出了規(guī)定的上下限，網(wǎng)絡協(xié)調器及時發(fā)出相應的信號給PC。3.2采集節(jié)點的程序設計4系統(tǒng)實驗與性能分析為了驗

11、證系統(tǒng)的安全性和可靠性，結合水文監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求對系統(tǒng)進行了初步的測試。其中主要測試了系統(tǒng)節(jié)點間的通信距離、組網(wǎng)的延時性、網(wǎng)絡的自愈能力、檢測的原始數(shù)據(jù)的傳輸、減少數(shù)據(jù)丟失以及傳輸?shù)墓牡冗M行了重點測試，同時將得到的測試結果進行了相應的分析和總結。系統(tǒng)由協(xié)調器、路由器、傳感器節(jié)點組成的三級網(wǎng)絡6，傳感器節(jié)點掉電重新上電能夠重新加入網(wǎng)絡，當傳感器節(jié)點的父節(jié)點離開網(wǎng)絡時，傳感器節(jié)點能夠尋找其它父節(jié)點并重新加入網(wǎng)絡。通過對整個系統(tǒng)實驗測試，使用ZigBee無線通信技術和GPRS技術相結合，能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)的實時準確的要求，是實現(xiàn)水文實時穩(wěn)定監(jiān)測的重要解決方案。基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)設計我國作為一

12、個水資源缺乏的國家，水資源應該得到充分合理的利用，水文參數(shù)監(jiān)測是水資源合理利用的基礎，水域水文參數(shù)資料涉及到我國的核心經(jīng)濟利益。相比于國外的水文監(jiān)測工作而言，國內水文監(jiān)測還處于起步階段。目前的水文監(jiān)測工作還是采用比較原始的工作方式，即人工采樣，采用手持便攜式監(jiān)測儀或實驗室分析。這種工作方式存在采樣頻率低、無法實時監(jiān)控、不能反映水體水質參數(shù)的連續(xù)動態(tài)變化等缺點。同時，由于水文參數(shù)監(jiān)測（如溶解氧、PH值等）往往存在分布范圍廣、不易到達、取樣時間不固定、取樣困難等特點1，采用現(xiàn)有人工取樣、有線或者無線組網(wǎng)等方式組成測試系統(tǒng)通常都會存在施工困難，維護保障不容易，以及升級困難等弱點。隨著網(wǎng)絡技術和通信技

13、術的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術由于其短距離傳輸、低復雜度、低功耗、自組網(wǎng)等特點，被廣泛應用在工業(yè)控制環(huán)境檢測與預報、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、醫(yī)療護理、智能家居、空間探索以及軍事等領域。物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點成本低廉，可以很方便地實現(xiàn)不同水域部署，并能保證數(shù)據(jù)采集的廣度和精度，可為大范圍水文資料監(jiān)測提供數(shù)據(jù)基礎2。為此，針對水文參數(shù)總體及局部監(jiān)測的需求，本文提出了以水文參數(shù)檢測傳感器作為終端測試節(jié)點，以物聯(lián)網(wǎng)技術作為通信平臺，并以Linux系統(tǒng)作為軟件基礎平臺來構建水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對區(qū)域水文參數(shù)的遠程實時檢測。1硬件監(jiān)測平臺構建基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構主要包括水文參數(shù)終端節(jié)點（水溫測試、溶

14、解氧測試等）、網(wǎng)關路由節(jié)點（中心網(wǎng)關、邊緣網(wǎng)關）、遠程中心監(jiān)控節(jié)點等三個主要部分，每種節(jié)點完成不同的功能?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的不同，主要表現(xiàn)在新的水文監(jiān)測系統(tǒng)的終端節(jié)點的電源管理、網(wǎng)絡路由算法、網(wǎng)絡通信協(xié)議以及中心監(jiān)控軟件系統(tǒng)的不同。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水文監(jiān)測系統(tǒng)結合了最新網(wǎng)絡技術和水文參數(shù)監(jiān)測技術，通信工作頻段兼顧了中國和國際標準，主要包括780 MHz（中國）/2.4 GHz（國際）3，4，其實際硬件拓撲圖如圖1所示。圖1水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)拓撲圖在基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)中，終端節(jié)點由許多功能相同或不同的水文監(jiān)測傳感器節(jié)點組成，水文監(jiān)測傳感器是整個監(jiān)測系統(tǒng)

15、的硬件基礎，可用于實現(xiàn)多種水文參數(shù)的檢測。目前的系統(tǒng)設計中包括水溫（Campbell公司的109溫度傳感器）、水位（壓力式水位傳感器）、PH值（CS525）、溶解氧（Hamilton公司的243111-OXYGOLD G ARC 225溶解氧傳感器），并預留了其它水文參數(shù)測試的軟硬件終端接口，如流速、渾濁度等參數(shù)。終端節(jié)點通過傳感器可將水文參數(shù)轉變?yōu)閿?shù)據(jù)調制信號，然后對射頻信號進行調制，并產(chǎn)生已調信號，然后將已調信號通過終端節(jié)點的天線發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點進行數(shù)據(jù)的融合和匯聚。每一個水文監(jiān)測終端節(jié)點都包含數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器，在本系統(tǒng)設計中主要指水溫、水位、PH值、溶解氧傳感器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（

16、微處理器、存儲器）、通信模塊（無線收發(fā)器）和供電模塊，主要設計要求是低功耗，高可靠性，具有自組網(wǎng)功能。由于終端節(jié)點體積小，因而電源容量也非常有限，從而在設計中必須充分考慮到節(jié)點的節(jié)能優(yōu)化技術，提高單位節(jié)點的工作時間，節(jié)省節(jié)點的能耗以及采用合理的網(wǎng)絡協(xié)議。在設計中綜合考量終端節(jié)點的可靠性、經(jīng)濟成本等多方面因素，終端節(jié)點可采用Chipcon公司的CC2430芯片作為控制核心，該芯片以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎，整合了射頻（RF）前端、內存和微控制器5，在本系統(tǒng)中可分別對水溫、水位、PH值、溶解氧等水文參數(shù)傳感器進行控制，并最終實現(xiàn)參數(shù)測試。同時，也可以根據(jù)需要進行其他參數(shù)測試，所需要的工

17、作只是加入不同的水文參數(shù)測試終端節(jié)點而已。網(wǎng)關路由節(jié)點用于實現(xiàn)整個水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域子網(wǎng)段的自協(xié)調組網(wǎng)以及信息處理。在水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)建立過程中，因具體應用環(huán)境不同，其工作測試的重點也不同，故對不同的子網(wǎng)段，需要單獨進行設置。首先應由各個網(wǎng)關節(jié)點初始化該段子網(wǎng)，以避免各個終端節(jié)點之間的相互干擾，以及與其他工作相同頻道設備間的信號干擾。網(wǎng)關節(jié)點通過給每個終端節(jié)點網(wǎng)絡指定不同的物理地址來區(qū)分不同節(jié)點，當整個網(wǎng)絡應用后，網(wǎng)關節(jié)點會定時發(fā)送查詢命令，在發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡節(jié)點后，系統(tǒng)會自動加入網(wǎng)絡節(jié)點列表，同時發(fā)送新的路由表。除具有自組網(wǎng)特點外，網(wǎng)關節(jié)點還負責第一步的信息分析及處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲到嵌入式

18、數(shù)據(jù)庫以備查詢。網(wǎng)關節(jié)點通常個數(shù)有限，一般對功耗要求不嚴格，可以采用多種通信方式與其他網(wǎng)絡節(jié)點進行通信（如Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡等）。在水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中采用星型拓撲設計，可以在一個較大的水域范圍內設置中心網(wǎng)關路由節(jié)點，以分別實現(xiàn)對邊緣網(wǎng)關節(jié)點的水文數(shù)據(jù)包信號的中繼和轉發(fā)6。遠程中心監(jiān)控節(jié)點是整個系統(tǒng)的管理中樞，用于匯集并處理各區(qū)域的水文參數(shù)，并根據(jù)分析結果提出不同的合理化建議，主要完成數(shù)據(jù)的存儲與處理、數(shù)據(jù)的可視化、物聯(lián)網(wǎng)的管理功能。其硬件組成主要是大規(guī)模的磁盤陣列以及高性能的工作站服務器。在整個水文監(jiān)測系統(tǒng)硬件部署、軟件參數(shù)設置完成后，就可以對部署了終端傳感器節(jié)點的水區(qū)域進

19、行水文參數(shù)的主動監(jiān)測。其具體流程如下：（1）遠程監(jiān)控中心發(fā)出控制指令，通過網(wǎng)關節(jié)點，啟動激活終端傳感器節(jié)點進行水文參數(shù)檢測。（2）終端節(jié)點處理器收到指令后，由主處理器對命令進行解碼。若節(jié)點地址與控制指令中的地址一致，則啟動傳感器進行水文參數(shù)采集，并將最終采集到的數(shù)據(jù)傳送給節(jié)點處理器。節(jié)點主處理器捕獲到測量數(shù)據(jù)后，再進行相關數(shù)據(jù)的分析、融合，并將水文數(shù)據(jù)打包成符合6LoWPAN協(xié)議標準的數(shù)據(jù)幀，然后加入包頭、節(jié)點編號等信息后送到射頻模塊進行數(shù)據(jù)的發(fā)射，同時也可在該節(jié)點實現(xiàn)其他節(jié)點的路由轉發(fā)。（3）中心節(jié)點匯聚各個終端節(jié)點參數(shù)，發(fā)出相應控制指令。2軟件系統(tǒng)集成及設計水文監(jiān)測系統(tǒng)的管理功能比較復雜，

20、任務多樣，需要監(jiān)測的水文參數(shù)種類多，僅目前就包括水溫、水位、PH值等參數(shù)測試，而且為了今后的拓展，還必須為今后其他水文參數(shù)測試預留軟件接口。同時，水文參數(shù)測試結果的通信方式的種類差異也較大，軟件設計涉及大量的網(wǎng)絡通信程序設計以及數(shù)據(jù)庫設計管理工作。為便于不同模塊的接口，軟件設計整體應采用一致性、模塊化設計。所有節(jié)點開發(fā)和應用平臺可選用Linux操作系統(tǒng)，因為Linux系統(tǒng)成熟穩(wěn)定、源代碼開放，尤其在網(wǎng)絡通信方面有其獨到的優(yōu)勢。終端節(jié)點由于其節(jié)電性方面的要求，可采用裁剪后的最小嵌入式Linux操作系統(tǒng)，網(wǎng)關節(jié)點采用普通嵌入式Linux操作系統(tǒng)，而中心節(jié)點則采用完整的Linux系統(tǒng)，這種軟件平臺架

21、構保證了整個系統(tǒng)的軟件一致性，以便于以后的保障和維護。2.1終端節(jié)點的軟件設計終端節(jié)點的硬件平臺主要包括核心控制器、I/O接口、存儲模塊及射頻收發(fā)模塊等，其硬件構成決定了終端節(jié)點采用裁剪后的最小嵌入式Linux操作系統(tǒng)比較符合終端節(jié)點特性。同時，由于終端節(jié)點以及物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的特殊性，其通信協(xié)議不可能采用完整的IP協(xié)議棧，而必須采用修改后能適用本系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議棧來實現(xiàn)報文的分片和重組、報頭壓縮和地址自動配置、組播和安全。協(xié)議棧數(shù)據(jù)幀格式符合IEEE802.15.4，其水文參數(shù)測試協(xié)議幀格式如圖2所示，其中MAC負載部分包括上層協(xié)議幀控制信息、水文參數(shù)、傳感器節(jié)點號等信息。圖2水文參數(shù)測試協(xié)議幀格式

22、作為終端節(jié)點，軟件節(jié)能設計是其中的一個重要考慮。為了避免節(jié)點頻繁進入暫停工作等待充電的工作模式，減少無用數(shù)據(jù)的采集和傳輸，傳感器節(jié)點采用基于閾值的工作方式：當監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小在報告閾值以內時，不予發(fā)送，當監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小超過報告閾值而在告警閾值以內時，以較長的周期循環(huán)報告實時數(shù)據(jù)；當監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小超過告警閾值時，以較短的周期循環(huán)報告實時數(shù)據(jù)。這樣的工作方式既保證了關鍵實時數(shù)據(jù)的可靠獲取，又減少了頻繁發(fā)送無用數(shù)據(jù)的能量消耗。2.2水文監(jiān)控中心軟件設計水文監(jiān)控中心應用軟件的設計目標是盡可能地使得系統(tǒng)友好，使用戶操作簡單直觀，對險情或者異常情況表示及告警明顯。在方案設計中，上層部分不但需要提供給用戶與系

23、統(tǒng)交互能力相適應的界面，還需要提供對水文參數(shù)進行歸納、綜合分析等功能的實現(xiàn)模塊以及與底層交互的通訊模塊?；谠O計目標的要求，其監(jiān)控中心的軟件平臺設計采用B/S架構，應用界面程序部分和核心平臺之間采用多種耦合方式。核心平臺可以作為界面的一個功能模塊DLL嵌入上層直接調用底層庫函數(shù)，也可以把核心平臺單獨作為一個獨立的進程，二者之間通過操作系統(tǒng)提供的進程間的管道機制實現(xiàn)通信。監(jiān)控中心應用程序通過核心平臺實現(xiàn)對水文監(jiān)測網(wǎng)絡的管理，并啟動終端水文監(jiān)測節(jié)點來采樣區(qū)域水文資料。監(jiān)控中心在收集到由路由節(jié)點轉發(fā)來的水文采樣數(shù)據(jù)之后，可將數(shù)據(jù)存儲于后臺數(shù)據(jù)庫中，同時提供用戶界面對水文參數(shù)進行分析處理，并采用圖形方

24、式進行顯示，最終根據(jù)分析結果進行視覺或聲響告警。系統(tǒng)應用程序主要包括文件處理模塊、系統(tǒng)配置模塊、分析處理模塊以及告警模塊等4個功能模塊。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)平臺采用Linux系統(tǒng)，存儲數(shù)據(jù)庫則采用ORACLE大型關系數(shù)據(jù)庫7-8。通過文件功能模塊可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、調取以及打印等功能，也可以保存設置應用程序工作環(huán)境參數(shù)等功能，同時可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的永久性存儲，以便于后期數(shù)據(jù)的綜合化處理。配置功能模塊采用圖形化的方式實現(xiàn)對系統(tǒng)節(jié)點、整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡路由以及終端傳感器的參數(shù)設置，從而達到對整個水文監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件配置，包括應用程序啟動時對硬件的檢測以及檢測通過后初始化測試所需要的軟硬件環(huán)境。分析處理模

25、塊是整個監(jiān)控中心的核心模塊，主要包括水文數(shù)據(jù)的分析、歸類、比較、模型建立、數(shù)據(jù)歸一化處理以及對數(shù)據(jù)曲線進行描繪和顯示等功能。大致的功能包括下列4個方面：（1）結合地理信息系統(tǒng)，將所有終端節(jié)點的位置及其實時數(shù)據(jù)顯示在地圖上，這樣可實現(xiàn)監(jiān)測者快速定位水文終端節(jié)點地理坐標，全局監(jiān)測整個水域的水文信息情況；（2）以時間坐標為基軸，將所有終端節(jié)點的歷史或實時數(shù)據(jù)顯示在以時間為橫軸的曲線圖上，以便于監(jiān)測者分析一段時間內水文參數(shù)的變化情況，進而結合其他監(jiān)測信息分析發(fā)生的原因，完善預警機制；（3）基于節(jié)點標識的展示，對所有節(jié)點按網(wǎng)絡內的標識大小進行整體的實時數(shù)據(jù)和節(jié)點狀態(tài)顯示，以便監(jiān)測者抽取導出監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時

26、觀察節(jié)點異常狀態(tài)，對整個網(wǎng)絡系統(tǒng)進行及時有效地維護；（4）建立水文參數(shù)模型，構建參數(shù)預測模型，建立專家系統(tǒng)，提供領導決策科學依據(jù)。告警功能模塊可實現(xiàn)對水文參數(shù)的異常情況的報警，主要實現(xiàn)異常節(jié)點的快速定位、進行聲光報警提示以及按照設定策略進行異常處理。報警的方式主要包括在圖形界面上快速閃爍紅色告警提示信息，通過揚聲器發(fā)出告警提示聲音9。其軟件整體結構如圖3所示。3系統(tǒng)評估在基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水文監(jiān)測系統(tǒng)中，由于大量水文采樣終端節(jié)點被部署于不同的水文區(qū)域，各個終端節(jié)點間以無線自組織方式構成網(wǎng)絡，通信方式采用的是無線通信。由于無線信號傳輸存在由反射、衍射所引起的多徑效應，加上節(jié)點所處環(huán)境復雜，因而導致

27、網(wǎng)絡通信質量受到嚴重影響，網(wǎng)絡節(jié)點間通信存在較大的不穩(wěn)定性。這種情況有可能導致整個水文監(jiān)測系統(tǒng)無法穩(wěn)定的工作，采集到的水文數(shù)據(jù)不能及時、準確地傳輸給監(jiān)控中心進行分析決策10。因此，在系統(tǒng)成功組建后，為了保證整個系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運行，還需要對整個監(jiān)測系統(tǒng)進行評估，主要包括對終端水文采樣模塊物理性能的評估、網(wǎng)絡物理層參數(shù)的評估、數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)評估、網(wǎng)絡層參數(shù)評估、監(jiān)控中心分析軟件的性能評估等，并依據(jù)評估的結果采取相關策略。圖3水文監(jiān)控中心軟件整體框國內外對基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的項目在評估方面進行了大量研究，并取得了很好的應用效果。評估方法主要包括基于通信鏈路特性的評估方法、基于測試參數(shù)的評估方法、結合多

28、因素的綜合評估方法等，這些評估測量手段都值得進行借鑒和參考。具體到本項目的系統(tǒng)評估，則包括對終端節(jié)點的射頻參數(shù)測試評估、采樣水文參數(shù)精度和可靠性評估以及整個網(wǎng)絡的通信質量和網(wǎng)絡生命周期的評估。只有整個網(wǎng)絡都達到了設計的預期目標，系統(tǒng)所測試的水文參數(shù)才是真實和可靠的，才能用于實際的工程中。水文監(jiān)測質量的提高1提高水文監(jiān)測質量的重要性隨著我國科學技術水平的不斷完善和創(chuàng)新，我國各項技術得到了快速發(fā)展，水文監(jiān)測作為水文工作中的主要組成部分，為工程建設管理、水資源管理、優(yōu)質服務生態(tài)環(huán)境，以及防汛工作等提供著強有力、可靠性的技術支持，發(fā)揮著非常重要的作用。因此，相關部門要不斷對水文監(jiān)測的現(xiàn)狀及其存在的問題

29、進行分析，并提出切實可行的對策提高水文監(jiān)測的質量，從而為水文監(jiān)測質量能夠社會的發(fā)展和需求提供基礎和前提。2影響水文監(jiān)測質量的主要因素2.1水文人員的素質起決定性因素物質決定意識，意識對物質具有反作用，正確的意識能夠促進事物的發(fā)展，錯誤的意識阻礙事物的發(fā)展。對于水文監(jiān)測工作而言，影響其質量的決定性因素就是水文人員的素質，主要包括思想政治、技術水平、職業(yè)道德等綜合素質。其中，技術水平是做好水文監(jiān)測工作的根本因素，水文要素具有不可重復性，所以一旦失敗，就會無法挽回，所以說技術水平對于水文監(jiān)測質量的影響是最大的。因此，組建一支業(yè)務水平高、技術過硬的人員隊伍是提高水文監(jiān)測質量的根本性條件。職業(yè)道德是水文

30、人員從事水文工作具備的基本道德素養(yǎng)，是工作過程中應遵循的行為準則，由于水文工作的特殊性，所以要求水文人員必須具備良好的職業(yè)道德，在日常工作中實事求是、精益求精，進而確保給社會提供真實可靠的資料。2.2監(jiān)測手段是影響水文監(jiān)測質量的重要因素隨著世界經(jīng)濟全球化以及我國經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，尤其是國際競爭的日趨激烈，科學信息技術的普及，我國各項工作也快速被信息化大潮所席卷，這種變化對于各行業(yè)的發(fā)展來說既是機遇又是挑戰(zhàn)，水文監(jiān)測工作也不例外。近年來，計算機技術、電子技術、遙感技術，自動化技術等的發(fā)展給水文工作的進一步發(fā)展奠定了堅實的基礎和前提，同時也為水文監(jiān)測質量的提高提供了有利條件。計算機等先進技術的應

31、用大大地推動了水文工作的發(fā)展，信息技術手段的使用提高了水文監(jiān)測質量和效率，減少了監(jiān)測的時間，提高了監(jiān)測的準確率，保證了水文監(jiān)測資料的準確性和可靠性?？梢哉f，監(jiān)測手段是影響水文監(jiān)測質量的重要因素。3水文監(jiān)測質量現(xiàn)狀以及主要問題近年來，我國在水文方面進行了升級和改造，更新了相關水文設備，并在水文工作中運用了新技術和新儀器，在極大水平上改善了水文監(jiān)測手段。然而，與發(fā)達國家相比，我國水文工作還存在一定的差距和不足，水文監(jiān)測質量還有待提高，為了使其滿足社會發(fā)展的需求，相關部門要采取措施給予解決。目前我國水文監(jiān)測工作中存在的問題主要有以下幾方面：首先，水文監(jiān)測設施設備的測洪能力較低。就目前而言，雖然我國相

32、關部門加大了水文監(jiān)測的設施設備的建設力度，但是仍然存在一些問題沒有解決，測洪能力就是其中較為嚴重的問題。經(jīng)過改造之后的水文監(jiān)測設備在測量超標洪水方面仍不足，只能采取傳統(tǒng)的方法測量特大洪水，浪費了人力、物力、財力。其次，測速、測深，以及取沙的技術和方法需要升級。現(xiàn)階段我國在測水深、測速、采沙樣方面采用的方法比較傳統(tǒng)，這樣的測驗技術只適用于小型的洪水，一旦遇到較大的洪水時，其測速、測深、取沙的過程比較困難，而且單次測驗所需的時間長，人工操作強度大，一旦出現(xiàn)失誤，將無法挽回損失。另外，采用人工形式進行操作，無法自動向計算機傳輸，那么水文監(jiān)測資料的準確性和可靠性也將無法保障。因此，需要升級測速、測深，

33、取沙的技術與方法。4提高水文監(jiān)測質量的對策4.1引進新技術以及新設備提高水文監(jiān)測質量對于我國目前的水文監(jiān)測質量而言，其與西方發(fā)達國家還存在一定的差距和不足，需要相關部門和人員提出切實有效的對策進行改善和解決。其中，水文監(jiān)測技術和設備是影響其質量的關鍵性因素，針對這個問題，需要引進先進的技術和更新設備來解決，采用國外的先進技術，取其精華，需要注意的是，在引進先進技術的過程中，切忌盲目地引進，要根據(jù)我國水文監(jiān)測的實際情況進行引進，具體問題具體分析。另外，還要加強水文監(jiān)測設施設備的更新工作，更新后的檢測設備能夠滿足防汛、抗旱等的需求為主，從而提高水文監(jiān)測質量和時間，推動水文事業(yè)的正常、健康發(fā)展。4.

34、2提高水文監(jiān)測管理質量規(guī)范化、合理化、科學化的管理方法對于水文監(jiān)測質量的提高具有不可替代的作用和意義。在提高管理技術的基礎上，建立完善健全的質量管理規(guī)范是提高水文監(jiān)測管理質量必不可少的環(huán)節(jié)，將其重點水文監(jiān)測的技術規(guī)范、技術設施的建設、測驗過程等方面，并在水文檢測質量管理工作中對其進行嚴格的質量控制，制定科學合理的獎懲制度，激勵人員的積極性，培養(yǎng)水文監(jiān)測質量意識，以此提高水文監(jiān)測的管理質量，從而為水文監(jiān)測質量的有效提升奠定基礎。GIS技術在水文監(jiān)測系統(tǒng)中的應用地理信息系統(tǒng)簡稱GIS，是一個當前發(fā)展較快的信息科學分支。它的主要研究對象時地球的空間數(shù)據(jù)，主要的研究方法是通過對敏感資料的采集、存儲，然

35、后結合數(shù)據(jù)庫應用進行良好的顯示、分析，從而利于人們的查詢、分析。這門科學屬于交叉科學，集合了信息科學、空間科學、地球科學、軟件工程等等多門學科為一體。20世紀90年代以來，GIS得到了十分廣泛的應用，主要的領域涉及到了資源環(huán)境、公路交通、軍事、城市規(guī)劃。同樣在水文領域，根據(jù)水利部印發(fā)的全國水利信息化發(fā)展“十二五”規(guī)劃中“水文業(yè)務管理”部分和水利部水文局編制的中小河流洪水預報及服務系統(tǒng)建設技術指導意見的要求，從水文業(yè)務管理的實際需要出發(fā)，也需要開發(fā)河流的水文監(jiān)測系統(tǒng)。2 GIS在水文監(jiān)測的應用GIS在水文監(jiān)測中應用主要包含：1.根據(jù)可視化的數(shù)字地圖，使得GIS和數(shù)據(jù)庫管理技術達到水情信息查詢、檢

36、索、顯示和分析的最后目的。2.模型參數(shù)的確定主要指的是流域水文一些參數(shù)，如河道的長度、坡度，流域的坡度、重心、土壤分布及土地利用面積等。3.將流域劃分為滿足分辨率要求的許多不規(guī)則多邊形單元或規(guī)則的柵格，來考慮下墊面條件和降雨等要素在空間的不均勻分布。4.DEM直接應用倒流域匯流計算，與此同時需要實現(xiàn)快速、準確災情分析。3水文模型3.1傳統(tǒng)水文模型這種模型輸入比較分散，而且輸出是集中的。這種模型通過輸入流域上各點的降雨過程，感知出口流量。由于屬于歷史發(fā)展不成熟的產(chǎn)物，只能簡單刻畫，跟真實模型結構匹配性非常差。3.2現(xiàn)代HEC-HMS模型該模型是美國陸軍工程師團（USCE）水資源研究中心所研發(fā)的，它隸屬于一種分布式的模型。這個模型里通過徑流模擬系統(tǒng)，把流域產(chǎn)、匯流計算方法放到整體部分，就能夠達適應不同的流域的確切情況。這個模型能夠根據(jù)采樣到的不同凈雨、直接徑流過程和基流計算各個子流域，應用相異的演算方法計算洪峰?？紤]了不同流域的空間分布不均勻特性。其人機交互的接口非常友善，具有很好的可視化效果，最終的計算通過過程線、時間序列等等手段進行呈現(xiàn)。我們需要做的是構建HEC-HMS系統(tǒng)，并且輸入相關的水文數(shù)據(jù)，這主要包含數(shù)字的地圖、網(wǎng)絡的相關參數(shù)、流域內部整體分布等等。這里面包括河道、子流域命名，以及地圖的單位轉化