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5G在智慧水利领域的应用探索

2020-10-23

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智慧水利建设内容总体框架


  智慧水利是利用信息化、智能化等技术提高水利行业管理能力和服务能力,推动传统水利向现代化水利发展。智慧水利是智慧城市建设的有机组成部分,但在全面感知、全面互联、智慧应用等方面较其他行业有明显差距。5G是指第五代通信技术,具备高速率、低时延、大连接的特点。将5G技术与智慧水利建设相结合,可有效解决感知汇聚、实时监控和应急指挥中存在的问题和不足。

水利信息化不断发展

  2003年水利部正式印发了《全国水利信息化规划(金水工程规划)》,成为第一部全国水利信息化规划。从十一五开始,水利信息化发展五年规划成为全国水利改革发展的重要专项规划。此外,有关部门还陆续印发了《水利信息化顶层设计》、《水利信息化资源整合共享顶层设计》、《水利网络安全顶层设计》等技术指导文件,为水利信息化发展起到了指导和引领作用。

  截至2017年底,在工程监视与信息采集方面,全国省级以上水利部门各类信息采集点达42万处,全国县级以上水利部门共有视频监视点达到118539个,在水利业务网方面,全部省级、地市级及86.89%县级水利部门实现了联通。目前,国家防汛抗旱指挥系统二期主体工程基本完成,全国水土保持监测网络与管理信息系统、全国农村水利管理系统、电子政务系统等持续推进。

  虽然近年来水利部及各省市水利主管部门积极推进水利信息化建设,但与真正实现智慧水利仍存在较大差距。在全面感知方面,只有73%的大型水库建设了工程安全监测设施,可以实现数据的自动采集,很多中型水库和绝大多数小型水库仍缺乏相应的安全监测措施,甚至很多小型水库没有水情监测报汛设备;在全面互联方面,由于网络通道较窄,带宽受到限制,导致很多宝贵的数据无法及时传输;在基础设施方面,机房总体规模小且分散,计算存储能力不够,基础支撑软硬件较为薄弱;在智能应用方面,大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术并没有得到广泛的使用,没有足够体现智慧功能。

智慧水利如何建设?

  当前水利行业信息化建设重点在于全面提升感知能力,全面加强互联互通,提高基础设施水平,大力推进智能应用。通过建设水利物联感知体系、基础运行环境、业务应用系统、智慧水利门户应用平台和信息化保障环境,最终形成更透彻的感知、更全面的互联互通、更科学的决策、更智能的管理的智慧水利管理体系,推动智慧城市的发展和建设。

  第一,水利物联感知体系建设。水利物联感知体系是水利综合业务应用的基础,为水利智慧应用提供基础支撑。体系建设包括:水文监测体系、水环境检测体系和工程运行监测体系,同时需要全面建设闸泵等工程的远程控制,水位、水质信息监测,视频监控等系统。

  第二,基础运行环境建设。基础运行环境建设包括云数据中心和指挥调度中心。云数据中心需要建设中心机房及软硬件设备、水利综合数据库,并构建水利信息服务总线,实现基础感知信息的汇集,形成有用和可用的信息资源。指挥调度中心的建设可以实现综合信息的展示、决策指挥调度和视频会商。

  第三,业务应用系统建设。业务应用系统建设可以依托水利云数据中心,结合水利部门职责和核心业务需求,针对水资源管理、防汛抗旱、电子政务、工程建设管理等方向建设业务应用系统,通过信息化手段使管理流程规范化,提高管理效率。

  第四,智慧水利门户应用平台建设。智慧水利门户应用平台依托于业务应用系统,实现多维业务的信息融合,可以实现PC、平板、手机、大屏等跨终端服务,为管理人员提供更加全面、快捷的智慧水利一体化平台。

  第五,信息化保障环境建设。信息化保障环境建设主要是建立标准体系、安全保障体系和组织管理体系,实现资源共享,避免重复建设,加强各部门协调,合理配置资源,促进智慧水利的健康持续发展。

5G
在智慧水利中的应用

  利用5G的高速率、低时延优势,能够弥补水利行业全面感知、全面互联和智能应用等方面的不足,尤其能够满足实时监控、无人机、VR、物联网等技术应用方面的需求。

  第一,5G在实时监控中的应用。在过去设计和实施的某市排水防涝软件平台项目中,用户通过手机随时可以看到污水处理厂的关键工艺流程状态、河道水位、泵站运行状态、低洼地积水和拦河坝的运行状态以及各个站点的实时监控视频。传统无线移动网络存在网络时延明显、视频加载慢、清晰度不高等问题,影响视频监控的实时性和清晰性。未来,利用5G网络的高带宽和低延迟特性能够保障数据信息实时回传,使高清视频的回传成为可能,5G时代的视频监控将实现4K全高清监控。

  第二,5G在无人机巡航、应急抢险中的应用。利用无人机技术对重点河道、水利设施进行航拍监测,可以对河湖水质、突发险情、水政执法等进行实时监控、指挥。无人机上加装5G通信模块可实现数据的实时回传。借助5G网络低时延的特性,使得无人机响应地面命令更快,地面人员对无人机的操控更加精确。对于防汛抢险中的突发险情或灾害预防,也可通过现场单兵系统或无人机与控制中心互联,使控制中心实现现场实时态势感知,为指挥中心的分析决策、统一调度和应急指挥提供有效支撑。

  第三,5GVR巡检维护中的应用。以往水利工程泵闸站内的日常巡检维护都需要运维管理人员亲自到现场完成,不仅效率低而且十分不便。通过引入VR技术,运维管理人员只需站在巡检台上便可跟随VR系统,通过VR头盔或显示器了解仪器仪表信息、待修设备的产品结构信息、待修设备原理图等。自动巡检及智能维护的稳定性、可靠性都是以5G技术为前提。对于VR而言,5G大带宽能够提升全景视频的分辨率和码率,以致达到更好的观看体验。

  第四,5G在大坝闸门自动控制系统中的应用。闸门自动控制系统主要是通过计算机监控系统检测闸门的上下游水位、闸门启闭状态与开度、图像信息自动化采集和传输,操作员通过该系统能够直接控制闸门,减少闸门动作过程中的人工误差,通过实时图像监测可以直观了解闸门的运行工况以及周边环境。5G边缘云技术应用在智慧水利项目中,可以采用移动无线网络取代传统的有线网络连接,利用新型5G网络架构,可以在网络边缘对业务预处理,并可以连接水位、水质、水流等检测设备,实现物联感知和互联应用。利用5G技术低延迟的特点,在闸门下位机各电气设备及传感器植入物联网技术,在智能终端附近部署5G边缘云,最后通过VR技术实现可靠的人机交互,建立无线式运维管理系统,使监控功能更加便捷高效。

  第五,5G在窨井盖资源管理中的应用。窨井盖是地下管道系统中的一项公共基础设施,随着城市规模的不断扩大,公共基础设施建设的配套及覆盖率逐年上升,使用传统的巡检方法已经无法及时有效地进行监管。大连接是5G技术三大应用场景之一,可以应用于海量的全IP化的监测场景。大量的窨井盖传感器统一接入网关,有效地对监测区域的每个井盖状态进行监测,降低了人工巡检的工作量,提升了监测的可靠性和后期维护的便捷性。

面临的主要挑战

  第一,网络覆盖。5G的网络覆盖包括两个层面的含义。一是广泛覆盖。以前高山峡谷这类人烟稀少的地区不一定需要网络覆盖,但是如果能覆盖5G,进行大量传感器的部署,进行环境、空气质量、地貌变化的监测,这就非常有意义。二是纵深覆盖。家中卫生间、地下车库虽然有网络部署,但是网络质量不是很好,5G技术的到来需要解决这些问题。由于信号频率、波长与传输衰减的原因,在中国如果想要5G网络达到与现有4G网络相同的覆盖,至少需要建设比4G基站多4倍密度的5G基站。在4G时代,三家运营商投入了大量资金建设4G网络,5G时代要想实现更好的覆盖需要更多的资金投入。

  第二,成本控制。在耗电成本上,以64T64R宏站设备为例,单基站的功耗约为3kW~4kW5G设备较4G设备功耗提升约2~3倍。如果覆盖同样面积,5G单位面积的耗电成本将是4G12倍左右。5G的标志性业务是AR/VR应用和超高清视频应用,这将消耗大量的客户流量。如果还按照现在的计费标准对5G进行计费,在网速提高百倍之后,也许一个眨眼间就是几百MB流量的消失。因此,未来5G时代将给运营商的管理模式、计费模式和业务创新带来新的挑战。

  第三,产业链成熟度。5G产业链涉及芯片市场、光器件市场、射频器件市场、基站市场、传输设备市场、网络优化市场等。以5G产业链上游的芯片市场为例,约有90%的芯片来自进口,严重依赖进口的局面,使国内相关产业的发展受到一定的限制。

  目前,5G的应用场景主要聚焦在增强型移动宽带场景,而低时延、高可靠性场景的技术困难较大,例如,实现端对端的时延达到1毫秒很困难。5G还存在很多挑战,距离满足ITU规定的三大应用场景需求还有很长的距离。

总工点评

  5G技术不仅具有更快速率,而且能够实现人、产品、服务等之间的相互连接。5G技术与传统水利相结合将有效加强监管能力、拓展监管范围、提升服务质量,推动水利由数字水利向智慧水利发展。

  ——中通服咨询设计研究院有限公司总工程师 朱晨鸣


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