物联网水文水质监测系统

    我国大江大河往往大型水利工程群密布，人为干扰强烈，以至水文与水质时空分布差异很大，水环境问题十分复杂。例如，大型水库建成后，库区内支流易发生富营养化与水华，而坝下河段出现珍稀鱼类生境退化，通江湖泊湿地退化，以及河口盐水入侵等问题；上述水环境问题出现的时间与地点虽然不尽相同，但其本质原因均是大型水利水电工程建设和运行导致流域水文情势发生变化，进而引发区域性水动力特征与水质时空分布变化与显著差异。由此可见，在水利工程影响下维系流域健康的首要任务是在流域内重点区域(主河道、支流、通江湖泊、水库、河口区)全过程跟踪监测水文(水位、流量、流速、泥沙、降雨、蒸发等)和水质(水温、浊度、酸碱度、电导度、溶解氧、生化需氧量、化学需氧量、营养盐、叶绿素、微量毒素等)参数，及时、准确、全面地反映流域水资源与水环境现状，并对其发展趋势做出科学评估和预测，为流域水安全规划、管理、防治提供科学依据。我国虽已对太湖、巢湖、滇池等开展了大量的湖泊水文水质监测工作，但针对水利工程影响强烈、空间尺度更大、支流众多、地理环境更为复杂的流域监测与保护，技术水平比较有限:尚无统一的流域监测和保护的方法与体系，在针对水利工程影响下流域一体化水文水质监控时，在数据汇交、新技术应用、动态监测等方面存在明显不足；传统监测技术基本依赖于固定站点人工监测和数据处理，监测指标和断面偏少，监测频率低，数据较为稀疏，缺乏现场自动测报能力，机动监测能力不足，难以第一时间获得全面的水环境质量状况；监测信息有效转化能力弱，在数据共享、数据挖掘、信息融合等方面，远不能满足流域水环境一体化保护的需要。     基于物联网技术的适用于水利工程影响下的流域水文水质监控方法，通过加装固定的与流动的各类传感器获取重点水域水文及水质实时数据，并配合以视频技术实现对现场环境的监控，利用物联网实现监测信息的传输，通过神经网络开展流域水文水质的智能化预测，最后通过专家系统实现现状评估、趋势评估、实施效果评估、极端事件处理等关键应用。本发明可为水利工程影响下的流域提供实时、可靠、完整的水文水质信息，实现流域跨区域、多机型的一体化远程保护。
水文水质信息采集模块，由各个功能传感器组成，用于定时对监测流域的流量、流速、水位、水温、泥沙、浊度、酸碱度、电导度、溶解氧、生化需氧量、化学需氧量、营养盐和叶绿素这些重要的常规水文水质指标进行探测；监测模块，根据监测断面水文水质深度的不同，设置在设定的不同深度的水域断面，用于监测高、中、低三个不同水深部位的水文水质特征；各个功能传感器将监测数据通过各自的串行端口传输给监测装置，通过监测装置的无线数据传输功能传输给无线数据传输终端，无线传输终端运用4G网络技术将数据传出；
监测信息采集对象、接入对象与通信传输模块，包括流域重要控制性断面信息采集子模块、控制性水库信息采集子模块、梯级电站信息采集子模块、重要取水口信息采集子模块和主要入河排污口信息采集子模块，信息采集内容包括这些对象的水量、水质、水工程以及视频监控信息；流域重要控制性断面信息采集子模块由远程终端控制器、声学多普勒流速仪、GPRS模块、功能传感器、UPS、磁饱和隔离变压器、网络交换机、电池组、太阳能板、充电控制器和交直流信号避雷器构成，以远程终端控制器为核心构建各固定监测站点现地采集和现地数据存储，同时通过无线通讯传输到流域水文水质流域监测中心；控制性水库信息采集子模块由工业控制计算机、GPRS、功能传感器、UPS和相关监测软件构成，现地监测实时水情、库水位和流量数据，现地数据存入监测模块，信息通过GPRS上传到同时上传到流域监测中心数据库并存储，用于对流域控制性水库雨量信息、水量信息、水质信息进行监测和获取水库及发电尾水处的水面实时视频图像，从现地工控机流域监测中心数据服务器；梯级电站信息采集子模块由工业控制计算机、功能传感器、通信模块、UPS、触摸屏、闸位计和相关监测软件组成，用于监测水量信息、水质信息、工况信息，获取上游及机组发电尾水处的水面实时视频图像信息；重要取水口信息采集子模块由遥测终端机、功能传感器、GPRS通信模块、交直流信号避雷器和电源组成，用于监测取水信息、取水口处水质信息和获取取水口处水面实时视频图像；主要入河排污口信息采集子模块由遥测终端机、功能传感器、GPRS通信模块、交直流信号避雷器和电源组成，用于获取排污口入河处的水面实时视频图像，监测入河排污口排污信息和水质信息；

    通信传输模块，包括GPRS网络、有线通信网络、远程无线网络、超远程无线网络和4G通信中的至少一种，无线传输终端运用GPRS或3G技术将数据传出，采集的信息通过无线通信方式进行通信传输，并组成流域水文水质无线传感器监测分布式网络，通过协议协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，再将采集来的数据信息，通过优化后经无线通讯传输到流域水文水质信息处理中心；
    水文水质视频监视模块，由固定监测站点子模块、接入站点子模块和流动监视点子模块组成；固定监测站点子模块由网络视频编码器、本地硬盘存储、监控摄像机、云台及云台解码器组成，用于重要控制断面和排污口视频监视；接入站点子模块由网络视频编码器和本地硬盘存储组成，用于流域的控制性水库、梯级电站和取水口视频监视；流动监视点子模块由安装在流动的监测站点上的便携式无线视频终端和高清摄像机组成，用于流动视频监视；流域监测中心模块，由视频转发服务器、视频管理服务器、视频数据管理服务器和视频工作站组成，用于流域视频监测；远程视频监控模块，采用集中监控服务模式，通过安装和部署的视频监控、存储、管理和服务设备，用于流域监测中心和水调值班监控室对固定视频监控对象、流动监视对象的远程视频监视监控和视频接入点的视频监视；流域水文水质信息管理系统由数据库管理子系统和应用支撑平台子系统组成，用于辅以形成水文水质预警管理、水量调度管理、水质监控管理和综合信息服务；数据库管理子系统，用以通过流域水文水质数据中心的数据存储和管理平台，形成工程基础数据库、遥感影像数据库、基础地理数据库、社会经济数据库这些公共基础数据库，同时形成服务于各业务应用的适合全流域实际情况的调度管理数据库、运行工况数据库、实时监测数据库、水情数据库、水质数据库、视频监控数据库、气象数据库这些专业数据库；应用支撑平台子系统，用于平台硬件系统的部署，应用服务中间件、应用系统整合及数据交换组件及GIS服务构件的部署配置，通用服务的部署，专用服务的部署，覆盖数据采集、传输、处理、存储、应用、决策辅助和发布各个环节；流域水文水质数据分析与决策支持系统包括预测子系统、信息管理子系统、专家子系统和大屏幕显示子系统；物联网的流域水文水质监控系统，功能传感器传感器包括:流速传感器、流量传感器、水压传感器、水温传感器、含氧量传感器和PH值传感器。
水文水质的信息采集有各功能传感器组成。传感器包括:流速传感器、流量传感器、水压传感器、水温传感器、含氧量传感器、PH值传感器等在内的十余种类型，定时对监测流域的流量、流速、水位、水温、泥沙、浊度、酸碱度、电导度、溶解氧、生化需氧量、化学需氧量、营养盐、叶绿素等重要的常规水文水质指标进行探测。