LPWAN解决方案抚河智慧抚河方案无PDF版.docx
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LPWAN解决方案抚河智慧抚河方案无PDF版
智慧抚河信息化工程
解决方案
2016年10月
一、项目背景
随着计算机信息技术和网络技术的飞速发展，人类经济社会已大步迈向信息时代，数字地球、智慧地球、智慧城市等一系列先进的技术理念相继产生，以信息技术为核心，实现水利的信息化也成为水利事业改革发展的大势所趋，智慧水利、智慧流域应运而生，为水问题提供了信息化的智慧解决方案。
《江西省水利信息化发展“十三五”规划》中明确水利信息化是推动我省水利现代化的重要抓手，在水利改革发展中具有重要的意义。
“十三五”期间，我省水利信息化发展要以“面向水利、服务行业、兼顾公众服务”为目标，充分应用物联网、移动互联、大数据、云计算等新兴信息技术，不断夯实信息化基础设施和完善保障体系，加强信息资源的整合与共享，完善水利业务应用系统功能和建设覆盖全市的信息化基础设施，实现水利事业和城市发展向数字化、智能化、智慧化的转变。
智慧抚河信息化工程以LPWAN物联网基础建设为核心，通过建设专门针对抚河的集防汛抗旱决策支持、河长制综合管理工作、水工枢纽调度、水资源管理调度、抚河宣传报道、旅游服务、交通服务等业务系统的综合性平台，通过数据收集平台汇集水雨情、气象、水利枢纽、防洪工程、防汛抗旱等相关信息，反映水生态整治工程动态，补充现有防汛系统预测预报功能，汇聚水资源调配、水（质）环境监测预警，关联河长制管理涉及的交通、旅游大数据分析，形成以抚河为脉的智慧抚河可视化综合会商系统平台。
二、现状分析
（一）现状及存在的问题
随着我省“河长制”管理模式的开启，以及对防汛抗旱工作高度重视，抚州市通过水利工程除险加固、中小河流监测、山洪灾害防治等项目的实施，防汛抗旱工作水平得到提高，建立了抚州市防汛抗旱决策支持系统、水利监控平台、江西省洪涝灾害信息服务系统、城区排涝站视频监控系统等。
但以信息化的手段完善抚河的综合管理与保护工作仍十分迫切，为抚州智慧城市建设支撑力度上稍显薄弱，具体表现在以下几个方面：
1.基础设施建设不均衡，整合力度不够
受项目投资来源不同影响，抚河水利信息化基础设施区域发展尚不平衡。
在信息采集方面，分属各业务系统的信息采集点内容单一、相互独立，时间空间布局存在部分交叉又或空白，移动采集能力不足，工情信息采集相对滞后，采集网络整合力度不够，尚未形成采集多元、布局合理、手段互补、业务共享的智能感知信息采集综合体系；在通信网络建设上，网络覆盖和整合程度不够，移动互联能力不足，满足水利特殊需求的专用网络仍需完善，网络安全体系不够完善，尚未形成结构优化、灵活接入、安全可靠的泛在先进水利网络体系；网络资源共享程度不高，全系统适应业务发展能力仍然不足，尚未形成功能互补、资源共享的基础设施平台。
2.信息资源共享不充分，管控力度不够
水利信息资源分散局面仍未打破，缺乏统一的信息资源管控，信息孤岛依然存在、数字鸿沟持续扩大，严重影响了水利业务协同。
数据来源多且不统一，数据权威性不够，事关全局的信息资源得不到及时的共享利用，信息资源规划力度不够，尚未形成服务全局的信息资源服务体系，缺少大数据处理能力，信息资源的开发利用程度不够，严重影响了综合决策能力的提升。
3.业务技术融合度不深，业务协同不够
在“金水工程”带动下，水利业务应用取得显著成绩，信息化应用基本覆盖了水利业务，但重业务轻管理局面尚未扭转，对加强水利管理的支撑力度不够，与业务活动的深入结合程度不一，已建和部分在建的水利信息化系统，普遍重基本业务处理需求，在适应信息资源开发利用等方面考虑不够，跨部门跨区域应用间的协同不足，面向全局的数据分析、决策支持能力仍然不足，水利于信息化建设的整体优势和规模效益充分发挥，不能有力支撑水治理和管理能力的提升。
4.保障环境体系不健全，安防能力不足
在统筹资源管理方面的制度仍需完善，保障整合共享的技术规范还很缺乏。
同时，随着网络覆盖面的扩大和业务应用的增加，全系统的网络安全隐患凸显，应用安全仍然存在漏洞，缺少内容及安全管理，与国家网络安全要求仍有差距。
专职人员数量与质量有待提高；运行维护体系不完善，运行维护经费落实不到位，信息化资源效益不能得到及时发挥，不能有效保障水利信息化更好更快发展。
（二）建设目标
通过建设智慧抚河信息化工程，完成一系列物联网基础通信设施建设，形成统一的网络标准，形成一张城市级可运营的物联网。
网络整合、共享和使用流域内各城市的经济、文化、公共资源、管理服务、市民生活、生态环境等各类信息，全面提高物与物、物与人、人与人的互联互通、感知和利用信息的能力，从而促进政府管理和服务能力的提升，改善和提升人民群众的物质和文化生活水平。
让抚州城市发展更全面、更协调、更可持续，让城市生活变得更健康、更和谐、更美好。
智慧抚河是智慧抚州的关键组成部分，改善和提升抚河综合治理能力必须通过现代信息化手段和先进的管理思路，加强对抚河水系的管理，为河道管理决策提供科学依据，提高水行政管理部门的信息处理精度和工作效率，才能促进抚河水利与社会生态环境的协调发展。
同时，智慧抚河信息化工程为江西省抚河流域生态保护及综合治理工程PPP建设及后期运行管理提供应用及决策分析的数据服务和技术支撑。
（三）方案思路
智慧抚河信息化工程通过建设一张物联通信专网，让其所有带载传感节点均以该网络为基础依托，形成触手实现数据主动采集，从而衍生出一系列相关应用：
专门针对抚河的集防汛抗旱决策支持、河长制综合管理工作、水工枢纽调度、水资源管理调度、抚河宣传报道、旅游服务、交通服务等业务系统的综合性平台，通过数据收集平台汇集水雨情、气象、水利枢纽、防洪工程、防汛抗旱等相关信息，反映水生态整治工程动态，补充现有防汛系统预测预报功能，汇聚水资源调配、水（质）环境监测预警，关联河长制管理涉及的交通、旅游大数据分析，形成以抚河为脉的智慧抚河可视化综合会商系统平台。
主要方案思路包括以下五方面：
1）建设以物联专网为核心的数据收集体系与集成平台。
围绕抚河综合管理工作中涉及的各类信息及相关业务系统，建立统一的数据集成规范，将基础数据、实时数据、多媒体数据以及管理数据进行有效的融合，存储于系统数据库中，形成一体化的集成信息平台。
2）通过物联网集成多业务的可视化平台。
围绕抚河的河长制综合管理工作、防汛预警和险情信息、水质与水环境情况，自动关联展示水雨情信息、工情特性及隐患、即时现场视频/图片、气象、国土、险情发生的影响范围及覆盖人口、责任部门及责任人等相关信息以及历史上类似情况的出现情景及处理方式，便于指挥人员快速全面了解现状及发展趋势，从而及时做出正确判断和有效决策。
3）建立一个围绕抚河的物联网信息发布平台。
包括门户网站、电子政务、以及移动便捷办公与公众服务，完成面向公众，企事业单位和政府提供各种公共服务的重要任务。
4）建设以抚河为脉，以物联网为基础的旅游及交通服务系统。
关联河长制管理涉及的交通、旅游大数据分析，实现提供与智慧抚河相关的旅游、交通服务信息及其应用，为江西省抚州市及旅游局、交通局等部分提供辅助决策支撑。
三、设计依据
智慧抚河信息化工程建设执行如下表所列的国家智慧城市相关标准与规范
表1-1智慧抚河信息化工程建设标准与规范
通信网络
信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网
GB/T15629.15-2010
信息技术互连国际标准
ISQ/IEC11801—95
广播电视网
广播电视光缆干线同步数字体系（SDH）传输接口技术规范
GB/T17881-1999
城市基础空间数据库
城市用地分类代码
CJJ46-91
城市基础地理信息系统技术规范
CJJ100-2004
城市地理空间信息共享与服务元数据标准
CJJ/T144-2010
地名信息交换格式
GB/T28226-2011
建筑物基础数据库
建设电子档案元数据标准
CJJ/T187-2012
城市公共信息平台
房地产市场信息系统技术规范
CJJ115-2007
城市遥感信息应用技术规范
CJJ/T151-2010
信息安全
信息安全技术信息安全管理体系审核指南
GB/T28450-2012
信息安全技术信息系统安全管理评估要求
GB/T28453-2012
信息安全技术引入可信第三方的实体鉴别及接入架构规范
GB/T28455-2012
城市地理空间
供水水文地质勘察规范
GB50027-2001
城市工程地球物理探测规范
CJJ7-2007
城市测量规范
CJJ8-2011
城市地理空间框架数据标准
CJJ103-2004
城乡用地评定标准
CJJ132-2009
城市地理空间信息共享与服务元数据标准
CJJ/T144-2010
城市地理编码技术规范
CJJ/T186-2012
城市地理空间信息基础设施共享服务技术
CJ/T384-2011
数字城市地理空间信息公共平台技术规范
CH/Z9001-2007
数字城市地理空间信息公共平台地名/地址分类、描述及编码规则
CH/Z9002-2007
数字化城市管理
建筑市场监督管理信息系统数据标准
JGJ148-2005
民用建筑能耗数据采集标准
JGJ/T154-2007
四、总体架构
（一）总体架构
智慧抚河信息化工程建设依托江西省抚州市抚河流域生态保护及综合治理工程，以智慧抚河物联网基础通信建设为核心，并将相关信息扩展应用到旅游、交通等领域，采用SOA架构，提供组件化、可扩展的业务服务，满足跨硬件平台、跨操作系统的要求，支持多种主流数据库和中间件产品，具备良好的平台互操作能力，
总体架构如下：
图1-1智慧抚河总体架构
总体应用流程架构如下：
图1-2智慧抚河应用流程架构
（二）建设原则
智慧抚河信息化工程建设总体原则是：
坚持总体规划、分步实施的建设原则，以智慧水利物联网建设为核心，推动智慧旅游、智慧交通及其他应用的建设，物联网工程建设的总体目标和建设内容与江西省抚州市抚河流域生态保护及综合治理的总体目标和建设内容相适应。
为保障方案的指导性和可操作性，并能在建设期内保持相对稳定，建成一套先进、可靠、实用、高效、经济的信息化管理系统，项目建设遵循以下原则：
1）统一性和分布性
工程建设在信息化统一框架结构设计下，分期分阶段实施，满足当前工作的迫切需要，优先建设信息基础设施，加强重点业务应用系统的建设，并留有扩展接口。
随着工作的深化和外部环境的变化，使网络系统的覆盖范围进一步扩大、功能逐步扩展、性能不断完善。
2）经济性和实用性
信息化建设首先以实用为先导，根据实际工作的需要，有目的、有步骤、有重点地实施灌区信息化建设方案。
信息化建设尽可能利用已有的信息化建设资源，例如在通信线路的选择上，尽可能兼顾公网和并入水利部门专用网，避免重复建设，以节省投资，更便于维护管理和提高线路利用率。
3）先进性
系统建设立足现状，着眼长远，以满足新技术不断发展和近期和未来工作发展的需要。
考虑到信息技术发展日新月异，信息化建设具有适度的前瞻性。
4）开放性和可扩展性
资源共享是实现信息化的基础，因此必须坚持开放性与标准化。
为支持系统的可持续发展，必须对信息及信息服务、应用功能设计等进行标准化，符合国家已经制订颁布的有关标准。
信息化设计要符合结构化、模块化、标准化要求，做到标准统一，连接畅通，使系统既有完整性，又具灵活性，以利于最终实现有效集成和今后系统扩展的需要。
5）安全性和可靠性
优先考虑信息系统的安全，从软、硬件两方面考虑系统安全性，防止人为的破坏行为和病毒侵害的发生。
信息化建设坚持可靠的原则，设计方案要考虑到现有的技术水平，选择可靠性高的方案。
五、建设内容
（一）基础通信网络建设
1.建设方案概述
项目主要建设内容为：
低功耗广域网（LPWAN，又称窄带物联网）网络的城市级覆盖，包括：
抚河物联网络的前期规划、细节设计、网络的建设、测试、接入等，同时包括物联设备的管理、节点管理、数据管理、效率管理、业务支持等运维建设。
LPWAN技术是面向下一代5G物联网接入的国际标准，提供了低功耗、远距离、易维护、统一运营的物联接入方式,统一的物联网接入能力是智慧抚河的重要基础,作为智慧抚河的物联数据接入统一入口，这套LPWAN物联网的基础设施将为智慧抚河的所有应用场景提供统一的连接能力。
基于LPWAN物联网这种高效的无线传输方式，能够对抚河流域的主要水利设备设施实施动态监测，构建可靠性强、效率高、共享度高的智慧抚河数据库，建立设备设施监测、数据统计、管理云平台，可通过平台查询各单位系统的情况，并对设施设备进行控制，实现智慧抚河的能耗数据化、数据可视化、管理动态化、预警指标化。
2.LPWAN无线传输网络简介
低功耗广域物联网（LPWAN，又称窄带物联网）是近年来国际上新兴的一种革命性物联网实现技术。
相比目前的手机网络，LPWAN具备超低功耗通信、超长距离传输的特点，从而使网络中的终端运行时间长达数年，并且在城市中复杂的楼宇信号遮挡下，拥有很强的穿透性。
在智慧抚河项目中，前端物联传感设备对水质数据、安防状态等进行采集后，通过LPWAN无线传输网络，将数据上传至云平台，最终呈现于PC或手机端的管理界面上，以便人们对数据进行分析与利用。
3.LPWAN与其他组网方案的对比
常见无线方案种类包括：
4G/LTE、GPRS、3G、ZigBee、Bluetooth、WiFi等。
性能对比
无线方案
距离
灵敏度
功耗
WiFi
50m-500m
-83dBm
低功耗
蓝牙
100m
-103dBm
低功耗
ZigBee
100m-200m
-102dBm
低功耗
GSM3GLTE4G
长距离
-106dBm
高功耗
慧联无限LPWAN
市区3km
郊区15km
-143dBm
低功耗
由上表可知，在传输距离上，ZigBee、蓝牙、WiFi只能够在较小范围内通信，而LPWAN与3G/4G均可以保证较广范围的无线通信。
从功耗上来看，LPWAN比3G/4G拥有更低的功耗，从而能够保证无源的传感设备能够保持较长的电池寿命，同时在传输数据量较小的情况下，能够有效节省资源。
在灵敏度上，LPWAN也达到了与其他无线方案相比最高的-143dBm。
4.LPWAN的适用性
对于那些要求有广域覆盖范围、相对传输数据量要求低、优异的电池续航力、较低的硬件与营运成本、高连接密度的物联网应用场景来说，传统的蜂巢式网路无法善加结合上述技术条件。
由于抚河物联网碎片化需求的典型特征，一张广覆盖的LPWAN网络可以实现不同传感设备、不同用户随时随地设备接入网络，成为智慧抚河发展的重要基础设施，最终补齐物联网网络层短板的将是低功耗广域网络。
由于抚河流域的地理限制，大多数传感设备均为无源的，因此低功耗低成本的传感器需求非常迫切。
水质监测、水流量监测、气象监测等传感器的应用对于提高水资源利用率、减少水灾害等有重要的意义，这些传感器需要定期地上传数据，而LPWAN十分适用于这样的场景。
同时抚河并没有完全覆盖蜂窝网络，因此LPWAN可以完成海量农业设备仪表的数据采集上传工作。
随着智慧抚河项目的深度推进，会有越来越多的终端将接入网络，如果为每个单独的智能化子系统建立不同类型的网络，一方面传输网络不具备良好的扩展性，新增节点时将耗费较大的人力物力投入；另一方面后期将产生不必要的重复投资支出。
所以在智慧抚河的初期建设阶段，首先要建设覆盖抚河的传输网络，为智慧抚河的所有应用场景提供统一运营的物联接入方式作为智慧抚河的物联数据接入统一入口，是非常必要且经济的举措。
5.LPWAN网络的搭建
根据智慧抚河的方案设计和需求，采用多个物联网基站实现对抚河LPWAN网络的全面覆盖，完成网络搭建规划设计、实施、运维的一体化建设，充分实现抚河规划范围无盲点的物联网无线网络通信，为项目的后期运营提供便捷自如的无线网络功能和应用。
物联网基站采用业界最先进的LPWAN技术，以及独有的领先的跳频技术，通过智能天线射频发射装置，提供显著高于普通无线AP的更大覆盖范围，同时具有优秀的非视距传输能力和室内穿透力。
本方案中，物联网基站接入3G信号，使用基站本身具备自回传功能，在覆盖抚河的同时可实现和各个子系统的无线链路传输。
6.LPWAN网络传输的系统构架
慧联无限低功耗广域物联网络支持上与下双向数据传输。
从下至上时，传感器件采集数据后，经物联网节点模块传输至物联网基站后，再经由3G/4G/有线宽带运营商网络上传到物联网云平台，实现与用户平台的对接。
从上至下时，用户平台通过互联网发送指令或信息给物联网云平台，再经由3G/4G/有线宽带网络发送到物联网基站，再通过物联网传输网发给与控制器件连接的物联网终端模块，从而实现对控制器件的控制。
系统构架如下图所示：
7.LPWAN物联网基础设施功能
●广泛的网络覆盖距离
相比普通无线覆盖方案，网关可以覆盖其10倍的距离，100倍的面积。
网关具有优秀的非视距覆盖能力，从而使每个网关在任何环境都可以具有更大的无盲点覆盖范围。
●优秀的室内穿透性以及深度非视距能力
超强的灵敏度以及信号发射接收的多路径智能合并，使得网关具备优秀的室内穿透特性和深度非视距能力。
●海量的节点数
单网关收发器最大支持2万个节点。
通过多种形式的负载均衡技术与广域加速产品，充分利用链路资源，提高投资利用率；
●节省投资
更大的覆盖范围、低廉通用的无线终端模块以及优秀的室内穿透特性，使得每条客户的线路成本降至最低。
●运营商级别可靠性
基于IP-67平台可靠耐用以及全室外设计，可以在极端气候环境下稳定工作。
（二）智慧水利平台建设
智慧水利平台是在物联网基础通信建设的基础上衍生的功能应用平台。
作为智慧抚河信息化工程的核心支持平台，其建设内容主要包括地理信息可视化系统、巡查与管护支撑系统、水质监测系统、视频监控与智能分析系统、防汛抗旱指挥决策系统、水资源管理系统、水工建筑物智能调度系统、旅游公共服务及应急预警系统等建设。
图2-1智慧水利平台
1.地理信息可视化系统
为支撑以河长制为核心的管理平台建设，建立地理信息共享服务平台，实现我市水利空间信息的共建共享，打造智慧抚河“一张图”，整合叠加全市河流、湖泊、水库、堤防、水闸、水电站、泵站、建设工程、视频监控、河长、水雨情、水质监测等水利专题要素类型，实现基础地理信息与水利专题数据的深度融合，通过服务配置、瓦片缓存等技术，将数据产品组合发布成各类水利专题数据服务、基础空间信息服务、影像服务和应用功能服务，制订统一的平台服务及接口调用标准，实现地图二、三维一体化展示和水利信息统计、分析、查询，为水利各业务应用系统快速搭建GIS模块，实现全市智慧抚河“一张图”奠定好坚实的基础。
2.巡查与管护支撑系统
巡查与管护支撑系统实现市、、镇、乡、村多级管理，全天候对河湖进行实时管控，实现河湖网格化管理、GPS巡查、河湖管护、公众服务等功能。
系统由数据采集层、应用支撑层和应用层三层构成，如下图所示：
河湖网络化管理
GPS巡查
河湖管护
公众服务手机APP、微信接入（巡查、举报、信息发布等）
应用层
数字化水网一张图
数据采集层
图2-2巡查与管护支撑系统技术架构
3.水质监测系统
水质监测系统建设内容主要包括信息支持系统，水源地、重点区域实时监控，排污口实时监控等模块。
系统利用GIS等技术模拟污染物迁移规律，研究各污染控制单元的污染情况，为水质预测提供数据。
定期对抚河水质及排污口进行实时监测，根据污染源情况，有针对性地增加一些监测指标，实时掌握水源地和重点区域水质动态，为抚河水环境管理决策服务。
4.视频监控与智能分析系统
视频监控与智能分析子系统主要针对取水点及河道敏感区域的管控，由前端系统、监控中心、传输网络和平台软件四部分组成。
系统通过对平台服务的归纳、封装，提供了视频监控、环境监控、入侵报警、消防报警、门禁系统、语音系统、地图呈现、智能分析、业务互动、统计分析等综合业务。
图2-3视频监控与智能分析系统架构
5.防汛抗旱指挥决策系统
系统应用架构充分利用省厅发布的水利地理信息共享服务平台，与抚州市防办现有的抚州市防汛抗旱综合平台、江西省洪涝灾害信息服务系统等进行了无缝集成，同时与抚州气象局、国土局相关系统进行数据和功能的部分集成，在此基础上通过专门针对抚河的调查研究建设成一个集防汛（含内涝）抗旱决策支持、汛情快报、日常工作管理等于一体的业务子系统，包括三大应用模块。
图2-4防汛抗旱指挥决策系统应用架构图
（1）建立防汛会商信息可视化展示系统，围绕预警和险情信息，自动关联展示水雨情信息、工情特性及隐患、即时现场视频/图片、气象、国土、险情发生的影响范围及覆盖人口、责任部门及责任人等相关信息以及历史上类似情况的出现情景及处理方式，便于指挥人员快速全面了解现状及发展趋势，从而及时做出正确判断和有效决策。
（2）建立统一会商语音通讯平台，能够实现关键短信的分组快速分发，会商室与险情现场的即时语音连线，更有效的进行险情排查和处置。
（3）建立应急处置辅助系统，能够根据相关信息按照应急响应等级要求，在地图上进行关联抢险队伍、救援队伍、专家队伍以及应急物质的可视化展示、指挥人员可以在地图上进行可视化指挥。
6.水资源管理系统
本系统建设内容主要包括：
建设水资源信息服务管理模块，录入水资源管理相关基本信息，录入水资源调度相关监测历史数据，接入相关已建和省级项目在建的取水量、水位和水质在线监测站；建设非汛期水量调度管理模块，开发抚河干流及相关大型水库水资源调度配置模型，开发中长期径流预报、短期径流滚动预报，以及用水分析、需水预测等模型；建设应急水资源调度模块，实现应急事件实时监测报警、应急调度进展跟踪与统计、事件全过程管理、开发抚河骨干河道一维水动力学水质实时数值模拟模型进行水质实时预测预警、突发水污染事件追踪溯源、突发水污染事件/干旱事件应急调度、应急调度后评估，并提供应急会商支持。
7.水工建筑物智能调度系统
采用虚拟现实技术完成对水闸及周边环境的精细三维建模，利用以无线传感网络为基础的物联网应用实现各类水位、水质、流量传感单元、水闸自动控制系统传感单元与监测中心平台的互联，并将其模型整合入水闸虚拟仿真平台，借助于水质水量耦合模型及其他水文计算模型的实时分析与计算，实现水闸的三维虚拟仿真、实时过程监测、远程自动控制与智能调度，完善了水闸安全预警的自动化处理机制及水闸控制的可视化管理方法，提升了水闸控制的自动化水平和智能化水平。
图2-5水闸远程智能调度系统界面图
8.水安全智能分析系统
系统基于水情、水质等传感监测设备采集的数据，利用生态云计算、大数据分析、智能分析模型等技术实现水情测报分析、水质安全分析，水生态安全分析、水土安全分析等功能，为及时掌握水安全的状态，发布预警信息，适时采取必要的调控措施等提供了科学依据，同时也为水安全智能分析应用及决策提供了技术支撑。
9.旅游公共服务及应急预警系统
系统利用抚河河道及河道整治工程涉及的河道及湖泊水上观光、湿地公园等旅游景区布设的水情监控、水安全监控、视频监控等传感器采集、处理、发布的数据进行分析与利用，并对汛期及暴风雨等突发恶劣天气的信息进行预警，发布旅游相关预警信息，并可实现逃生路径分析、应急资源调配、应急预案处置等功
能，为抚州市智慧旅游建设提供数据服务和技术支持，也有利于提升抚州市景区
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