基于多制式无线通信的地热多参数监测数据远传链路设计与断点续传技术研究

摘要

地热井大多分布在城市郊区、县域野外、山地等区域，不同区域无线网络信号质量差异极大，部分偏远地热井口4G信号弱、网络波动频繁，易出现监测数据传输中断、历史监测数据丢失问题，造成地热监管平台台账缺失，影响流量、水位、温度等关键参数的连续性研判。为保障地热多参数监测数据稳定上传监管中心，本文设计兼容4G、NB-IoT窄带物联网、以太网有线三种制式的多制式无线通信远传链路，硬件终端可根据实时网络信号强度自动切换通信链路；同时在边缘终端搭载大容量本地存储与断点续传算法，网络中断期间缓存全部监测时序数据，网络恢复后按照时间序列补传缺失数据，保障监管平台监测台账完整连续。针对华北、西北不同网络环境下35口地热井开展为期一年的链路可靠性测试，多制式通信链路网络连通率达到99.6%，相比单一4G通信连通率提升8.1个百分点；断点续传功能实现100%中断数据补传，无历史台账丢失问题。本文围绕多制式通信硬件选型、链路自动切换逻辑、断点续传存储算法、通信防雷防护设计展开系统性研究，为地热野外监测数据稳定远传提供高可靠性通信链路解决方案，是地热全域多参数监测系统稳定运行的通信基础保障。

关键词：地热监测；多制式无线通信；NB-IoT；断点续传；数据远传；链路自动切换

1 引言

一套完整的地热全域监测系统包含井口流量、井筒水位、井筒温度场、换热站温湿度、热泵能耗、机组运行时长等数十项监测参数，所有实时监测数据都需要通过通信链路不间断上传至属地地热监管云端平台，形成连续性时序监测台账。监管部门依靠连续的历史台账研判地热储层长期变化趋势、设备老化规律、区域能耗态势，若频繁出现通信中断、中断期间数据丢失，时序台账出现大量空白段，将导致风险研判模型失效，无法完成地质灾害预警、能耗双控考核、水资源税核算等监管工作。

目前市面上传统地热监测终端大多仅搭载单一4G通信模块，适应性较差：城区换热站位于建筑楼宇内部，墙体屏蔽会造成4G信号时强时弱；野外山地地热井距离通信基站较远，4G信号长期处于弱信号状态，频繁掉线；部分老旧换热站具备有线宽带网络却无法被单一4G终端利用。以往应对网络中断只能依靠运维人员定期前往井口调取本地存储数据，人工成本高、时效性极差，无法填补平台实时台账空白。基于以上通信痛点，需要研发多制式融合通信终端，兼容多种通信方式实现链路冗余备份，搭配成熟的断点续传技术，从硬件链路、软件算法两个层面双重保障监测数据不间断传输。

本文设计三模通信硬件终端，集成4G全网通模块、NB-IoT物联网模块、有线以太网接口，终端实时检测三种通信链路的信号强度、网络丢包率、传输时延，通过链路择优算法自动切换当前通信方式；终端搭载工业级大容量闪存存储介质，采用时序分区存储算法缓存中断期间的所有监测数据包；网络恢复之后，按照时间从远到近的顺序批量补传缺失数据包，平台接收补传数据后自动填充历史台账空白区域，实现台账完整闭环。同时针对野外井口通信设备易遭雷电感应击穿通信模块的问题，设计多级防雷保护电路，提升野外通信硬件的环境耐受能力。

2 多制式通信远传链路硬件整体结构

整套通信链路硬件包含三模通信模块组、边缘终端主控单元、防雷防护电路、本地大容量存储单元、供电稳压单元五个核心组成部分。

2.1 三模通信模块组

硬件集成三种独立通信通道：第一，4G全网通通信模块，传输带宽高，适合高频次、大数据量传输（例如井筒光纤温度场连续曲线、站内多路视频联动数据）；第二，NB-IoT窄带物联网模块，功耗极低、远距离信号穿透能力强，适合偏远野外井口低频次小数据包（流量、水位整点数据）长期传输；第三，以太网有线网口，针对城区换热站已有宽带线路的场景，采用有线传输方式，不受无线信号干扰，传输稳定性最高。三种通信通道相互独立，任意一条链路损坏不会影响另外两条链路工作，形成硬件链路冗余备份。

2.2 链路择优自动切换算法

边缘终端主控单元每隔30秒对三条通信链路做一次连通性测试，检测链路信号强度、数据包丢包率、传输时延三个核心指标，按照预设优先级逻辑择优选用工作链路：有线以太网链路优先级最高，有线正常则固定使用有线传输；有线中断时，若4G信号强度高、丢包率低则启用4G链路；4G信号弱、丢包严重时，自动切换至NB-IoT窄带链路保障基础小数据包监测数据上传。算法设置链路切换防抖机制，避免短时间信号波动造成通信链路频繁来回切换，保证通信运行稳定。

2.3 本地存储与时序断点续传算法

终端搭载64MB工业级闪存，采用时序环形分区存储结构，将监测数据包按照采集时间戳分区存储，最长可缓存两年的监测数据。当当前工作通信链路断开、链路连通性测试失败时，终端立刻切换至缓存模式，所有监测数据携带精准时间戳存入本地闪存分区；当链路恢复连通后，终端首先向监管平台发送中断起止时间报文，平台返回缺失数据区间指令，终端按照从最早到最近的时间顺序依次上传缓存数据包，平台根据数据包自带时间戳，将数据精准填充至历史台账空白位置，完成断点续传闭环。为防止闪存损坏造成缓存数据丢失，采用存储区块校验算法，定期校验闪存存储区块完整性，出现坏块时自动标记规避。

2.4 多级防雷与供电稳压设计

野外井口通信设备极易遭遇雷雨天气感应雷电高压击穿通信芯片，硬件在天线输入端、电源输入端均加装气体放电管+压敏电阻二级防雷电路，泄放感应高压电；供电单元采用宽电压稳压模块，适配太阳能蓄电池、市电两种供电模式，电压波动不会造成通信模块重启宕机，保障恶劣供电工况下通信硬件稳定运行。

3 云端平台补传数据兼容处理逻辑

监管平台需要区分实时流式上传数据和断点后补传的历史数据，平台设置数据时序接收模块，数据包携带时间戳，平台不按照接收顺序入库，而是按照时间戳时序入库排列，确保历史曲线连续平滑，不会出现时序错乱问题；平台同时标记补传数据标识，便于监管人员区分实时数据与后期补传数据，满足审计溯源要求。

4 野外地热井通信链路实测分析

选取华北平原城郊地热井、西北山地偏远地热井、城区楼宇换热站三类场景合计35处地热监测站点，开展为期一年的通信链路可靠性对比测试，一半站点使用传统单一4G通信终端，另一半使用本文多制式断点续传通信终端。测试结果显示：传统单一4G终端全年平均通信连通率仅91.5%，偏远山地站点月度通信中断次数高达十余次，平台大量历史监测数据丢失；本文多制式通信终端整体全年连通率达到99.6%，山地弱信号站点自动切换NB-IoT链路后基础监测数据不间断上传，短时雷雨造成的链路中断均通过断点续传完成数据补全，平台台账无一处空白缺失，补传成功率高。在城区换热站启用有线以太网链路后，通信链路全年零中断。多制式链路方案适配了不同地理环境下地热站点的通信需求。

5 后续优化改进方向

一是后续可兼容5G通信模块，针对需要传输高清井下成像视频流的站点，启用5G高速链路；二是增加卫星通信作为极限冗余链路，用于深山、荒漠等无地面移动通信信号的超偏远地热井；三是终端增加通信链路故障自诊断功能，当某一制式通信模块硬件损坏时，主动上报模块故障工单，提醒运维人员更换硬件。

6 结论

基于4G+NB-IoT+有线以太网的多制式融合通信链路，搭配链路择优切换算法、时序式本地存储断点续传技术，从通信链路冗余和数据缓存补传两个层面解决了地热野外监测站点无线网络信号不稳定、通信频繁中断、历史监测台账丢失的行业通信难题。硬件配套多级防雷、宽压稳压结构，能够适应野外井口雷雨、电压波动等恶劣外部工况。经过一年多不同地理环境地热站点实测验证，整套通信系统连通稳定性远优于传统单一制式通信终端，断点续传功能实现了中断期间监测数据完整补传，保障监管平台流量、水位、温度、能耗等多参数时序台账连续完整，为地热储层趋势研判、地质风险预警、水资源税核算、能耗双控等监管业务奠定了稳定可靠的数据传输基础。该通信链路方案可以作为地热多参数监测系统的标准化通信配套方案，在全国各类地热井口、换热站监测项目中统一配套使用，提升整个地热全域监管体系的底层通信可靠性。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求