馬 瑞 鑫，趙 鵬，朱 俊，李 子 龍

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456； 2.大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真和控制實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116026； 3.江蘇恒澄交科信息科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

烏江是長(zhǎng)江上游右岸最大的支流，發(fā)源于貴州省西北部烏蒙山東麓，至重慶市涪陵區(qū)匯入長(zhǎng)江，為典型的山區(qū)河流，流域天然落差較大。烏江洪水主要由暴雨形成，此外，針對(duì)下游地區(qū)，上游電站無(wú)規(guī)律放水也是洪水形成的主要因素之一[1-3]。烏江下游尤其是重慶市涪陵境內(nèi)水文變化在汛期受上游流域暴雨匯流影響較大，在非汛期受上游銀盤(pán)電站和彭水電站泄洪影響較大。烏江干流電站發(fā)電多采用每日多次調(diào)峰運(yùn)行，各水電站下泄的非恒定流致使壩下航道水位驟漲驟落，瞬時(shí)變幅大、變化頻繁，甚至?xí)霈F(xiàn)水位一天上漲20 m的極端情況[4-6]，當(dāng)水電站出力較大或滿發(fā)電時(shí)，電站下泄流量增大，壩下河道水位短時(shí)暴漲，要求沿線的港口作業(yè)船舶和錨地停泊船舶根據(jù)水位變化頻繁調(diào)整，給河段內(nèi)通航船舶和停泊船舶帶來(lái)安全隱患；當(dāng)水電站出力較小甚至不發(fā)電時(shí)，電站下泄流量減小，河道水位迅速降低、通航條件迅速變差，給運(yùn)輸船舶帶來(lái)了擱淺、觸礁甚至被迫停航等安全隱患[7-8]。電站泄洪下的非恒定流延長(zhǎng)了通航船舶的營(yíng)運(yùn)周期，增加了船舶營(yíng)運(yùn)成本，對(duì)船舶運(yùn)輸安全和沿線城市防洪帶來(lái)了一定挑戰(zhàn)[9-11]。通過(guò)實(shí)地考察及歷史資料研究,建立了一套針對(duì)銀盤(pán)電站至長(zhǎng)江口79 km航段的烏江水上安全預(yù)警水文監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水位、流速、流量的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)，初步解決了烏江水文條件監(jiān)測(cè)不全面、手段不先進(jìn)、預(yù)警不及時(shí)等問(wèn)題，彌補(bǔ)了地方管理單位在航運(yùn)安全決策管理工作中的不足。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

烏江水上安全預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)展示分為前端采集層、通訊鏈路層、核心支撐層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，同時(shí)設(shè)計(jì)了完整的信息安全方案和運(yùn)行維護(hù)保障體系。

(1) 前端采集層。水文信息的科學(xué)預(yù)測(cè)需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作支撐[12-13]。前端采集層為在銀盤(pán)電站至長(zhǎng)江口79 km航段建設(shè)的5個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，分別為WL01、WL02、WL03、FL01和FL02，其間距分別為36，7，10，26 km,其具體分布如圖2所示。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選址時(shí)需滿足代表性、數(shù)據(jù)完備性、易施工等原則。各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)航道現(xiàn)場(chǎng)水位和流速信息的動(dòng)態(tài)采集，如表1所示。由于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)都在野外，其供電模塊選擇使用太陽(yáng)能電池板和鋰離子充電電池組。太陽(yáng)能電池板在白天可產(chǎn)生12 V、800 mA左右的電能，通過(guò)充電控制器調(diào)整可給鋰離子電池組充電和系統(tǒng)供電。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu) Fig.1 System architecture

圖2 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布(單位：km) Fig.2 Distribuion of monitoring sites

(2) 通訊鏈路層。通訊鏈路層主要保障前端監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采用GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)通訊手段；在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差的區(qū)域，例如WL03站點(diǎn)，選擇使用北斗短消息作為系統(tǒng)通訊方式，整體上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和穩(wěn)定性。

(3) 核心支撐層。核心支撐層包括水文預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心和地理信息平臺(tái)的搭建。水文預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型主要以5個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)輸入條件，同時(shí)結(jié)合歷史水文資料和航道地形圖數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來(lái)2 h內(nèi)的水位和流速變化情況；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心為5個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯聚中心，為建設(shè)烏江水文大數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)支撐；地理信息平臺(tái)為該應(yīng)用系統(tǒng)的支撐服務(wù)平臺(tái)，為系統(tǒng)基礎(chǔ)地理信息顯示、操作、分析提供支撐。

(4) 業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層是指圍繞服務(wù)于領(lǐng)導(dǎo)決策和服務(wù)于業(yè)務(wù)管理所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng),主要包括實(shí)時(shí)水位流速動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水文信息預(yù)測(cè)、水文信息統(tǒng)計(jì)分析、洪水發(fā)展過(guò)程動(dòng)態(tài)展現(xiàn)等功能。

表1 各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)詳情

Tab.1 Details of each monitoring sites

站點(diǎn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊方式WL01水位、表面流速雷達(dá)水位計(jì)、雷達(dá)波測(cè)速儀GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)WL02水位、剖面流速雷達(dá)水位計(jì)、聲學(xué)多普勒剖面流速儀GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)WL03水位壓力式水位計(jì)北斗短消息FL01水位、剖面流速雷達(dá)水位計(jì)、聲學(xué)多普勒剖流速儀GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)FL02水位、表面流速雷達(dá)水位計(jì)、雷達(dá)波測(cè)速儀GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)

2 數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型

本文的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型綜合了相鄰測(cè)站水位預(yù)測(cè)模型、未來(lái)水位預(yù)測(cè)模型和水位流量關(guān)系模型。由于WL02站位于WL01站下游36 km，WL02站水位變化相對(duì)WL01站水位變化具有滯后性，同時(shí)考慮到下游水位(WL03站)的頂托影響，可使用3個(gè)監(jiān)測(cè)站的實(shí)測(cè)水位資料，建立WL01站、WL03站水位與2 h后WL02站水位的相關(guān)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)利用WL01站和WL03站過(guò)去2 h水位數(shù)據(jù)對(duì)WL02站未來(lái)2 h水位的預(yù)報(bào)。另外結(jié)合WL02測(cè)站上游約27.5 km的武隆水文站的逐時(shí)水位、流量歷史資料，可建立WL02測(cè)站的水位-流量關(guān)系。將WL02測(cè)站實(shí)時(shí)水位對(duì)應(yīng)的流量作為模型的上游邊界，可輸出河段的實(shí)時(shí)流量、水位等，將預(yù)報(bào)水位對(duì)應(yīng)的流量作為模型上游輸入邊界，同時(shí)將FL02站水位監(jiān)測(cè)信息作為模型的下游控制邊界，控制預(yù)測(cè)模型下游的水位和流速信息，系統(tǒng)可將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)站點(diǎn)WL03、FL01進(jìn)行校核改進(jìn)，即可計(jì)算得到河段的預(yù)報(bào)流量、水位等。數(shù)學(xué)模型技術(shù)路線如圖3所示。

2.1 預(yù)測(cè)模型建立

2.1.1 相鄰測(cè)站水位預(yù)測(cè)模型

水位預(yù)測(cè)模型通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)的多元回歸分析求得。建模前需先對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除虛假監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)滿足模型計(jì)算要求。參照相關(guān)研究成果，WL02站2 h后水位與上游WL01站水位、下游WL03站水位相關(guān)模型可表示為

y=b0+b1x1+b2x2

(1)

式中，y代表WL02站2 h后水位，x1代表上游WL01站水位，x2代表下游WL03站水位，b0為常數(shù)項(xiàng)，b1、b2為相關(guān)模式的參數(shù)。

本文選取2017年6月2日至2017年8月3日逐時(shí)水位資料，按照式(1)進(jìn)進(jìn)行多元線性回歸，得到2 h后WL02站水位與WL01站、WL03站水位關(guān)系如式(2)所示：

y=0.227x1+0.822 7x2-10.09

(2)

經(jīng)驗(yàn)證，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.96，模型具有較高的回歸一致性。

圖3 數(shù)學(xué)模型技術(shù)路線Fig.3 Technical route of mathematical model

2.1.2 未來(lái)水位預(yù)測(cè)模型

未來(lái)水位預(yù)測(cè)采用相應(yīng)水位分析法，該方法是根據(jù)河道洪水波運(yùn)動(dòng)原理，分析洪水波在運(yùn)動(dòng)過(guò)程任一位相水位自上站傳播到下站時(shí)的相應(yīng)水位及其傳播速度的變化規(guī)律，即研究河段上下游斷面相應(yīng)水位間和水位與傳播速度之間的定量規(guī)律，建立相應(yīng)水位間的相關(guān)關(guān)系，即用某時(shí)刻上游站的水位(流量)預(yù)報(bào)一定時(shí)間(傳播時(shí)間)后下游站的水位(流量)[14-16]。

從河段WL01測(cè)站和WL02測(cè)站實(shí)測(cè)水位資料中摘錄相應(yīng)的洪峰水位值及其出現(xiàn)時(shí)間，可點(diǎn)匯相應(yīng)洪峰水位關(guān)系曲線及其傳播時(shí)間曲線。其相互近似關(guān)系如圖4～5所示。

經(jīng)回歸分析，WL01測(cè)站和WL02測(cè)站水位,傳播時(shí)間的函數(shù)關(guān)系分別如式(3)～(4)所示：

-70.992ZWL01+4 505.2

(3)

ZWL02=1.040 6ZWL01-22.818

(4)

式中，t為傳播時(shí)間，ZWL01為WL01測(cè)站水位，ZWL02為WL02測(cè)站水位。

對(duì)于式(3)，本文使用了2018年3次洪峰實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)測(cè)WL01測(cè)站水位為178.7,180.2 m及186.7 m，傳播時(shí)間為2.50,2.25 h及1.25 h。使用式(3)計(jì)算得出傳播時(shí)間為2.44,2.13 h及1.27 h，與實(shí)際時(shí)間相比誤差為2.40%,5.33%,1.60%，表明其具有一定合理性。

圖4 WL01站水位與傳播時(shí)間關(guān)系 Fig.4 Relation between spreading time and water level of WL01

圖5 WL01和WL02測(cè)站水位關(guān)系Fig.5 Relation between water levels of WL01 and WL02

2.1.3 水位流量關(guān)系分析

綜合研究WL02測(cè)站水位及武隆水文站流量過(guò)程線，使用相應(yīng)水位法得出的水位-流量關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。

圖6 WL02測(cè)站水位-流量關(guān)系曲線 Fig.6 Water level-flow relation of WL02

WL02測(cè)站水位-流量關(guān)系曲線經(jīng)回歸分析得到式(5)，將WL02測(cè)站實(shí)時(shí)水位計(jì)算得出的流量作為上游邊界，可輸出河段的實(shí)時(shí)水情，將預(yù)報(bào)水位計(jì)算得出流量作為上游邊界，即可計(jì)算得到河段水情的預(yù)報(bào)。

+74 590.590ZWL02-397 2414.552

(5)

2.2 預(yù)測(cè)精度分析

通過(guò)對(duì)WL03和FL01監(jiān)測(cè)站進(jìn)行連續(xù)兩個(gè)月觀測(cè)，其預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，兩站位預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)過(guò)程吻合較好：WL03站水位最大相對(duì)誤差為1.1%，平均相對(duì)誤差為0.2%；FL01站水位最大相對(duì)誤差為0.8%，平均相對(duì)誤差為0.2%。

圖7 WL03站和FL01站水位預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.7 Comparison between forecasting and monitoring water level of WL03 and WL01

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線

系統(tǒng)采用基于B/S結(jié)構(gòu)的面向服務(wù)體系架構(gòu)(SOA)的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上支持大數(shù)據(jù)量的擴(kuò)展，能夠適應(yīng)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和用戶規(guī)模的擴(kuò)大，并具有較強(qiáng)的靈活性、可操作性和可擴(kuò)展性[17-19]。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合運(yùn)用了GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)、ASP.NET技術(shù)、SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù)字權(quán)限控制技術(shù)等[20-21]。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)以GIS平臺(tái)為系統(tǒng)框架基礎(chǔ)，以高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為圖形基礎(chǔ)，疊加顯示外場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水文預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，提供地圖導(dǎo)航、功能操作、動(dòng)態(tài)顯示等業(yè)務(wù)操作。系統(tǒng)布局如圖8所示。

(1) 地圖導(dǎo)航。地圖操作面板包括全圖、放大、縮小、平移等操作。

(2) 功能操作。該模塊包括圖層管理、空間量測(cè)、終端監(jiān)測(cè)、洪水預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)分析、閾值設(shè)置等功能，實(shí)現(xiàn)圖文一體化交互操作。

(3) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)儀表指針和柱狀圖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示5個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水位、流速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可與航道聯(lián)動(dòng)顯示。

由于不同身份的用戶其業(yè)務(wù)處理邏輯不同，系統(tǒng)為控制系統(tǒng)信息的閱讀范圍和業(yè)務(wù)權(quán)限，將用戶劃分為不同的角色，不同的用戶角色具有不同的系統(tǒng)操作權(quán)限和查詢權(quán)限，通過(guò)權(quán)限控制為不同身份的用戶賦予與之身份對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)操作，屏蔽不能執(zhí)行的操作調(diào)用，以此實(shí)現(xiàn)分工負(fù)責(zé)。該系統(tǒng)主要包括基本GIS操作、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息動(dòng)態(tài)顯示、洪水預(yù)報(bào)分析、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)測(cè)終端狀態(tài)自檢和安全預(yù)警管理等功能如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)主界面功能布局Fig.8 Function layout of system main interface

圖9 系統(tǒng)相關(guān)功能展示Fig.9 Display of system related function

3.3 系統(tǒng)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中研究并應(yīng)用了水文數(shù)據(jù)的多級(jí)分布式存取模型和基于北斗短消息的一體化通訊模式。

3.3.1 水文數(shù)據(jù)的多級(jí)分布式存取模型

在該系統(tǒng)中，水文數(shù)據(jù)更新頻率較快，長(zhǎng)期運(yùn)行后，如果頻繁從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)將導(dǎo)致系統(tǒng)訪問(wèn)速度緩慢，因此采用了數(shù)據(jù)庫(kù)索引技術(shù)和創(chuàng)建表分區(qū)的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，同時(shí)在服務(wù)器端將數(shù)據(jù)索引和當(dāng)前檢查的數(shù)據(jù)存放在緩存中，客戶端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求即可直接從緩存中獲取。此外，通過(guò)對(duì)水文時(shí)序數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)算處理，形成虛擬數(shù)據(jù)集，包括多維度統(tǒng)計(jì)分析、模型預(yù)測(cè)分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析計(jì)算。服務(wù)器端采用多級(jí)并發(fā)分布式模型，將服務(wù)器端的計(jì)算分成多個(gè)并發(fā)進(jìn)程同步執(zhí)行，采用信號(hào)量進(jìn)行多線程同步控制，并將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一包裝成序列化協(xié)議數(shù)據(jù)集，供客戶端調(diào)用。客戶端在調(diào)用時(shí)采用HTML5和JQuery方式，對(duì)調(diào)用參數(shù)進(jìn)行預(yù)分析和規(guī)則約束，對(duì)獲取的服務(wù)器端返回的序列化協(xié)議數(shù)據(jù)集進(jìn)行同步計(jì)算，包括模型預(yù)測(cè)計(jì)算、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析、GIS分布匹配、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，提高了系統(tǒng)的訪問(wèn)性能。

3.3.2 基于北斗短消息的一體化通訊模式

該系統(tǒng)WL03站點(diǎn)所處位置的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，采用3G通訊模塊偶爾會(huì)出現(xiàn)信號(hào)中斷的現(xiàn)象，同時(shí)此監(jiān)測(cè)站點(diǎn)又是模型計(jì)算中的關(guān)鍵位置點(diǎn)，因此開(kāi)發(fā)了基于北斗短消息的一體化通信裝置(integrated communication device, ICD)，集成了北斗通訊模塊、3G通訊模塊以及相關(guān)GPIO接口，實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯集、轉(zhuǎn)換、發(fā)送和接收。水文監(jiān)測(cè)傳感器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至ICD模塊，選擇北斗通道后通過(guò)北斗短消息功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。受通信頻率與通信容量(140個(gè)漢字)的限制，需嚴(yán)格控制發(fā)送包的電文長(zhǎng)度。此外，ICD可基于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)條件自主選擇3G通道或北斗短消息通道，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4 應(yīng)用效果分析

該系統(tǒng)于2016年10月在烏江銀盤(pán)電站下游79 km航段進(jìn)行成功示范應(yīng)用，運(yùn)行至今已積累300萬(wàn)條數(shù)據(jù)。2017年5月烏江汛期來(lái)臨，港航管理部門(mén)依靠該系統(tǒng)成功應(yīng)對(duì)了6月24日、7月1日和7月5日的洪峰過(guò)境。尤其在7月5日，銀盤(pán)電站當(dāng)天泄洪9 700 m3，根據(jù)以往管理經(jīng)驗(yàn)，上游電站泄洪超過(guò)8 000 m3流量時(shí)，下游即實(shí)行全航段禁航。但在該系統(tǒng)的支撐下，港航管理部門(mén)通過(guò)水文監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)信息，提前獲得下游水位的漲幅和最大流速，并提前部署應(yīng)急方案，通知下游船舶做好應(yīng)急準(zhǔn)備，在沒(méi)有禁航的條件下成功應(yīng)對(duì)了此次洪峰過(guò)境。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，此次洪峰期間下游FL01站最大水位落差由161.99 m上漲至169.62 m，最大流速為1.37 m/s，船舶可安全航行。通過(guò)數(shù)次洪峰檢驗(yàn)，該系統(tǒng)可為烏江航運(yùn)安全提供全天候、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)化的水上安全監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)保障，能為航道安全監(jiān)管提供了科學(xué)有效的支撐。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)研發(fā)水上安全預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，創(chuàng)新了港航傳統(tǒng)業(yè)務(wù)管理模式，發(fā)揮了信息化技術(shù)在港航領(lǐng)域的防洪與應(yīng)急作用。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，港航管理人員足不出戶即可掌握航道的水文信息，提高了水文預(yù)報(bào)的工作質(zhì)量和效率，能夠提前預(yù)知并做出應(yīng)對(duì)策略。而且該系統(tǒng)具有良好的示范效應(yīng)，在全國(guó)尤其是山區(qū)河流地區(qū)具有較高的推廣價(jià)值。