□張丙辰 苗紫薇

河流流量測(cè)驗(yàn)ITMS系統(tǒng)已在全國各基層水文站廣泛應(yīng)用多年，并在實(shí)踐中不斷完善，成為立足測(cè)驗(yàn)、面向整編、成熟穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)。ITMS可歸納為兩部分：一部分是連接與便攜式計(jì)算機(jī)配套的測(cè)驗(yàn)信號(hào)裝置，直接采集測(cè)速信息，并即時(shí)分析輸出計(jì)算結(jié)果，支持2種測(cè)速信號(hào)裝置，使傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化的作業(yè)模式，一是通過計(jì)算機(jī)USB口無線接收水面、河底和流速儀3路信號(hào)，雙工通訊穩(wěn)定低耗；二是通過簡(jiǎn)單改裝鼠標(biāo)代替測(cè)速裝置實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)驗(yàn)。另一部分是流量、輸沙率智能分析計(jì)算，包括流速儀管理、流量不確定度和誤差分析、面向資料整編的實(shí)測(cè)流量成果管理等。

系統(tǒng)在最大限度為用戶提供便利人性化設(shè)計(jì)方面，許多細(xì)節(jié)系統(tǒng)操作說明書和該系統(tǒng)相關(guān)文獻(xiàn)中未能做出詳盡介紹，需要用戶在程序運(yùn)行中進(jìn)行感知和體驗(yàn)。例如流量施測(cè)起訖時(shí)間的獲得，往往用戶在施測(cè)或錄入開始，會(huì)在界面的參數(shù)錄入?yún)^(qū)域直接鍵入日期和時(shí)間。實(shí)際上，如果忽略此項(xiàng)錄入，當(dāng)選中首條垂線（測(cè)點(diǎn)）并按下施測(cè)鍵的同時(shí)，會(huì)自動(dòng)添加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間作為起時(shí)間，最后垂線（測(cè)點(diǎn)）測(cè)速結(jié)束并保存的同時(shí)，會(huì)再次自動(dòng)添加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間作為訖時(shí)間，并自動(dòng)給出平均施測(cè)時(shí)間。由于程序會(huì)以用戶鍵入的時(shí)間為準(zhǔn)，即一旦用戶自行鍵入時(shí)間，程序就不再負(fù)擔(dān)該項(xiàng)任務(wù)，導(dǎo)致一些用戶沒有發(fā)現(xiàn)此類人性化設(shè)計(jì)功能的存在。為此，現(xiàn)分享以下幾點(diǎn)在應(yīng)用實(shí)踐中總結(jié)的類似功能。

1.測(cè)驗(yàn)作業(yè)方面

1.1 沒有配套信號(hào)裝置時(shí)的測(cè)驗(yàn)

大多數(shù)情況，特別是橋測(cè)等臨時(shí)測(cè)流斷面，使用ITMS系統(tǒng)的3路信號(hào)測(cè)速裝置，甚至使用專用鼠標(biāo)采集流速儀信號(hào)，連接和測(cè)試操作都較為繁瑣，如沿用原有音響器以最原始的測(cè)速方式更為便捷，往往測(cè)驗(yàn)人員會(huì)攜帶停表等測(cè)驗(yàn)工具，并將測(cè)到的總歷時(shí)、總轉(zhuǎn)數(shù)等信息人工錄入系統(tǒng)，使系統(tǒng)成為計(jì)算器。此種情況仍然可以借助系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的虛擬停表計(jì)時(shí)，并通過人工按鍵計(jì)數(shù)，高效完成測(cè)驗(yàn)過程。具體操作描述如下：①鼠標(biāo)雙擊（或快捷鍵F8）選中將要施測(cè)的測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)所在的行變?yōu)樗{(lán)色光帶。②鼠標(biāo)單擊（或快捷鍵F12）界面左邊的虛擬停表，進(jìn)入施測(cè)準(zhǔn)備，如圖1。③流速儀音響器每有效響鈴一次，人為按快捷鍵F11計(jì)數(shù)1次。當(dāng)?shù)谝淮伟存I時(shí)，系統(tǒng)會(huì)播報(bào)0并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間超過設(shè)定的測(cè)速最短歷時(shí)（60s或100s）并按下F11計(jì)數(shù)，此次測(cè)速結(jié)束，程序會(huì)自動(dòng)完成此時(shí)的過程計(jì)算分析，且藍(lán)色光帶自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一測(cè)點(diǎn)，語音播報(bào)當(dāng)前斷面流量情況和下一個(gè)測(cè)點(diǎn)起點(diǎn)距、水深等數(shù)據(jù)，依次直到完成最后一個(gè)垂線的測(cè)速，即完成整個(gè)斷面測(cè)驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)速停表（左側(cè)）見圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)速停表（左側(cè)）

在施測(cè)過程中，可以看到測(cè)速時(shí)間累計(jì)輸出在停表和“流量測(cè)驗(yàn)計(jì)算表”的總歷時(shí)欄目中同步顯示。經(jīng)驗(yàn)證，雖然該停表是編程虛擬的，但它讀取的是計(jì)算機(jī)CPU耗時(shí)，精確可信。需要注意的是：每次測(cè)速為超過設(shè)定測(cè)速最短歷時(shí)自動(dòng)結(jié)束，而不是人為按快捷鍵F12停止，界面上提示的“F12啟停”是人為撤銷無效測(cè)速時(shí)的停止，此任務(wù)也可由鼠標(biāo)單擊停表來操作，即“啟”和“?！庇赏皇录?qū)動(dòng)交替完成。

1.2 流速儀管理

ITMS是面向機(jī)械流速儀測(cè)流開發(fā)的軟硬件系統(tǒng)，軟件在科學(xué)、便捷管理所使用的流速儀方面體現(xiàn)在以下兩方面。

1.2.1 流速儀的注冊(cè)

系統(tǒng)專門為用戶提供了一個(gè)注冊(cè)流速儀界面，需要用戶將測(cè)站常用流速儀的牌號(hào)、公式、公式范圍和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)等信息填寫到表格，建立到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，供每次測(cè)流時(shí)選擇使用，測(cè)驗(yàn)基本參數(shù)錄入?yún)^(qū)域見圖2。除此之外，在此測(cè)驗(yàn)基本參數(shù)錄入?yún)^(qū)域，用戶可錄入一架新的流速儀，系統(tǒng)會(huì)識(shí)別并自動(dòng)注冊(cè)到數(shù)據(jù)庫，同時(shí)每次測(cè)驗(yàn)開始系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)沿用上一測(cè)次使用的流速儀，最大限度節(jié)約用戶時(shí)間。往往用戶發(fā)現(xiàn)只要填寫正確的流速儀公式，就能滿足測(cè)驗(yàn)和計(jì)算要求，于是忽略了流速儀的牌號(hào)等其他信息錄入，顯然這樣不能進(jìn)行自動(dòng)注冊(cè)，致使每次測(cè)驗(yàn)都要重復(fù)填寫。

圖2 測(cè)驗(yàn)基本參數(shù)錄入?yún)^(qū)域

1.2.2 監(jiān)控測(cè)速和累計(jì)使用時(shí)間

一是實(shí)時(shí)對(duì)計(jì)算得到的測(cè)點(diǎn)流速同流速儀公式范圍進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)發(fā)生超范圍測(cè)點(diǎn)時(shí)會(huì)報(bào)警提醒；二是自動(dòng)對(duì)使用同一架流速儀的每一測(cè)次工作時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，當(dāng)超過80小時(shí)后會(huì)提醒送檢流速儀。這也是軟件的智能分析計(jì)算功能之一，前提是流速儀已經(jīng)注冊(cè)到數(shù)據(jù)庫，且包含流速儀公式范圍。

1.3 使用多種測(cè)速方法的處理

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，系統(tǒng)支持兩種測(cè)驗(yàn)方法，即流速儀法和均勻浮標(biāo)法，且只針對(duì)1架機(jī)械式流速儀。實(shí)踐中常會(huì)受斷面條件等約束，同一斷面使用多架流速儀，以及使用或混合使用非機(jī)械式流速儀情況，系統(tǒng)解決這些復(fù)雜情況的做法是允許用戶自行填寫測(cè)點(diǎn)流速。在測(cè)驗(yàn)基本參數(shù)的錄入?yún)^(qū)域，勾選“使用了其他方法，手工填寫測(cè)點(diǎn)流速”項(xiàng)后，如圖2，“流量測(cè)驗(yàn)計(jì)算表”中測(cè)點(diǎn)流速欄目開放接收用戶錄入，允許這樣的測(cè)點(diǎn)從測(cè)點(diǎn)流速起算得到部分流量和斷面流量?？梢?，對(duì)于部分應(yīng)急監(jiān)測(cè)斷面，即使所有垂線測(cè)點(diǎn)全部使用電波流速儀測(cè)速，也可通過此方式完成測(cè)驗(yàn)，這一設(shè)計(jì)模式讓系統(tǒng)達(dá)到“無所不能”。

2.分析計(jì)算方面

2.1 岸邊和死水的處理

任何測(cè)流斷面至少有2個(gè)岸邊，受某些因素影響致使水流不暢時(shí)可能還會(huì)出現(xiàn)死水面積，即存在死水邊。

流量測(cè)驗(yàn)計(jì)算表中設(shè)置了岸邊系數(shù)欄目，需要人工在相應(yīng)的位置填寫系數(shù)，程序計(jì)算部分流量時(shí)會(huì)正確識(shí)別到岸邊和該系數(shù)，如果任何一個(gè)岸邊位置為空，則會(huì)默認(rèn)為上一個(gè)岸邊系數(shù)值，如果都為空，則默認(rèn)為0.7，實(shí)際操作當(dāng)人工錄入大于1的無效系數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自行按照0.7進(jìn)行計(jì)算。

出現(xiàn)垂線平均流速為0，標(biāo)志著死水存在，程序計(jì)算部分流量時(shí)會(huì)正確識(shí)別，并乘以固定系數(shù)0.6。鑒于當(dāng)死水面積占斷面面積的比例不超過一定值時(shí)，要求忽略不計(jì)死水，系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)死水面積占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在界面的流量分析計(jì)算成果區(qū)域設(shè)置“忽略”功能按鈕，如圖3。測(cè)驗(yàn)完成后，如用戶認(rèn)為不計(jì)死水，點(diǎn)擊該按鈕后程序會(huì)將各死水垂線流速0去掉，使其成為只測(cè)水深不測(cè)流速的垂線。

圖3 流量分析計(jì)算成果區(qū)域

2.2 特殊數(shù)字修約要求的處理

流量測(cè)驗(yàn)計(jì)算表是PowerBuilder的EditChanged事件驅(qū)動(dòng)的即時(shí)智能分析計(jì)算模式，輸入輸出在同界面完成。開發(fā)者采用“四舍六入”自定義函數(shù)對(duì)中間過程和計(jì)算結(jié)果中各列數(shù)值嚴(yán)格依規(guī)控制，其智能化、規(guī)范化、人性化設(shè)計(jì)，這是ITMS系統(tǒng)的精髓。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還支持兩類超出規(guī)范要求的特殊數(shù)字修約方式。

一是不取舍中間過程數(shù)值的小數(shù)。為提高測(cè)驗(yàn)精度，某些地區(qū)少數(shù)特殊測(cè)流斷面要求“測(cè)點(diǎn)流速”“部分流速”“部分面積”“部分流量”等中間過程數(shù)值小數(shù)部分全部保留?？赏ㄟ^勾選“中間過程小數(shù)不被取舍”項(xiàng)，控制各中間過程數(shù)值均保留了15位小數(shù)，足以符合這一特殊要求。

二是小河斷面的起點(diǎn)距。許多小于5m河寬的小河斷面要求起點(diǎn)距保留2位小數(shù)，即精確到厘米。系統(tǒng)未對(duì)此做單獨(dú)處理，而是采用起點(diǎn)距的小數(shù)位數(shù)以人為錄入為準(zhǔn)的原則，即錄入數(shù)據(jù)為整數(shù)時(shí)，自動(dòng)為其補(bǔ)1位0，而用戶錄入了小數(shù)后，不管是幾位均不取舍。在水面寬累計(jì)不超5m時(shí)，各起點(diǎn)距的小數(shù)位數(shù)實(shí)際是幾位就按幾位計(jì)算，非常人性化。

3.輔助整編方面

3.1 實(shí)測(cè)流量成果

系統(tǒng)隨時(shí)可以對(duì)任一測(cè)流斷面的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行年度成果分析，生成符合整編要求的實(shí)測(cè)流量（輸沙）成果表。但行業(yè)水文資料整編軟件系統(tǒng)對(duì)此設(shè)定了嚴(yán)格文本格式供其讀取，該文本需要由整編工作人員手工錄入，繁瑣且易出錯(cuò)。為此，ITMS系統(tǒng)通過編程實(shí)現(xiàn)了這一文本的制作，并可一鍵直接“拷貝到其他應(yīng)用”，見圖4。

圖4 實(shí)測(cè)流量成果整編文本制作

3.2 水位流量關(guān)系無線推流

系統(tǒng)為水情報(bào)汛提供了推求日平均流量和斷面徑流量功能，是測(cè)站“四隨”和報(bào)汛工作的得力工具。在此界面上存在“無線水位推流”功能按鈕，該推流方法是在全部歷史水位流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由用戶憑經(jīng)驗(yàn)優(yōu)選其中一部分進(jìn)行推流，只有相關(guān)數(shù)據(jù)沒有定線，數(shù)據(jù)可以來自本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，也可以來自外部文件，見圖5。用戶在推求相應(yīng)水位的流量時(shí)，可自行篩選相同水位級(jí)、相同水勢(shì)以及最新測(cè)次等參加此次推流。

圖5 水位流量關(guān)系無線推流

經(jīng)驗(yàn)證，該推流方法理論基礎(chǔ)為拉格朗日插值法，但插值節(jié)點(diǎn)未在定線后獲得，而是用戶篩選后的實(shí)測(cè)水位流量數(shù)據(jù)點(diǎn)，更加符合實(shí)際。

4.優(yōu)化測(cè)流方面

系統(tǒng)可以對(duì)任何一次實(shí)測(cè)成果進(jìn)行不確定度和系統(tǒng)誤差分析計(jì)算，見圖6。程序統(tǒng)計(jì)測(cè)速垂線數(shù)量、斷面寬深比等參數(shù)，用戶在確認(rèn)測(cè)站類別和水位級(jí)后可得到此次流量總不確定度和已定系統(tǒng)誤差。最初給出參數(shù)為統(tǒng)計(jì)實(shí)際數(shù)據(jù)，但都可編輯更改，可通過人為假定參數(shù)，特別是增減測(cè)速垂線數(shù)量和測(cè)速總歷時(shí)，直到得到滿意的不確定度和系統(tǒng)誤差，這一功能成為優(yōu)化斷面測(cè)流方案的工具模型。

圖6 不確定度和系統(tǒng)誤差分析

類似上述人性化設(shè)計(jì)還有許多，例如多點(diǎn)法智能識(shí)別和計(jì)算、借用大斷面取得有效水深、水面流速系數(shù)率定等。ITMS嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)、編程風(fēng)格和強(qiáng)大功能，體現(xiàn)了開發(fā)者對(duì)流量測(cè)驗(yàn)工作的深刻理解，已使其成為基層水文測(cè)整人員信賴的工具，但在長(zhǎng)期應(yīng)用中也暴露了“便攜式計(jì)算機(jī)不便攜”這一不足，主要體現(xiàn)在：冬季野外測(cè)驗(yàn)電量消耗太快甚至液晶屏被凍，雨雪天氣下需要保護(hù)，但此兩點(diǎn)在有纜道室或工作車或測(cè)船時(shí)均可以解決，類似條件下大都使用ADCP施測(cè)，致使許多臨時(shí)斷面測(cè)驗(yàn)受到局限。因此，有必要將軟件操作部分從Windows移植 到Android系統(tǒng)下，可讓用戶持更便攜的手機(jī)，依靠體溫和雨具即能維持工作。