孫 振 勇，金 奇，戴 劍

(1.長江水利委員會水文局 長江上游水文水資源勘測局，重慶 400021； 2.重慶長毛象科技有限公司，重慶 400014)

0 引 言

水文應急監(jiān)測工作是水事件災后應急處置的重要內(nèi)容，為災害風險評估、應急排險等提供數(shù)據(jù)服務和決策依據(jù)，可有效降低災害風險，挽回重要損失[1-2]。災區(qū)水文監(jiān)測環(huán)境惡劣，具有洪水量級大、流速快、監(jiān)測條件差、人身安全難以保障等特點[3]，傳統(tǒng)方法采用手持電波流速儀(SVR)和簡易浮標法進行，存在測量手段單一、計算工作量大、技術人員自身的安全受到災區(qū)次生災害威脅等問題。

近年來，隨著電子通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、雷達技術、無人機技術的發(fā)展，以GNSS電子浮標和無人機雷達測流[4]、無人機影像測流[5]為代表的新技術逐步應用于水文測驗等領域，但后兩項目前仍處于試驗研究階段。GNSS電子浮標最早于20世紀90年代在國外用于海平面測高觀測研究，在國內(nèi)應用于水文流量測驗(內(nèi)河)始于近5 a，起步較晚但發(fā)展較為迅速[6]。早期產(chǎn)品受GNSS芯片、通訊、制造技術等限制，存在著浮標終端龐大笨重、搬運與投放不便、定位精度不高等缺陷，更沒有對應的專用平臺軟件進行實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)計算。

水文應急監(jiān)測下的流量測驗工作，應是提高作業(yè)的安全、數(shù)據(jù)的精度和內(nèi)業(yè)計算分析的強度。為提升水文應急監(jiān)測能力，本文設計開發(fā)出一款基于水文應急監(jiān)測的GNSS測流系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)平臺支持移動終端應用服務，可通過手機APP端或平板實現(xiàn)多用戶在線服務，可對多個流速球終端進行遠程監(jiān)測、數(shù)據(jù)實時查看、簡要分析計算和數(shù)據(jù)下載存儲。通過大量試驗數(shù)據(jù)和項目實例運用表明，該測流系統(tǒng)平臺操作簡便、數(shù)據(jù)直觀、技術穩(wěn)定可靠，可滿足搶險救災中的水文應急監(jiān)測數(shù)據(jù)快速收集工作。

1 水文應急測流業(yè)務分析

突發(fā)水事件發(fā)生后，根據(jù)需要，在應急管理部門和相關專業(yè)技術單位的指導下，應急監(jiān)測隊伍應迅速啟動應急監(jiān)測預案、開展水文應急監(jiān)測，有效收集到相關水文數(shù)據(jù)信息，給應急管理部門和相關單位決策提供依據(jù)，最大限度地降低災害帶來的損失[7]。

傳統(tǒng)水文應急監(jiān)測按以下流程實施：應急監(jiān)測隊伍負責人同技術人員現(xiàn)場踏勘，收集資料，編制應急監(jiān)測技術方案；測流監(jiān)測技術員依據(jù)技術方案選擇合適的儀器設備進行流量監(jiān)測并上報監(jiān)測數(shù)據(jù)；應急監(jiān)測隊伍負責人(或前方負責人)組織災區(qū)內(nèi)水文應急監(jiān)測實施，匯總數(shù)據(jù)、分析梳理并及時上報等工作；應急調(diào)查專家接收各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定應急處置方案。陳松生等[2]指出災區(qū)水文測驗設施和設備破壞嚴重，技術人員安全保障性差；官學文等[8]提出水文應急監(jiān)測常規(guī)手段無法實施，數(shù)據(jù)通訊傳輸困難。此外，傳統(tǒng)水文應急監(jiān)測還存在監(jiān)測精度較低、計算數(shù)據(jù)量大(不能自動計算與分析)等特點。鑒于此，水文應急測流平臺設計應面向全體監(jiān)測參與人員，具備快速、抗干擾、輕便易攜帶、結(jié)果準確直觀等要求與特點。

2 系統(tǒng)平臺設計

2.1 系統(tǒng)平臺總體設計

系統(tǒng)平臺應能滿足災區(qū)特殊環(huán)境條件下的水文應急流量測驗，同時兼顧水利工程建設、航道港口、水文測報等常規(guī)條件下的流量測驗工作。系統(tǒng)設計基于5G(向下兼容4G，3G，2G頻段)通訊技術[9]和GNSS高精度定位追蹤技術進行研發(fā)，建立集流量數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、專業(yè)綜合分析等功能于一體的多流速球終端同步測流集成系統(tǒng)和多用戶在線監(jiān)測系統(tǒng)，構建安全、精確、高效、穩(wěn)定的水文應急測流平臺[10]。系統(tǒng)平臺總體架構如圖1所示。

2.2 終端設計

系統(tǒng)測流方法本質(zhì)上是浮標法測量，終端稱之為智能流速球(見圖2)。流速球以ABS熱塑性材料為原料，采用3D打印技術制作，防水性能好、成本較低[11]。流速球整體外觀為手握式球型，球型外表面采用對稱凹槽設計，可增大水流阻力，使球體與水流速度更加接近。球體內(nèi)部配有浮球配重塊，防止浮球終端側(cè)翻和傾覆，保證GNSS工作過程中始終能有效接收到衛(wèi)星信號而正常工作。

流速球搭載了容量為5 000 mAh可充電鋰電池為工作電源，可保證長時效工作時長。機身設計有紅、黃、綠三色3個指示燈，方便技術人員判斷流速球的工作狀態(tài)。流速球采用了雙饋點GNSS天線設計，提高了對GNSS多路徑(交叉極化)信號的排斥，測量精度得到有效保證。

2.3 架構設計

根據(jù)水文應急監(jiān)測測流的業(yè)務需求，系統(tǒng)整體的開發(fā)模式采用瀏覽器/服務器(Browser/Server，簡稱 B/S)模式[12]。智能流速球通過5G通訊信號將流速、流向、坐標數(shù)據(jù)實施傳輸分發(fā)到后臺服務器、手機客戶端APP。手機APP端通過移動通訊信號進行通訊，Web端(PC后臺管理系統(tǒng))通過TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議進行通訊。GIS接口基于“天地圖”的API接口或高德地圖的API接口，綜合運用HTML5、Android JAVA、Python、PHP、SQLite等編程技術研制[13-14]。整個系統(tǒng)自下而上分為5個層面：硬件層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層和視圖層，其中，視圖層與應用層緊密相連，為用戶使用應用層的交互頁面，故兩者不再各自單獨描述，如圖3所示。

(1) 硬件層為系統(tǒng)提供所需的設備和運行環(huán)境，滿足多終端數(shù)據(jù)存儲和多用戶計算分析功能。系統(tǒng)服務器使用 Linux 操作系統(tǒng)，兼容Windows系統(tǒng)，可確保系統(tǒng)后臺的穩(wěn)定運行；網(wǎng)絡編程采用TCP和UDP協(xié)議；編程語言采用Python語言，易于維護，方便移植和擴展。

(2) 數(shù)據(jù)層為平臺提供系統(tǒng)所應用的各種前后臺結(jié)構化、非結(jié)構化數(shù)據(jù)，含測量數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)和底圖數(shù)據(jù)。管理平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫設計；APP端選用 SQLite 數(shù)據(jù)庫，采用JAVA語言編程；底圖數(shù)據(jù)兼用天地圖、高德地圖等地圖資源。

(3) 服務層是所有根據(jù)業(yè)務邏輯關系抽象出來的功能或功能集合，采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想，根據(jù)水文應急監(jiān)測測量的實際工作業(yè)務流程，對數(shù)據(jù)收集、操作和管理進行抽象化設計、模塊化調(diào)用，含底圖API、專業(yè)模塊功能以及數(shù)據(jù)備份3個模塊。

(4) 應用層分為管理后臺和手機 APP 2個平臺的應用業(yè)務。管理后臺的應用業(yè)務在瀏覽器中實現(xiàn)各種管理業(yè)務；移動端APP的測量操作功能實現(xiàn)遠程流速球終端的流量測量操作。

(5) 視圖層基于服務層的天地圖或高德地圖的 API 接口進行操作，在 PC 端展現(xiàn)管理后臺的人員管理、設備管理、數(shù)據(jù)查詢等功能；手機APP 端實現(xiàn)在線流速球終端在天地圖(或高德地圖)底圖上的操作和交互功能[15-16]。

2.4 功能設計

系統(tǒng)分為Web端與APP端，Web端用戶對象為系統(tǒng)管理員和數(shù)據(jù)分析人員，主要實現(xiàn)流速球終端數(shù)據(jù)接收、信息管理等功能，設計有人員管理、設備管理、設備數(shù)據(jù)、測量記錄、專業(yè)功能、坐標轉(zhuǎn)換等6個功能模塊；APP端設計有測量任務、設備管理、設備數(shù)據(jù)、測量記錄、專業(yè)功能、坐標轉(zhuǎn)換等6個功能模塊，用戶對象為監(jiān)測技術人員、監(jiān)測負責人、應急專家、決策專家，經(jīng)服務器后臺授權，用戶可以通過本機手機號碼一鍵登錄APP。依據(jù)使用對象設置不同使用權限，可實現(xiàn)監(jiān)測、監(jiān)視、數(shù)據(jù)查看、軌跡回放等任務接收、實施及數(shù)據(jù)上傳下載等功能。系統(tǒng)功能模塊設計如圖4所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用高德地圖或天地圖(影像)API調(diào)用底圖數(shù)據(jù)和交互操作，支持矢量地圖、遙感影像視圖切換顯示，直觀展示了流速球及周圍自然環(huán)境；用戶可進行簡便高效的地圖操作，實現(xiàn)地圖縮放、圖上測距、拉框搜索等功能，為水文應急監(jiān)測現(xiàn)場工作與后臺數(shù)據(jù)管理提供了非常便利的條件。

3.1 測流實現(xiàn)

基于水文應急監(jiān)測的GNSS測流系統(tǒng)平臺APP主界面如圖5所示，經(jīng)后臺授權的手機號和密碼登錄APP端后，點擊開始測量，選擇設備，將APP與流速球匹配好后，設置當前測量項目名稱、流速球預警速度、風向信息等，即可開始測量。需要注意的是，流速球在測量前需開機初始化1 min滿足測量要求后拋入待測水域。開始測量后，經(jīng)授權的所有人員可登錄APP或管理平臺實時查看測量狀態(tài)，包括當前位置、流速、流向等數(shù)據(jù)信息，也可以在設備管理模塊中監(jiān)管流速球終端名稱代碼、上報頻率、工作狀態(tài)等。測量完成以后，點擊“停止測量”按鈕，則完成一次測量。

3.2 數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計

平臺“測量記錄”功能模塊提供了豐富的圖標形式直觀查看各種原始數(shù)據(jù)。界面以表格的形式直觀給出了測量任務名稱、測量設備、開始時間、結(jié)束時間、預警速度、實時軌跡、數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)導出等子功能。

實時軌跡功能模塊可查看基于地圖底圖的單次測量任務的流速球軌跡動畫，畫面簡潔直觀，操作簡單。用戶可通過控制菜單實現(xiàn)多倍速狀態(tài)下的軌跡動畫開始、暫停、繼續(xù)、停止功能，詳見圖6(a)。

數(shù)據(jù)查看功能模塊可查看當前任務的上報頻率，測流距離，最大流速及坐標位置，最小流速及坐標位置，平均流速信息。數(shù)據(jù)導出可根據(jù)任務要求導出原始數(shù)據(jù)不同坐標系下的坐標成果。圖6(b)給出了單個流速球終端一段時間的流速統(tǒng)計圖。

3.3 專業(yè)功能定制

系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了多流速球終端集群測量控制以及多用戶同時在線監(jiān)測管理的目的?？筛鶕?jù)集群數(shù)據(jù)進行多條件、多時間段的優(yōu)化、疊加組合、分析計算，利用Python語言的可擴展性或可嵌入性特點定制符合水文監(jiān)測要求的功能模塊[17]。例如：增加斷面流量計算功能，平臺根據(jù)斷面位置提取同一時段經(jīng)過斷面線的不同測線上的流速球終端的測流數(shù)據(jù)，計算大斷面流量并自動導出符合水文規(guī)范的數(shù)據(jù)圖表。繪制指定河段的流速分布圖，在兩江匯合口處特定區(qū)域，平臺根據(jù)范圍線坐標提取各流速球終端測流數(shù)據(jù)，依據(jù)給定的時間頻率計算不同測線的流速分布，綜合計算繪制出流速分布圖。

4 測試與運用

系統(tǒng)平臺在重慶市主城區(qū)長江寸灘河段、永川區(qū)朱沱河段、四川省宜賓市金沙江、長江和岷江河段開展了多次實際環(huán)境試驗，并與向家壩水電站壩下游流速流向測量項目的傳統(tǒng)手段測量數(shù)據(jù)進行了精度比測。部分測試數(shù)據(jù)結(jié)果與誤差分布統(tǒng)計見表1。

表1 數(shù)據(jù)測試結(jié)果統(tǒng)計Tab.1 The data testing results

真實環(huán)境測試與工程運用表明：技術人員通過手機APP可以輕松地進行流速測量與狀態(tài)監(jiān)控，操作簡單。系統(tǒng)終端防水、測量效果良好；平臺Web端、APP端與流速球終端數(shù)據(jù)通訊指標正常，丟包率與誤碼率極低，滿足系統(tǒng)設計要求；測流數(shù)據(jù)各指標相對誤差均小于1%，完全滿足水文應急監(jiān)測的精度需求。

5 結(jié) 論

(1) 系統(tǒng)平臺改變了傳統(tǒng)水文應急監(jiān)測的天然浮標加光學儀器測量、紙質(zhì)記錄、內(nèi)業(yè)測算、數(shù)據(jù)發(fā)文通知的工作模式，提高了工作效率，降低了工作人員的安全風險。

(2) 改進了早期GNSS電子浮標無法實時監(jiān)控與分析的不足，通過API 獲取基礎地理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了多流速球終端集群測量和多用戶在線監(jiān)測，并提供了豐富的編程接口，可供技術人員編制適應于工作的各種功能模塊。

(3) 通過系統(tǒng)平臺試驗，數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求，為水文應急監(jiān)測提供了又一快速、便利的監(jiān)測技術方式。