趙小峰

（遼寧成運(yùn)建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，遼寧 本溪 117000）

目前我國水文部門配備了一定數(shù)量的聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，簡稱ADCP），主要在長江、黃河等大江大河上進(jìn)行流量測驗(yàn)。然而，諸如流量測量時間長且效率低下，難以實(shí)現(xiàn)自動化操作及應(yīng)對復(fù)雜流量測量環(huán)境等，國內(nèi)外許多科學(xué)家都對流量測驗(yàn)方法進(jìn)行研究［1-2］。因此，要根據(jù)超標(biāo)洪水的實(shí)際情況，采用先進(jìn)的測流技術(shù)，取代常規(guī)流速儀測流，這不僅可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益“雙贏”，而且減輕了勞動強(qiáng)度，降低了測流風(fēng)險，提高了測驗(yàn)效率和精度，為水文部門實(shí)現(xiàn)簡單高效的站隊組合打下良好基礎(chǔ)。 項(xiàng)目結(jié)合數(shù)學(xué)、物理、遙感等模組技術(shù)，對超標(biāo)洪水測流技術(shù)進(jìn)行研究并開發(fā)了測報一體化信息平臺［3-4］。

1 研究內(nèi)容

通過數(shù)學(xué)模型、 物理模型對遙測模組構(gòu)建進(jìn)行理論研究， 并結(jié)合理論研究成果對超標(biāo)洪水測流技術(shù)進(jìn)行探索， 形成基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的遙測浮標(biāo)概化構(gòu)建方案，并搭建綜合業(yè)務(wù)平臺［5-6］。

1.1 遙測模組構(gòu)建理論技術(shù)

1.2 遙測浮標(biāo)概化模型

通過浮標(biāo)測流實(shí)驗(yàn)， 研究構(gòu)建遙測浮標(biāo)概化模型，將遙測浮標(biāo)理論研究結(jié)論和測驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推廣，以逐步實(shí)現(xiàn)遙測浮標(biāo)測流的信度和效度值既適用于測流實(shí)驗(yàn)范圍，也可用于實(shí)際超標(biāo)準(zhǔn)洪水情境，以獲得較高的概化性［7-10］。

1.3 綜合業(yè)務(wù)平臺

構(gòu)建超標(biāo)洪水測報系統(tǒng)平臺, 以水動力模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建包括自動采集、遠(yuǎn)程測報、流量實(shí)時收發(fā)的平臺系統(tǒng)架構(gòu)，植入流速計算算法優(yōu)化， 配備導(dǎo)入河流斷面數(shù)據(jù)和實(shí)時水位數(shù)據(jù)接口，研究系統(tǒng)平臺可視化智能化測報。

1.4 確定智能浮標(biāo)流速流量率定系數(shù)

在遼河平原、渾河、太子河和遼西山區(qū)的中小河流進(jìn)行智能浮標(biāo)流速系數(shù)試驗(yàn)。 通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及歷史數(shù)據(jù)分析， 提出不同流速級及不同過水?dāng)嗝鏃l件下， 平原區(qū)及山丘區(qū)型河流智能浮標(biāo)法的流速流量率定系數(shù)。

2 智能浮標(biāo)集成裝置組件

智能浮標(biāo)是利用3D 打印技術(shù)設(shè)計和部署的，考慮到各種條件，如洪水期間的波浪和水的下降,浮標(biāo)形狀是流線型的，以適應(yīng)河流超標(biāo)水體的特點(diǎn)，進(jìn)水口是磨砂的，以增加外殼的摩擦,由浮標(biāo)和水體之間的運(yùn)動引起的數(shù)據(jù)波動被大大消除。 流線型外殼的防水設(shè)計是專門為達(dá)到IPX5 防水而設(shè)計的，可防止泄漏和溢出，并保護(hù)浮標(biāo)上的電子裝置。外殼是由強(qiáng)度高的環(huán)保工程塑料制成的, 其尺寸只有20 cm，重量僅0.5 kg。浮標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 浮標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

衛(wèi)星定位模塊優(yōu)先考慮衛(wèi)星定位系統(tǒng), 該系統(tǒng)由中國獨(dú)立開發(fā)，有5 個主要功能：高效導(dǎo)航、快速定位、準(zhǔn)確計時、位置報告和短信通訊服務(wù)。與GPS相比，衛(wèi)星定位模塊具有短信通信功能。主要覆蓋中國大陸、東南亞、東亞和印度洋地區(qū), 提高敏感水域和重要地區(qū)的測量數(shù)據(jù)的安全性, 該覆蓋區(qū)具有信號強(qiáng)度高、信號覆蓋好、成本低、傳輸安全等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的浮標(biāo)流量測驗(yàn)是在短于10 m 的河床上進(jìn)行的，沒有彎道，河床液面具有一定高度。水面平均寬度和高度的測量方法： 取一個漂浮物放在流動的河流上游段中心， 讓漂浮物在不受外力影響下流過測量的距離，并記錄其流動時間。這樣重復(fù)幾次，就可得到一個平均值。 傳統(tǒng)浮標(biāo)法測流可應(yīng)用與多種復(fù)雜的測流環(huán)境， 但人為因素干預(yù)過高， 系統(tǒng)誤差相對較大。

衛(wèi)星定位模塊使用差分定位, 以衛(wèi)星定位系統(tǒng)通信模塊為主要模塊，GPS 通信模塊是次要模塊, 可進(jìn)行亞米級的定位，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；結(jié)合了GSM網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)的定位終端, 具有實(shí)時跟蹤設(shè)備位置、軌跡回放、遷移、距離和振動警報功能,設(shè)備和客戶端應(yīng)用程序可使用手機(jī)或PC 基于位置的服務(wù)平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)

安全可靠的數(shù)據(jù)模塊， 用于雙向互動通信的無縫連接。高精度、高可靠性和低能耗是傳感器的優(yōu)先事項(xiàng)。智能化的模塊化設(shè)計與集成控制，既有時間控制的開關(guān)，便于開啟衛(wèi)星接收啟動、自動定位、數(shù)據(jù)傳輸和接收的工作操作。

我說，估計是個小偷，看見我嚇跑了。劉偉說，我們快撤，去藍(lán)夜電影院拿錢！我驚慌起來：“你們干完了？就這一會兒你們就干完了？”“你做得很好，”劉偉說，“完事了，意想不到的順利！”

2.2 數(shù)據(jù)算法

流速儀可分為旋槳式轉(zhuǎn)、電磁式、超聲波式等，這些系統(tǒng)相對比傳統(tǒng)的浮標(biāo)系統(tǒng)更精確。 適用于良好的流量測量條件。 在較大或較復(fù)雜的水體中可能出現(xiàn)系統(tǒng)差。 根據(jù)浮標(biāo)位置和移動的時間差計算流速和流向。 智能浮標(biāo)中的衛(wèi)星定位模塊利用差分定位原理， 從而提供亞米級的高精度定位能力， 從而保障了數(shù)據(jù)精度； 流速的計算算法利用水流特征對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波計算， 消除浮標(biāo)因水流擾動帶來的誤差。智能浮標(biāo)被安放在河里，并向下游移動,浮標(biāo)內(nèi)的定位和通信模塊每秒收集浮標(biāo)的位置， 并將其傳輸?shù)街行牡谋O(jiān)控軟件中, 數(shù)據(jù)將被監(jiān)測軟件接收,將過濾掉無效的數(shù)據(jù)點(diǎn), 流速和方向也是根據(jù)流量特性算法計算出來的，結(jié)果顯示在監(jiān)測軟件中。

2.3 代價計算

歸一化相關(guān)函數(shù)（NCC）被用作計算成本的相似度函數(shù),NCC 生成值越高， 匹配點(diǎn)的相似度就越高。NCC 計算對準(zhǔn)成本的主要特點(diǎn)是對準(zhǔn)精度高， 對變化的魯棒性好，數(shù)值范圍固定［-1,1］，計算復(fù)雜性高。即使在使用并行計算加速的情況下，NCC 也能達(dá)到良好的計算速度。

2.4 差值選取

首先， 選擇布局的最大值作為替代搜索空間的候選匹值，從候選匹值中選擇最佳匹配，候選匹配值被用來確定最佳匹配是否可靠, 匹配可靠性低的像素被選為不穩(wěn)定點(diǎn)，其位置被記錄。然后, 穩(wěn)定匹配的成本信息被用來更新不穩(wěn)定匹配的成本信息。假設(shè)項(xiàng)目間不確定性的代理i 滿足以下限制條件:

式中 δδcagg為Ccagg(p,i)在i 方向上的增量；J 為約束半徑。

這一限制意味著真實(shí)偏差周圍的代理值應(yīng)從兩者的倒數(shù)中點(diǎn)開始呈現(xiàn)出逐漸增加態(tài)勢。 如代理值滿足上述約束條件或全局最大值， 則相應(yīng)的差距被選為匹配的候選值，然后用置信系數(shù)來確定匹配是否合理。

2.5 不可靠匹配的優(yōu)化

記錄不滿足不穩(wěn)定標(biāo)簽的可靠性約束的測量點(diǎn)的位置,對于測量點(diǎn)不太可靠匹配團(tuán)隊成員，通過反復(fù)過濾更新成本信息。 類似于成本匯總的策略被用來更新不穩(wěn)定的成本信息， 通過策略可有效改善由于紋理缺失造成的不匹配。 這種成本更新策略只更新不可靠的匹配的成本信息，不影響可靠的匹配，從而防止不正確的匹配，同時保持正確的匹配。此外，應(yīng)進(jìn)行左右一致性檢查，以消除任何遮蔽點(diǎn)或差異。在各差值基礎(chǔ)上，匹配度應(yīng)具有像素的差值，對高精度立體匹配，整數(shù)差值很難滿足要求，通過對整數(shù)差值的初始相關(guān)代價進(jìn)行拋物線擬合。

2.6 電池組續(xù)航模塊

在超標(biāo)洪水等極端惡劣天氣的環(huán)境條件下，電池組續(xù)航系統(tǒng)往往決定著整個浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行的正常與否。 目前許多浮標(biāo)設(shè)備通常采用的是太陽能和蓄電池相結(jié)合的供電方式， 由于太陽能電池的發(fā)電效率目前還處在較慢較低的狀態(tài)， 超標(biāo)環(huán)境下惡劣天氣居多，且太陽能供電模式會使得浮標(biāo)體積較大，便攜性差，因此本次設(shè)計考慮采用鋰電池模組供電，在能量轉(zhuǎn)換和續(xù)航上對電池儲能進(jìn)行分析， 綜合確定鋰電池供電模組續(xù)航時間低續(xù)航版達(dá)72 h， 高續(xù)航版達(dá)360 h，充分實(shí)現(xiàn)智能浮標(biāo)的水流全流域流速及流向監(jiān)測。

3 智能浮標(biāo)測流綜合應(yīng)用

傳統(tǒng)水文測站施測流量方式為流速儀、橋測車、水文纜道、ADCP 等方法，在超標(biāo)洪水測量方面均存在局限性，尤其是在河里有很多漂浮物時，在暴風(fēng)雨期間和索道停電期間，情況更是如此。結(jié)合流速儀和ADCP，對遼寧省山區(qū)和平原的幾條河流進(jìn)行中泓浮標(biāo)法的流量數(shù)據(jù)分析, 確定智能浮標(biāo)的速度和流量之間的關(guān)系，以及站點(diǎn)的橫截面和流速之間的關(guān)系。

3.1 智能浮標(biāo)流速系統(tǒng)應(yīng)用研究

在實(shí)踐中， 選用智能浮標(biāo)的水面浮標(biāo)法測驗(yàn)大洪水流量是一種有效、安全、可靠的方法。采用智能浮標(biāo)使水面流速的測量更加安全可靠， 可在不同起始距離投放多個智能浮標(biāo)， 通過計算智能浮標(biāo)不同垂線的單寬流量，可計算出該段的虛擬流量。智能浮標(biāo)流量分析可使用多點(diǎn)法或單點(diǎn)法測量的流量數(shù)據(jù)，在相對水深為0.6 m 的情況下，結(jié)合中泓浮標(biāo)法的流量數(shù)據(jù)分析來確定。 智能浮標(biāo)的流量系數(shù)是根據(jù)GB50179—2015《河流流量測試規(guī)范》確定的，該規(guī)范使用測速法和ADCP 與智能浮標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行測試, 綜合確定山丘區(qū)結(jié)合水勢陡漲陡落等因素綜合取值0.85 m，平原區(qū)取0.90 m。

3.2 智能浮標(biāo)流量系數(shù)應(yīng)用研究

影響智能浮標(biāo)流量測量系數(shù)的因素包括水位、風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)浪和斷面穩(wěn)定性,通過測量實(shí)際斷面面積和測量流速來計算斷面流量。 河流過水?dāng)嗝孀畲罅魉冱c(diǎn)的連線為中泓線， 中泓浮標(biāo)是指自然或人工浮標(biāo)從浮標(biāo)在中泓線從上游到下游斷面的平均水面速度 （智能浮標(biāo)不受上下游落差或終點(diǎn)限制）。通過使用相應(yīng)的水位和斷面,推求計算有效斷面面積，并將效斷面面積乘以浮標(biāo)測量的平均水面速度，便得出該斷面的虛流量， 虛流量乘以流量系數(shù)即可得出斷面實(shí)際流量。因此，流量系數(shù)的穩(wěn)定性將直接影響到從虛擬流量到實(shí)際流量轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。 智能浮標(biāo)流速比是斷面實(shí)測流量與測量的虛擬流量之比。為了進(jìn)一步得出流量系數(shù)，用河槽改正系數(shù)KW對流量系數(shù)進(jìn)行校正。

式中Kw為河槽改正系數(shù)；Af是浮標(biāo)測量河段的平均斷面面積（m2）；Ac是流速儀測流斷面面積（m2）；Au是浮標(biāo)測量河段上斷面面積（m2）；Am為浮標(biāo)測量河段中斷面面積（m2）；Al為浮標(biāo)測量河段下斷面面積（m2）。

浮標(biāo)系數(shù)測驗(yàn)誤差的任務(wù)通過分析和測驗(yàn)兩種方式進(jìn)行的。 測試中誤差控制的主要內(nèi)容之一是控制水深、流量測量和起始距離?？刂普`差分析過程是基于趨勢線的擬合度R2， 它反映了估計值和真實(shí)值的擬合效果；擬合度越高，系數(shù)就越可靠。R2值的范圍從0 到1。R2值越接近1，可靠性就越高，反之亦然。

R2的計算公式：

式中sstotal 表示總平方和；Ssreg 表示回歸平方和，回歸平方和等于總平方和和殘差平方和（ssresid）之差。

遼河平原、渾河、太子河和遼西山區(qū)的中小河流基于1980 年至今歷史系列資料結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)比測資料分析確定智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流量系數(shù)如表1～表5， 綜合確定智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法平原區(qū)及山丘區(qū)流量系數(shù)如表6， 歷史系列資料部分根據(jù)各年實(shí)測流量成果表分析計算如式（4）～式（5）：

表2 渾河段智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流量系數(shù)

表3 太子河段智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流量系數(shù)

表4 中小河流（平原區(qū)）智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流量系數(shù)

表5 中小河流（山丘區(qū)）智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流量系數(shù)

表6 智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法綜合流量系數(shù)

式中Q虛為計算得出的斷面虛流量(m3/s)；Vmax為實(shí)測流量成果表單次測流最大流速(m/s)；S 為過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；Q實(shí)測為實(shí)測流量成果表中實(shí)測流量(m3/s)；K 為智能浮標(biāo)流量系數(shù)。

綜合流量系數(shù)表為通過歷史實(shí)測資料及2021年比測數(shù)據(jù)綜合得出， 取值可依據(jù)超標(biāo)洪水現(xiàn)場外部條件等各種因素綜合上下浮動。

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了遙測模組， 完成了智能浮標(biāo)集成裝置組件設(shè)計及生產(chǎn)。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型、物理模型，構(gòu)建了遙測模組，基于通訊模塊、衛(wèi)星定位模塊、軟件收發(fā)模塊、供電模塊、載體模塊，設(shè)計了智能浮標(biāo)集成裝置組件，應(yīng)用3D 打印技術(shù)，制作了超標(biāo)洪水測報流線型防水智能浮標(biāo)。 衛(wèi)星定位模塊利用差分定位原理，提供亞米級定位，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。構(gòu)建了遙測浮標(biāo)概化模型，通過浮標(biāo)測流實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步考察了不同測驗(yàn)設(shè)計條件下的概括力， 研究構(gòu)建了基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的遙測浮標(biāo)概化模型， 總結(jié)了衛(wèi)星定位系統(tǒng)遙測浮標(biāo)理論研究結(jié)論， 分析了測驗(yàn)結(jié)果及其推廣方向， 提高了衛(wèi)星定位系統(tǒng)遙測浮標(biāo)的概化性。優(yōu)化了流速計算算法，配備了導(dǎo)入河流斷面數(shù)據(jù)和實(shí)時水位數(shù)據(jù)接口， 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)平臺可視化、智能化測報，同時完成了在應(yīng)急山洪災(zāi)害預(yù)警、城市防汛預(yù)警、中小河流及大江大河超標(biāo)洪水測報等場景的良好應(yīng)用。