基于余水位的潮位實時推算系統(tǒng)

吳 昊，田春和

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

基于余水位的潮位實時推算系統(tǒng)

吳 昊，田春和

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

為了有效控制附近海域潮位，保證通航安全和合理有效地利用水深資源，詳述了余水位的基本原理和潮汐差分方法，提出了基于此理論的驗潮方案和潮位推算算法，并開發(fā)了一個潮位實時推算系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多線程、串口通信等技術(shù)，與GPS接收機、潮位遙報儀、電腦主機等硬件進行實時通訊，獲取定位信息和遙報潮位等數(shù)據(jù)，利用差分潮位推算施工船舶所在位置處的高精度潮位，并同步將推算潮位傳輸給作業(yè)船舶指導(dǎo)施工。結(jié)果表明：該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡便、運算高效、精確度高，滿足潮位控制的精度要求。

余水位；潮汐差分；實時；多線程；串口通信

Biography：WU Hao（1984-），male，assistant engineer.

某港位于渤海西部，目前在建航道總長約45 km。由于防波堤修建較長，導(dǎo)致其內(nèi)外潮汐規(guī)律發(fā)生了較大變化，潮差不等。為有效控制附近海域潮位，促進港口建設(shè)、船舶配載及進出港等生產(chǎn)活動，需要建立潮汐監(jiān)測及發(fā)布系統(tǒng)，以實現(xiàn)潮汐監(jiān)測、發(fā)布、預(yù)報和查詢的實時化。為此，文章研究了基于余水位的潮位實時推算系統(tǒng)，根據(jù)已知水位站的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，實時推算疏?；驕y量船舶所在地點和時刻的潮位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)同步傳輸，指導(dǎo)疏浚和測量工作。

1 余水位的基本原理

余水位又稱異常水位，是指實測水位減去天文潮位、平均海平面和觀測誤差之后的剩余部分［1］。其數(shù)學表達式可表示為［2］

式中：R（t）為余水位；h（t）為實測水位；MSL 為平均海平面；T（t）為天文潮位，由調(diào)和分析或響應(yīng)分析獲得；Δ（t）為觀測誤差。由于目前的觀測儀器和觀測手段基本能保證觀測誤差Δ（t）為偶然誤差，且其量值相對于余水位可以忽略不計。因此在余水位的應(yīng)用研究中，都是以實測水位減去平均海平面和天文潮位之后的殘差部分代替余水位，稱為粗略余水位，如式（2）表示

將平均海平面MSL與天文潮位T（t）之和稱為預(yù)報潮位Y（t），則式（2）可改寫為

即粗略余水位等于實測水位與預(yù)報潮位之差。為簡化稱呼，文章在以下的論述中將粗略余水位統(tǒng)稱為余水位。

一般認為，余水位主要包含以下3個因素所造成的水位異常［1-3］：（1）天氣因素（主要是風）造成的短期水位異常；（2）氣候因素造成水位季節(jié)性變化異常；（3）天文潮推算誤差的影響。

在上述因素中，天氣和氣候等氣象因素決定了余水位的變化趨勢和量級，同時也決定了其主要特性［4］。根據(jù)氣象因素的變化特點即區(qū)域性和連續(xù)性，相連海面在相同氣象因素的作用下其潮汐變形值高度相關(guān)，即相同的誘因及連續(xù)的流體運動和慣性作用，使余水位具有較強的空間相關(guān)性［5-6］。

2 差分潮位按距離加權(quán)內(nèi)插的潮位算法

2.1 潮位算法

根據(jù)余水位的空間相關(guān)性，裴文斌［7］提出潮汐差分方法：利用已知潮汐觀測站觀測值和調(diào)和分析預(yù)報值，求解相關(guān)已知調(diào)和分析預(yù)報值的未設(shè)站觀測位置的某時刻相對準確的潮位值。裴文斌在實驗中用A站的余水位推算47 km外B站的差分潮位，如下式

HB（t）為推算的B站差分潮位。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，HB（t）與其觀測水位高度吻合，最大差值不超過4 cm，46個差分潮位的中誤差為±2 cm。在基于相同算法的其他實驗中：天津海事局海測大隊［2］利用余水位在實驗海區(qū)推算任意點瞬時潮高，證明在近海和沿岸推算精度可達到10 cm；侯世喜等［5］利用余水位由煙臺站實測水位恢復(fù)了威海站的水位，精度達到了5.7 cm。可見，潮汐差分方法推算的差分潮位在精度上接近于實測驗潮，完全可以滿足海上施工作業(yè)的精度要求。

本文系統(tǒng)中的潮位算法是在潮汐差分的基礎(chǔ)上，將差分潮位按距離加權(quán)進行線性內(nèi)插，來推算港池及航道內(nèi)任意位置的潮位。分為2個過程：

（1）前期驗潮。根據(jù)航道長度在港池及航道內(nèi)布設(shè)了7個潮位點，投放自動驗潮儀（圖1）。

圖1 潮位點布設(shè)Fig.1 Distribution of tidal points

潮位點TJ布設(shè)在港池內(nèi)，其余6個潮位點T1～T6布設(shè)在航道中線上。進行一段時間的觀測后，對7個點的采集數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，推算出各點位的預(yù)報潮位。

（2）差分潮位線性內(nèi)插。因為 TJ位于港池內(nèi)，距遙報站較近，所以其預(yù)報潮位可以認為等于遙報站的預(yù)報潮位。選TJ為監(jiān)控站，遙報潮位減去此刻 TJ的預(yù)報潮位求得余水位，余水位加上此刻各潮位點的預(yù)報潮位得到差分潮位。以圖1所示船位置為例，此時施工船舶位于潮位點T2與T3之間，其投影距離關(guān)系如圖2。

則此刻船所在位置的潮位值線性內(nèi)插推算公式為

圖2 距離關(guān)系Fig.2 Relation of distance

式中：Hb（t）為推算的船所在位置潮位；d2為船的航道中線投影點距T2的水平距離；d3為船的航道中線投影點距T3的水平距離；H3（t）為T3的差分潮位；H2（t）為T2的差分潮位。

2.2 精度評估

為驗證潮位推算模型預(yù)報精度，采用航道KP20和KP40兩處實測潮位資料（2009年6月13日～2009年7月13日），進行了潮位推算精度評估。評估結(jié)果為：航道KP20處推算潮位與其實測數(shù)據(jù)中誤差為±4.81 cm；KP40處推算潮位與其實測數(shù)據(jù)中誤差為±12.07 cm，均優(yōu)于±0.15 m。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

原有情況下，施工船舶的決策系統(tǒng)直接接收遙報儀傳送的固定站遙報潮位。而現(xiàn)在，我們要將潮位實時推算系統(tǒng)置于遙報儀和決策系統(tǒng)之間：推算系統(tǒng)接收固定站遙報潮位；推算出此刻船所在位置的潮位；將任意站推算潮位發(fā)送給決策系統(tǒng)（圖3）。

3.2 技術(shù)路線

系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2008為開發(fā)平臺，采用C/S架構(gòu)，基于C#語言進行編寫；數(shù)據(jù)庫管理采用Microsoft Office Access 2003。技術(shù)關(guān)鍵點主要有：（1）利用串口通信、多線程等技術(shù)與GPS接收機、潮位遙報儀、電腦主機等硬件進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時接收和傳輸；（2）利用ZedGraph圖形引擎實時、動態(tài)地繪制相關(guān)圖表；（3）利用ADO.NET技術(shù)對后臺海量數(shù)據(jù)進行快速高效的檢索、調(diào)用、處理和壓縮。

圖3 設(shè)計思路圖Fig.3 Design idea

3.3 系統(tǒng)組成

潮位實時推算系統(tǒng)主要由以下模塊組成：（1）數(shù)據(jù)獲取及傳輸模塊：獲取GPS定位信息、遙報潮位信息；將推算潮位信息傳輸?shù)阶鳂I(yè)船舶主機的決策系統(tǒng)；（2）潮位推算模塊：根據(jù)算法推算作業(yè)船舶所在地點和時間的潮位;（3）數(shù)據(jù)庫管理模塊：數(shù)據(jù)的管理及操作；（4）圖形繪制模塊：相關(guān)曲線、圖表的繪制。

3.4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要分為5個部分（圖4）：（1）船舶實時定位。利用串口通信獲取GPS定位信息，實時確定施工船舶的位置；（2）實時潮位推算。利用串口通信獲取遙報潮位，根據(jù)定位信息推算出船所在位置處的潮位，同步把推算潮位發(fā)送給決策系統(tǒng)；（3）實時繪制潮位曲線。推算潮位的同時繪制曲線圖，直觀地顯示潮位變化及趨勢；（4）歷史潮位查詢。用戶可以根據(jù)需要查詢數(shù)據(jù)庫中存儲的歷史潮位數(shù)據(jù)；（5）歷史潮位曲線查詢。用戶可以根據(jù)需要查詢數(shù)據(jù)庫中存儲的歷史潮位曲線圖。

3.5 系統(tǒng)使用

潮位實時推算系統(tǒng)于2009年12月開發(fā)完成和驗收后，立即應(yīng)用于疏浚生產(chǎn)，應(yīng)用效果良好，已經(jīng)大規(guī)模部署于絞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船以及測量船，獲得了業(yè)主單位在該單位系統(tǒng)內(nèi)的大力推廣。

圖4 系統(tǒng)功能Fig.4 Function of system

4 結(jié)束語

潮位實時推算系統(tǒng)將潮汐預(yù)報成果實時傳輸給施工船舶指導(dǎo)生產(chǎn)，在我國國內(nèi)工程應(yīng)用中尚屬首次。該系統(tǒng)彌補了海上驗潮站數(shù)量和時間長度的不足，降低了高密度、長時間驗潮的成本和危險，為保證工程質(zhì)量、大大降低施工成本提供了有力的幫助和支持。文中算法只是單一的認為某時刻所有潮位點的余水位相等，更精確來講可以采用余水位內(nèi)插、建立余水位場等方法來精化算法模型，這將是以后的研究方向。

［1］許軍，劉雁春，暴景陽，等.基于余水位的水位粗差探測與數(shù)據(jù)修復(fù)［C］//中國測繪學會海洋測繪專業(yè)委員會.第二十一屆海洋測繪綜合性學術(shù)研討會論文集.天津：海洋測繪，2009：87-89.

［2］王征，桑金，王驥．海洋潮位推算在水深測量中的應(yīng)用［J］．海洋測繪，2002，22（2）：3-8.

［3］孟昭旭，暴景陽，許軍．利用長期驗潮站信息訂正中期驗潮站的調(diào)和常數(shù)［J］．海洋測繪，2005，25（3）：8-10．

MENG Z X，BAO J Y，XU J.Refing the Harmonic Constants of Gauges with Middle Duration Observations from the Information of Adjacent Long Term Gauges［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2005，25（3）：8-10．

［4］牛桂芝，裴文斌，董海軍.余水位的成因及其特性［C］//中國測繪學會海洋測繪專業(yè)委員會.第二十一屆海洋測繪綜合性學術(shù)研討會論文集.天津：海洋測繪，2009：733-736.

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HOU S X，HUANG C H，LU X P，et al.Reckoning Reach Based on Residual Water Level of Tide［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2005，25（6）：29-33.

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TANG Y，BAO J Y，XU J.The Interpolation of residual water level and its refining to tidal model［J］.Science of Surveying and Mapping，2007，32（6）：94-95.

［7］裴文斌，牛桂芝，董海軍.余水位及潮汐差分方法［J］．水道港口，2007，28（6）：439-443.

PEI W B，NIU G Z，DONG H J.Residual Water Level and Tide Difference Method［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（6）：439-443.

Tidal level real time calculation system based on residual water level

WU Hao，TIAN Chun-he
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Tianjin300456，China）

In order to control the tidal level nearby the sea effectively，guarantee the navigation safety and make the best use of water depth，the theory of residual water level and tide difference were explained.Based on those theories，the solution of tide data collection and the calculation method were proposed，and a tide real time calculation system was designed.The technique of multithread and serial port was used in the system to get the information of position and tidal level by communicating with GPS transceiver，telemetry tide gauge and computer.Then the high-precision tidal levels of the ship location were calculated by means of differential tide，and the calculated tidal level was sent to ship at the same time.The results show that the system has the advantages of stable operation，easy manipulation，high efficiency and high accuracy，which satisfies the precision level of tide control.

residual water level；tide difference；real time；multithread；serial port

P 731.23；TP 39

A

1005-8443（2011）06-0445-04

2010-05-25；

2010-07-27

吳昊（1984-），男，山東省日照市人，助理工程師，主要從事海洋勘察、地理信息研究工作。

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