基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)流系統(tǒng)探討

高 軍 談曉珊

(1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012;2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012)

水文測(cè)報(bào)是水旱災(zāi)害防治的重要支撐，在歷年防汛抗旱減災(zāi)的指揮決策、科學(xué)調(diào)度，有效處置險(xiǎn)情、災(zāi)情中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[1]。特別是21世紀(jì)以來(lái)，各種新技術(shù)在水文儀器、設(shè)備及裝置方面的應(yīng)用，使測(cè)、報(bào)、整、算、資料存貯檢索等各項(xiàng)水文業(yè)務(wù)，進(jìn)入了一個(gè)完全嶄新的歷史階段。如水文巡測(cè)、水情遙測(cè)、水資源監(jiān)控、優(yōu)化配置及調(diào)度、公網(wǎng)和衛(wèi)星通信及遙感、天空地立體監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)信息處理、存貯、檢索，以及無(wú)人機(jī)、云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用等，極大地改變了水文測(cè)報(bào)技術(shù)的水平，同時(shí)也賦予了水文事業(yè)新的歷史使命[2]。

隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，近年來(lái)河流流量測(cè)驗(yàn)方法呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)，技術(shù)不斷推陳出新，傳統(tǒng)的測(cè)流手段和設(shè)備已不能滿足信息化發(fā)展的需求，特別是對(duì)于防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)流量的測(cè)驗(yàn)[3-5]。當(dāng)河流處于洪水期間時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)流設(shè)備如纜道鉛魚(yú)，無(wú)法下水作業(yè)。當(dāng)河流流速大于2m/s時(shí)，走航式ADCP遙控船也無(wú)法安全地進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)[6]。無(wú)人機(jī)因其機(jī)動(dòng)靈活的起降方式、低空循跡的自主飛行方式、快速響應(yīng)的多數(shù)據(jù)獲取能力，可以完成河道走向、水情監(jiān)測(cè)、水庫(kù)監(jiān)測(cè)、洪災(zāi)區(qū)域檢查等工作[7-8]。同時(shí)，在水利管理上也具有廣大的應(yīng)用前景，包括水域規(guī)劃、水利監(jiān)測(cè)與水利管理。基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)流系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，克服了傳統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)存在的缺點(diǎn)，可隨時(shí)待命應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，特別適用于防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)測(cè)流。

1 無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)測(cè)流是水文測(cè)驗(yàn)的一種新型流量測(cè)驗(yàn)方式，系統(tǒng)包括空中設(shè)備和地面設(shè)備，主要由旋翼無(wú)人機(jī)、增穩(wěn)云臺(tái)、雷達(dá)流速儀、電臺(tái)通信系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和移動(dòng)終端組成。其中，空中設(shè)備包括無(wú)人機(jī)、增穩(wěn)平臺(tái)、雷達(dá)流速儀；地面設(shè)備則由無(wú)線接收終端、移動(dòng)終端構(gòu)成，見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)適用于流態(tài)穩(wěn)定的河流中應(yīng)急及巡測(cè)流量監(jiān)測(cè)。

圖1 無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)各部分的工作原理如下：

a.無(wú)人機(jī)：用于掛載雷達(dá)流速儀、無(wú)線攝像頭等設(shè)備。

b.增穩(wěn)云臺(tái)：可以調(diào)整雷達(dá)流速儀的姿態(tài)，使其符合雷達(dá)流速儀的安裝要求。當(dāng)無(wú)人機(jī)懸停測(cè)流時(shí)，云臺(tái)能保持雷達(dá)流速儀的垂直角、橫滾角恒定，最大程度地減少用無(wú)人機(jī)自身振動(dòng)以及風(fēng)、雨等的因素導(dǎo)致的無(wú)人機(jī)晃動(dòng)，保證測(cè)流精度。無(wú)線雷達(dá)流速儀通過(guò)流速儀云臺(tái)掛載于無(wú)人機(jī)上。

c.雷達(dá)流速儀：利用多普勒效應(yīng)，測(cè)量水體表面的流速。當(dāng)無(wú)人機(jī)懸停測(cè)流時(shí)，雷達(dá)流速儀采集水流流速數(shù)據(jù)，并通過(guò)內(nèi)置的無(wú)線短傳模塊將數(shù)據(jù)傳輸至地面無(wú)線接收終端。

d.電臺(tái)通信系統(tǒng)：用于傳輸無(wú)人機(jī)控制指令和相關(guān)掛載設(shè)備的信息。

e.地面控制系統(tǒng)：用于發(fā)送指令和接收無(wú)人機(jī)等裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)。

f.移動(dòng)終端：地面移動(dòng)終端為個(gè)人筆記本電腦或帶有USB接口的Windows平板，裝載測(cè)流軟件。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能

無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)流系統(tǒng)能夠?qū)o(wú)線測(cè)流系統(tǒng)的核心功能發(fā)揮得淋漓盡致，能快速便捷測(cè)量出中小河流、大江大河等水文測(cè)驗(yàn)對(duì)象的流速數(shù)據(jù)。還可以回傳經(jīng)過(guò)區(qū)域的圖像信息，保證水利行業(yè)設(shè)備與新興先進(jìn)產(chǎn)物牢牢結(jié)合。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：?可同時(shí)傳輸搭載在無(wú)人機(jī)上的圖像與流速儀傳感器數(shù)據(jù)；?河道斷面圖顯示；?根據(jù)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行航線自動(dòng)規(guī)劃；?測(cè)流雷達(dá)回傳數(shù)據(jù)解析、顯示；?輸入水位高度，可自動(dòng)計(jì)算斷面面積、斷面流量、水面寬、平均流速、平均水深、最大流速、最大水深；?配套測(cè)流軟件自動(dòng)生成符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2012)的測(cè)深、測(cè)速記載及流量計(jì)算表[9]；?在測(cè)流過(guò)程中實(shí)時(shí)模擬飛行示意圖和航測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)速數(shù)據(jù)；?無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、低壓告警、自動(dòng)返航、自身故障報(bào)警等。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)流工作原理及流程

2.1 工作原理

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)流系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是使用了流速面積法，前提條件是通過(guò)圖紙或?qū)嵉乜辈爝x取監(jiān)測(cè)河流的均勻斷面。其基本原理是通過(guò)橫斷面上單元面積的流量是該面積與水流速度(流速)的乘積，分別測(cè)量各個(gè)部分的流速和面積即可求得流量。雷達(dá)流速儀采用多普勒效應(yīng)原理測(cè)量水體表面流速。雷達(dá)測(cè)流儀將24GHz的射頻信號(hào)沿軸向前方發(fā)射出去，信號(hào)遇到前方物體后發(fā)生漫反射，沿軸向返回的信號(hào)被接收到。由于物體的運(yùn)動(dòng)，接收到的信號(hào)頻率發(fā)生多普勒頻移，頻移量的大小與物體的速度成正比。通過(guò)解算多普勒頻率，就能夠得到物體移動(dòng)的速度。

將流速儀的軸線和水流方向置于同一個(gè)鉛垂面內(nèi)，見(jiàn)圖3，流速儀所測(cè)量的徑向多普勒速度為

圖3 雷達(dá)測(cè)流儀測(cè)量原理示意圖

v=vmcosα

(1)

式中:vm為雷達(dá)測(cè)流儀測(cè)量得到的多普勒速度,m/s；v為實(shí)際水流速度,m/s；α為雷達(dá)測(cè)流儀軸向方向與水流方向之間的夾角，(°)。

當(dāng)雷達(dá)測(cè)流儀軸向方向與水流方向不在同一個(gè)鉛垂面內(nèi)時(shí)，水流速為

v=vm+vm/cosβ

(2)

式中：β為是雷達(dá)測(cè)流儀軸向方向與水流方向在水平面內(nèi)的夾角，(°)。

雷達(dá)測(cè)流儀能夠自動(dòng)測(cè)量俯角，并對(duì)測(cè)量的速度進(jìn)行余弦校正。在測(cè)量的時(shí)候，應(yīng)盡量使β=0，即雷達(dá)測(cè)流儀前進(jìn)方向與水流方向一致。當(dāng)β≠0時(shí)，應(yīng)對(duì)β進(jìn)行實(shí)地測(cè)量， 并按式(2)進(jìn)行校正。

2.2 工作流程

無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)利用無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)測(cè)流模塊對(duì)河道流速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛到河流斷面指定位置后懸停，對(duì)水面流速進(jìn)行測(cè)量，并將雷達(dá)流速儀監(jiān)測(cè)到的河流流速數(shù)據(jù)直接通過(guò)地面軟件回傳。測(cè)量流量時(shí)，將測(cè)流斷面分成若干個(gè)子斷面，系統(tǒng)調(diào)取后臺(tái)河道斷面起點(diǎn)距和高程數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行飛行航線規(guī)劃，起飛測(cè)量每個(gè)子斷面內(nèi)垂線上一點(diǎn)的河流表面流速，并根據(jù)當(dāng)前水位計(jì)算得到子斷面的平均流速和流量，再將各個(gè)子斷面的流量疊加，就得到整個(gè)斷面的流量。系統(tǒng)可同時(shí)計(jì)算得出河道的水面寬度、平均流速、平均水深、最大流速、最大水深等水文數(shù)據(jù)。

測(cè)流垂線按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)要求進(jìn)行布設(shè)[10]。如圖4所示，虛線為測(cè)流斷面設(shè)置的垂線，共n條垂線，將測(cè)流斷面分為n+1個(gè)小斷面。每條垂線上的垂線平均流速vi垂為無(wú)人機(jī)在該測(cè)點(diǎn)雷達(dá)流速儀所測(cè)的表面流速vi表與水面流速系數(shù)k兩者的乘積，即：

vi垂=vi表k

(3)

圖4 測(cè)流斷面示意圖

式中:i為對(duì)應(yīng)的測(cè)速垂線或測(cè)深垂線序號(hào)，i=1,2,…,n。

N+1個(gè)斷面各自小斷面流量計(jì)算法則如下：

Q1=v1表k1P1S1

(4)

(5)

Qn+1=vn表knP2Sn+1

(6)

Q總=Q1+Q2+Q3+…Qn+1

(7)

式中：i取值范圍為2～10；Si為相應(yīng)小斷面面積,m2；P1和P2為岸邊系數(shù)。岸邊系數(shù)按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)內(nèi)表B.7.1取值[10]，見(jiàn)表1。

表1 岸邊系數(shù)

3 測(cè)流軟件數(shù)據(jù)對(duì)比

無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)地面移動(dòng)終端配套測(cè)流軟件與空中的無(wú)線雷達(dá)流速儀形成配套一對(duì)一使用。測(cè)流軟件主界面會(huì)顯示測(cè)試站點(diǎn)、測(cè)試人員、天氣、測(cè)量參數(shù)及測(cè)流斷面，見(jiàn)圖5。對(duì)站點(diǎn)、測(cè)試人員及天氣信息進(jìn)行編輯后，軟件可實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：?測(cè)站基本參數(shù)配置；?實(shí)測(cè)斷面信息配置；?測(cè)流垂線與測(cè)流參數(shù)配置；?自動(dòng)測(cè)流，無(wú)人機(jī)沿航線飛行，自動(dòng)懸停測(cè)流：根據(jù)設(shè)置的斷面信息、垂線信息、測(cè)流參數(shù)信息，自動(dòng)完成測(cè)流的過(guò)程，在測(cè)流過(guò)程中實(shí)時(shí)模擬飛行示意圖和航測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)速數(shù)據(jù)； ?數(shù)據(jù)計(jì)算與導(dǎo)出，測(cè)流軟件可計(jì)算并導(dǎo)出流量計(jì)算表，可生成測(cè)點(diǎn)-流速關(guān)系線；?日志管理：記錄用戶登錄、系統(tǒng)操作、程序更新等信息管理；?系統(tǒng)權(quán)限管理。

圖5 測(cè)流軟件主界面

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)驗(yàn)，將無(wú)人機(jī)測(cè)流與纜道流速儀測(cè)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2、表3，比測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差都沒(méi)有超過(guò)13%，無(wú)人機(jī)測(cè)流基本能滿足應(yīng)急搶險(xiǎn)環(huán)境下的測(cè)流精度要求。

表2 無(wú)人機(jī)水面流速測(cè)驗(yàn)與纜道流速儀測(cè)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3 無(wú)人機(jī)定點(diǎn)懸停位置與實(shí)際水平距離對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)流系統(tǒng)主要用于沒(méi)有測(cè)流設(shè)備的河道洪水應(yīng)急監(jiān)測(cè)，可在最短時(shí)間內(nèi)測(cè)得流量數(shù)據(jù)，并及時(shí)上報(bào)給上級(jí)防汛部門(mén)，能夠大大減輕洪水災(zāi)害造成的損失，為相關(guān)部門(mén)的應(yīng)急決策提供科學(xué)、有力的技術(shù)支撐。智能社會(huì)的發(fā)展促使我們積極探索新技術(shù)與水文業(yè)務(wù)的深度融合，研究大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、無(wú)人機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術(shù)在水文數(shù)據(jù)處理和信息服務(wù)中的應(yīng)用，未來(lái)結(jié)合行業(yè)的應(yīng)用需求和專業(yè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，加快空間遙測(cè)技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，適時(shí)地建立天地一體化、智慧化的水文監(jiān)測(cè)體系。