集成式水文智能機器人的研發(fā)與設(shè)計

韓東陽，劉 攀，胡 揚

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072；2.廣東大倉機器人科技有限公司，廣東深圳518048）

0 引 言

水雨情數(shù)據(jù)采集是水文水資源的基礎(chǔ)。水文測站作為水雨情要素觀測的基礎(chǔ)單元，是收集水文資料的基本場所，在整個水利系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。隨著水文事業(yè)改革的不斷深入和水文現(xiàn)代化進程的不斷加快，水文測站也向著巡測、遙測、無人值守等現(xiàn)代化水文方向轉(zhuǎn)化［1］。但目前水文測站仍以單一的水文監(jiān)測功能為主，缺乏對水文要素進一步的分析處理能力，水文預(yù)報和水文水利計算等工作還需先將數(shù)據(jù)傳輸至終端進行計算，無法在測站點根據(jù)所測的水雨情信息及時提供災(zāi)情預(yù)警和決策方案。目前常用的水文自動測報系統(tǒng)［2］多為信息的單向傳遞，從測站收集信息并發(fā)送至終端進行水情預(yù)報，無法保證收集水情信息的準確度，也無法根據(jù)計算或預(yù)報的結(jié)果對遙測站進行反饋控制，比如根據(jù)降雨狀況自動化增加測量頻次等。此外，雖然當前的測站各種水文要素都已有自動化監(jiān)測設(shè)備，但仍需要人工定期進行值守，進行儀器的定期維護和檢查，尤其在汛期暴雨增多，需要臨時加測時，還需要人工前往站點進行補測，或者在汛期一直安排人員駐守在水文站，不僅耗費人力，還存在極大的安全隱患。

機器人具有感知、決策、執(zhí)行等基本特征，可以輔助甚至替代人類完成危險、繁重、復(fù)雜的工作，提高工作效率與質(zhì)量，服務(wù)人類生活，擴大或延伸人的活動及能力范圍。目前智能機器人攜帶監(jiān)測設(shè)備代替人工、進行日常巡檢等工作已成為可能［3］，并在電力［4］、煤礦、化工等領(lǐng)域得到廣泛推廣和應(yīng)用，但在水文領(lǐng)域應(yīng)用較少。

為此，提出并設(shè)計了新型的集成式水文智能機器人，集水文要素自動化監(jiān)測，水文預(yù)報和水文水利計算等功能于一體。不僅能夠代替基層測站人員完成水文要素的自動化監(jiān)測和汛期的補測工作，進行多維數(shù)據(jù)融合保證測量數(shù)據(jù)的準確性，還可以根據(jù)所測的水文要素結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進行分析計算，實現(xiàn)實時的洪水預(yù)報和災(zāi)情預(yù)警等功能，達到實時預(yù)報和測站點的雙向反饋。除此之外，隨著在測站點水文資料的不斷積累，內(nèi)置的深度學習等智能算法對水文預(yù)報、水文水利計算等模塊進行自動化的復(fù)核和誤差修正，不斷提高其預(yù)測精度。該水文智能機器人能夠為提高流域暴雨洪澇災(zāi)害的預(yù)報能力提供有力支持，同時為防汛興利調(diào)度提供技術(shù)支持，大大減輕汛期水文人員的工作量。

1 總體結(jié)構(gòu)

水文智能機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層，分別為執(zhí)行層、通訊層和智能控制層，如圖1所示。執(zhí)行層包括了機器人本體、供電系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)，其他在線輔助設(shè)施如攝像頭、傳感器等，可實現(xiàn)機器人的數(shù)據(jù)采集、自動充電、應(yīng)急處置等功能。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能機器人主體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，由24 V、20 Ah 大容量鋰電池供電模塊，伺服電機、編碼器驅(qū)動模塊，水平360°、垂直180°監(jiān)控云臺，高清監(jiān)控攝像頭，環(huán)境監(jiān)測傳感器，水文測量傳感器，避障模塊，定位模塊，無線充電模塊，聲光報警模塊，核心處理板等模塊組成。通訊層采用4 G、5 G 或者WIFI 通訊，只需滿足機器人工作段的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的通訊條件，便可保證機器人在任何位置都能實現(xiàn)無障礙通信，并將實時數(shù)據(jù)回傳至監(jiān)控中心服務(wù)器，實現(xiàn)對機器人的實時監(jiān)控、控制。智能控制層包含了機器人后臺、監(jiān)控中心和移動客戶端3 類，可實現(xiàn)實時查看、遠程遙控、應(yīng)急處置、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

水文智能機器人功能構(gòu)架如圖3所示，機器人在每次啟動前會對其內(nèi)部集成的水文監(jiān)測設(shè)備進行自檢和校驗，以保證設(shè)備正常運行。在獲得遙測數(shù)據(jù)后，會結(jié)合測站原有測量設(shè)備所測得的數(shù)據(jù)和機器人所測得數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，結(jié)合周圍測站實時數(shù)據(jù)、上下游數(shù)據(jù)或降雨徑流關(guān)系等及時核查數(shù)據(jù)準確性。然后根據(jù)所測得的水雨情數(shù)據(jù)，可進行自動化水文預(yù)報和水文水利計算工作，實現(xiàn)實時洪水預(yù)報，災(zāi)情信息發(fā)布等功能。同時，相關(guān)工作人員可以通過該機器人內(nèi)置的智能人機交互模塊語音查詢實時水雨情信息、險情分析信息、預(yù)報結(jié)果信息等。

本文設(shè)計的測站常駐水文智能機器人已經(jīng)完成現(xiàn)場實際測試，系統(tǒng)樣機如圖4所示。

2 功能設(shè)計

2.1 水文監(jiān)測模塊

水文智能機器人集成有水位、流量、雨量、溫度和濕度等監(jiān)測設(shè)備，在非汛期以測站原有的監(jiān)測設(shè)備所測值為準，在汛期或檢測到在測站設(shè)備發(fā)生突發(fā)故障時則會自動啟用機器人的水文監(jiān)測模塊，以實現(xiàn)對水位、流量和雨量3個重要要素及其他氣象要素的補測和多維數(shù)據(jù)的融合，提高其測量精度。

2.1.1 監(jiān)測設(shè)備

（1）水位監(jiān)測。現(xiàn)階段我國水位監(jiān)測主要采用雷達測高、基于圖像或視頻的水位自動監(jiān)測等方法［5］。機器人可通過自帶攝像設(shè)備獲取水尺的圖像或視頻信息，然后利用基于機器視覺的水尺刻度提取算法，自動識別并上傳水位信息。通過現(xiàn)場實驗測試機器人監(jiān)測結(jié)果分辨率和精度分別能夠達到1 mm 和1 cm，在未安裝水尺的測量區(qū)域，利用集成的雷達水位儀測量水位。

（2）流量監(jiān)測。在測量流量時，機器人會沿滑軌自動移動至設(shè)定的測流斷面，利用集成的雷達波測流儀完成對流量的自動化監(jiān)測。流量監(jiān)測采用雷達波測流儀。雷達波測流儀采用多普勒雷達測速原理［5］，通過測量水深和流速以及在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置的斷面形態(tài)可以利用速度面積法計算出斷面的流速。采用水文智能機器人進行流量監(jiān)測不易受環(huán)境條件的影響，且維護方便，使用簡便。

（3）降雨監(jiān)測。降雨監(jiān)測采用目前應(yīng)用成熟的翻斗式雨量計［7］，翻斗式雨量計集成于機器人外側(cè)，在測量降雨時，機器人沿滑軌移動至室外，實現(xiàn)對降雨量的自動化計量且精度較高。

（4）其余項目監(jiān)測。氣溫、風速、風向、濕度、蒸發(fā)和墑情等氣象數(shù)據(jù)，目前均有較為成熟的自動化監(jiān)測設(shè)備［8］。可根據(jù)具體情況靈活選用設(shè)備，如氣壓測量可采用壓阻式壓力傳感器、風速風向測量可采用超聲波測速儀［9］、溫度和濕度可采用智能溫濕傳感器等。通過內(nèi)部集成的上述各要素傳感器，機器人實現(xiàn)對其余氣象要素的自動化測量。

（5）故障監(jiān)測。機器人所安裝的攝像頭可利用計算機視覺技術(shù)識別測站原有監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)，代替人眼來識別圖像中的目標，并進行故障的識別。如果測站原有監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)故障，如蒸發(fā)器中的水溢出或不足、雜物落入雨量計內(nèi)、電纜線發(fā)生破損等，機器人可及時識別并發(fā)送故障信息，減輕巡檢人員的工作強度。

2.1.2 監(jiān)測流程

開機前，水文智能機器人會對各監(jiān)測設(shè)備進行自動校驗，保證儀器正常工作。測站常駐水文智能機器人在非汛期和其他非緊急的情況下，通過測站原有的監(jiān)測設(shè)備進行水文監(jiān)測。在汛期和其他緊急的情況下，水文智能機器人會自動啟動自帶的水文監(jiān)測設(shè)備進行輔助測量。如在汛期，監(jiān)測到雨量或水位快速增加將會產(chǎn)生洪澇風險時，會對降雨量、水位和流量數(shù)據(jù)進行補充測量。一可增加測量的頻次，獲取更詳盡的實時數(shù)據(jù)，二可結(jié)合機器人和測站原有監(jiān)測設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，進行多維數(shù)據(jù)融合，提高測量數(shù)據(jù)的精確度。

在獲取到數(shù)據(jù)后，機器人會根據(jù)鄰近測站的信息進行實時對比矯正，保證所測數(shù)據(jù)的準確性。此外，機器人還可以根據(jù)測站點歷史降雨徑流關(guān)系進行降雨數(shù)據(jù)和徑流數(shù)據(jù)的實時比對，在有條件的地區(qū)還可根據(jù)上下游站點的流量數(shù)據(jù)進行對比分析等多種方法保證數(shù)據(jù)的準確性。

2.2 水文預(yù)報模塊

在汛期和枯水期，水文智能機器人會根據(jù)實時遙測的氣象和水文要素，進行實時洪水預(yù)報［10］、枯季徑流預(yù)報［11］等，為防汛、抗旱、水資源開發(fā)利用等領(lǐng)域提供技術(shù)支持。其中日、月等時段徑流預(yù)報可采用洪水預(yù)報的方法。

2.2.1 實時洪水預(yù)報

圖5 以新安江模型為例的水文預(yù)報模塊Fig.5 Hydrological forecast module based on Xinanjiang model

根據(jù)定時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)報未來一定時期內(nèi)入庫洪水總量、洪峰、峰現(xiàn)時間、入庫洪水過程等。預(yù)報時長一般定為1 h，如需加測，可以實時通過遙測終端進行調(diào)整。

首先根據(jù)測站的氣候、植被、地貌等因素選用合適的水文模型，包括集總式水文模型如新安江模型、分布式水文模型如VIC 模型［12］、SWAT 模型［13］等，在選定好模型后，機器人會根據(jù)導(dǎo)入所測站點的歷史水文氣象資料自動率定模型參數(shù)，確定參數(shù)初值，然后代入當前的水文、氣象要素，定時預(yù)報未來洪水信息。

在水文智能機器人的運行過程中，隨著水文資料的積累，利用深度學習等智能算法［14］或傳統(tǒng)的卡爾曼濾波［15］等方法不斷自動化實時修正模型參數(shù)，具備自學習功能，即機器人應(yīng)用時間越長，越能反映本流域的實際情況，使用效果越好。

2.2.2 枯季徑流預(yù)報

在枯水期，江河水量小，水資源供需矛盾較突出。水文智能機器人可在枯季預(yù)報徑流變化情況，為水資源合理調(diào)配提供技術(shù)支持。

根據(jù)導(dǎo)入的所測流域的枯季徑流量資料和影響退水規(guī)律的因素，機器人會進行自動化綜合、歸納、分類，采用退水曲線法、前后期徑流量相關(guān)法、河網(wǎng)蓄水量法等統(tǒng)計計算出枯水退水規(guī)律，建立區(qū)域綜合退水預(yù)報關(guān)系曲線，根據(jù)曲線進行預(yù)報枯季徑流。并隨著運行時間增長，資料不斷積累，可不斷修正關(guān)系曲線，提高精度。

2.3 水文水利計算模塊

在通過水文監(jiān)測設(shè)備獲取到實時的水文要素數(shù)據(jù)后，機器人內(nèi)置的水文水利計算模塊會對數(shù)據(jù)進行儲存、分析、處理，實現(xiàn)設(shè)計洪水推求［16］，設(shè)計年徑流推求［17］，水工程調(diào)度決策生成［18］等功能。

2.3.1 設(shè)計洪水推求

為解決各類防洪問題，需要提供作為規(guī)劃設(shè)計依據(jù)的洪水，如施工設(shè)計洪水、堤防設(shè)計洪水、梯級樞紐設(shè)計洪水等。該水文智能機器人可根據(jù)遙測數(shù)據(jù)和測站點歷史數(shù)據(jù)自動完成設(shè)計洪水的推求，根據(jù)需要提供各種符合設(shè)計標準的洪水。

（1）流量資料推求設(shè)計洪水。如果所測站點流量資料較為詳細，可利用流量資料進行計算。首先水文智能機器人對導(dǎo)入的歷史流量資料進行可靠性、一致性和代表性審查，然后從每年洪水中選取符合要求的洪峰流量和洪量，組成各種統(tǒng)計系列，對特大洪水進行處理，求得設(shè)計洪峰和設(shè)計洪量，選擇典型洪水過程線，根據(jù)設(shè)計洪峰和設(shè)計洪量放大，推求得到設(shè)計洪水過程線。

（2）暴雨資料推求設(shè)計洪水。在測點流量資料缺乏，或流量數(shù)據(jù)一致性無法得到滿足等情況下，可選用由暴雨資料推求設(shè)計洪水功能。首先根據(jù)導(dǎo)入的實測降雨資料，使用頻率分析等方法推求設(shè)計暴雨過程，然后扣除相應(yīng)的損失，得設(shè)計凈雨，最后對設(shè)計凈雨進行流域匯流計算，即得流域出口斷面的設(shè)計洪水。

2.3.2 設(shè)計年徑流計算

水文智能機器人可計算所測站點設(shè)計年徑流的年際變化及年內(nèi)分配規(guī)律，為預(yù)估未來工程運用期間的徑流變化情勢。在測站有長期實測徑流資料的情況下，可采用各種代表年法來計算年徑流量和年內(nèi)分配；在只有短期實測徑流資料時，可利用相關(guān)分析法等延展設(shè)計站的年徑流資料，然后按照有長期實測資料的方法進行計算。

2.3.3 水工程調(diào)度決策生成

根據(jù)水雨情預(yù)報信息及流域內(nèi)水工程布設(shè)及工況情況，構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型，生成水工程調(diào)度決策方案集。模擬人的思維模式，選擇不同偏好的幾個調(diào)度方案，作為備選方案供決策使用。

2.4 災(zāi)情預(yù)警模塊

在通過水文水利計算和水文預(yù)報得到未來將會發(fā)生洪水、枯水等災(zāi)情信息后，水文智能機器人會啟用災(zāi)情預(yù)警模塊，根據(jù)預(yù)估災(zāi)情的等級，啟用不同的預(yù)警方案，能夠協(xié)助水文工作者有效地防御洪水、減少災(zāi)情損失、合理利用水資源。

2.4.1 預(yù)警信息報送

在預(yù)報即將發(fā)生嚴重洪澇災(zāi)害時，首先會將詳細的預(yù)估洪水信息和水雨情信息發(fā)送及時至當?shù)赜嘘P(guān)防汛抗旱指揮機構(gòu)，通知災(zāi)情影響區(qū)域做好相關(guān)準備。同時自動化加密測驗時段，不斷實時更新數(shù)據(jù)及洪水走勢，為防汛抗旱指揮機構(gòu)適時指揮決策提供依據(jù)。

2.4.2 預(yù)警信息發(fā)布

根據(jù)預(yù)估洪水的等級和洪水的影響區(qū)域，在得到防汛部門的確定后，及時向災(zāi)區(qū)發(fā)布預(yù)警消息。按照預(yù)設(shè)流程，可通過媒體以手機短信、廣播或其他形式向預(yù)警區(qū)域民眾滾動預(yù)報最新水情，便于災(zāi)區(qū)民眾及時了解災(zāi)情信息、防范洪澇災(zāi)害、減少經(jīng)濟損失和社會恐慌，模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 預(yù)警信息發(fā)布模塊Fig.6 Early warning information release module

2.4.3 庫區(qū)險情處置

在水文智能機器人在庫區(qū)預(yù)估或測得水位超過汛限水位或流量達到閾值時，機器人會自動推送相應(yīng)的洪水調(diào)度方案給庫區(qū)人員；預(yù)估未來水庫出現(xiàn)險情時，將第一時間向下游預(yù)警；預(yù)估水庫將遭遇超標準洪水導(dǎo)致有潰壩風險時，會提早向水庫潰壩洪水風險圖確定的淹沒范圍發(fā)出預(yù)警，為群眾安全轉(zhuǎn)移爭取時間。

2.5 人機交互設(shè)置

機器人采用以語音控制為主的人機交互方式。用戶通過自然語言向機器人發(fā)送命令或提出問題，機器人能夠拾取用戶聲音并分析，通過語言播報和APP 推送（關(guān)聯(lián)的手機）對用戶的請求進行反饋。可實現(xiàn)實時監(jiān)測信息查詢、險情分析查詢、預(yù)報結(jié)果查詢、數(shù)據(jù)報表導(dǎo)出等功能。同時可以通過語音或APP端，在需要時控制機器人進行緊急增測。

3 結(jié) 語

水文智能機器人集自動化水文監(jiān)測、水文水利計算、水文預(yù)報于一體，在所測地就可完成傳統(tǒng)的測、報、算工作，同時能夠根據(jù)預(yù)測結(jié)果及時發(fā)布災(zāi)情預(yù)警信息。彌補了目前測站在汛期仍需安排人工進行值守，僅具備水文監(jiān)測單一功能，監(jiān)測信息無法及時傳遞，測報分析功能不完善等不足，推進水文測站向現(xiàn)代化、智能化水文方向轉(zhuǎn)化。其大范圍推廣使用后不僅能夠代替基層測站、防汛值班人員，還能夠減輕汛期水文工作的負擔，為防汛抗旱指揮機構(gòu)指揮決策提供可靠依據(jù)，具有良好的應(yīng)用前景。