基于水文應(yīng)急監(jiān)測的GNSS測流系統(tǒng)平臺設(shè)計與應(yīng)用

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(yīng)急監(jiān)測工作是水事件災(zāi)后應(yīng)急處置的重要內(nèi)容，為災(zāi)害風(fēng)險評估、應(yīng)急排險等提供數(shù)據(jù)服務(wù)和決策依據(jù)，可有效降低災(zāi)害風(fēng)險，挽回重要損失[1-2]。災(zāi)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(shù)人員自身的安全受到災(zāi)區(qū)次生災(zāi)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(shù)、無人機技術(shù)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(shù)逐步應(yīng)用于水文測驗等領(lǐng)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(yīng)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(shù)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(yīng)的專用平臺軟件進行實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)計算。

水文應(yīng)急監(jiān)測下的流量測驗工作，應(yīng)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(yīng)急監(jiān)測能力，本文設(shè)計開發(fā)出一款基于水文應(yīng)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(yīng)用服務(wù)，可通過手機APP端或平板實現(xiàn)多用戶在線服務(wù)，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(shù)穩(wěn)定可靠，可滿足搶險救災(zāi)中的水文應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)快速收集工作。

1 水文應(yīng)急測流業(yè)務(wù)分析

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

傳統(tǒng)水文應(yīng)急監(jiān)測按以下流程實施：應(yīng)急監(jiān)測隊伍負責(zé)人同技術(shù)人員現(xiàn)場踏勘，收集資料，編制應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)方案；測流監(jiān)測技術(shù)員依據(jù)技術(shù)方案選擇合適的儀器設(shè)備進行流量監(jiān)測并上報監(jiān)測數(shù)據(jù)；應(yīng)急監(jiān)測隊伍負責(zé)人(或前方負責(zé)人)組織災(zāi)區(qū)內(nèi)水文應(yīng)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(yīng)急調(diào)查專家接收各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定應(yīng)急處置方案。陳松生等[2]指出災(zāi)區(qū)水文測驗設(shè)施和設(shè)備破壞嚴重，技術(shù)人員安全保障性差；官學(xué)文等[8]提出水文應(yīng)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(yīng)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(yīng)急測流平臺設(shè)計應(yīng)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(shè)計

2.1 系統(tǒng)平臺總體設(shè)計

系統(tǒng)平臺應(yīng)能滿足災(zāi)區(qū)特殊環(huán)境條件下的水文應(yīng)急流量測驗，同時兼顧水利工程建設(shè)、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(shè)計基于5G(向下兼容4G，3G，2G頻段)通訊技術(shù)[9]和GNSS高精度定位追蹤技術(shù)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(gòu)建安全、精確、高效、穩(wěn)定的水文應(yīng)急測流平臺[10]。系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 終端設(shè)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(shù)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(shè)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(shè)計有紅、黃、綠三色3個指示燈，方便技術(shù)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(shè)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(gòu)設(shè)計

根據(jù)水文應(yīng)急監(jiān)測測流的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)整體的開發(fā)模式采用瀏覽器/服務(wù)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(wù)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(luò)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(shù)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(wù)層、應(yīng)用層和視圖層，其中，視圖層與應(yīng)用層緊密相連，為用戶使用應(yīng)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(shè)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(wù)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(luò)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(yīng)用的各種前后臺結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，含測量數(shù)據(jù)、設(shè)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(shè)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(wù)層是所有根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯關(guān)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(yīng)急監(jiān)測測量的實際工作業(yè)務(wù)流程，對數(shù)據(jù)收集、操作和管理進行抽象化設(shè)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(yīng)用層分為管理后臺和手機 APP 2個平臺的應(yīng)用業(yè)務(wù)。管理后臺的應(yīng)用業(yè)務(wù)在瀏覽器中實現(xiàn)各種管理業(yè)務(wù)；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(wù)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(shè)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(shè)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(shè)計有人員管理、設(shè)備管理、設(shè)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(shè)計有測量任務(wù)、設(shè)備管理、設(shè)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(shù)人員、監(jiān)測負責(zé)人、應(yīng)急專家、決策專家，經(jīng)服務(wù)器后臺授權(quán)，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(shè)置不同使用權(quán)限，可實現(xiàn)監(jiān)測、監(jiān)視、數(shù)據(jù)查看、軌跡回放等任務(wù)接收、實施及數(shù)據(jù)上傳下載等功能。系統(tǒng)功能模塊設(shè)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(yīng)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(yīng)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(quán)的手機號和密碼登錄APP端后，點擊開始測量，選擇設(shè)備，將APP與流速球匹配好后，設(shè)置當前測量項目名稱、流速球預(yù)警速度、風(fēng)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(quán)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(shè)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(wù)名稱、測量設(shè)備、開始時間、結(jié)束時間、預(yù)警速度、實時軌跡、數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)導(dǎo)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(wù)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(wù)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(dǎo)出可根據(jù)任務(wù)要求導(dǎo)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(dǎo)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(shù)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(shè)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(yīng)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(yīng)急監(jiān)測的天然浮標加光學(xué)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(fēng)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(chǔ)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(shù)人員編制適應(yīng)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(yīng)急監(jiān)測提供了又一快速、便利的監(jiān)測技術(shù)方式。