基于GPS電子浮標(biāo)的水文應(yīng)急測流系統(tǒng)

朱永紅 劉沂軒 劉昱 宋夢(mèng)雨

摘? 要：針對(duì)災(zāi)害應(yīng)急場景設(shè)計(jì)了水文應(yīng)急測流系統(tǒng)。系統(tǒng)利用隨水流運(yùn)動(dòng)的GPS電子浮標(biāo)實(shí)時(shí)位置信息計(jì)算水流速度，結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)浮標(biāo)位置、軌跡、當(dāng)前狀態(tài)、實(shí)時(shí)流速等數(shù)據(jù)進(jìn)行測流過程展示；介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、電子浮標(biāo)外觀結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)、上位機(jī)功能模塊設(shè)計(jì)，并介紹了上位機(jī)軟件中針對(duì)電子浮標(biāo)的精確定位問題、數(shù)據(jù)刷新的實(shí)時(shí)性問題、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式問題的解決方案；實(shí)驗(yàn)表明浮標(biāo)能夠順利采集定位信息并傳輸至云平臺(tái)，上位機(jī)基于浮標(biāo)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行流速流量的估算并顯示，完成流速流量的測量。

關(guān)鍵詞：水文；應(yīng)急監(jiān)測；浮標(biāo)測流；GPS

中圖分類號(hào)：TP311.5；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）09-0038-04

Abstract： The hydrological emergency flow measurement system is designed for disaster emergency scenarios. The system uses the real-time position information of the GPS electronic buoy that moves with the flow to calculate the flow velocity， and combines GIS technology to display the flow measurement process data of buoy position， trajectory， current state， real-time flow velocity and so on. The system architecture， electronic buoy appearance structure and hardware design， upper computer function module design are introduced. And it introduces the solutions of accuracy positioning problem for electronic buoy， real-time problem of data refresh， store method problem of historical data in the upper computer software. The experiments show that the buoy can successfully collect positioning information and transmit it to the cloud platform， and the upper computer can estimate and display the flow velocity and flow rate based on the buoy data to complete the measurement of flow velocity and flow rate.

Keywords： hydrology; emergency monitoring; flow measurement by buoy; GPS

0? 引? 言

水環(huán)境突發(fā)事件是世界上危害性最大的災(zāi)害之一，災(zāi)害過程中的水文數(shù)據(jù)能夠?yàn)橹贫ê侠淼目篂?zāi)搶險(xiǎn)方案、指揮救援等提供有力的支撐[1]。但是災(zāi)害的惡劣環(huán)境中傳統(tǒng)監(jiān)測手段通常無法完成監(jiān)測任務(wù)[2]。為了完成應(yīng)急測流任務(wù)，文獻(xiàn)[3]提出操作無人機(jī)攜帶測流裝置到達(dá)測流地點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程測流，但是該方法在惡劣天氣和不利地形下無法使用；文獻(xiàn)[4]提出了利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，但是沒有給出數(shù)據(jù)感知方案；文獻(xiàn)[5]研制了多功能智能測流航標(biāo)，將測流裝置和其他水文數(shù)據(jù)采集裝置集成在大型航標(biāo)上，該裝備性能較強(qiáng)，但是成本較高；文獻(xiàn)[6，7]中使用的浮標(biāo)測流法是近年來災(zāi)害應(yīng)急工作中有效的測流手段，隨著技術(shù)的發(fā)展，電子浮標(biāo)的出現(xiàn)更是使應(yīng)急測流工作的自動(dòng)化程度、數(shù)據(jù)精確度、操作安全性等大大提高。文獻(xiàn)[8]中提出還可以將ADCP儀器裝置在浮標(biāo)上進(jìn)行測流，并研究了浮標(biāo)對(duì)測量效果的影響。但是基于電子浮標(biāo)的測流系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要解決如下問題：

1）電子浮標(biāo)的精確定位。電子浮標(biāo)的位置信息是流速計(jì)算的基礎(chǔ)，應(yīng)急測流的電子浮標(biāo)通常為拋棄型，性能較低，再加上災(zāi)害中的惡劣環(huán)境影響，如何保證定位數(shù)據(jù)精確性是一個(gè)難點(diǎn)。

2）數(shù)據(jù)刷新的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)測流過程需要展示測流狀態(tài)，對(duì)數(shù)據(jù)刷新實(shí)時(shí)性要求較高，而電子浮標(biāo)采用電池供電，能量有限，數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)念l率會(huì)影響浮標(biāo)壽命，再加上系統(tǒng)利用GPRS將數(shù)據(jù)上報(bào)至云平臺(tái)有響應(yīng)時(shí)間，需要設(shè)計(jì)合理的均衡方案。

3）歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式。歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)不僅要考慮便于查詢和處理，測流系統(tǒng)提供了歷史回放功能，還需要同時(shí)考慮便于回放功能的實(shí)現(xiàn)。

1? 系統(tǒng)架構(gòu)

水文應(yīng)急測流系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)、GPRS模塊、運(yùn)營商基站、OneNET云平臺(tái)以及移動(dòng)終端幾個(gè)部分組成的，采用了終端-云-用戶的系統(tǒng)架構(gòu)[9]。系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

為了提高災(zāi)害環(huán)境中操作該系統(tǒng)的安全性，電子浮標(biāo)為低成本可拋棄型，將電子浮標(biāo)以合適的方式投入待測水體上游附近，浮標(biāo)隨水流漂浮前進(jìn)，利用GPS定位獲取浮標(biāo)實(shí)時(shí)經(jīng)緯度信息和地面速度信息，并通過GPRS傳輸至云平臺(tái)；上位機(jī)軟件從云平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，利用相關(guān)算法對(duì)水流速度進(jìn)行估算，得到實(shí)時(shí)流速。系統(tǒng)將測流過程數(shù)據(jù)存放在云服務(wù)平臺(tái)，可以提供歷史回放、測流方式選擇等功能，還可以接入其他水文應(yīng)用系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)支持[10]。

2? GPS電子浮標(biāo)

拋棄型電子浮標(biāo)除了能夠滿足系統(tǒng)的功能需求，還需要考慮低成本、易操作、使用靈活等。電子浮標(biāo)外觀如圖2（a）所示，底部設(shè)計(jì)阻力結(jié)構(gòu)，減少水流與浮標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；半球結(jié)構(gòu)底部灌膠，使浮標(biāo)在水流中產(chǎn)生不倒翁效果，保持浮標(biāo)姿態(tài)的同時(shí)使天線始終在水面上方，防止水體對(duì)信號(hào)的影響；螺旋上蓋加密封圈提供高級(jí)別的防水效果。浮標(biāo)尺寸為15（直徑）×12（高），重量約600 g，災(zāi)害惡劣環(huán)境下可以較易存活，可以大量布設(shè)，以滿足應(yīng)急測流要求。

GPS電子浮標(biāo)的硬件部分主要由主控模塊（STC15W）、SIM868模塊、電源模塊等模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

2.1? 主控模塊

采用成本較低同時(shí)能滿足系統(tǒng)計(jì)算需求的STC15W系列單片機(jī)作為主控模塊，通過串口控制SIM868芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、處理與傳輸。

2.2? 通信與定位模塊

采用SIM868芯片實(shí)現(xiàn)定位與通信功能，SIM868是一款集多個(gè)功能與一體集成模塊，利用GPS定位模塊獲取GPS經(jīng)緯度信息；GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)。

2.3? 供電模塊

系統(tǒng)提供2種供電方式，2節(jié)3.7 V鋰電池供電和5 V直流電源供電，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

3? 上位機(jī)

3.1? 系統(tǒng)功能

為了實(shí)現(xiàn)測流過程可視化并提供交互、歷史數(shù)據(jù)查看等功能，系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)了三個(gè)功能模塊，功能框圖如圖3所示。

單片機(jī)從SIM868定位模塊讀取GPS位置和地面速度數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析和處理，利用 SIM868GPRS通信模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)。

具體功能如下：

1）在線電子浮標(biāo)查詢功能：可以從云端獲取在線電子浮標(biāo)信息，以ID作為唯一標(biāo)志，并以設(shè)備命名進(jìn)行顯示，供使用者直觀查看在線電子浮標(biāo)的設(shè)備信息及數(shù)量，以便選擇需要的設(shè)備進(jìn)行其他功能的操作。

2）基于衛(wèi)星地圖的設(shè)備實(shí)時(shí)位置與軌跡查看功能：在衛(wèi)星地圖上實(shí)時(shí)顯示設(shè)備位置和運(yùn)行軌跡，用戶可以直觀查看浮標(biāo)所在水域，確定是否進(jìn)入測流區(qū)間。

3）實(shí)時(shí)測流和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)顯示功能：實(shí)時(shí)流速的測量自動(dòng)完成，在頁面上顯示結(jié)果信息和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)信息。

4）測流區(qū)間選擇功能：用戶可以根據(jù)浮標(biāo)實(shí)時(shí)位置，通過點(diǎn)擊區(qū)間測流開始和結(jié)束指定測流區(qū)間，進(jìn)行區(qū)間流速和流量的計(jì)算。

5）測流記錄查詢功能：測流數(shù)據(jù)用時(shí)間段標(biāo)記并存儲(chǔ)，可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)行查詢。

6）測流歷史回放功能：實(shí)時(shí)測流和區(qū)間測流操作數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在云端，且區(qū)間測流的時(shí)間被以事件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，選擇相應(yīng)測流時(shí)間可以以視頻的形式進(jìn)行測流歷史回放。

7）差分定位設(shè)置功能：為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用了差分定位，由用戶根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，通過設(shè)置基準(zhǔn)站坐標(biāo)選擇使用差分定位。

3.2? 關(guān)鍵技術(shù)方案

電子浮標(biāo)的低成本化的給定位精確度的保證帶來了挑戰(zhàn)；終端-云-上位機(jī)的架構(gòu)影響了數(shù)據(jù)遞交效率，使上位機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新效果不好；歷史測流場景回放要求合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求形式。為了解決這些問題，提出如下技術(shù)方案：

3.2.1? 低成本設(shè)備精確定位技術(shù)

為了應(yīng)急監(jiān)測的安全性，將浮標(biāo)做成了消耗型產(chǎn)品，選擇了低成本定位模塊，性能有限。為了提高定位精度，我們?cè)谏衔粰C(jī)利用差分技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理[11-13]，在有明確坐標(biāo)的水文監(jiān)測站放置節(jié)點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)利用該基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分計(jì)算，對(duì)誤差進(jìn)行修正，得到精確的經(jīng)緯度來進(jìn)行水流流速及流量的解算。步驟如下：

1）已知坐標(biāo)的水文工作站安置基準(zhǔn)站，采集定位信息（經(jīng)、緯度、地面速度、地面航向、使用的衛(wèi)星、星歷），將結(jié)果發(fā)送至云平臺(tái)。

2）在浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)上利用GPS模塊采集定位信息，并傳輸至云平臺(tái)。

3）上位機(jī)從云平臺(tái)獲取浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，進(jìn)行差分計(jì)算：

由于自設(shè)基準(zhǔn)站和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離通常不超過5 km，選擇使用最簡單的位置差分，可以消去基準(zhǔn)站與用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、SA影響、大氣影響等。

已知基準(zhǔn)站精準(zhǔn)坐標(biāo)（x0，y0，z0），基準(zhǔn)站觀測坐標(biāo)為（x*，y*，z*），可由式（1）求得坐標(biāo)修正數(shù)：

其中，（x1，y1）、（x2，y2）為浮標(biāo)站在前一時(shí)刻t1和當(dāng)前時(shí)刻t2的弧度坐標(biāo)（弧度=經(jīng)緯度×3.141 592 6/180），R=6 371.0 km，為地球半徑。

5）在地圖上顯示浮標(biāo)位置、速度，回到步驟2）。

3.2.2? 基于事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新效果保障技術(shù)

為了獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，精確捕捉流速的實(shí)時(shí)變化情況，需要數(shù)據(jù)以較高頻率進(jìn)行采集，然而浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)能量受限，系統(tǒng)采用的終端-云平臺(tái)-上位機(jī)的架構(gòu)雖然具有很多優(yōu)勢(shì)，卻存在響應(yīng)速度門檻，無法實(shí)現(xiàn)高頻率數(shù)據(jù)上報(bào)，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性效果，采用了基于事件驅(qū)動(dòng)的頻率自適應(yīng)數(shù)據(jù)上報(bào)機(jī)制：

1）下位機(jī)根據(jù)加速度的值確定數(shù)據(jù)采集頻率并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)存入緩存。

2）設(shè)計(jì)三種驅(qū)動(dòng)事件：間隔時(shí)間到達(dá)、加速度超閾值、緩存超限。間隔時(shí)間到達(dá)：按時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)；加速度超閾值：加速度超過閾值時(shí)說明速度變化較快，需要提高數(shù)據(jù)采集頻率；緩存超限：緩存數(shù)據(jù)存滿。

3）當(dāng)事件發(fā)生時(shí)將緩存中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。

3.2.3? 基于數(shù)據(jù)流的場景回放技術(shù)

歷史回放功能動(dòng)態(tài)展示了測流全過程，該功能并非視頻記錄，而是基于數(shù)據(jù)流的場景重現(xiàn)。測流數(shù)據(jù)以區(qū)間測流開始和結(jié)束的時(shí)間段進(jìn)行了分段存儲(chǔ)，軟件按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)從云平臺(tái)請(qǐng)求歷史數(shù)據(jù)，將節(jié)點(diǎn)運(yùn)行軌跡、速度等信息按時(shí)間順序在衛(wèi)星地圖上描繪。

3.3? 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

3.3.1? 云平臺(tái)數(shù)據(jù)接收

浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)站將定位信息發(fā)送到云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，云平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)如圖4所示。

3.3.2? 上位機(jī)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測流操作主界面、歷史記錄界面和設(shè)置界面三部分，并在江蘇省水文水資源勘測局連云港分局的配合下進(jìn)行了測試。

圖5為系統(tǒng)主界面，提供了測流過程實(shí)時(shí)展示和交互功能，用戶可以點(diǎn)擊“獲取實(shí)時(shí)位置”和“停止”按鈕開始和停止查看測流情況，界面同步顯示當(dāng)前測流狀態(tài)；“區(qū)間測流開始”和“區(qū)間測流結(jié)束”按鈕提供了用戶交互功能，可以根據(jù)當(dāng)前地圖顯示的浮標(biāo)所在位置選擇測流區(qū)間，該功能可以多次使用。用戶可以通過設(shè)備按鈕查看當(dāng)前在線設(shè)備，并可以通過ID號(hào)選擇要操控的設(shè)備。

圖6為設(shè)置界面，可以設(shè)置用于差分定位的基準(zhǔn)站坐標(biāo)，當(dāng)該坐標(biāo)位設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行差分計(jì)算；可以通過設(shè)置斷面面積用于計(jì)算流量，該值不被設(shè)置時(shí)主界面只顯示平均流速。

圖7為歷史記錄界面，測流數(shù)據(jù)以區(qū)間測流開始和結(jié)束的時(shí)間段進(jìn)行了分段存儲(chǔ)，用戶可以按照時(shí)間進(jìn)行查詢，選擇相應(yīng)時(shí)間段進(jìn)行歷史測流過程的回放。

設(shè)置完成后，在系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊“獲取實(shí)時(shí)位置”按鈕，浮標(biāo)實(shí)時(shí)位置和運(yùn)行軌跡在地圖上顯示，通過“區(qū)間測流開始”和“區(qū)間測流結(jié)束”控制測流區(qū)間。

4? 結(jié)? 論

應(yīng)急測流系統(tǒng)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作簡單的GPS電子浮標(biāo)，可以隨取隨用，大量布設(shè)，解決了設(shè)備成本高、覆蓋率低，災(zāi)害中易損毀等問題，降低了應(yīng)急監(jiān)測人員的安全風(fēng)險(xiǎn)；采用GIS技術(shù)在衛(wèi)星地圖上實(shí)時(shí)顯示浮標(biāo)位置和速度信息，對(duì)測流過程進(jìn)行直觀展示，提供了更友好的數(shù)據(jù)可視化方式；選擇監(jiān)測區(qū)間的交互功能使工作人員能夠獲得多個(gè)區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用更加靈活；差分定位技術(shù)、事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)上報(bào)機(jī)制保障了系統(tǒng)性能，滿足規(guī)范要求；歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放功能為災(zāi)后進(jìn)行事件分析、信息挖掘等提供數(shù)據(jù)支持。為水文應(yīng)急監(jiān)測提供了安全、便利、有效的技術(shù)手段。

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作者簡介：朱永紅（1979—），女，漢族，江蘇徐州人，副教授，博士，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，人工智能。