基于水文应急监测的GNSS测流系统平台设计与应用

2022-10-06孙振勇，金奇，戴剑

人民长江 2022年9期

孙振勇，金奇，戴剑

(1.长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆 400021； 2.重庆长毛象科技有限公司，重庆 400014)

0 引言

水文应急监测工作是水事件灾后应急处置的重要内容，为灾害风险评估、应急排险等提供数据服务和决策依据，可有效降低灾害风险，挽回重要损失[1-2]。灾区水文监测环境恶劣，具有洪水量级大、流速快、监测条件差、人身安全难以保障等特点[3]，传统方法采用手持电波流速仪(SVR)和简易浮标法进行，存在测量手段单一、计算工作量大、技术人员自身的安全受到灾区次生灾害威胁等问题。

近年来，随着电子通信、物联网、云计算、雷达技术、无人机技术的发展，以GNSS电子浮标和无人机雷达测流[4]、无人机影像测流[5]为代表的新技术逐步应用于水文测验等领域，但后两项目前仍处于试验研究阶段。GNSS电子浮标最早于20世纪90年代在国外用于海平面测高观测研究，在国内应用于水文流量测验(内河)始于近5 a，起步较晚但发展较为迅速[6]。早期产品受GNSS芯片、通讯、制造技术等限制，存在着浮标终端庞大笨重、搬运与投放不便、定位精度不高等缺陷，更没有对应的专用平台软件进行实时监测与数据计算。

水文应急监测下的流量测验工作，应是提高作业的安全、数据的精度和内业计算分析的强度。为提升水文应急监测能力，本文设计开发出一款基于水文应急监测的GNSS测流系统平台。系统平台支持移动终端应用服务，可通过手机APP端或平板实现多用户在线服务，可对多个流速球终端进行远程监测、数据实时查看、简要分析计算和数据下载存储。通过大量试验数据和项目实例运用表明，该测流系统平台操作简便、数据直观、技术稳定可靠，可满足抢险救灾中的水文应急监测数据快速收集工作。

1 水文应急测流业务分析

突发水事件发生后，根据需要，在应急管理部门和相关专业技术单位的指导下，应急监测队伍应迅速启动应急监测预案、开展水文应急监测，有效收集到相关水文数据信息，给应急管理部门和相关单位决策提供依据，最大限度地降低灾害带来的损失[7]。

传统水文应急监测按以下流程实施：应急监测队伍负责人同技术人员现场踏勘，收集资料，编制应急监测技术方案；测流监测技术员依据技术方案选择合适的仪器设备进行流量监测并上报监测数据；应急监测队伍负责人(或前方负责人)组织灾区内水文应急监测实施，汇总数据、分析梳理并及时上报等工作；应急调查专家接收各项监测数据，制定应急处置方案。陈松生等[2]指出灾区水文测验设施和设备破坏严重，技术人员安全保障性差；官学文等[8]提出水文应急监测常规手段无法实施，数据通讯传输困难。此外，传统水文应急监测还存在监测精度较低、计算数据量大(不能自动计算与分析)等特点。鉴于此，水文应急测流平台设计应面向全体监测参与人员，具备快速、抗干扰、轻便易携带、结果准确直观等要求与特点。

2 系统平台设计

2.1 系统平台总体设计

系统平台应能满足灾区特殊环境条件下的水文应急流量测验，同时兼顾水利工程建设、航道港口、水文测报等常规条件下的流量测验工作。系统设计基于5G(向下兼容4G，3G，2G频段)通讯技术[9]和GNSS高精度定位追踪技术进行研发，建立集流量数据采集、存储、管理、专业综合分析等功能于一体的多流速球终端同步测流集成系统和多用户在线监测系统，构建安全、精确、高效、稳定的水文应急测流平台[10]。系统平台总体架构如图1所示。

2.2 终端设计

系统测流方法本质上是浮标法测量，终端称之为智能流速球(见图2)。流速球以ABS热塑性材料为原料，采用3D打印技术制作，防水性能好、成本较低[11]。流速球整体外观为手握式球型，球型外表面采用对称凹槽设计，可增大水流阻力，使球体与水流速度更加接近。球体内部配有浮球配重块，防止浮球终端侧翻和倾覆，保证GNSS工作过程中始终能有效接收到卫星信号而正常工作。

流速球搭载了容量为5 000 mAh可充电锂电池为工作电源，可保证长时效工作时长。机身设计有红、黄、绿三色3个指示灯，方便技术人员判断流速球的工作状态。流速球采用了双馈点GNSS天线设计，提高了对GNSS多路径(交叉极化)信号的排斥，测量精度得到有效保证。

2.3 架构设计

根据水文应急监测测流的业务需求，系统整体的开发模式采用浏览器/服务器(Browser/Server，简称 B/S)模式[12]。智能流速球通过5G通讯信号将流速、流向、坐标数据实施传输分发到后台服务器、手机客户端APP。手机APP端通过移动通讯信号进行通讯，Web端(PC后台管理系统)通过TCP/IP网络协议进行通讯。GIS接口基于“天地图”的API接口或高德地图的API接口，综合运用HTML5、Android JAVA、Python、PHP、SQLite等编程技术研制[13-14]。整个系统自下而上分为5个层面：硬件层、数据层、服务层、应用层和视图层，其中，视图层与应用层紧密相连，为用户使用应用层的交互页面，故两者不再各自单独描述，如图3所示。

(1) 硬件层为系统提供所需的设备和运行环境，满足多终端数据存储和多用户计算分析功能。系统服务器使用 Linux 操作系统，兼容Windows系统，可确保系统后台的稳定运行；网络编程采用TCP和UDP协议；编程语言采用Python语言，易于维护，方便移植和扩展。

(2) 数据层为平台提供系统所应用的各种前后台结构化、非结构化数据，含测量数据、设备数据、用户数据和底图数据。管理平台系统数据库采用MySQL数据库设计；APP端选用 SQLite 数据库，采用JAVA语言编程；底图数据兼用天地图、高德地图等地图资源。

(3) 服务层是所有根据业务逻辑关系抽象出来的功能或功能集合，采用面向对象的开发思想，根据水文应急监测测量的实际工作业务流程，对数据收集、操作和管理进行抽象化设计、模块化调用，含底图API、专业模块功能以及数据备份3个模块。

(4) 应用层分为管理后台和手机 APP 2个平台的应用业务。管理后台的应用业务在浏览器中实现各种管理业务；移动端APP的测量操作功能实现远程流速球终端的流量测量操作。

(5) 视图层基于服务层的天地图或高德地图的 API 接口进行操作，在 PC 端展现管理后台的人员管理、设备管理、数据查询等功能；手机APP 端实现在线流速球终端在天地图(或高德地图)底图上的操作和交互功能[15-16]。

2.4 功能设计

系统分为Web端与APP端，Web端用户对象为系统管理员和数据分析人员，主要实现流速球终端数据接收、信息管理等功能，设计有人员管理、设备管理、设备数据、测量记录、专业功能、坐标转换等6个功能模块；APP端设计有测量任务、设备管理、设备数据、测量记录、专业功能、坐标转换等6个功能模块，用户对象为监测技术人员、监测负责人、应急专家、决策专家，经服务器后台授权，用户可以通过本机手机号码一键登录APP。依据使用对象设置不同使用权限，可实现监测、监视、数据查看、轨迹回放等任务接收、实施及数据上传下载等功能。系统功能模块设计如图4所示。

3 系统实现

系统采用高德地图或天地图(影像)API调用底图数据和交互操作，支持矢量地图、遥感影像视图切换显示，直观展示了流速球及周围自然环境；用户可进行简便高效的地图操作，实现地图缩放、图上测距、拉框搜索等功能，为水文应急监测现场工作与后台数据管理提供了非常便利的条件。

3.1 测流实现

基于水文应急监测的GNSS测流系统平台APP主界面如图5所示，经后台授权的手机号和密码登录APP端后，点击开始测量，选择设备，将APP与流速球匹配好后，设置当前测量项目名称、流速球预警速度、风向信息等，即可开始测量。需要注意的是，流速球在测量前需开机初始化1 min满足测量要求后抛入待测水域。开始测量后，经授权的所有人员可登录APP或管理平台实时查看测量状态，包括当前位置、流速、流向等数据信息，也可以在设备管理模块中监管流速球终端名称代码、上报频率、工作状态等。测量完成以后，点击“停止测量”按钮，则完成一次测量。

3.2 数据查询与统计

平台“测量记录”功能模块提供了丰富的图标形式直观查看各种原始数据。界面以表格的形式直观给出了测量任务名称、测量设备、开始时间、结束时间、预警速度、实时轨迹、数据查看、数据导出等子功能。

实时轨迹功能模块可查看基于地图底图的单次测量任务的流速球轨迹动画，画面简洁直观，操作简单。用户可通过控制菜单实现多倍速状态下的轨迹动画开始、暂停、继续、停止功能，详见图6(a)。

数据查看功能模块可查看当前任务的上报频率，测流距离，最大流速及坐标位置，最小流速及坐标位置，平均流速信息。数据导出可根据任务要求导出原始数据不同坐标系下的坐标成果。图6(b)给出了单个流速球终端一段时间的流速统计图。

3.3 专业功能定制

系统平台实现了多流速球终端集群测量控制以及多用户同时在线监测管理的目的。可根据集群数据进行多条件、多时间段的优化、叠加组合、分析计算，利用Python语言的可扩展性或可嵌入性特点定制符合水文监测要求的功能模块[17]。例如：增加断面流量计算功能，平台根据断面位置提取同一时段经过断面线的不同测线上的流速球终端的测流数据，计算大断面流量并自动导出符合水文规范的数据图表。绘制指定河段的流速分布图，在两江汇合口处特定区域，平台根据范围线坐标提取各流速球终端测流数据，依据给定的时间频率计算不同测线的流速分布，综合计算绘制出流速分布图。