智能浮標流速流量率定系數應用研究

趙小峰

（遼寧成運建設項目管理有限公司，遼寧 本溪 117000）

目前我國水文部門配備了一定數量的聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，簡稱ADCP），主要在長江、黃河等大江大河上進行流量測驗。然而，諸如流量測量時間長且效率低下，難以實現自動化操作及應對復雜流量測量環境等，國內外許多科學家都對流量測驗方法進行研究［1-2］。因此，要根據超標洪水的實際情況，采用先進的測流技術，取代常規流速儀測流，這不僅可實現經濟效益和社會效益“雙贏”，而且減輕了勞動強度，降低了測流風險，提高了測驗效率和精度，為水文部門實現簡單高效的站隊組合打下良好基礎。 項目結合數學、物理、遙感等模組技術，對超標洪水測流技術進行研究并開發了測報一體化信息平臺［3-4］。

1 研究內容

通過數學模型、 物理模型對遙測模組構建進行理論研究， 并結合理論研究成果對超標洪水測流技術進行探索， 形成基于衛星定位系統的遙測浮標概化構建方案，并搭建綜合業務平臺［5-6］。

1.1 遙測模組構建理論技術

1.2 遙測浮標概化模型

通過浮標測流實驗， 研究構建遙測浮標概化模型，將遙測浮標理論研究結論和測驗結果進行推廣，以逐步實現遙測浮標測流的信度和效度值既適用于測流實驗范圍，也可用于實際超標準洪水情境，以獲得較高的概化性［7-10］。

1.3 綜合業務平臺

構建超標洪水測報系統平臺, 以水動力模型和神經網絡模型為理論基礎，構建包括自動采集、遠程測報、流量實時收發的平臺系統架構，植入流速計算算法優化， 配備導入河流斷面數據和實時水位數據接口，研究系統平臺可視化智能化測報。

1.4 確定智能浮標流速流量率定系數

在遼河平原、渾河、太子河和遼西山區的中小河流進行智能浮標流速系數試驗。 通過現場實驗及歷史數據分析， 提出不同流速級及不同過水斷面條件下， 平原區及山丘區型河流智能浮標法的流速流量率定系數。

2 智能浮標集成裝置組件

智能浮標是利用3D 打印技術設計和部署的，考慮到各種條件，如洪水期間的波浪和水的下降,浮標形狀是流線型的，以適應河流超標水體的特點，進水口是磨砂的，以增加外殼的摩擦,由浮標和水體之間的運動引起的數據波動被大大消除。 流線型外殼的防水設計是專門為達到IPX5 防水而設計的，可防止泄漏和溢出，并保護浮標上的電子裝置。外殼是由強度高的環保工程塑料制成的, 其尺寸只有20 cm，重量僅0.5 kg。浮標內部結構示意圖如圖1。

圖1 浮標內部結構示意圖

衛星定位模塊優先考慮衛星定位系統, 該系統由中國獨立開發，有5 個主要功能：高效導航、快速定位、準確計時、位置報告和短信通訊服務。與GPS相比，衛星定位模塊具有短信通信功能。主要覆蓋中國大陸、東南亞、東亞和印度洋地區, 提高敏感水域和重要地區的測量數據的安全性, 該覆蓋區具有信號強度高、信號覆蓋好、成本低、傳輸安全等特點。傳統的浮標流量測驗是在短于10 m 的河床上進行的，沒有彎道，河床液面具有一定高度。水面平均寬度和高度的測量方法： 取一個漂浮物放在流動的河流上游段中心， 讓漂浮物在不受外力影響下流過測量的距離，并記錄其流動時間。這樣重復幾次，就可得到一個平均值。 傳統浮標法測流可應用與多種復雜的測流環境， 但人為因素干預過高， 系統誤差相對較大。

衛星定位模塊使用差分定位, 以衛星定位系統通信模塊為主要模塊，GPS 通信模塊是次要模塊, 可進行亞米級的定位，以確保數據準確性；結合了GSM網絡和衛星定位系統技術的定位終端, 具有實時跟蹤設備位置、軌跡回放、遷移、距離和振動警報功能,設備和客戶端應用程序可使用手機或PC 基于位置的服務平臺進行遠程管理。

2.1 數據收發

安全可靠的數據模塊， 用于雙向互動通信的無縫連接。高精度、高可靠性和低能耗是傳感器的優先事項。智能化的模塊化設計與集成控制，既有時間控制的開關，便于開啟衛星接收啟動、自動定位、數據傳輸和接收的工作操作。

我說，估計是個小偷，看見我嚇跑了。劉偉說，我們快撤，去藍夜電影院拿錢！我驚慌起來：“你們干完了？就這一會兒你們就干完了？”“你做得很好，”劉偉說，“完事了，意想不到的順利！”

2.2 數據算法

流速儀可分為旋槳式轉、電磁式、超聲波式等，這些系統相對比傳統的浮標系統更精確。 適用于良好的流量測量條件。 在較大或較復雜的水體中可能出現系統差。 根據浮標位置和移動的時間差計算流速和流向。 智能浮標中的衛星定位模塊利用差分定位原理， 從而提供亞米級的高精度定位能力， 從而保障了數據精度； 流速的計算算法利用水流特征對數據進行濾波計算， 消除浮標因水流擾動帶來的誤差。智能浮標被安放在河里，并向下游移動,浮標內的定位和通信模塊每秒收集浮標的位置， 并將其傳輸到中心的監控軟件中, 數據將被監測軟件接收,將過濾掉無效的數據點, 流速和方向也是根據流量特性算法計算出來的，結果顯示在監測軟件中。

2.3 代價計算

歸一化相關函數（NCC）被用作計算成本的相似度函數,NCC 生成值越高， 匹配點的相似度就越高。NCC 計算對準成本的主要特點是對準精度高， 對變化的魯棒性好，數值范圍固定［-1,1］，計算復雜性高。即使在使用并行計算加速的情況下，NCC 也能達到良好的計算速度。

2.4 差值選取

首先， 選擇布局的最大值作為替代搜索空間的候選匹值，從候選匹值中選擇最佳匹配，候選匹配值被用來確定最佳匹配是否可靠, 匹配可靠性低的像素被選為不穩定點，其位置被記錄。然后, 穩定匹配的成本信息被用來更新不穩定匹配的成本信息。假設項目間不確定性的代理i 滿足以下限制條件:

式中 δδcagg為Ccagg(p,i)在i 方向上的增量；J 為約束半徑。

這一限制意味著真實偏差周圍的代理值應從兩者的倒數中點開始呈現出逐漸增加態勢。 如代理值滿足上述約束條件或全局最大值， 則相應的差距被選為匹配的候選值，然后用置信系數來確定匹配是否合理。

2.5 不可靠匹配的優化

記錄不滿足不穩定標簽的可靠性約束的測量點的位置,對于測量點不太可靠匹配團隊成員，通過反復過濾更新成本信息。 類似于成本匯總的策略被用來更新不穩定的成本信息， 通過策略可有效改善由于紋理缺失造成的不匹配。 這種成本更新策略只更新不可靠的匹配的成本信息，不影響可靠的匹配，從而防止不正確的匹配，同時保持正確的匹配。此外，應進行左右一致性檢查，以消除任何遮蔽點或差異。在各差值基礎上，匹配度應具有像素的差值，對高精度立體匹配，整數差值很難滿足要求，通過對整數差值的初始相關代價進行拋物線擬合。

2.6 電池組續航模塊

在超標洪水等極端惡劣天氣的環境條件下，電池組續航系統往往決定著整個浮標系統運行的正常與否。 目前許多浮標設備通常采用的是太陽能和蓄電池相結合的供電方式， 由于太陽能電池的發電效率目前還處在較慢較低的狀態， 超標環境下惡劣天氣居多，且太陽能供電模式會使得浮標體積較大，便攜性差，因此本次設計考慮采用鋰電池模組供電，在能量轉換和續航上對電池儲能進行分析， 綜合確定鋰電池供電模組續航時間低續航版達72 h， 高續航版達360 h，充分實現智能浮標的水流全流域流速及流向監測。

3 智能浮標測流綜合應用

傳統水文測站施測流量方式為流速儀、橋測車、水文纜道、ADCP 等方法，在超標洪水測量方面均存在局限性，尤其是在河里有很多漂浮物時，在暴風雨期間和索道停電期間，情況更是如此。結合流速儀和ADCP，對遼寧省山區和平原的幾條河流進行中泓浮標法的流量數據分析, 確定智能浮標的速度和流量之間的關系，以及站點的橫截面和流速之間的關系。

3.1 智能浮標流速系統應用研究

在實踐中， 選用智能浮標的水面浮標法測驗大洪水流量是一種有效、安全、可靠的方法。采用智能浮標使水面流速的測量更加安全可靠， 可在不同起始距離投放多個智能浮標， 通過計算智能浮標不同垂線的單寬流量，可計算出該段的虛擬流量。智能浮標流量分析可使用多點法或單點法測量的流量數據，在相對水深為0.6 m 的情況下，結合中泓浮標法的流量數據分析來確定。 智能浮標的流量系數是根據GB50179—2015《河流流量測試規范》確定的，該規范使用測速法和ADCP 與智能浮標相結合進行測試, 綜合確定山丘區結合水勢陡漲陡落等因素綜合取值0.85 m，平原區取0.90 m。

3.2 智能浮標流量系數應用研究

影響智能浮標流量測量系數的因素包括水位、風向、風速、風浪和斷面穩定性,通過測量實際斷面面積和測量流速來計算斷面流量。 河流過水斷面最大流速點的連線為中泓線， 中泓浮標是指自然或人工浮標從浮標在中泓線從上游到下游斷面的平均水面速度 （智能浮標不受上下游落差或終點限制）。通過使用相應的水位和斷面,推求計算有效斷面面積，并將效斷面面積乘以浮標測量的平均水面速度，便得出該斷面的虛流量， 虛流量乘以流量系數即可得出斷面實際流量。因此，流量系數的穩定性將直接影響到從虛擬流量到實際流量轉換的準確性。 智能浮標流速比是斷面實測流量與測量的虛擬流量之比。為了進一步得出流量系數，用河槽改正系數KW對流量系數進行校正。

式中Kw為河槽改正系數；Af是浮標測量河段的平均斷面面積（m2）；Ac是流速儀測流斷面面積（m2）；Au是浮標測量河段上斷面面積（m2）；Am為浮標測量河段中斷面面積（m2）；Al為浮標測量河段下斷面面積（m2）。

浮標系數測驗誤差的任務通過分析和測驗兩種方式進行的。 測試中誤差控制的主要內容之一是控制水深、流量測量和起始距離?？刂普`差分析過程是基于趨勢線的擬合度R2， 它反映了估計值和真實值的擬合效果；擬合度越高，系數就越可靠。R2值的范圍從0 到1。R2值越接近1，可靠性就越高，反之亦然。

R2的計算公式：

式中sstotal 表示總平方和；Ssreg 表示回歸平方和，回歸平方和等于總平方和和殘差平方和（ssresid）之差。

遼河平原、渾河、太子河和遼西山區的中小河流基于1980 年至今歷史系列資料結合現場實驗比測資料分析確定智能浮標中泓一點法流量系數如表1～表5， 綜合確定智能浮標中泓一點法平原區及山丘區流量系數如表6， 歷史系列資料部分根據各年實測流量成果表分析計算如式（4）～式（5）：

表2 渾河段智能浮標中泓一點法流量系數

表3 太子河段智能浮標中泓一點法流量系數

表4 中小河流（平原區）智能浮標中泓一點法流量系數

表5 中小河流（山丘區）智能浮標中泓一點法流量系數

表6 智能浮標中泓一點法綜合流量系數

式中Q虛為計算得出的斷面虛流量(m3/s)；Vmax為實測流量成果表單次測流最大流速(m/s)；S 為過水斷面面積(m2)；Q實測為實測流量成果表中實測流量(m3/s)；K 為智能浮標流量系數。

綜合流量系數表為通過歷史實測資料及2021年比測數據綜合得出， 取值可依據超標洪水現場外部條件等各種因素綜合上下浮動。

5 結語

本文構建了遙測模組， 完成了智能浮標集成裝置組件設計及生產。應用數學模型、物理模型，構建了遙測模組，基于通訊模塊、衛星定位模塊、軟件收發模塊、供電模塊、載體模塊，設計了智能浮標集成裝置組件，應用3D 打印技術，制作了超標洪水測報流線型防水智能浮標。 衛星定位模塊利用差分定位原理，提供亞米級定位，并保證數據的準確性。構建了遙測浮標概化模型，通過浮標測流實驗研究，進一步考察了不同測驗設計條件下的概括力， 研究構建了基于衛星定位系統的遙測浮標概化模型， 總結了衛星定位系統遙測浮標理論研究結論， 分析了測驗結果及其推廣方向， 提高了衛星定位系統遙測浮標的概化性。優化了流速計算算法，配備了導入河流斷面數據和實時水位數據接口， 實現了系統平臺可視化、智能化測報，同時完成了在應急山洪災害預警、城市防汛預警、中小河流及大江大河超標洪水測報等場景的良好應用。