智能浮标流速流量率定系数应用研究

赵小峰

（辽宁成运建设项目管理有限公司，辽宁 本溪 117000）

目前我国水文部门配备了一定数量的声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profilers，简称ADCP），主要在长江、黄河等大江大河上进行流量测验。然而，诸如流量测量时间长且效率低下，难以实现自动化操作及应对复杂流量测量环境等，国内外许多科学家都对流量测验方法进行研究［1-2］。因此，要根据超标洪水的实际情况，采用先进的测流技术，取代常规流速仪测流，这不仅可实现经济效益和社会效益“双赢”，而且减轻了劳动强度，降低了测流风险，提高了测验效率和精度，为水文部门实现简单高效的站队组合打下良好基础。 项目结合数学、物理、遥感等模组技术，对超标洪水测流技术进行研究并开发了测报一体化信息平台［3-4］。

1 研究内容

通过数学模型、 物理模型对遥测模组构建进行理论研究， 并结合理论研究成果对超标洪水测流技术进行探索， 形成基于卫星定位系统的遥测浮标概化构建方案，并搭建综合业务平台［5-6］。

1.1 遥测模组构建理论技术

1.2 遥测浮标概化模型

通过浮标测流实验， 研究构建遥测浮标概化模型，将遥测浮标理论研究结论和测验结果进行推广，以逐步实现遥测浮标测流的信度和效度值既适用于测流实验范围，也可用于实际超标准洪水情境，以获得较高的概化性［7-10］。

1.3 综合业务平台

构建超标洪水测报系统平台, 以水动力模型和神经网络模型为理论基础，构建包括自动采集、远程测报、流量实时收发的平台系统架构，植入流速计算算法优化， 配备导入河流断面数据和实时水位数据接口，研究系统平台可视化智能化测报。

1.4 确定智能浮标流速流量率定系数

在辽河平原、浑河、太子河和辽西山区的中小河流进行智能浮标流速系数试验。 通过现场实验及历史数据分析， 提出不同流速级及不同过水断面条件下， 平原区及山丘区型河流智能浮标法的流速流量率定系数。

2 智能浮标集成装置组件

智能浮标是利用3D 打印技术设计和部署的，考虑到各种条件，如洪水期间的波浪和水的下降,浮标形状是流线型的，以适应河流超标水体的特点，进水口是磨砂的，以增加外壳的摩擦,由浮标和水体之间的运动引起的数据波动被大大消除。 流线型外壳的防水设计是专门为达到IPX5 防水而设计的，可防止泄漏和溢出，并保护浮标上的电子装置。外壳是由强度高的环保工程塑料制成的, 其尺寸只有20 cm，重量仅0.5 kg。浮标内部结构示意图如图1。

图1 浮标内部结构示意图

卫星定位模块优先考虑卫星定位系统, 该系统由中国独立开发，有5 个主要功能：高效导航、快速定位、准确计时、位置报告和短信通讯服务。与GPS相比，卫星定位模块具有短信通信功能。主要覆盖中国大陆、东南亚、东亚和印度洋地区, 提高敏感水域和重要地区的测量数据的安全性, 该覆盖区具有信号强度高、信号覆盖好、成本低、传输安全等特点。传统的浮标流量测验是在短于10 m 的河床上进行的，没有弯道，河床液面具有一定高度。水面平均宽度和高度的测量方法： 取一个漂浮物放在流动的河流上游段中心， 让漂浮物在不受外力影响下流过测量的距离，并记录其流动时间。这样重复几次，就可得到一个平均值。 传统浮标法测流可应用与多种复杂的测流环境， 但人为因素干预过高， 系统误差相对较大。

卫星定位模块使用差分定位, 以卫星定位系统通信模块为主要模块，GPS 通信模块是次要模块, 可进行亚米级的定位，以确保数据准确性；结合了GSM网络和卫星定位系统技术的定位终端, 具有实时跟踪设备位置、轨迹回放、迁移、距离和振动警报功能,设备和客户端应用程序可使用手机或PC 基于位置的服务平台进行远程管理。

2.1 数据收发

安全可靠的数据模块， 用于双向互动通信的无缝连接。高精度、高可靠性和低能耗是传感器的优先事项。智能化的模块化设计与集成控制，既有时间控制的开关，便于开启卫星接收启动、自动定位、数据传输和接收的工作操作。

我说，估计是个小偷，看见我吓跑了。刘伟说，我们快撤，去蓝夜电影院拿钱！我惊慌起来：“你们干完了？就这一会儿你们就干完了？”“你做得很好，”刘伟说，“完事了，意想不到的顺利！”

2.2 数据算法

流速仪可分为旋桨式转、电磁式、超声波式等，这些系统相对比传统的浮标系统更精确。 适用于良好的流量测量条件。 在较大或较复杂的水体中可能出现系统差。 根据浮标位置和移动的时间差计算流速和流向。 智能浮标中的卫星定位模块利用差分定位原理， 从而提供亚米级的高精度定位能力， 从而保障了数据精度； 流速的计算算法利用水流特征对数据进行滤波计算， 消除浮标因水流扰动带来的误差。智能浮标被安放在河里，并向下游移动,浮标内的定位和通信模块每秒收集浮标的位置， 并将其传输到中心的监控软件中, 数据将被监测软件接收,将过滤掉无效的数据点, 流速和方向也是根据流量特性算法计算出来的，结果显示在监测软件中。

2.3 代价计算

归一化相关函数（NCC）被用作计算成本的相似度函数,NCC 生成值越高， 匹配点的相似度就越高。NCC 计算对准成本的主要特点是对准精度高， 对变化的鲁棒性好，数值范围固定［-1,1］，计算复杂性高。即使在使用并行计算加速的情况下，NCC 也能达到良好的计算速度。

2.4 差值选取

首先， 选择布局的最大值作为替代搜索空间的候选匹值，从候选匹值中选择最佳匹配，候选匹配值被用来确定最佳匹配是否可靠, 匹配可靠性低的像素被选为不稳定点，其位置被记录。然后, 稳定匹配的成本信息被用来更新不稳定匹配的成本信息。假设项目间不确定性的代理i 满足以下限制条件:

式中 δδcagg为Ccagg(p,i)在i 方向上的增量；J 为约束半径。

这一限制意味着真实偏差周围的代理值应从两者的倒数中点开始呈现出逐渐增加态势。 如代理值满足上述约束条件或全局最大值， 则相应的差距被选为匹配的候选值，然后用置信系数来确定匹配是否合理。

2.5 不可靠匹配的优化

记录不满足不稳定标签的可靠性约束的测量点的位置,对于测量点不太可靠匹配团队成员，通过反复过滤更新成本信息。 类似于成本汇总的策略被用来更新不稳定的成本信息， 通过策略可有效改善由于纹理缺失造成的不匹配。 这种成本更新策略只更新不可靠的匹配的成本信息，不影响可靠的匹配，从而防止不正确的匹配，同时保持正确的匹配。此外，应进行左右一致性检查，以消除任何遮蔽点或差异。在各差值基础上，匹配度应具有像素的差值，对高精度立体匹配，整数差值很难满足要求，通过对整数差值的初始相关代价进行抛物线拟合。

2.6 电池组续航模块

在超标洪水等极端恶劣天气的环境条件下，电池组续航系统往往决定着整个浮标系统运行的正常与否。 目前许多浮标设备通常采用的是太阳能和蓄电池相结合的供电方式， 由于太阳能电池的发电效率目前还处在较慢较低的状态， 超标环境下恶劣天气居多，且太阳能供电模式会使得浮标体积较大，便携性差，因此本次设计考虑采用锂电池模组供电，在能量转换和续航上对电池储能进行分析， 综合确定锂电池供电模组续航时间低续航版达72 h， 高续航版达360 h，充分实现智能浮标的水流全流域流速及流向监测。

3 智能浮标测流综合应用

传统水文测站施测流量方式为流速仪、桥测车、水文缆道、ADCP 等方法，在超标洪水测量方面均存在局限性，尤其是在河里有很多漂浮物时，在暴风雨期间和索道停电期间，情况更是如此。结合流速仪和ADCP，对辽宁省山区和平原的几条河流进行中泓浮标法的流量数据分析, 确定智能浮标的速度和流量之间的关系，以及站点的横截面和流速之间的关系。

3.1 智能浮标流速系统应用研究

在实践中， 选用智能浮标的水面浮标法测验大洪水流量是一种有效、安全、可靠的方法。采用智能浮标使水面流速的测量更加安全可靠， 可在不同起始距离投放多个智能浮标， 通过计算智能浮标不同垂线的单宽流量，可计算出该段的虚拟流量。智能浮标流量分析可使用多点法或单点法测量的流量数据，在相对水深为0.6 m 的情况下，结合中泓浮标法的流量数据分析来确定。 智能浮标的流量系数是根据GB50179—2015《河流流量测试规范》确定的，该规范使用测速法和ADCP 与智能浮标相结合进行测试, 综合确定山丘区结合水势陡涨陡落等因素综合取值0.85 m，平原区取0.90 m。

3.2 智能浮标流量系数应用研究

影响智能浮标流量测量系数的因素包括水位、风向、风速、风浪和断面稳定性,通过测量实际断面面积和测量流速来计算断面流量。 河流过水断面最大流速点的连线为中泓线， 中泓浮标是指自然或人工浮标从浮标在中泓线从上游到下游断面的平均水面速度 （智能浮标不受上下游落差或终点限制）。通过使用相应的水位和断面,推求计算有效断面面积，并将效断面面积乘以浮标测量的平均水面速度，便得出该断面的虚流量， 虚流量乘以流量系数即可得出断面实际流量。因此，流量系数的稳定性将直接影响到从虚拟流量到实际流量转换的准确性。 智能浮标流速比是断面实测流量与测量的虚拟流量之比。为了进一步得出流量系数，用河槽改正系数KW对流量系数进行校正。

式中Kw为河槽改正系数；Af是浮标测量河段的平均断面面积（m2）；Ac是流速仪测流断面面积（m2）；Au是浮标测量河段上断面面积（m2）；Am为浮标测量河段中断面面积（m2）；Al为浮标测量河段下断面面积（m2）。

浮标系数测验误差的任务通过分析和测验两种方式进行的。 测试中误差控制的主要内容之一是控制水深、流量测量和起始距离。控制误差分析过程是基于趋势线的拟合度R2， 它反映了估计值和真实值的拟合效果；拟合度越高，系数就越可靠。R2值的范围从0 到1。R2值越接近1，可靠性就越高，反之亦然。

R2的计算公式：

式中sstotal 表示总平方和；Ssreg 表示回归平方和，回归平方和等于总平方和和残差平方和（ssresid）之差。

辽河平原、浑河、太子河和辽西山区的中小河流基于1980 年至今历史系列资料结合现场实验比测资料分析确定智能浮标中泓一点法流量系数如表1～表5， 综合确定智能浮标中泓一点法平原区及山丘区流量系数如表6， 历史系列资料部分根据各年实测流量成果表分析计算如式（4）～式（5）：

表2 浑河段智能浮标中泓一点法流量系数

表3 太子河段智能浮标中泓一点法流量系数

表4 中小河流（平原区）智能浮标中泓一点法流量系数

表5 中小河流（山丘区）智能浮标中泓一点法流量系数

表6 智能浮标中泓一点法综合流量系数

式中Q虚为计算得出的断面虚流量(m3/s)；Vmax为实测流量成果表单次测流最大流速(m/s)；S 为过水断面面积(m2)；Q实测为实测流量成果表中实测流量(m3/s)；K 为智能浮标流量系数。

综合流量系数表为通过历史实测资料及2021年比测数据综合得出， 取值可依据超标洪水现场外部条件等各种因素综合上下浮动。

5 结语

本文构建了遥测模组， 完成了智能浮标集成装置组件设计及生产。应用数学模型、物理模型，构建了遥测模组，基于通讯模块、卫星定位模块、软件收发模块、供电模块、载体模块，设计了智能浮标集成装置组件，应用3D 打印技术，制作了超标洪水测报流线型防水智能浮标。 卫星定位模块利用差分定位原理，提供亚米级定位，并保证数据的准确性。构建了遥测浮标概化模型，通过浮标测流实验研究，进一步考察了不同测验设计条件下的概括力， 研究构建了基于卫星定位系统的遥测浮标概化模型， 总结了卫星定位系统遥测浮标理论研究结论， 分析了测验结果及其推广方向， 提高了卫星定位系统遥测浮标的概化性。优化了流速计算算法，配备了导入河流断面数据和实时水位数据接口， 实现了系统平台可视化、智能化测报，同时完成了在应急山洪灾害预警、城市防汛预警、中小河流及大江大河超标洪水测报等场景的良好应用。