基于GPS電子浮標的水文應急測流系統

朱永紅 劉沂軒 劉昱 宋夢雨

摘? 要：針對災害應急場景設計了水文應急測流系統。系統利用隨水流運動的GPS電子浮標實時位置信息計算水流速度，結合GIS技術對浮標位置、軌跡、當前狀態、實時流速等數據進行測流過程展示；介紹了系統架構、電子浮標外觀結構和硬件設計、上位機功能模塊設計，并介紹了上位機軟件中針對電子浮標的精確定位問題、數據刷新的實時性問題、歷史數據的存儲方式問題的解決方案；實驗表明浮標能夠順利采集定位信息并傳輸至云平臺，上位機基于浮標數據能夠進行流速流量的估算并顯示，完成流速流量的測量。

關鍵詞：水文；應急監測；浮標測流；GPS

中圖分類號：TP311.5；TP393 文獻標識碼：A 文章編號：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

水環境突發事件是世界上危害性最大的災害之一，災害過程中的水文數據能夠為制定合理的抗災搶險方案、指揮救援等提供有力的支撐[1]。但是災害的惡劣環境中傳統監測手段通常無法完成監測任務[2]。為了完成應急測流任務，文獻[3]提出操作無人機攜帶測流裝置到達測流地點進行遠程測流，但是該方法在惡劣天氣和不利地形下無法使用；文獻[4]提出了利用互聯網技術實現遠程控制平臺，但是沒有給出數據感知方案；文獻[5]研制了多功能智能測流航標，將測流裝置和其他水文數據采集裝置集成在大型航標上，該裝備性能較強，但是成本較高；文獻[6，7]中使用的浮標測流法是近年來災害應急工作中有效的測流手段，隨著技術的發展，電子浮標的出現更是使應急測流工作的自動化程度、數據精確度、操作安全性等大大提高。文獻[8]中提出還可以將ADCP儀器裝置在浮標上進行測流，并研究了浮標對測量效果的影響。但是基于電子浮標的測流系統的實現需要解決如下問題：

1）電子浮標的精確定位。電子浮標的位置信息是流速計算的基礎，應急測流的電子浮標通常為拋棄型，性能較低，再加上災害中的惡劣環境影響，如何保證定位數據精確性是一個難點。

2）數據刷新的實時性。系統測流過程需要展示測流狀態，對數據刷新實時性要求較高，而電子浮標采用電池供電，能量有限，數據采集與傳輸的頻率會影響浮標壽命，再加上系統利用GPRS將數據上報至云平臺有響應時間，需要設計合理的均衡方案。

3）歷史數據的存儲形式。歷史數據的存儲不僅要考慮便于查詢和處理，測流系統提供了歷史回放功能，還需要同時考慮便于回放功能的實現。

1? 系統架構

水文應急測流系統由節點、GPRS模塊、運營商基站、OneNET云平臺以及移動終端幾個部分組成的，采用了終端-云-用戶的系統架構[9]。系統工作示意圖如圖1所示。

為了提高災害環境中操作該系統的安全性，電子浮標為低成本可拋棄型，將電子浮標以合適的方式投入待測水體上游附近，浮標隨水流漂浮前進，利用GPS定位獲取浮標實時經緯度信息和地面速度信息，并通過GPRS傳輸至云平臺；上位機軟件從云平臺讀取數據，進行處理，利用相關算法對水流速度進行估算，得到實時流速。系統將測流過程數據存放在云服務平臺，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用系統，提供數據支持[10]。

2? GPS電子浮標

拋棄型電子浮標除了能夠滿足系統的功能需求，還需要考慮低成本、易操作、使用靈活等。電子浮標外觀如圖2（a）所示，底部設計阻力結構，減少水流與浮標的相對運動；半球結構底部灌膠，使浮標在水流中產生不倒翁效果，保持浮標姿態的同時使天線始終在水面上方，防止水體對信號的影響；螺旋上蓋加密封圈提供高級別的防水效果。浮標尺寸為15（直徑）×12（高），重量約600 g，災害惡劣環境下可以較易存活，可以大量布設，以滿足應急測流要求。

GPS電子浮標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。其硬件結構如圖2（b）所示。

2.1? 主控模塊

采用成本較低同時能滿足系統計算需求的STC15W系列單片機作為主控模塊，通過串口控制SIM868芯片進行數據的獲取、處理與傳輸。

2.2? 通信與定位模塊

采用SIM868芯片實現定位與通信功能，SIM868是一款集多個功能與一體集成模塊，利用GPS定位模塊獲取GPS經緯度信息；GPRS模塊將數據傳輸至云平臺。

2.3? 供電模塊

系統提供2種供電方式，2節3.7 V鋰電池供電和5 V直流電源供電，可以根據需要進行選擇。

3? 上位機

3.1? 系統功能

為了實現測流過程可視化并提供交互、歷史數據查看等功能，系統上位機設計了三個功能模塊，功能框圖如圖3所示。

單片機從SIM868定位模塊讀取GPS位置和地面速度數據，進行解析和處理，利用 SIM868GPRS通信模塊，將數據發送至云平臺。

具體功能如下：

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

2）基于衛星地圖的設備實時位置與軌跡查看功能：在衛星地圖上實時顯示設備位置和運行軌跡，用戶可以直觀查看浮標所在水域，確定是否進入測流區間。

3）實時測流和數據傳輸狀態顯示功能：實時流速的測量自動完成，在頁面上顯示結果信息和數據傳輸狀態信息。

4）測流區間選擇功能：用戶可以根據浮標實時位置，通過點擊區間測流開始和結束指定測流區間，進行區間流速和流量的計算。

5）測流記錄查詢功能：測流數據用時間段標記并存儲，可以根據時間進行查詢。

6）測流歷史回放功能：實時測流和區間測流操作數據被存儲在云端，且區間測流的時間被以事件的形式進行存儲，選擇相應測流時間可以以視頻的形式進行測流歷史回放。

7）差分定位設置功能：為了提高數據的準確性，系統采用了差分定位，由用戶根據實際情況進行選擇，通過設置基準站坐標選擇使用差分定位。

3.2? 關鍵技術方案

電子浮標的低成本化的給定位精確度的保證帶來了挑戰；終端-云-上位機的架構影響了數據遞交效率，使上位機的數據實時刷新效果不好；歷史測流場景回放要求合理設計數據存儲和數據查詢請求形式。為了解決這些問題，提出如下技術方案：

3.2.1? 低成本設備精確定位技術

為了應急監測的安全性，將浮標做成了消耗型產品，選擇了低成本定位模塊，性能有限。為了提高定位精度，我們在上位機利用差分技術對數據進行了處理[11-13]，在有明確坐標的水文監測站放置節點作為基準站，移動節點利用該基準站數據進行差分計算，對誤差進行修正，得到精確的經緯度來進行水流流速及流量的解算。步驟如下：

1）已知坐標的水文工作站安置基準站，采集定位信息（經、緯度、地面速度、地面航向、使用的衛星、星歷），將結果發送至云平臺。

2）在浮標節點上利用GPS模塊采集定位信息，并傳輸至云平臺。

3）上位機從云平臺獲取浮標節點和基準站的數據，進行差分計算：

由于自設基準站和移動節點距離通常不超過5 km，選擇使用最簡單的位置差分，可以消去基準站與用戶站的共同誤差，例如衛星軌道誤差、SA影響、大氣影響等。

已知基準站精準坐標（x0，y0，z0），基準站觀測坐標為（x*，y*，z*），可由式（1）求得坐標修正數：

其中，（x1，y1）、（x2，y2）為浮標站在前一時刻t1和當前時刻t2的弧度坐標（弧度=經緯度×3.141 592 6/180），R=6 371.0 km，為地球半徑。

5）在地圖上顯示浮標位置、速度，回到步驟2）。

3.2.2? 基于事件驅動的數據實時刷新效果保障技術

為了獲取實時數據，精確捕捉流速的實時變化情況，需要數據以較高頻率進行采集，然而浮標節點能量受限，系統采用的終端-云平臺-上位機的架構雖然具有很多優勢，卻存在響應速度門檻，無法實現高頻率數據上報，為了實現實時性效果，采用了基于事件驅動的頻率自適應數據上報機制：

1）下位機根據加速度的值確定數據采集頻率并進行數據采集，將數據存入緩存。

2）設計三種驅動事件：間隔時間到達、加速度超閾值、緩存超限。間隔時間到達：按時間間隔進行數據上報；加速度超閾值：加速度超過閾值時說明速度變化較快，需要提高數據采集頻率；緩存超限：緩存數據存滿。

3）當事件發生時將緩存中的數據傳輸到云平臺。

3.2.3? 基于數據流的場景回放技術

歷史回放功能動態展示了測流全過程，該功能并非視頻記錄，而是基于數據流的場景重現。測流數據以區間測流開始和結束的時間段進行了分段存儲，軟件按照時間節點從云平臺請求歷史數據，將節點運行軌跡、速度等信息按時間順序在衛星地圖上描繪。

3.3? 系統運行結果

3.3.1? 云平臺數據接收

浮標節點和基準站將定位信息發送到云平臺進行存儲，云平臺接收到的數據如圖4所示。

3.3.2? 上位機

系統設計了測流操作主界面、歷史記錄界面和設置界面三部分，并在江蘇省水文水資源勘測局連云港分局的配合下進行了測試。

圖5為系統主界面，提供了測流過程實時展示和交互功能，用戶可以點擊“獲取實時位置”和“停止”按鈕開始和停止查看測流情況，界面同步顯示當前測流狀態；“區間測流開始”和“區間測流結束”按鈕提供了用戶交互功能，可以根據當前地圖顯示的浮標所在位置選擇測流區間，該功能可以多次使用。用戶可以通過設備按鈕查看當前在線設備，并可以通過ID號選擇要操控的設備。

圖6為設置界面，可以設置用于差分定位的基準站坐標，當該坐標位設置時，系統不進行差分計算；可以通過設置斷面面積用于計算流量，該值不被設置時主界面只顯示平均流速。

圖7為歷史記錄界面，測流數據以區間測流開始和結束的時間段進行了分段存儲，用戶可以按照時間進行查詢，選擇相應時間段進行歷史測流過程的回放。

設置完成后，在系統主界面點擊“獲取實時位置”按鈕，浮標實時位置和運行軌跡在地圖上顯示，通過“區間測流開始”和“區間測流結束”控制測流區間。

4? 結? 論

應急測流系統設計了結構簡單、體積小、操作簡單的GPS電子浮標，可以隨取隨用，大量布設，解決了設備成本高、覆蓋率低，災害中易損毀等問題，降低了應急監測人員的安全風險；采用GIS技術在衛星地圖上實時顯示浮標位置和速度信息，對測流過程進行直觀展示，提供了更友好的數據可視化方式；選擇監測區間的交互功能使工作人員能夠獲得多個區域的監測數據，使用更加靈活；差分定位技術、事件驅動的數據上報機制保障了系統性能，滿足規范要求；歷史數據的存儲和回放功能為災后進行事件分析、信息挖掘等提供數據支持。為水文應急監測提供了安全、便利、有效的技術手段。

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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：物聯網，人工智能。