水文測驗(yàn)中智能測控技術(shù)的應(yīng)用研究

陳曉偉

黃委黃河口水文水資源勘測局 山東 東營 257000

引言

水雨情數(shù)據(jù)采集是水文水資源的基礎(chǔ)。水文測站作為水雨情要素觀測的基礎(chǔ)單元，是收集水文資料的基本場所，在整個(gè)水利系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。隨著水文事業(yè)改革的不斷深入和水文現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，水文測站也向著巡測、遙測、無人值守等現(xiàn)代化水文方向轉(zhuǎn)化。

1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的集成。這其中：感知技術(shù)，主要體現(xiàn)在各種傳感器設(shè)備的應(yīng)用，是對實(shí)物信息數(shù)據(jù)的原始采集手段，實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)。數(shù)據(jù)融合，對于感知技術(shù)采集得到各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，反映出實(shí)物的原始信息，處理后滿足信息利用的有效化，這是得出監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果的手段。云計(jì)算是數(shù)據(jù)處理手段，是利用網(wǎng)絡(luò)更高效率的數(shù)據(jù)信息處理方式。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其主要是通過傳感器提供數(shù)據(jù)和智能終端進(jìn)行互聯(lián)。

2 智能水文系統(tǒng)分析

對于水文測驗(yàn)工作而言，通過利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)能夠發(fā)揮智能水文檢測系統(tǒng)的全部優(yōu)勢。對河流區(qū)域的水文情況進(jìn)行測驗(yàn)時(shí)，工作人員要選擇一個(gè)特定的時(shí)間來進(jìn)行資料的收集和整理，從而能為河流區(qū)域后期的養(yǎng)護(hù)和治理工作提供材料上的依據(jù)。對于整個(gè)水文系統(tǒng)而言，其主要是由無線通信、纜道流量、變頻等先進(jìn)的技術(shù)構(gòu)成的。通過利用智能水文系統(tǒng)能夠?qū)铀心嗌车暮亢退魉龠M(jìn)行精準(zhǔn)的測量，并確保測量的信息數(shù)據(jù)誤差達(dá)到最小。對于智能水文系統(tǒng)而言，由于其存在自動(dòng)和手動(dòng)這兩種主要的檢驗(yàn)方式，一方面，可以通過自動(dòng)方式來對整個(gè)河流流域進(jìn)行全方位的水文信息數(shù)據(jù)收集，并將收集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，繪制成對應(yīng)的圖形樣式，以便相關(guān)的工作人員進(jìn)行后期的使用和查閱。另一方面，由于洪水的流動(dòng)存在復(fù)雜性，那么就可以通過手動(dòng)的方式來測算出洪水大概的流動(dòng)規(guī)律，條件允許下對測量出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，從而能夠提高系統(tǒng)的靈活性，進(jìn)而能夠進(jìn)一步提高測驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 水文應(yīng)急工作基本特點(diǎn)對水文應(yīng)急監(jiān)測提出新要求

在制定應(yīng)急計(jì)劃時(shí)，政府要求盡快制定應(yīng)急方案，這就要求水文部門盡快為決策提供支助。涉水突發(fā)事件具有隨機(jī)性、突發(fā)性、破壞性強(qiáng)、監(jiān)測復(fù)雜、危險(xiǎn)性大、社會(huì)影響重大等特點(diǎn)，不僅事件的發(fā)生概率具有增大趨勢，而且危害程度也隨之增加。主要有以下三大特征：損失巨大：不僅造成社會(huì)和人民的財(cái)產(chǎn)損失，還造成人身傷亡；不僅造成眼前損失，還造成長遠(yuǎn)損失。影響范圍廣泛：產(chǎn)生廣泛的社會(huì)影響、政治影響，甚至不穩(wěn)定因素[1]。緊急水文反應(yīng)的特殊性質(zhì)取決于事件的突然性和特殊性，因此，至關(guān)重要的是，必須制定緊急情況監(jiān)測、分析和預(yù)測方案。對水文緊急情況的反應(yīng)主要是為政府決策機(jī)構(gòu)制定事故和災(zāi)害預(yù)防方案提供決策依據(jù)和技術(shù)保障，并向負(fù)責(zé)預(yù)防工傷事故和災(zāi)害的建筑部門提供信息服務(wù)。水文監(jiān)測不僅是提供有關(guān)場地特征的信息所必需的，而且是計(jì)算水文分析以預(yù)測設(shè)計(jì)、水壩和工程引起的洪水所必需的。緊急水文反應(yīng)通常是在緊急情況下進(jìn)行的，由于缺乏基本信息和惡劣的環(huán)境，常常需要現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)（如3S技術(shù)）和通信技術(shù)。在發(fā)生災(zāi)害時(shí)，政府希望最大限度地減少損失，并盡快制定處置方案，這就對實(shí)地水文服務(wù)的速度提出了很高的要求。

4 水文測驗(yàn)中智能控技術(shù)的應(yīng)用

4.1 把握業(yè)務(wù)需求，統(tǒng)一運(yùn)用系統(tǒng)

黃河水文信息化建設(shè)要充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)應(yīng)用和智慧計(jì)算等信息新技術(shù)，按照“大平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、大系統(tǒng)”的思路，構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化的全局?jǐn)?shù)據(jù)資源與信息服務(wù)體系,建設(shè)一體化數(shù)據(jù)匯聚、存儲(chǔ)、計(jì)算和管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全局行業(yè)內(nèi)業(yè)務(wù)事務(wù)處理的一體化。黃河水文信息化建設(shè)應(yīng)以黃河“數(shù)字水文”為基礎(chǔ)，以水文信息采集、匯聚、處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用流程為主線，建立由“智慧水文監(jiān)測網(wǎng)”“水文大數(shù)據(jù)平臺(tái)”和“水文智庫”組成的，以“感知廣泛、管控智能、處理高效、服務(wù)全面、保障有力、持續(xù)發(fā)展”為特征的黃河“智慧水文體系”，全面實(shí)現(xiàn)黃河水文業(yè)務(wù)處理與事務(wù)管理的智慧化，全面提高信息采集能力、數(shù)據(jù)分析計(jì)算能力、管理能力和對外服務(wù)能力。

4.2 做好水文信息化的頂層設(shè)計(jì)，規(guī)范信息化項(xiàng)目建設(shè)

信息化建設(shè)是一項(xiàng)長期、艱巨、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有新技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，對傳統(tǒng)水文業(yè)務(wù)流程進(jìn)行再造，要站在全局的高度，科學(xué)評估水文信息化發(fā)展現(xiàn)狀，弄清工作需求，理清發(fā)展思路，明確總體建設(shè)目標(biāo)，制定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系編制項(xiàng)目實(shí)施方案，制定實(shí)施路線圖，落實(shí)資金來源、進(jìn)度計(jì)劃、保障措施等，指導(dǎo)全省水文信息化建設(shè)。以需求為導(dǎo)向，按照安全實(shí)用、急用先建、重點(diǎn)進(jìn)、分步建設(shè)的原則，先易后難、先急后緩、先試后用分階段統(tǒng)籌推進(jìn)。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模式及監(jiān)測載具的選取

①采用嵌入式多普勒流量測量系統(tǒng)采集掛起黃河斷面速度。對于黃河部分地區(qū)流速較高、差值較低的流域監(jiān)測，通常選用k波段雷達(dá)多普勒儀，將水流的垂直線和斷面確定為近面或水面，以這種方式獲得的流速監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確，可以與水位信息結(jié)合使用，以獲得橫斷面流量測量。②通過航空激光三維掃描系統(tǒng)獲取空間坐標(biāo)和區(qū)域顏色值。嵌入式三維激光掃描儀可以從三維坐標(biāo)中采集黃河流域的三邊信息和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，范圍較廣，得到的數(shù)字地形和高程模型非常精確。這些模型使有關(guān)技術(shù)人員能夠完成黃河水情區(qū)域三維地圖的繪制，從而模擬了實(shí)測黃河流域的真實(shí)場景。③利用機(jī)載高分辨率數(shù)碼相機(jī)收集時(shí)間圖像數(shù)據(jù)主要涉及以下兩個(gè)領(lǐng)域。采集正面圖像，將高分辨率數(shù)碼相機(jī)懸掛在無人機(jī)上，直觀了解黃河水景和地表現(xiàn)狀。拍攝三維圖像，將五眼相機(jī)懸掛在無人駕駛飛機(jī)上，通過傾斜的地面攝影獲取橫向高程的圖像信息，如填方、森林、坡度和物體。

4.4 二維水動(dòng)力學(xué)模型

二維水流模型計(jì)算采用守恒的二維非恒定流淺水方程組來模擬水流流動(dòng)，應(yīng)用有限體積法及黎曼近似解對模型方程組進(jìn)行數(shù)值求解[2]。有限體積法（FVM）在二維水流模擬中的應(yīng)用具備了傳統(tǒng)的有限差分（FDM）和有限單元（FEM）法共同的特點(diǎn)，同時(shí)有限體積法可對無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行積分離散，這也滿足了其可以模擬復(fù)雜邊界水體的運(yùn)動(dòng)。模型首先根據(jù)無人機(jī)所采集和生成的高精度地形資料進(jìn)行無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，為規(guī)避復(fù)雜邊界網(wǎng)格分布不均、貼合性差的缺點(diǎn)，本文采用四邊形及三角形網(wǎng)格混合模式；繼而采用有限體積法對每一個(gè)劃分單元網(wǎng)格逐時(shí)段循環(huán)建立水量、動(dòng)量平衡;最后結(jié)合黎曼近似解計(jì)算相互單元網(wǎng)格間的水量交互。該計(jì)算方法即保證了水量計(jì)算的守恒性，也保證了水流計(jì)算精度。

5 水文現(xiàn)代化建設(shè)的思路及措施

5.1 建設(shè)布局合理的水文站網(wǎng)新體系

為防汛抗旱減災(zāi)提供及時(shí)有效的信息服務(wù)，黃河水文應(yīng)及時(shí)填補(bǔ)水文監(jiān)測空白區(qū)，實(shí)現(xiàn)有防洪任務(wù)的中小河流、大中小型水庫、沿海地區(qū)流域面積1000km2及以上入海河流潮位等主要對象水文監(jiān)測全覆蓋，建立重點(diǎn)防洪排澇城市的水文監(jiān)測站網(wǎng)體系，建成基本覆蓋地市界和重要縣界水資源監(jiān)測斷面、地下水綜合治理區(qū)等站網(wǎng)體系，滿足水資源有效管理的迫切需要。建成國家基本水質(zhì)站網(wǎng)與專用水質(zhì)站網(wǎng)相結(jié)合、常規(guī)監(jiān)測站網(wǎng)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測站網(wǎng)相結(jié)合、符合水資源水環(huán)境水生態(tài)實(shí)際需求的水質(zhì)水生態(tài)監(jiān)測站網(wǎng)體系。建成覆蓋省級和地級城市的水質(zhì)監(jiān)測機(jī)構(gòu)。

5.2 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的基礎(chǔ)技術(shù)如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)、智能傳感器技術(shù)都得到長足進(jìn)步。其中，傳輸技術(shù)發(fā)展到如今的5G技術(shù)，使物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的傳輸效能得到進(jìn)一步加強(qiáng)[3]。作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中硬件基礎(chǔ)的傳感器，發(fā)展到帶有自我檢測功能、診斷功能，自適應(yīng)數(shù)據(jù)處理能力，采用微處理器的結(jié)合計(jì)算和檢測技術(shù)的新一代智能傳感器，達(dá)到了一定的人工智能水平，使其能滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)中對傳感器的記憶、診斷、數(shù)據(jù)測量傳遞以及互聯(lián)通信，為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了支持。

5.3 健全精簡高校的水文管理體系

水文應(yīng)健全水文運(yùn)行管理體制建設(shè)，完善與行政區(qū)劃管理相統(tǒng)一的水文運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)，穩(wěn)步推進(jìn)縣域水文建設(shè)發(fā)展，培育基層水文服務(wù)新體系，加大力度創(chuàng)新水文管理運(yùn)行新機(jī)制。建立規(guī)范水文監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系框架，構(gòu)建全面完善的水文技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。優(yōu)化人才隊(duì)伍結(jié)構(gòu)，提高人才隊(duì)伍素質(zhì)，加大培訓(xùn)力度，建立人才培養(yǎng)機(jī)制，持續(xù)實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新與監(jiān)測能力提升工程，健全精簡高效的水文管理運(yùn)行新體系。

5.4 網(wǎng)站評定調(diào)整與任務(wù)書修訂

近年來，隨著中小河流，跨省跨界河流項(xiàng)目的運(yùn)行，各地區(qū)各類監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)目在增加，在這些新增的雨量站和水文站中，部分站點(diǎn)可能存在與前站點(diǎn)功能重復(fù)的現(xiàn)象，所以需要對站點(diǎn)站網(wǎng)進(jìn)行重新評定并進(jìn)行調(diào)整，使站網(wǎng)更加合理。此外，伴隨著人類活動(dòng)、搬遷，部分監(jiān)測站點(diǎn)或已失去了監(jiān)測的意義，或監(jiān)測環(huán)境已改變，不能滿足設(shè)站要求，需對這些站點(diǎn)予以評定論證并進(jìn)行處理。因多年以來一些測站的控制情況和監(jiān)測條件不斷在發(fā)生變化，還有部分新增站點(diǎn)任務(wù)書未制定，這些站點(diǎn)測驗(yàn)精度都需要進(jìn)一步明確劃分。所以，站網(wǎng)評定調(diào)整與任務(wù)書修訂很有必要。

5.5 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

機(jī)器人在每次啟動(dòng)前會(huì)對其內(nèi)部集成的水文監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行自檢和校驗(yàn)，以保證設(shè)備正常運(yùn)行[4]。在獲得遙測數(shù)據(jù)后，會(huì)結(jié)合測站原有測量設(shè)備所測得的數(shù)據(jù)和機(jī)器人所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，結(jié)合周圍測站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、上下游數(shù)據(jù)或降雨徑流關(guān)系等及時(shí)核查數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。然后根據(jù)所測得的水雨情數(shù)據(jù)，可進(jìn)行自動(dòng)化水文預(yù)報(bào)和水文水利計(jì)算工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)，災(zāi)情信息發(fā)布等功能。同時(shí)，相關(guān)工作人員可以通過該機(jī)器人內(nèi)置的智能人機(jī)交互模塊語音查詢實(shí)時(shí)水雨情信息、險(xiǎn)情分析信息、預(yù)報(bào)結(jié)果信息等。本文設(shè)計(jì)的測站常駐水文智能機(jī)器人已經(jīng)完成現(xiàn)場實(shí)際測試。

6 結(jié)束語

水文智能機(jī)器人集自動(dòng)化水文監(jiān)測、水文水利計(jì)算、水文預(yù)報(bào)于一體，在所測地就可完成傳統(tǒng)的測、報(bào)、算工作，同時(shí)能夠根據(jù)預(yù)測結(jié)果及時(shí)發(fā)布災(zāi)情預(yù)警信息。彌補(bǔ)了目前測站在汛期仍需安排人工進(jìn)行值守，僅具備水文監(jiān)測單一功能，監(jiān)測信息無法及時(shí)傳遞，測報(bào)分析功能不完善等不足，推進(jìn)水文測站向現(xiàn)代化、智能化水文方向轉(zhuǎn)化。其大范圍推廣使用后不僅能夠代替基層測站、防汛值班人員，還能夠減輕汛期水文工作的負(fù)擔(dān)，為防汛抗旱指揮機(jī)構(gòu)指揮決策提供可靠依據(jù)，具有良好的應(yīng)用前景。