錢(qián)偉忠，任曉東，陳 霞，程 穎，周 強(qiáng)

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局蘇州分局，江蘇 蘇州 215129；2.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江蘇 南京 210012）

ADCP是利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測(cè)量［1］。它突破傳統(tǒng)的以機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)為基礎(chǔ)的傳感流速儀，用聲波換能器作為傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過(guò)水體中不均勻分布的泥沙顆粒，浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號(hào)，經(jīng)測(cè)定多普勒頻移而測(cè)算出流速。

近20年來(lái)，隨著ADCP在河流流量測(cè)驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用，流量測(cè)驗(yàn)的方式也發(fā)生了巨大改變。其中，水平式、坐底式ADCP等在線測(cè)流系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，這類(lèi)系統(tǒng)的測(cè)流原理通常是利用代表流速法進(jìn)行數(shù)據(jù)率定，通過(guò)建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速的關(guān)系來(lái)求得斷面流量，優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)站點(diǎn)流量的在線監(jiān)測(cè)，但設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求較高，需要提前進(jìn)行斷面測(cè)量并經(jīng)過(guò)不同水位條件下的流量比測(cè)率定才能投入使用。

而走航式ADCP測(cè)流因具有底跟蹤的模式，不需提前進(jìn)行斷面施測(cè)即可測(cè)流，另外對(duì)測(cè)流的條件要求也較為寬松，近年來(lái)逐步成為水文流量巡測(cè)的重要手段［2-3］。但不同于水平式和坐底式ADCP測(cè)流系統(tǒng)已在線化，走航式ADCP設(shè)備目前沒(méi)有軟件可將結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證、歸檔及上傳［4-5］。

1 走航式ADCP巡測(cè)存在的問(wèn)題

走航式ADCP測(cè)流與人工船測(cè)、橋測(cè)、纜道測(cè)流等采用傳統(tǒng)流速儀法測(cè)流的基本方法一樣，都是在測(cè)流斷面上布設(shè)垂線，多點(diǎn)測(cè)量，取平均流速。傳統(tǒng)的流速儀法測(cè)流在測(cè)流斷面上布設(shè)的垂線較少，每條垂線不同水深的測(cè)點(diǎn)也較少；而ADCP測(cè)流時(shí)垂線可以有數(shù)百上千條，每個(gè)測(cè)點(diǎn)根據(jù)水深分多層測(cè)流，以得到不同深度的流速值，所以ADCP測(cè)流得到的數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)格式與傳統(tǒng)流速儀法測(cè)流存在較大的差異。

目前，走航式ADCP測(cè)流多采用廠家的ADCP計(jì)算軟件，而該軟件往往無(wú)二次開(kāi)發(fā)接口或者數(shù)據(jù)輸出接口，無(wú)法自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)的多普勒流量記載表，只能人工將測(cè)流數(shù)據(jù)導(dǎo)出，再按照規(guī)范要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定計(jì)算，后將數(shù)據(jù)以短信或電話的方式上報(bào)。在提取數(shù)據(jù)填寫(xiě)到計(jì)算軟件或者手工計(jì)算過(guò)程中，則可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤、效率不高及不能實(shí)時(shí)傳輸?shù)葐?wèn)題。

為解決以上問(wèn)題，本研究提出一種走航式ADCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的方案，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取測(cè)流數(shù)據(jù)，形成標(biāo)準(zhǔn)流量記載表并實(shí)時(shí)上傳［6］。

2 走航式ADCP數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換整體方案

2.1 技術(shù)總體結(jié)構(gòu)

以讀取ADCP數(shù)據(jù)文件的方法取得測(cè)流中相關(guān)數(shù)據(jù)，按GB 50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》自動(dòng)將有效測(cè)次結(jié)果寫(xiě)入多普勒流速儀流量測(cè)驗(yàn)記載表，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，形成規(guī)范的多普勒流量記載表。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是走航式ADCP數(shù)據(jù)集中處理和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。該方案技術(shù)路線為文件解譯、多普勒流量記載表生成、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、平臺(tái)數(shù)據(jù)接入等過(guò)程。技術(shù)總體結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸4個(gè)部分。

2.2 業(yè)務(wù)流程

以某系列ADCP為例，簡(jiǎn)要介紹原始文件解譯（數(shù)據(jù)采集）、數(shù)據(jù)校驗(yàn)（數(shù)據(jù)校驗(yàn)）、多普勒流量記載表生成（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理）及數(shù)據(jù)集中歸檔（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸）的過(guò)程。

2.2.1 文件解譯

通過(guò)對(duì)某系列走航式ADCP自帶的WinRiverⅡ數(shù)據(jù)處理軟件所生成的原始mmt、PD0格式文件解譯，可以得到包含各測(cè)次的所有測(cè)流數(shù)據(jù)，主要包括水深、底跟蹤流速、相對(duì)流速及位置信息等。輸出文件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸出文件總體結(jié)構(gòu)

2.2.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

為滿(mǎn)足SL 337—2006《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求，需對(duì)按原測(cè)回結(jié)果的平均值誤差由原來(lái)的人工計(jì)算改為使用軟件計(jì)算，按規(guī)范要求進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷和篩選（亦可由人工干預(yù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選）。如果平均值誤差超出閾值范圍，可選擇自動(dòng)數(shù)據(jù)篩選及校驗(yàn)計(jì)算。

數(shù)據(jù)校驗(yàn)步驟如下：（1）按設(shè)定測(cè)量閾值去除不在測(cè)量范圍內(nèi)的異常單元流速數(shù)據(jù)：（2）計(jì)算相鄰單元的流速變化比率，對(duì)超出設(shè)定變比閾值的數(shù)據(jù)進(jìn)行去除或平滑處理；（3）按篩選后的數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)定垂線的平均流速，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；（4）對(duì)原始數(shù)據(jù)文件提供設(shè)定垂線的單元回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；（5）對(duì)比垂線流速與回波強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，若超出設(shè)定閾值則置異常，由人工進(jìn)行判斷處理。

各類(lèi)閾值的判斷與數(shù)據(jù)的篩選計(jì)算均由軟件自動(dòng)完成，同時(shí)提供閾值的設(shè)定功能和人工篩選與計(jì)算的功能。

2.2.3 多普勒流量記載表生成

為滿(mǎn)足GB50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求生成多普勒流量記載表，需取得以下數(shù)據(jù)并生成多普勒流量記載表：（1）讀取測(cè)流設(shè)備基本信息、測(cè)量時(shí)間、測(cè)量參數(shù)等，人工錄入天氣等其他相關(guān)信息；（2）計(jì)算平均流速、斷面面積、平均流量等數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)回結(jié)果的平均值誤差；（3）按多普勒流量記載表格式填入所有測(cè)量信息并顯示，人工確認(rèn)后保存。

2.2.4 數(shù)據(jù)集中歸檔

對(duì)于計(jì)算出的數(shù)據(jù)先在本地進(jìn)行保存，存儲(chǔ)后利用通信網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)端數(shù)據(jù)庫(kù)，如果網(wǎng)絡(luò)條件確實(shí)不具備，待有通信條件時(shí)再實(shí)現(xiàn)成果補(bǔ)錄，且支持成果的批量同步功能。

2.2.5 業(yè)務(wù)流程

傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程為數(shù)據(jù)采集、人工計(jì)算、人工校驗(yàn)、人工上報(bào)、人工錄入。本方案業(yè)務(wù)流程修改為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)上報(bào)、數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)歸檔。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)

完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，在公網(wǎng)移動(dòng)基站信號(hào)沒(méi)有覆蓋且無(wú)法接入有線通信線路的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以通過(guò)天通衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下載，無(wú)法傳輸時(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)保存在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)批量的補(bǔ)傳。相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.4 數(shù)據(jù)流程

本研究的核心是數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其中數(shù)據(jù)校驗(yàn)部分包括人工校驗(yàn)和系統(tǒng)批量自動(dòng)校驗(yàn)。走航式ADCP數(shù)據(jù)處理狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 走航式ADCP數(shù)據(jù)處理狀態(tài)

3 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本研究數(shù)據(jù)上傳方案的有效性與可行性，以大朱砂港橋測(cè)流斷面為例，使用走航式ADCP數(shù)據(jù)上傳軟件和ADCP自帶的軟件對(duì)其進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。走航式ADCP數(shù)據(jù)傳輸軟件界面如圖4所示。

圖4 走航式ADCP數(shù)據(jù)傳輸軟件界面

當(dāng)選擇完測(cè)流原始文件后，根據(jù)當(dāng)前測(cè)流斷面的實(shí)際環(huán)境情況，確定測(cè)點(diǎn)位置、天氣和風(fēng)力等基本信息。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)寫(xiě)入按鈕后，軟件將本次走航式ADCP測(cè)流數(shù)據(jù)自動(dòng)生成本地聲學(xué)多普勒流速儀流量記載表，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)端數(shù)據(jù)庫(kù)供Web端平臺(tái)查閱和展示。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)用戶(hù)常用走航式ADCP設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析校驗(yàn)、數(shù)據(jù)整理、多普勒流量記載表自動(dòng)生成、歸檔上傳全過(guò)程，并用實(shí)例證明了該方案的可行性。

本研究可以將ADCP測(cè)流軟件所生成的原始文件解譯獲得測(cè)驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，生成標(biāo)準(zhǔn)多普勒流速儀流量記載表，并將結(jié)果實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)端數(shù)據(jù)庫(kù)，省去了內(nèi)業(yè)中數(shù)據(jù)計(jì)算判斷和錄入步驟，同時(shí)根據(jù)需求可隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查閱巡測(cè)數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到相關(guān)部門(mén)，為決策部門(mén)實(shí)時(shí)提供實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，提高決策的時(shí)效性。下一步，需制定采集設(shè)備輸入輸出格式的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，讓這類(lèi)設(shè)備可以真正融入到水文測(cè)流行業(yè)中來(lái)。