高可信度H-ADCP流量自動監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

舒 凱，楊金標，張后來，王 震，李 偉

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團公司，南京210003）

0 引言

水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀（H-ADCP）技術(shù)已引入我國二十余年［1，2］。相較于傳統(tǒng)流速儀法測流方式，該技術(shù)具有實時在線、測驗頻次高等優(yōu)點［3］，可顯著提高水文測驗工作效率。特別是在長江中下游平原河網(wǎng)地區(qū)和沿海感潮河段，由于河網(wǎng)錯綜復(fù)雜、河流上下游比降極小、流速緩慢［3］、感潮河段往復(fù)流以及受閘泵站等水利設(shè)施控制等因素影響，河道水位流量關(guān)系曲線無法率定。同時，傳統(tǒng)人工流速儀法測量方式由于一次測流耗時長、測流頻次低、無法實時在線監(jiān)測等問題，難以滿足水利部部長鄂竟平在2019年全國水利工作會議上提出的“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”的總體工作要求。因此，在長江中下游地區(qū)，H-ADCP 流量自動監(jiān)測系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用，已成為水文流量測驗的重要組成部分。

在H-ADCP 推廣應(yīng)用中，各單位結(jié)合測量河段水文特性，在站點建設(shè)選址、斷面測量校核、儀器設(shè)備安裝［2］、測流系統(tǒng)設(shè)計［4］、站點維護等方面，開展了不同的側(cè)重研究，一定程度上保證了H-ADCP 流量自動監(jiān)測系統(tǒng)可以實時在線監(jiān)測，穩(wěn)定獲取高頻次流量數(shù)據(jù)，為流域水資源環(huán)境監(jiān)管提供重要支撐。

但與此同時，由于H-ADCP 流量自動監(jiān)測系統(tǒng)僅上報流量成果數(shù)據(jù)，在H-ADCP 自動測流精度方面，存在許多干擾因素影響，如河道測流環(huán)境影響聲束正常收發(fā)、指標流速代表性不足、比測率定不便等問題，因此在測流精度及測流成果可信度方面仍有待提高。

本文對H-ADCP 測流原理及影響測流精度的幾個關(guān)鍵因素進行分析，提出了一種基于國產(chǎn)測控平臺的高可信度H-AD?CP流量自動監(jiān)測和分析處理系統(tǒng)設(shè)計方案，為提高H-ADCP測流可信度做了有效探索，增加了H-ADCP 的使用價值和推廣意義。

1 測流關(guān)鍵因素分析

1.1 H-ADCP測流原理

H-ADCP 測流技術(shù)主要原理是利用聲波換能器做傳感器，向水中發(fā)射固定頻率的脈沖波，通過水體中不均勻分布的各類懸移顆粒反射，由換能器接收回波信號，經(jīng)測定多普勒頻移而測算顆粒的移動速度，當顆粒物小至一定程度后，可假定其移動速度等同于水流速度，因此即可測得波束探測范圍內(nèi)的水流速度［5］，以此作為指標流速，利用指標流速和斷面平均流速的關(guān)系式（需比測率定）推算得到測流斷面平均流速，再乘以斷面面積，即可得到斷面流量。

H-ADCP測流安裝方式見圖1。

圖1 H-ADCP測流示意圖Fig.1 Diagram of flow measuring by H-ADCP

1.2 關(guān)鍵因素分析

根據(jù)H-ADCP 測流原理及在各地多年運行經(jīng)驗總結(jié)，影響其測流工作及精度的關(guān)鍵因素主要有以下幾方面：

1.2.1 單元流速異常

根據(jù)H-ADCP 測流原理，脈沖波的發(fā)射及回波信號接收是測定單元流速的基本方法。受外力破壞或支架形變影響，儀器設(shè)備安裝角度發(fā)生偏移，導(dǎo)致波束偏離設(shè)定方向，對單元流速測量造成影響，嚴重時導(dǎo)致波束射向河底或水面以上，流速完全失真。

另一方面，受河道行船、水草、垃圾、漂浮物以及河道淤積等各種環(huán)境因素影響，回波強度受到干擾，導(dǎo)致單元流速異常，進而影響測流精度。

當測流斷面存在漩渦時，相鄰測流單元的流速大小和方向會發(fā)生驟變，這也會影響測流精度。

在常規(guī)測流系統(tǒng)中，僅反饋斷面平均流速和斷面流量，一般不對波束方向和回波強度進行分析，無法判斷某次測流是否受到干擾，因此其測流精度和可信度無法得到保障。

1.2.2 指標流速代表性不足

受河流水位漲落影響，沿海地區(qū)尤以感潮河段漲落最為頻繁，不同水位時，河道層流速分部有所區(qū)別，一般為河道剖面中上層流速較大，河底及兩岸流速較?。?］。若H-ADCP 固定安裝在某一高程，則在高水位時，僅能代表相對底層流速，低水位時又僅能代表相對上層流速，指標流速代表性不足［7］。因此，水位落差較大的測站直接以固定安裝式H-ADCP 進行測流時，初期的人工比測率定工作較為繁重［8］，往往需不同水位測量多組數(shù)據(jù)，且比對結(jié)果差異較大，定線困難，難以滿足三項檢驗。

1.2.3 比測率定回歸分析工作困難

如前文所述，H-ADCP 自動測流系統(tǒng)測得指標流速后，需根據(jù)關(guān)系式轉(zhuǎn)換為斷面平均流速。其中人工測流和自動測流的關(guān)系式需要進行率定，擬合出最佳關(guān)系曲線，并進行三項檢驗，常用關(guān)系線有一元線性、二元線性、二元多次、冪函數(shù)等類型。在部分重要斷面，需要針對具體情況專題研究算法模型，用以率定滿足精度要求的關(guān)系曲線［9，10］。

一般流量比測率定工作模式為：從自動測流系統(tǒng)中手工導(dǎo)出自動測流數(shù)據(jù)，再和人工比測流量數(shù)據(jù)一起，以固定格式導(dǎo)入到專用定線工具軟件，進行相關(guān)率定分析計算，得到定線結(jié)果，然后再將率定公式手工寫入到自動測流系統(tǒng)中。

本文在自動測流系統(tǒng)中，集成率定功能，無需將自動測流數(shù)據(jù)導(dǎo)出，僅需將人工比測數(shù)據(jù)導(dǎo)入，即可在系統(tǒng)中完成定線工作，率定公式也無需手工寫入，可直接更新至系統(tǒng)，并可查閱歷史率定公式。

這種一體式設(shè)計，可以減少比測率定人工工作量，讓率定成果更加及時地用于自動測驗。

2 高可信度測流系統(tǒng)設(shè)計

針對上述測流關(guān)鍵因素分析，本文提出了一種基于國產(chǎn)測控平臺的高可信度H-ADCP 流量自動監(jiān)測和分析處理系統(tǒng)設(shè)計方案，以提高測流精度和流量成果可信度。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于國產(chǎn)測控平臺的高可信度H-ADCP 流量自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 測流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of flow measuring system

該系統(tǒng)主要設(shè)備由IAC 國產(chǎn)測控平臺、H-ADCP、浮子水位計、自動升降支架以及中心站計算機構(gòu)成。

其中，IAC國產(chǎn)測控平臺是測站端核心控制設(shè)備，可控制多個傳感器和伺服電機協(xié)同開展實時監(jiān)測，并將相關(guān)測驗數(shù)據(jù)計算并上報中心站，同時具備報送測流原始數(shù)據(jù)（PD0）的功能。

一般H-ADCP 自帶壓力傳感器，可測量水深，但據(jù)經(jīng)驗，其測量精度不足，因此需用浮子水位計測量實時水位。

自動升降支架用于安裝H-ADCP 設(shè)備，主要由伺服電機、導(dǎo)軌和坦克鏈饋線組成，可實時控制和調(diào)整H-ADCP 安裝高程，使其基本維持0.6相對水深位置，提高指標流速代表性。

H-ADCP 負責(zé)流速測驗，并將指標流速以及測流原始數(shù)據(jù)（PD0）反饋給測控平臺。

中心站分析展示平臺具備數(shù)據(jù)接收和處理、數(shù)據(jù)展示、告警提示、比測率定等功能，同時可進行測流參數(shù)的遠程讀取和設(shè)置。

2.2 測流流程

本系統(tǒng)測流流程見圖3。

圖3 測流流程Fig.3 Flow measurement steps

該系統(tǒng)測流指令由IAC國產(chǎn)測控平臺發(fā)出，流程如下：

（1）利用浮子水位計測量當前水位，然后根據(jù)設(shè)置的水位級劃分，判斷是否需要調(diào)整H-ADCP高程。

（2）若需調(diào)整，則再向伺服電機發(fā)指令，調(diào)整高程，完畢后再進行流速測驗；若無需調(diào)整，則直接開展流速測驗。

（3）流速測驗完成后，在測控平臺計算斷面流量，并和本次測驗的PD0原始數(shù)據(jù)一并上報中心站。

（4）中心站在收到測流數(shù)據(jù)后，對原始數(shù)據(jù)開展分析處理，對橫搖縱擺、回波強度、單元流速異常等進行判斷。

（5）若數(shù)據(jù)有異常，則發(fā)出異常報警，并對當次測量數(shù)據(jù)打標記，以示異常；若數(shù)據(jù)正常，則直接展示。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 測流原始數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)在H-ADCP 流量測驗中，通過PD0 數(shù)據(jù)包的解析，讀取橫搖縱擺、回波強度、單元流速等測流原始數(shù)據(jù)，并通過一定的算法進行分析，判斷某次測量是否存在異常。

本系統(tǒng)從三方面進行分析判斷，對測量異常情況進行告警，對異常數(shù)據(jù)進行標記，測流過程和流量計算全程可見，提高流量數(shù)據(jù)可信度。

3.1.1 橫搖縱擺異常識別與判斷

橫搖和縱擺是判斷H-ADCP 安裝角度的重要依據(jù)，當橫搖和縱擺值超出某一范圍時，可認定其角度發(fā)生異常。如受外力撞擊或測量時有大船經(jīng)過震動較大等原因均可導(dǎo)致角度異常。一般設(shè)置判斷閾值為正負1°，超出該范圍即認為角度已發(fā)生異常，需重新安裝并加固測流支架。這里的正負1°，是長委下游局、太湖流域管理局等水文單位根據(jù)多使用經(jīng)驗得出的值，不同測站可根據(jù)安裝支架樣式、測流環(huán)境等進行適當調(diào)整。

3.1.2 回波強度異常識別與判斷

根據(jù)ADCP 測流基本原理，回波強度將隨距離的增加而逐漸減小［3］，若發(fā)生某一距離內(nèi)回波強度異常加強，則極有可能碰到了可以阻擋波束的障礙物，如行船、水草、固體漂浮物等。

回波強度異常識別的算法采用滑動過程分析法：首先設(shè)定每組滑動計算的回波點數(shù)n，以及回波強度差的閾值ΔS；然后從有效范圍起的第n個回波點起算，與該點之前的n-1 個回波點的強度進行比較，若該點的回波強度比前n-1 個點中回波強度最小值之差大于ΔS，那么就認為該點處存在回波強度異常，也就是聲束遮擋；然后滑到第n+1 個回波點，繼續(xù)和該點的前n-1 個回波點比較，是否存在聲束遮擋；再滑動到n+2 個點進行分析，如此滑動比較直至最后一個有效回波點。若從n開始到有效范圍的最后一個回波點為止，均未發(fā)現(xiàn)聲束遮擋，則認為本波束回波強度正常；若某次測流X向波束和Y向波束均正常，則認為本次測流回波強度正常，無聲束遮擋。

這里的滑動窗口大小需要根據(jù)每個測站實際情況進行調(diào)整，主要根據(jù)本站實際運行中的回波強度過程線人工判斷，把人工判斷認為異常的測次列出來，然后設(shè)定不同的滑動窗口大小進行自動計算判斷，看是否能夠準確識別，取識別精度超過95%時的最小窗口大小進行設(shè)置。因此每個站點窗口大小不相同，一般為測流總單元格的1/10～1/20，約5～10 個單元格即可達到較好效果，滿足自動判斷要求。

經(jīng)驗證，該算法既可敏銳識別聲束遮擋異常情況，又可有效過濾回波強度在合理范圍內(nèi)的小幅波動，避免誤判。

當判斷出某次測流有聲束遮擋時，還可以做進一步分析，比如遮擋發(fā)生的大致方位，在ADCP 左前方3 m，或右前方20 m處發(fā)生疑似遮擋。

若某測站僅偶然發(fā)生聲束遮擋，則僅需將發(fā)生聲束遮擋的流量標記異常即可，后續(xù)測流可自動恢復(fù)；當連續(xù)多次測流都在同一方位發(fā)生疑似遮擋，則認為該測流斷面發(fā)生長期遮擋，一般有船舶長期?？?、河底泥沙淤泥、水草遮擋或者垃圾掛住等原因，需維護人員開展現(xiàn)場維護作業(yè)。

太湖流域毗山閘站2019年6月起，回波強度連續(xù)異常，經(jīng)系統(tǒng)自動分析，發(fā)現(xiàn)在H-ADCP 前方3 m 位置疑似發(fā)生長期遮擋。7月3日，經(jīng)測站維護人員現(xiàn)場測量，確認在該處發(fā)生河道淤積現(xiàn)象，經(jīng)清理后系統(tǒng)恢復(fù)正常。

回波強度異常分析見圖4。

圖4 回波強度異常分析圖Fig.4 Anomaly analysis chart of echo intensity

3.1.3 單元流速異常識別與判斷

一般測流河段均選取在流態(tài)相對穩(wěn)定的順直河段［6］，正常情況下，同一時刻，斷面中不同點的流向一般為同一流向，且相鄰單元的流速變化幅度不會很大。因此，利用單元流速變幅可初步判斷斷面是否存在紊流甚至漩渦情況，測流數(shù)據(jù)可疑。

本系統(tǒng)單元流速異常識別采用相鄰單元絕對值和相對值兩個方面的比較結(jié)果進行綜合判斷，當相鄰單元流速的絕對值變化幅度和相對值變化幅度均超過設(shè)定閾值時，則認為本次測流單元流速異常，測流數(shù)據(jù)可疑。

比如相鄰單元流速為2 和2.5 m/s 時，絕對變幅為0.5 m/s，相對變幅為25%，認為屬于正?，F(xiàn)象；但相鄰單元流速為+0.2和-0.3 m/s 時，絕對變幅也為0.5 m/s，相對變幅則超過了100%，則認為屬于異常現(xiàn)象。

3.2 測流支架自動升降

根據(jù)《GB 50179-2015 河流流量測驗規(guī)范》［11］要求，在流速測量時，測流垂線上流速測驗點位置應(yīng)根據(jù)水深分為一點法、二點法、三點法等不同測點數(shù)，其中，暢流期一點法相對水深位置推薦為0.6 m。而H-ADCP 測流時，一般僅測量一個水深平面，因此，為確保精度，H-ADCP 盡量也要在0.6 m 相對水深位置。

在常規(guī)H-ADCP 測流系統(tǒng)中，設(shè)備安裝高程固定不變，在不同水位漲落情況下，其處在的相對水深位置無法保證在0.6 m附近，水位高時設(shè)備處在底層，水位低時設(shè)備處在水面附近，導(dǎo)致流速代表性不足，給比測率定工作帶來困難，往往難以擬合出滿足規(guī)范要求的關(guān)系線。

本系統(tǒng)根據(jù)當前水位，利用伺服電機，自動升降H-ADCP位置，使其保持在較為理想的0.6 m 深度附近，使其流速更具代表性，也更利于比測率定。

為避免伺服電機頻繁運轉(zhuǎn)導(dǎo)致的誤差累積，本系統(tǒng)對高程進行等級劃分，比如以0.5 m 為一級，當水位在0.5 m 范圍內(nèi)變動時，ADCP高程不做調(diào)整，超出范圍，再調(diào)整至下一級。

3.3 流量比測率定分析

針對流量自動監(jiān)測站點建成后，人工比測率定工作繁雜的問題，本系統(tǒng)開發(fā)了在線比測率定功能，與自動測流系統(tǒng)集成設(shè)計，可將人工比測的數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，與自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比，開展實時率定工作。主要功能有：數(shù)據(jù)表格導(dǎo)入導(dǎo)出，一元線性、二元線性、二元多次、冪函數(shù)等多種類型關(guān)系式模擬，關(guān)系線圖形二、三維展示，關(guān)系線的系統(tǒng)偏差、隨機不確定性分析，符號檢驗、適線檢驗、偏離檢驗等功能。本系統(tǒng)回歸分析算法采用最小二乘法，一元線性直接以人工測流和自動測流兩個流速進行計算即可，二元線性和二元多次則將測流水位加入關(guān)系式進行計算。

常規(guī)內(nèi)河河段，一般采用單一率定公式即可，針對太湖流域等部分沿江、沿海的感潮河段，存在明顯往復(fù)流的，還可選擇類型，進行分段式率定，即：正流向、負流向、過渡等三段，設(shè)定正負流向的閾值，如0.2 m/s，正流向為流速大于0.2 m/s的部分，負流向為小于-0.2 m/s 的部分，兩段分別率定，然后再講正負0.2 m/s間的過渡部分直線相連。

擬合出曲線后，可對個別偏離曲線較遠的點進行單獨分析，若人工判斷該點存在異常測流，還可將其剔除后重新擬合。

長村橋站比測率定二次多項式定線見圖5。

圖5 長村橋站二次項定線圖Fig.5 Quadratic term alignment chart of Changcunqiao

4 展 望

本文提出的基于國產(chǎn)測控平臺的高可信度H-ADCP 流量自動監(jiān)測和分析處理系統(tǒng)在一定程度上提高了H-ADCP 流量自動監(jiān)測的精度和可信度，較好地解決了長期困擾各應(yīng)用單位的流量異常識別與分析處理問題，且已在長江下游和太湖流域有效使用，值得推廣應(yīng)用。

同時，我們也意識到，受限于H-ADCP 測流原理，其聲束有效檢測范圍固定有限，無法像走航ADCP 那樣對整個斷面進行掃描和計算，因此，仍然存在改進的空間。

為使H-ADCP 在未來有更為廣闊的應(yīng)用，可在以下兩方面開展進一步研究。

4.1 全斷面旋轉(zhuǎn)掃描

將H-ADCP 做成可旋轉(zhuǎn)裝置，掃描全斷面，利用流量計算算法［1］計算斷面流量。該方法理論上更為精確，但算法難度較大，且對ADCP 設(shè)備的量程有更高要求，在河道寬度較大情況下，很難做到全斷面有效掃描。

4.2 水平多層聯(lián)合掃描

利用伺服電機系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)，根據(jù)當前水位高程，以《GB 50179-2015 河流流量測驗規(guī)范》為主要參考依據(jù)，一次測流過程中，分別調(diào)整H-ADCP 高程，掃描多個平面［7］，利用面積包圍法計算流量。該方法與傳統(tǒng)人工流速儀方法完全一致，且其虛擬測流垂線可更加緊密（一個測流單元即可認為是一條虛擬測流垂線），在假定H-ADCP 所得單元流速準確的情況下，其流量數(shù)據(jù)較傳統(tǒng)人工流速儀法更為準確?！?/p>