走航式ADCP數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

錢偉忠，任曉東，陳 霞，程 穎，周 強

（1.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，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)行流速測量［1］。它突破傳統(tǒng)的以機械轉(zhuǎn)動為基礎(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，經(jīng)測定多普勒頻移而測算出流速。

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

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

1 走航式ADCP巡測存在的問題

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

目前，走航式ADCP測流多采用廠家的ADCP計算軟件，而該軟件往往無二次開發(fā)接口或者數(shù)據(jù)輸出接口，無法自動生成標(biāo)準(zhǔn)的多普勒流量記載表，只能人工將測流數(shù)據(jù)導(dǎo)出，再按照規(guī)范要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行評定計算，后將數(shù)據(jù)以短信或電話的方式上報。在提取數(shù)據(jù)填寫到計算軟件或者手工計算過程中，則可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移錯誤、計算錯誤、效率不高及不能實時傳輸?shù)葐栴}。

為解決以上問題，本研究提出一種走航式ADCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的方案，可以實現(xiàn)自動提取測流數(shù)據(jù)，形成標(biāo)準(zhǔn)流量記載表并實時上傳［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)文件的方法取得測流中相關(guān)數(shù)據(jù)，按GB 50179—2015《河流流量測驗規(guī)范》自動將有效測次結(jié)果寫入多普勒流速儀流量測驗記載表，通過通信網(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。主要創(chuàng)新點是走航式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、平臺數(shù)據(jù)接入等過程。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)校驗和數(shù)據(jù)存儲傳輸4個部分。

2.2 業(yè)務(wù)流程

以某系列ADCP為例，簡要介紹原始文件解譯（數(shù)據(jù)采集）、數(shù)據(jù)校驗（數(shù)據(jù)校驗）、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)存儲傳輸）的過程。

2.2.1 文件解譯

通過對某系列走航式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，可以得到包含各測次的所有測流數(shù)據(jù)，主要包括水深、底跟蹤流速、相對流速及位置信息等。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

為滿足SL 337—2006《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》要求，需對按原測回結(jié)果的平均值誤差由原來的人工計算改為使用軟件計算，按規(guī)范要求進(jìn)行數(shù)據(jù)自動判斷和篩選（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，可選擇自動數(shù)據(jù)篩選及校驗計算。

數(shù)據(jù)校驗步驟如下：（1）按設(shè)定測量閾值去除不在測量范圍內(nèi)的異常單元流速數(shù)據(jù)：（2）計算相鄰單元的流速變化比率，對超出設(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)計算設(shè)定垂線的平均流速，并計算標(biāo)準(zhǔn)差；（4）對原始數(shù)據(jù)文件提供設(shè)定垂線的單元回波強度數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并計算標(biāo)準(zhǔn)差；（5）對比垂線流速與回波強度的標(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。

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

2.2.3 多普勒流量記載表生成

為滿足GB50179—2015《河流流量測驗規(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）讀取測流設(shè)備基本信息、測量時間、測量參數(shù)等，人工錄入天氣等其他相關(guān)信息；（2）計算平均流速、斷面面積、平均流量等數(shù)據(jù)，計算測回結(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

對于計算出的數(shù)據(jù)先在本地進(jìn)行保存，存儲后利用通信網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)端數(shù)據(jù)庫，如果網(wǎng)絡(luò)條件確實不具備，待有通信條件時再實現(xiàn)成果補錄，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、人工計算、人工校驗、人工上報、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、數(shù)據(jù)上報、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)校驗后，在公網(wǎng)移動基站信號沒有覆蓋且無法接入有線通信線路的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以通過天通衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下載，無法傳輸時數(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)校驗和數(shù)據(jù)存儲，其中數(shù)據(jù)校驗部分包括人工校驗和系統(tǒng)批量自動校驗。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 實例驗證

為了驗證本研究數(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自帶的軟件對其進(jìn)行測試驗證。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)選擇完測流原始文件后，根據(jù)當(dāng)前測流斷面的實際環(huán)境情況，確定測點位置、天氣和風(fēng)力等基本信息。點擊數(shù)據(jù)寫入按鈕后，軟件將本次走航式ADCP測流數(shù)據(jù)自動生成本地聲學(xué)多普勒流速儀流量記載表，同時將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)端數(shù)據(jù)庫供Web端平臺查閱和展示。

4 結(jié)語

對用戶常用走航式ADCP設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析校驗、數(shù)據(jù)整理、多普勒流量記載表自動生成、歸檔上傳全過程，并用實例證明了該方案的可行性。

本研究可以將ADCP測流軟件所生成的原始文件解譯獲得測驗各項數(shù)據(jù)，生成標(biāo)準(zhǔn)多普勒流速儀流量記載表，并將結(jié)果實時上傳至服務(wù)端數(shù)據(jù)庫，省去了內(nèi)業(yè)中數(shù)據(jù)計算判斷和錄入步驟，同時根據(jù)需求可隨時通過網(wǎng)絡(luò)查閱巡測數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到相關(guān)部門，為決策部門實時提供實測流量數(shù)據(jù)，提高決策的時效性。下一步，需制定采集設(shè)備輸入輸出格式的國家標(biāo)準(zhǔn)，讓這類設(shè)備可以真正融入到水文測流行業(yè)中來。