H-ADCP流量數據分析處理系統的設計與應用

曹小潔， 張永兵

(1.江蘇南水科技有限公司， 江蘇 南京 210012； 2.水利部南京水利水文自動化研究所， 江蘇 南京 210012)

水文監測項目中，流量測量一直是水文監測的重要任務之一。以往的測流方法包括人工船測量、浮標測量、纜道測量等，測量結果雖然準確但耗時耗力，實時性不高，隨著水利現代化建設的不斷推進，傳統的儀器和方法已無法完全滿足新時代信息平臺的需求，更多的新技術、更多的新設備被引進。在近幾年國內引進的測流新設備中，水平聲學多普勒剖面流速儀(H-ADCP)應用最為廣泛，它利用多普勒效應原理進行流速測量，通過測量斷面部分層流速進而推算得到斷面流量。但由于H-ADCP安裝位置、水上漂浮物、行船等因素會對測流有影響，后期需要對測量斷面回波強度的衰減率、單元流速的跳變量、相鄰測次流速的變化率等數據進行分析，再結合預定的閾值對每組H-ADCP的測流數據評估出量化的數據質量指標，進而得到有效的指標流速與人工實測流量數據進行比測，通過回歸分析方法不斷計算優化指標流速關系，再通過優化后的關系式重新計算歷史流量數據，最終提高測流精度，為水文資料整編提供更為準確的流量數據[1-3]。

為滿足水文資料的測驗和整編以及應用中的實際需要，需要設計一款集原始數據分析處理、數據質量分析評估、流速關系率定分析以及流量計算的H-ADCP流量后處理軟件[4]。

1 需求分析

1.1 功能需求

H-ADCP流量數據分析處理系統需具有以下幾方面功能：

(1)H-ADCP原始數據的實時分析過濾和處理。

(2)指標流速、斷面平均流速的計算。

(3)斷面面積、斷面流量的計算。

(4)對預定的閾值進行可疑數據的篩選。

(5)測站參數的配置，斷面數據導入和編輯，關系式的添加和編輯。

(6)歷史測流數據的檢索。

(7)水位過程線、流速過程線、流量過程線。

(8)每組測流數據的回波強度分布圖及流速向量分布圖。

(9)指標流速關系式的回歸分析并進行曲線擬合。

(10)標準報表的導出。

1.2 可靠性需求

由于本系統運行在 Web 服務器上，實時24 h原始數據解析和H-ADCP 所有數據實時分析查詢功能，要求本系統能 24 h連續不間斷運行，因此本系統應運行穩定可靠，并具有運行出錯處理機制，以保證系統能正常運行。

2 設計框架

在需求分析的基礎上，將系統整體結構劃分為H-ADCP原始數據解析軟件和H-ADCP流量后處理軟件。

H-ADCP原始數據解析軟件由C/S模式開發用以實時解析H-ADCP的原始數據以及計算指標流速、斷面面積和流量等功能。

H-ADCP流量后處理軟件由B/S模式開發包含數據查詢、數據分析、關系式率定、參數配置、報表查詢5個模塊。數據查詢包含測站的實時數據和歷史數據，數據分析包含流速分析處理、圖形分析處理、流量成果管理等，關系式率定用來擬合H-ADCP指標流速和人工實測流速的關系式，參數配置包含測站信息管理、測站參數管理、用戶管理，報表查詢包含逐日流量年報表、逐日水位年報表、導出南方片格式。

本系統使用C/S和B/S結合開發，可連接多種類型數據庫，如SqlServer、MySql等。設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架

3 功能實現

3.1 H-ADCP原始數據解析軟件

實時對H-ADCP原始報文數據進行分析處理，解析出報文內的單元流速、回波強度等參數數據，過濾掉無效的單元流速數據，再根據配置的計算范圍計算指標流速，根據關系式計算出斷面平均流速，根據大斷面數據和水位計算斷面面積，最后計算流量，此功能還包含實時日志查看、解析失敗查詢、參數配置、測站管理、流量重計算功能。

3.2 H-ADCP流量后處理軟件

3.2.1 數據查詢

數據查詢功能默認顯示所有測站最新一條數據，包含水位、指標流速、平均流速、實測流速、計算流量、實測流量、最后通訊時間等數據，點擊水位可查詢歷史數據和過程圖。

3.2.2 數據分析

(1)流速分析處理

根據時間查詢解析后的原始報文如時間、水位、單元數量、單元長度、橫搖、縱擺、X向平均流速、Y向平均流速、回波最大變幅、波差等數據。頁面會根據設定好的閥值顯示可疑數據列表，并用黃色標識整行數據用于提示。點擊數據詳細按鈕可查看每個單元格的數據信息以及流速分布圖和回波強度趨勢圖，用戶可根據以上提示的信息自行選擇是否剔除數據。

(2)圖形分析處理

頁面按小時來顯示數據，如發報間隔是10 min，所以這里是每小時6條線，如果線重疊在一起表示數據大致趨勢是正常，如果有哪條突出的判斷當時是否流過漂浮物或者其它原因，可根據具體情況判斷是否要剔除此條數據。

(3)流量成果管理

經過流速或者圖形分析處理過后，如果更改關系式后可以在這里重新計算任意時間段的流量并保存數據，后面的報表導出可以使用此處保存過后的數據生成。

3.2.3 關系式率定

實測的流速通常只能作為推算斷面平均流速的中間環節, 而其相關性需要較長系列的實測資料進行對比率定。關系率定功能是整個軟件的核心之處，一般測站至少每年率定1次，操作需要按規定的步驟執行。

軟件可同時擬合多種類型的回歸分析公式，如一元線性、二元線性、二次多項式、指函數、冪函數等，并計算相對誤差、標準差、相關系數、系統偏差、隨機不確定度，同時還進行三線檢驗并在頁面上顯示檢驗結果。回歸方程函數關系見表1。

表1 回歸方程函數關系

根據分析后的結果和定線圖判斷是否滿足要求，如不滿足要求，需要剔除一部分數據，然后重新擬合關系式，以此循環直至得到合適的關系式。剔除數據可通過設定條件自動剔除數據，也可點擊列表數據或定線圖上的點來選擇手動剔除數據。直到所有指標值都在水文測流規范的范圍內，所顯示的公式才符合要求。

3.2.4 系統配置

(1)測站信息管理：添加、編輯、刪除測站的基本信息。

(2)測站參數管理：可編輯測站相關H-ADCP的配置參數、測站的斷面數據、測站的關系式數據。

(3)用戶權限管理：添加和編輯用戶，并賦予用戶操作權限。

3.2.5 報表查詢

(1)逐日流量年報表：選擇時間可查詢單站的流量年報表，并可按規范導出Excel。

(2)逐日水位年報表：選擇時間可查詢單站的水位年報表，并可按規范導出Excel。

(3)南方片格式導出：選擇時間和參數可導出南方片整編軟件格式的txt文件。

3.3 數據庫設計

3.3.1 數據庫設計依據

H-ADCP率定軟件可不連接數據庫進行率定，也可以連接監測數據庫讀取數據進行率定。監測數據庫設計主要依據《實時雨水情數據庫表結構與標識符標準》(SL323—2011)執行。

3.3.2 數據庫內容設計

(1)站點信息數據：存儲已建H-ADCP站的站點信息，包含站號、站名、ADCP單元數、盲區等信息。

(2)原始數據：存儲H-ADCP解析后的所有單元格里的具體實測數據，如單元長度、單元數量、X向流速、Y向回波強度等。

(3)水情數據：存儲測站上傳的實時水位、流速、流量數據。

(4)斷面數據：存儲測站實測的大斷面的數據，用于計算斷面面積和流量。

4 應用實例

2017年11月，流量數據分析處理系統首次在福建中小河項目中試運行，5個區一共15個H-ADCP監測站接入系統，運行初期設備上傳的流量數據與實際測流的數據相差較大，經過流量后處理軟件的分析，發現一些H-ADCP監測站回波強度最大變幅值超標，再經過歷史數據篩查，發現多組測流數據的回波強度曲線波形跳動厲害，顯示河底有多個障礙物，大大影響了測流的精度。回波強度是指聲學脈沖被水中懸浮物質反射回來的信號大小,會隨著反射聲波被吸收。正常情況下，回波強度曲線應該隨距離呈緩慢下降的趨勢，如果長時間回波強度的曲線中間出現同一位置的跳躍，說明河底有障礙物，再經過人工勘察到一些H-ADCP安裝地點多是山區，有時暴雨沖刷后，一些地勢高的地方小巖石會隨著河水流到下流，造成了河底障礙物的慢慢堆起，隨后項目組提出相應的方案，如河底清理或者更換H-ADCP安裝位置。

2019年3月，流量數據分析處理系統在太湖預警項目中投入運行，軟件通過對ADCP橫搖縱擺、回波圖、流速向量圖等原始數據的解析及智能分析，協助安裝人員現場及時確定安裝位置及流速計算參數，保證了現場設備的可靠安裝。在設備比測率定過程中，軟件可自動調取歷史指標流速，結合實時人工測流數據，完成設備的比測率定，并能根據更新后的率定關系進行資料整編。經過近一年的運行，軟件運行穩定、響應快速、操作便捷、維護方便、數據安全可靠，在設備安裝、率定、后期維護、數據整編等方面提供有力支撐，有效保證了設備的可靠運行。

5 結 語

H-ADCP流量數據分析處理系統能夠及時有效地分析和展示觀測區域內所有H-ADCP測站的實時監測數據，提供用戶多種數據形式來判斷流速數據的可靠性，再通過人工流速和指標流速進行比測，使用回歸分析方法不斷計算優化指標流速關系，最后計算出精確的流量數據。隨著H-ADCP的廣泛應用，本系統已投入到多個項目中運行，如太湖預警項目、福建省中小河流項目，運行效果良好，對其測量數據的質量評估和流量計算的精度提高起到了非常重要的作用。