走航式ADCP数据成果转换技术研究

钱伟忠，任晓东，陈 霞，程 颖，周 强

（1.江苏省水文水资源勘测局苏州分局，江苏 苏州 215129；2.江苏省水土保持生态环境监测总站，江苏 南京 210012）

ADCP是利用多普勒效应原理进行流速测量［1］。它突破传统的以机械转动为基础的传感流速仪，用声波换能器作为传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒，浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速。

近20年来，随着ADCP在河流流量测验中的广泛应用，流量测验的方式也发生了巨大改变。其中，水平式、坐底式ADCP等在线测流系统的应用较为广泛，这类系统的测流原理通常是利用代表流速法进行数据率定，通过建立稳定的层流速与断面平均流速的关系来求得断面流量，优点是能够实现站点流量的在线监测，但设备对安装环境要求较高，需要提前进行断面测量并经过不同水位条件下的流量比测率定才能投入使用。

而走航式ADCP测流因具有底跟踪的模式，不需提前进行断面施测即可测流，另外对测流的条件要求也较为宽松，近年来逐步成为水文流量巡测的重要手段［2-3］。但不同于水平式和坐底式ADCP测流系统已在线化，走航式ADCP设备目前没有软件可将结果数据进行分析验证、归档及上传［4-5］。

1 走航式ADCP巡测存在的问题

走航式ADCP测流与人工船测、桥测、缆道测流等采用传统流速仪法测流的基本方法一样，都是在测流断面上布设垂线，多点测量，取平均流速。传统的流速仪法测流在测流断面上布设的垂线较少，每条垂线不同水深的测点也较少；而ADCP测流时垂线可以有数百上千条，每个测点根据水深分多层测流，以得到不同深度的流速值，所以ADCP测流得到的数据量及数据格式与传统流速仪法测流存在较大的差异。

目前，走航式ADCP测流多采用厂家的ADCP计算软件，而该软件往往无二次开发接口或者数据输出接口，无法自动生成标准的多普勒流量记载表，只能人工将测流数据导出，再按照规范要求的数据进行评定计算，后将数据以短信或电话的方式上报。在提取数据填写到计算软件或者手工计算过程中，则可能出现数据转移错误、计算错误、效率不高及不能实时传输等问题。

为解决以上问题，本研究提出一种走航式ADCP数据转换技术的方案，可以实现自动提取测流数据，形成标准流量记载表并实时上传［6］。

2 走航式ADCP数据成果转换整体方案

2.1 技术总体结构

以读取ADCP数据文件的方法取得测流中相关数据，按GB 50179—2015《河流流量测验规范》自动将有效测次结果写入多普勒流速仪流量测验记载表，通过通信网络传输到数据中心，形成规范的多普勒流量记载表。主要创新点是走航式ADCP数据集中处理和数据传输技术。该方案技术路线为文件解译、多普勒流量记载表生成、数据校验、平台数据接入等过程。技术总体结构包括数据采集、数据转换处理、数据校验和数据存储传输4个部分。

2.2 业务流程

以某系列ADCP为例，简要介绍原始文件解译（数据采集）、数据校验（数据校验）、多普勒流量记载表生成（数据转换处理）及数据集中归档（数据存储传输）的过程。

2.2.1 文件解译

通过对某系列走航式ADCP自带的WinRiverⅡ数据处理软件所生成的原始mmt、PD0格式文件解译，可以得到包含各测次的所有测流数据，主要包括水深、底跟踪流速、相对流速及位置信息等。输出文件结构如图1所示。

图1 输出文件总体结构

2.2.2 数据校验

为满足SL 337—2006《声学多普勒流量测验规范》要求，需对按原测回结果的平均值误差由原来的人工计算改为使用软件计算，按规范要求进行数据自动判断和筛选（亦可由人工干预进行数据筛选）。如果平均值误差超出阈值范围，可选择自动数据筛选及校验计算。

数据校验步骤如下：（1）按设定测量阈值去除不在测量范围内的异常单元流速数据：（2）计算相邻单元的流速变化比率，对超出设定变比阈值的数据进行去除或平滑处理；（3）按筛选后的数据计算设定垂线的平均流速，并计算标准差；（4）对原始数据文件提供设定垂线的单元回波强度数据进行筛选，并计算标准差；（5）对比垂线流速与回波强度的标准差，若超出设定阈值则置异常，由人工进行判断处理。

各类阈值的判断与数据的筛选计算均由软件自动完成，同时提供阈值的设定功能和人工筛选与计算的功能。

2.2.3 多普勒流量记载表生成

为满足GB50179—2015《河流流量测验规范》要求生成多普勒流量记载表，需取得以下数据并生成多普勒流量记载表：（1）读取测流设备基本信息、测量时间、测量参数等，人工录入天气等其他相关信息；（2）计算平均流速、断面面积、平均流量等数据，计算测回结果的平均值误差；（3）按多普勒流量记载表格式填入所有测量信息并显示，人工确认后保存。

2.2.4 数据集中归档

对于计算出的数据先在本地进行保存，存储后利用通信网络上传至服务端数据库，如果网络条件确实不具备，待有通信条件时再实现成果补录，且支持成果的批量同步功能。

2.2.5 业务流程

传统的业务流程为数据采集、人工计算、人工校验、人工上报、人工录入。本方案业务流程修改为数据采集、数据分析、数据校验、数据上报、数据生成、数据归档。

2.3 通信网络

完成数据校验后，在公网移动基站信号没有覆盖且无法接入有线通信线路的偏远地区，可以通过天通卫星进行数据的上传和下载，无法传输时数据已经保存在本地，待网络恢复后，进行数据批量的补传。相应的通信网络拓扑图如图2所示。

图2 通信网络拓扑

2.4 数据流程

本研究的核心是数据，从数据采集、数据转换处理、数据校验和数据存储，其中数据校验部分包括人工校验和系统批量自动校验。走航式ADCP数据处理状态图如图3所示。

图3 走航式ADCP数据处理状态

3 实例验证

为了验证本研究数据上传方案的有效性与可行性，以大朱砂港桥测流断面为例，使用走航式ADCP数据上传软件和ADCP自带的软件对其进行测试验证。走航式ADCP数据传输软件界面如图4所示。

图4 走航式ADCP数据传输软件界面

当选择完测流原始文件后，根据当前测流断面的实际环境情况，确定测点位置、天气和风力等基本信息。点击数据写入按钮后，软件将本次走航式ADCP测流数据自动生成本地声学多普勒流速仪流量记载表，同时将数据上传至服务端数据库供Web端平台查阅和展示。

4 结语

对用户常用走航式ADCP设备的原始数据，实现了数据提取、数据分析校验、数据整理、多普勒流量记载表自动生成、归档上传全过程，并用实例证明了该方案的可行性。

本研究可以将ADCP测流软件所生成的原始文件解译获得测验各项数据，生成标准多普勒流速仪流量记载表，并将结果实时上传至服务端数据库，省去了内业中数据计算判断和录入步骤，同时根据需求可随时通过网络查阅巡测数据或将数据发送到相关部门，为决策部门实时提供实测流量数据，提高决策的时效性。下一步，需制定采集设备输入输出格式的国家标准，让这类设备可以真正融入到水文测流行业中来。