曹小洁1 陈志峰2
1.江苏南水科技有限公司,江苏 南京 210012；
2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012
摘要：随着H-ADCP测站建设越来越广泛，其流速关系式率定的工作也慢慢多了起来，流速关系式率定时除了拟合曲线，还需根据《水文资料整编规范》（SL2472012）计算曲线的系统误差和随机不确定度，随后还需进行三项检验，其过程较为复杂繁琐。因此为了解决流速关系式率定计算工作量大和提高工作效率的问题，设计出一款H-ADCP流速率定软件，只需简单操作，就可完成整个率定过程，大大减轻率定过程中的工作量。
关键词：H-ADCP; 三项检验; 回归拟合; 最小二乘法；
0.引言
水文监测项目中，流量测量一直是水文监测的重要任务之一。以往的测流方法包括人工船测量、浮标测量、缆道测量等，测量结果虽然准确但耗时耗力，实时性不高，随着水利现代化建设的不断推进，传统的仪器和方法已无法完全满足新时代信息平台的需求，更多新的技术、更多的新设备被引进。在近几年国内引进的测流新设备中，水平声学多普勒剖面流速仪(H-ADCP)应用的最为广泛，它利用多普勒效应原理进行流速测量，通过测量断面部分层流速进而推算得到断面流量。但由于H-ADCP测量的是部分层流速而不是整个大断面的流速，得到的指标流速需要跟实测断面平均流速进行比测从而找出这两者之间的关系，这个过程叫做关系式率定，用率定出的关系式计算出断面平流流速。为了得到准确的断面平均流速，率定出合适的关系式尤其重要。大部分公式率定都是采用Excel进行数据整理和回归分析，但由于其只能进行单一的回归分析，想要得到合适的关系式，需要进行一系列的数据筛选和计算然后再次回归分析，直至得到符合三项检验的关系式，其中的人工数据处理及其繁琐和复杂。
为此，针对目前H-ADCP流速关系式率定工作的现状，为了使H-ADCP能够更加广泛的使用，提供更为精确的流速数据，也为了减轻水文工作人员流速率定时的工作量，需要设计出一款H-ADCP流速率定软件。
1.总体框架设计
根据H-ADCP流速率定软件的主要研究内容，将软件整体结构划分为断面管理、测站管理、关系率定、关系式管理、参数配置5个模块。H-ADCP流速率定软件可根据excel导入的指标流速和实测流速进行率定，也可以通过连接监测数据库，读取数据库里对应测站的指标流速和excel导入的实测流速进行率定。
软件使用C#开发Winform应用程序，可连接多种类型数据库，如:SqlServer、MySql等。
2.功能设计
2.1 测站管理
测站管理的功能是管理监测数据库内测站的基本信息，在关系率定时可选择测站读取监测数据库内此测站的数据进行流速率定。
2.2 断面管理
断面管理的功能是管理监测数据库内测站的断面数据，对测站的断面数据可进行导入、导出、编辑及删除，断面数据可用于计算断面面积，再通过面积计算出流量。如果用户导入的是实测流量也可以通过断面数据计算出的断面面积来计算出实测流速；
2.3关系率定
关系率定功能是整个软件的核心之处，一般测站至少一年率定一次，操作需要按以下步骤执行。
1.首先需要导入excel格式的实测流速或流量数据，数据格式和顺序都有要求，顺序为：序列号、开始时间、结束时间、水位、实测平均流速或实测流量、指标流速。
2.如果导入的数据不包含指标流速，必须要选择测站来关联监测数据库，软件会根据测站号搜索数据库里相关信息，比如断面数据、指标流速，并计算面积、水面宽、水深。软件支持搜索H-ADCP原始数据解析后的指定范围内的单元格数据来计算指标流速，例如：H-ADCP设置的单元长度为1米，单元数为80，实测只有前60单元格的回波强度是好的，那么我们在选择计算指标流速的时候，可以选择单元格为1-60，软件会自动过滤单元格60以后的数据。
3.使用回归关系分析功能后，率定软件可同时拟合多种类型的回归分析公式，如一元线性、二元线性、二次多项式、指函数、幂函数等，并计算相对误差、标准差、相关系数、系统偏差%、随机不确定度%，同时还进行三线检验显示检验结果。
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表1 回归方程函数关系表
4.根据分析后的结果和定线图判断是否满足要求，如不满足要求，需要剔除一部分数据，然后重新拟合关系式，以此循环直至得到合适的关系式。剔除数据可通过设定条件自动剔除数据，也可点击列表数据或定线图上的点来选择手动剔除数据。
5.选择满足要求的有关系式自动保存到相应测站的关系式列表里。
6.导出成果表到excel。
2.4关系式管理
关系式管理的功能是管理监测数据库里所有测站的关系式，率定后的关系式可保存到数据库内，再由人工置入到H-ADCP里，这样测站上传的流速和流量数据就是经过校准过后的，很大程度上接近于实际流速。
2.5系统配置
系统配置功能主要是提供系统参数配置，如监测数据库的连接配置等。
2.6数据库设计
2.6.1 数据库设计依据
H-ADCP率定软件可不连接数据库进行率定，也可以连接监测数据库读取数据库数据进行率定。监测数据库设计主要依据SL323—2011《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》执行。
2.6.2 数据库内容设计
数据库包含以下4个部分：
1.站点信息数据：存储已建H-ADCP站的站点信息，包含站号、站名、ADCP单元数、盲区等信息。
2.原始数据：存储H-ADCP解析后的所有单元格里的具体实测数据，如:单元长度、单元数量、X向流速、X向回波强度等。
3.水情数据：存储测站上传的实时水位、流速、流量数据。
4.断面数据：存储测站实测的大断面的数据，用于计算断面面积和流量。
3.软件关键技术
3.1率定回归分析
流速率定分析的过程实际上是多个变量之间关系的回归分析过程。回归分析是一种预测性的建模技术，它研究的是因变量和自变量之间的关系，是建模和分析数据的重要工具。而使用曲线来拟合这些数据点，会使曲线到数据点的距离差异最小。
为了保证获得最挂的拟合曲线，可以使用最小二乘法（Least Square Method）来拟合回归线，它是一种优化的数学技术，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些数据与实际数据之间误差的平方和为最小，是用于拟合回归线最常用的方法，也是水文行业中流速率定用的最多的方法，即用excel拟合流速数据。
3.2 定线检验
在使用最二小乘法拟合曲线后，为了验证此曲线是否为最适合某个测站的关系式，还需要进行定线检验。
首先计算其系统误差和随机不确定度，系统误差可采用实测点对关系线相对误差的平均值来计算，随机不确定度可用以下公式计算:
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表2 关系定线精度指标表
通过系统误差和随机不确定度这两个性能指标后，还需对此曲线进行三项检验，即符号检验、适线检验和偏离检验，三项检验的对象都是随机变量，均属”假设检验”，即先作一定的假设，通过实测数据检验该假设是否成立，只有通过三项检验的曲线才认为定线正确；若三种检验(或其中一、二种检验)结果假设不成立，应分析原因，剔除一些不好的数据，重新拟合曲线。
符号检验是检验所定关系曲线两侧测点数目是否均匀合理，计算时应分别统计测点偏离曲线正负号的个数，并计算u值，将其与表3中显著水平a=0.25时所得的 u1-a/2比较，如满足u<u1-a/2则认为合理。
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表3 临界值 u1-a/2、u1-a
适线检验是检验测点偏离曲线正负符号的排列情况。计算u值，并与表3中显著水平a值采用 0.05 ~ 0.10所得的u1-a值比较，当u<u1-a则认为合理。
偏离值检验是检验测点偏离关系曲线的平均相对误差是否在合理范围内。需要分别计算Sp 值（平均相对偏离值的标准差）和t值（偏离数检验统计量），并与表4中a值采用 0.10 ~ 0.20所得的t1-a/2值比较，当?| t |＜t1-a/2则认为合理。
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注：表中k=n-1(n为测点总数)
4.结语
通过以上所述，H-ADCP的流速率定工作计算量大，也比较繁琐，即使是拟合回归过程由excel来完成，数据库内指标流速的提取以及后期的三项检验也需要人工来计算比对完成。本文设计的H-ADCP流速率定软件解决了水文实际工作中的流速定线问题，大大减轻了工作人员的工作量，能够显著提高工作人员的效率，后期开发完成后可广泛应用于各H-ADCP测站中去，提供更为精准的流量数据。
作者简介: 曹小洁（1983-），女，江苏南京人，工程师，主要从事水利信息化研究工作。
参考文献
[1] 中华人民共和国水利行业标准.SL 247-2012 水文资料整编规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013：10－16.
[2] 中华人民共和国水利行业标准.SL337-2006声学多普勒流量测验规范[S].上海：复旦大学出版社，2006
[3] 中华人民共和国国家标准.GB 50179-2015 河流流量测验规范[G]北京 中国计划出版社，2016
[4] 中国水利水电出版社.水文现代化与水文新技术 林祚顶主编 北京 中国水利水电出版社，2008