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基于测量不确定度的统计质量控制准则被纳入走航式ADCP河流流量测验国际标准ISO:24578:2021(E)

已有 1394 次阅读 2021-6-3 12:05 |个人分类:测量不确定度|系统分类:论文交流

今年 (2021) 3月,走航式声学多普勒流速剖面仪 (ADCP) 河流流量测验国际标准ISO:24578:2021(E) 第一版正式出版【1】。该标准纳入了基于测量不确定度的统计质量控制方法和准则【2、3】,取代以往采用的基于最大残差的统计质量控制方法和准则。该标准还纳入了测验总历时至少为720秒准则。因此,该标准推行一套全新的质量控制组合方案对不确定度和总历时实行双重控制。现将这套质量控制组合方案介绍如下。

该标准规定,在流量稳定情况下,无论河流大小,应实施多次流量测验 (一次测验被称为测次)。测次数量应为偶数,至少实施往返两个测次 (即一个测回),测验总历时不应小于720秒。 所有测次流量的平均值作为当前流量,以Qmean 表示,同时计算当前相对扩展不确定度,以REU表示。只有当REU等于或小于最大允许相对不确定度MPRU=4.09%时,当前流量Qmean才可以接受作为实测流量。 基于测量不确定度的统计质量控制准则的表达式为:

 image.png

扩展不确定度 U95是随机不确定度。注意到U95随着测次数量n的增加而减小,对应于样本均值的测量误差随着样本量的增大而减小。因此,基于测量不确定度的统计质量控制准则是为了控制随机采样误差,对于系统误差的控制需要另行考虑【4】。

在实际测验中,如果当前相对扩展不确定度 REU等于或小于 4.09%,接受当前流量Qmean作为实测流量,停止测验。否则,增加两个测次 (一个测回),然后采用所有测次的流量数据重新计算Qmean和REU。如果更新后的REU等于或小于 4.09%,接受更新后的Qmean,停止测验。否则,再增加两个测次 (一个测回),再采用所有测次的流量数据重新计算Qmean和REU。重复这个过程直到最新的REU等于或小于 4.09%。这里假定所有的测次流量都是有效的。如果某一测次的流量无效 (比如测验受到航行船只的干扰而中断),需要补测一次。

以上所述的质量控制组合方案包含三个要素:

1)至少实施两个测次 (即一个测回),

2)测验总历时至少为720秒,

3)最大允许相对不确定度MPRU=4.09%。

这套质量控制组合方案融合了总历时控制和不确定度控制各自的优点,克服了两者各自的缺点。测验总历时至少为720秒准则是美国地质调查局根据实际经验建立的【5】。美国地质调查局于2011年开始推行总历时控制准则,不再使用先前的最大残差控制准则 (即4个测次的最大相对残差小于5%)【6】。但是,美国地质调查局指出,即使测验总历时大于720秒,某一测次流量与所有测次的流量平均值的相对残差也可能大于5%【6】。这是总历时控制的缺点。另一方面, 相对扩展不确定度REU是由样本 (即多个测次流量数据) 估算的,它是一个随机变量,本身也具有不确定性或者会受到偶然因素的影响。考虑只有两个测次的情况。即使测验总历时小于720秒,如果两个测次流量由于某种偶然因素恰好非常接近,REU也会小于4.09%。因此,这套质量控制组合方案即保证了测验总历时至少为720秒 (排除偶然因素),也保证了实测流量的精密度 (REU≤MPRU=4.09%)

另外需要指出的是,在n=4 时 (即4个测次),不确定度控制准则:REU≤MPRU=4.09% 与以往采用的最大残差控制准则:最大相对残差小于5% 是完全等同的。但是最大相对残差小于5% 的准则只适用于n=4的情况,不适用于n≠4的情况。这是以往采用的最大残差控制准则的缺陷。事实上,利用不确定度与最大残差的相关关系,可以由不确定度控制准则 (REU≤MPRU=4.09%) 推导出对应于所有n2情况的最大残差控制准则。关于不确定度控制准则与最大残差控制准则的关系,感兴趣的读者可以参见文献【3】。

附注:对声学多普勒流速剖面仪(ADCP) 感兴趣的读者可以参见文献【7、8】。

参考文献

1】ISO:24578:2021(E), Hydrometry — Acoustic Doppler profiler — Method and application for measurement of flow in open channels from a moving boat, first edition, 2021-3.

2】Huang, H. (2014).  Uncertainty-based measurement quality control.  Accred Qual Assur, 19 65-73.

3Huang, H. (2015). Statistical quality control of streamflow measurements with moving-boat acoustic Doppler current profilers. J. of Hydraulic Research, 53(6), 820-827.

4】Huang, H. (2018). Estimating bias limit of moving-boat ADCP streamflow measurements. Journal of Hydraulic Engineering, 144(6). https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001465

5】Oberg, K. A. and Mueller, D. S. (2007). Validation of streamflow measurements made with acoustic Doppler current profilers.  J. of Hydraul. Eng., 133(12), 1421-1432.

6】U.S. Geological Survey (USGS) (2011). Exposure time for ADCP moving-boat discharge measurements made during steady flow conditions. Office of Surface Water Technical Memorandum, September 11, 2011.

7】黄河宁 (2020). 科学网博文:神奇的声学多普勒流速剖面仪(ADCP), http://blog.sciencenet.cn/blog-3427112-1240267.html.

8Huang, H. (2019). Review of ADCP Fundamentals, https://www.researchgate.net/publication/335892427_Review_of_ADCP_Fundamentals.



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