[發明專利]一種河道多傳感器融合上下游污染預警系統及方法

在審

• 申請號: 201711342055.0
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN108132340A
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 侯迪波;屠德展;黃章煒;王李想;林望黎;喻潔;黃平捷;張光新
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N33/18
• 分類號: G01N33/18;G05B19/042
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了一種河道多傳感器融合上下游污染預警系統及方法。河道部分包括在河道上下游多處部署的水質在線監測浮標節點，岸上部分包括無線網關，以及云服務器。水質在線監測浮標節點用于水質數據的實時采集、存儲和傳輸，包括水質多傳感器系統、水流傳感器、實時時鐘模塊、微處理器、無線通信模塊、天線、存儲模塊和電源模塊。云服務器建立河道多傳感器數據融合分析模型，利用多傳感器數據融合方法分析河道中是否存在污染并對污染物進行分類、估計污染源位置，結合上下游關系對河道水質進行在線監測和分類預警，判斷河道是否受到污染物入侵并估計污染源位置。本發明利用多個水質參數進行在線監測，具有能耗低，污染物檢出率高，應用范圍廣的特點。

技術領域

本發明涉及水質預警系統，更具體地說，特別涉及河道多傳感器融合上下游污染預警系統及方法。

背景技術

目前，水污染問題日益凸顯，嚴重影響城鄉居民的飲用水安全，城市用水一度緊張。隨著人們對水質健康的關注日益增加，水質安全監測研究成為廣受關注的研究領域。水質健康監測可以通過傳感器對水源保護地、水庫等進行實時監測，還可以對采集的數據進行整理與分析，建立相應的數學模型，為日常水質管理提供指導方案，從而完善水質管理的各個環節，對判斷發生的重大水質時間進行報警啟動相應處理預案。一旦發生有污染，環保部門就可以采取應急機制，避免污水流入居民家庭。

在調查中發現，我國在水質監測方面問題較多。第一，每一級的水質監測中心采樣頻率低；第二，在線監測站數量過少，現場監測能力低，無法獲得重要水源地帶中水質的實時參數信息。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種河道多傳感器融合上下游污染預警系統及方法。

一種河道多傳感器融合上下游污染預警系統，包括河道部分和岸上部分，河道部分包括在河道上下游多處部署的水質在線監測浮標節點，岸上部分包括無線網關，以及云服務器，所述水質在線監測浮標節點通過無線通信方式連接無線網關，無線網關連接云服務器；所述水質在線監測浮標節點用于水質數據的實時采集、存儲和傳輸，包括水質多傳感器系統、水流傳感器、實時時鐘模塊、微處理器、無線通信模塊、天線、存儲模塊和電源模塊，水質多傳感器系統、水流傳感器、實時時鐘模塊將定時采集的水質數據、水流方向、速度、實時時間，傳輸至微處理器預處理后存儲在存儲模塊，并通過無線通信模塊和天線發送至岸上的無線網關，無線網關將數據中繼轉發至云服務器分析處理；所述云服務器建立河道多傳感器數據融合分析模型，利用多傳感器數據融合方法分析河道中是否存在污染并對污染物進行分類、估計污染源位置，結合上下游關系對河道水質進行在線監測和分類預警，判斷河道是否受到污染物入侵并估計污染源位置。

所述的無線通信模塊采用NB-IOT方式。

一種根據所述的污染預警系統在線監測和分類預警方法，具體步驟如下：

Step1：離線獲取水質傳感器采集的不同污染物、不同濃度的水質時間序列，包括氨氮、COD、 TOC、溶解氧、pH、濁度、電導率、水溫、葉綠素指標；

Step2：去除非正數據和超過時間序列均值4倍標準差的異常數據，并將數據按照(x–x_min)/(x_max -x_min)對其歸一化處理，其中x為水質時間序列，x_min和x_max分別為輸入的水質時間序列的最小值和最大值；

Step3：利用時間序列移動均值預測水質變化：采用之前一段時間內水質參數測量值的均值作為水質參數在當前時刻的預測值，

其中，Z*(t)為t時刻的預測值，Z(t-i)為第t-i時刻的測量值，n為滑動窗大小，

采用滑動時間窗內的正常水質指標均值作為水質背景信號，得到的殘差序列，采用殘差信號作為污染物異常檢測和分類的特征，可以很好的降低水質背景波動的影響，