[發明專利]一種基于ELM算法的地表水COD在線監測系統及方法

在審

• 申請號: 201910088540.2
• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109580519A
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 趙巨峰;毛海鋒;崔光茫;張鈺;公曉麗;林君;辛青
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01N21/33
• 分類號: G01N21/33;G01N33/18;G06N3/08
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 吳秉中

本發明公開了一種基于ELM算法的地表水COD在線監測系統，通過構建極限學習機模型能有效提高地表水COD在線監測系統的精度。本發明通過對影響地表水COD的相關變量的數據采集，利用ELM算法實現對地表水COD濃度的預測輸出，通過預測值來修正實際采集值，使得系統對COD的采集精度得到了提高，解決了由傳感器本身造成的或監測環境造成的一些難以測量的誤差，為數據處理提供了一個新的方法。同時在一定程度上解決了傳統實驗室監測中實驗步驟繁瑣，實驗材料浪費，分析儀器價格昂貴等特點。

技術領域

本發明涉及水質監測技術領域，具體涉及一種基于ELM算法的地表水COD在線監測系統。

背景技術

水是地球上最珍貴的資源，是人類賴以生存和發展的重要物質。但由于人類忽略環境而大力發展工業經濟，導致了現在的水污染問題日益嚴重。到了21世紀，水資源的危機正逐步的顯現出來。地表水作為地球上最重要的水資源之一，有關于地表水監測系統的研發受到越來越多的重視。

COD作為測定地表水中有機物相對含量的重要指標，卻易受地表水中其他相關參數的干擾產生變化。傳統的實驗室監測儀器分析周期長，一般耗時幾個小時以上，導致監測到的COD參數已經發生了改變，影響了對該地表水水源污染程度的判斷。雖然國內外引入了光譜法，利用寬光譜探頭測定水中的COD參數，大幅度縮短了分析周期。但是寬光譜探頭無法做到傳統實驗室中可以利用化學法事先去除其他水質參數對COD參數的影響。

在這樣的背景下，引入ELM算法，采用不同于實驗室監測儀器的方式，通過對其他影響地表水COD指標的間接監測，根據數據的驅動原理，構建預測輸出模型，實現對地表水COD的監測。相對于單一的提高傳感器的精度，該算法能夠為地表水COD的監測提供一種低成本的方法。因此，研制一種基于ELM算法的地表水COD在線測量系統具有重要意義。

COD：即化學需氧量(Chemical Oxygen Demand)。

ELM：即極限學習機(Extreme Learning Machine)。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述技術問題，本發明提出了一種基于ELM算法的地表水COD在線監測系統，通過構建極限學習機模型能有效提高地表水COD在線監測系統的精度。其技術方案如下：

本發明的基于改進ELM算法的地表水COD在線測量系統，主要思路體現為：一是基于寬光譜探頭的硬件框架實現；二是樣本數據庫的建立；三是構建基于ELM算法的COD預測輸出模型；四是COD實際輸出值的處理。

基于寬光譜探頭的硬件框架實現

本發明的系統的硬件框架包括：寬光譜水質探頭，輔助傳感器，嵌入式芯片，電源模塊，顯示模塊。電源模塊為整個系統供電，寬光譜水質探頭和輔助傳感器集合在一起，浸沒在待測地表水水樣中。寬光譜水質探頭和輔助傳感器將采集的數據傳輸給嵌入式系統，嵌入式系統分別處理寬光譜水質探頭和輔助傳感器采集的水樣數據，輸出結果通過顯示屏進行顯示。其中輔助傳感器包括PH傳感器，TSS(懸浮物)傳感器，DO(溶解氧)傳感器，溫度傳感器，氯離子傳感器。其中寬光譜水質探頭采用兩路光源，一路254nm紫外光，一路365nm紫外參比光，根據郎伯-比爾定律，通過測量有機物對254nm波長紫外光的吸收程度，計算水中COD的總量。

樣本數據庫的建立

利用寬光譜探頭和輔助傳感器采集N組水樣參數，每組水樣進行多次采集，每次采集的時間間隔為10秒，每組的采集結果加上時間點標注。

其中輔助傳感器采集與COD密切相關的水質參數：溫度，PH，氯離子濃度，TSS(懸浮物)，DO(溶解氧)。其中寬光譜水質探頭采集COD參數。