[發明專利]一種基于多參數耦合交叉的水質在線監測方法和系統

在審

• 申請號: 201910237748.6
• 申請日: 2019-03-27
• 公開（公告）號: CN109932496A
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 吳世軍;張鶴強;張志峰;楊燦軍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N33/18
• 分類號: G01N33/18;G06F16/215;G06F16/2458
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 蔣瓊

本發明公開了一種基于多參數耦合交叉的水質在線監測方法和系統，屬于水質監測技術領域，包括：1)獲取水體原始樣本的pH、濁度、溶解氧和電導率數據，以化學需氧量為標簽，剔除數據異常的樣本，形成訓練集；2)對pH、濁度、溶解氧和電導率數據進行歸一化處理；3)使用歸一化處理后的pH、濁度、溶解氧和電導率數據及對應的標簽對BP神經網絡進行訓練，獲得水質參數模型；4)將待測水體的pH、濁度、溶解氧和電導率數據經歸一化處理后輸入水質參數模型中，并對輸出的數據進行反歸一化處理，得到待測水體的化學需氧量；5)根據化學需氧量數據，得到待測水體的水質情況；6)根據應用場合設定一個預警值，并根據預警值進行報警提示污染超標。

技術領域

本發明涉及水質監測技術領域，具體地說，涉及一種基于多參數耦合交叉的水質在線監測方法和系統。

背景技術

現有的水質在線監測系統由在線監測儀器、GPRS通信模塊和遠程監控中心三部分組成，一般應用于河流、湖泊等水域的水質監測。通過GPRS通信模塊將在線監測儀器采集到的原始數據信息上傳到遠程監測中心，再完成數據的處理和展示，從而實現水質參數的實時遠程監測。

如圖1所示，一種現有的水質在線監測系統，包括在線監測儀器、GPRS通信模塊和遠程監控中心，該系統的缺陷在于：

(1)下位機只為各模塊供電，不對采集到的數據作處理及本地存儲。當發生網絡故障時，將會丟失此時間段內的監測數據。

(2)遠程監控中心控制在線監測儀器的測量過程，由于存在網絡延遲，實際采樣時間與要求采樣時間會存在一定偏差。定時采樣時，時間誤差會累積。

(3)GPRS通信模塊與電源管理模塊獨立，系統集成度低。

(4)受水體環境影響，單獨使用在線監測儀器對某些水質參數的測量精度不高。

在線監測儀器在對水質數據進行采集的過程中，可能會因為技術成熟度不同而產生較大誤差，如化學需氧量(COD)的測量，現有的測量儀器不太成熟，測得的化學需氧量(COD)數據難以確定準確性。

而通過文獻調研，發現pH、濁度、溶解氧(DO)和氧化還原電位(ORP)4個水質參數與化學需氧量(COD)密切相關，為確定模型的輸入參數選擇提供了參考。

為了進一步驗證輸出參數化學需氧量(COD)與4個輸入參數pH、濁度、溶解氧(DO)和氧化還原電位(ORP)的相關性，對覆蓋這些參數的實際項目數據進行相關性計算。相關系數絕對值越大，相關性越強，r為0時，表示相互獨立。r大于0，表示正相關；r為0時，表示負相關。相關性計算公式如式1所示。

其中，Cov(X,Y)為X與Y的協方差，Var[X]為X的方差，Var[Y]為Y的方差。

由相關性分析結果可知，pH、濁度、溶解氧(DO)和電導率這四個參數與輸出參數化學需氧量(COD)的相關性更高。

發明內容

本發明的目的為提供一種基于多參數耦合交叉關系的水質在線監測方法，解決無法準確測量水體中化學需氧量的問題，進而實現水體質量的實時監測。

本發明的另一目的為提供一種基于多參數耦合交叉關系的水質在線監測系統，該系統可用于實現上述水質在線監測方法。

為了實現上述目的，本發明提供的基于多參數耦合交叉關系的水質在線監測方法包括以下步驟：

1)獲取水體原始樣本的pH、濁度、溶解氧和電導率數據，以化學需氧量為標簽，剔除掉數據異常的樣本，形成訓練集；

2)對水體原始樣本的pH、濁度、溶解氧和電導率數據進行歸一化處理；

3)使用歸一化處理后的pH、濁度、溶解氧和電導率數據及對應的標簽對BP神經網絡進行訓練，獲得水質參數模型；