預警系統中的水質評價軟件開發

◎ 浙江大學控制科學與工程學系 楊 江 冀海峰 張 龍 龍 軍 張立偉 劉 涵 張光新 張宏建

0 引言

人口的增加，對水的需求量日益增加，同時排放的廢水也隨之增加。未經處理的廢水會攜帶有害物質進入水體，引起天然水體的物理和化學上的變化，使水質變壞。嚴重的水體污染不僅會影響人體健康，而且會制約社會經濟的正常發展[1]。

應用現代科技手段，建立覆蓋全國范圍的水質預警系統，對人們日常生活密切相關的飲用水水源進行實時監測、準確的水質評價、以及對重大水質污染現象和事故的進行預警，輔助職能部門進行水質污染的應急處理，最大限度地降低各種水質污染的帶來的風險和危害。

水質評價是根據相關的國家水質標準、運用有效的水質評價方法、給出被評價水體的當前水質狀態、發展趨勢以及水質污染后的應急處理建議。

1 水質評價體系的建立

建立飲用水水質評價體系的出發點是飲用水加工流程的所有環節。原水進入水處理廠，經過除雜質、消毒等一系列工藝處理后，得到衛生指標合格的出廠水，經過管網輸送到千家萬戶。可見飲用水的品質取決于原水水質、水處理工藝、輸送管網特性等要素[2]。要正確評價飲用水水質，需要從全流程的分析、檢測和考評，各環節存在一定因果關系，即前一個環節會影響下一個環節。

本文的水質評價對象是水源地的原水和水處理廠的出廠水。對原水的評價依據是國標GB3838-2002《地表水環境質量標準》，出廠水的評價依據是國標GB5749-2006《生活飲用水衛生標準》。

飲用水水質安全評價體系由四層體系結構組成：系統層（綜合表征水環境大系統的整體安全程度，主要包括水環境的安全狀態屬性層、安全壓力屬性層、安全趨勢屬性層和安全響應屬性層）；對象層（主要包括水源圈層、給水處理圈層、管網輸配圈層和典型水污染事件圈層）；指數層（主要包括飲用水水質質量指數、水質干擾指數、水質安全事件的管理和應急指數等）。

2 評價因子和預警事件

參照國標和相關文獻，選擇與水質相關的參數，組成用于水質評價因子表。每個因子包含名稱、標準中的數值、單位、水質分類值、表征毒性大小的系數以及相關信息。為便于數據庫編程，對因子進行統一的分類和編號。評價因子是表征水質的基本參數。

當某些漸變性或突發性的水質污染發生時，單個水質指標無法進行全面描述，需要用多個水質參數來共同描述污染事件的特征、演變過程和危害程度等信息。因此本文在參考相關文獻的基礎上，把常見的水質污染現象進行分類，定義了二十幾類預警事件。預警事件包含一個或多個屬性，屬性可以是一個水質因子，或不能用參數因子描述的特征，以及污染發生時的危害性以及應急處理措施等附加信息。預警事件是預警系統對被監控水體污染狀況提出預報的基本單位。

3 評價算法

水質評價算法根據評價因子表、預警事件表、被評價水體的檢測數據，應用一定的評價方法，得出對水質的當前狀態和發展趨勢的判斷。水質評價算法的輸出結果主要有：總體的水質污染指數、歸屬類別、主要污染物的濃度、超限的數值、將來可能會出現的污染事件以及出現概率。文本采用的水質評價方法有：

3.1 水質指數法

水質指數是屬于物化性的水質指標，水體環境中各個水質參數對于水質總體影響的評估方法，即根據水質參數對水質影響的不同給予不同的權重，并且依其不同的濃度范圍確定指數，依此數據來評估水質的優劣。

水質指數法中，以因子編號和因子實測值作為輸入，以水質指數值和水質等級作為輸出。可以對水源水，出水廠和管網水的因子進行評價。該方法能客觀的反映的水質狀況，算法實現容易。

3.2 模糊綜合評價法

該算法通過獲得一個綜合評判集，評價水體水質對各級標準水質的隸屬度程度，來得到水質級別。

模糊綜合評價法以水質污染事件對應的因子為集合作輸入，以該事件隸屬水質等級作為評價結果輸出。

該方法基于水質事件進行評價，能利用全部數據的所提供的信息，總體因素的評價效果顯著。

3.3 層次分析法

通過建立層次分析結構模型，構造判斷矩陣，利用求特征值的方法，確定各因子的危害性權重，綜合權重按最大權重原則確定相應的污染程度。算法的輸入是采樣得到的因子值，計算結果是水質級別。

層次分析法是一種定性和定量分析相結合的評價方法，具有較強的邏輯性、實用性，它的缺點是需要對每一層次各環境因子相對重要性給出的判斷，這些判斷的客觀性決定了計算成果的計算精度。

3.4 綜合評價方法

該方法用各種污染物的相對污染指數進行數學上的歸納和統計，得出一個較簡單的代表水體污染程度的數值。綜合評價法能了解多個水質參數與相應標準之間的綜合對應關系，但有時會掩蓋高濃度的影響。

綜合評價方法包括簡單綜合污染指數法、綜合污染指數法、水質質量系數法、有機物污染綜合評價值、布朗水質指數法等。

在水質評價時同時采用了多種評價方法，這是因為不同的水質評價方法有其自身的固有屬性，它們的適用范圍不同、反映水質的側重點也有不同。對于水質評價，目前還沒有系統的理論知識，無法判斷對于一組水質參數需要應用何種方法合理。采用多種方法進行評價，并對它們的結果進行有效融合，最終得到接近真實值的結果。

4 評價軟件開發

水質評價上位機軟件采用微軟公司推出的Visual Studio 2005集成開發環境所包含的C#編程語言編寫，同時使用了SQL Server 2005數據庫技術方便數據存取和管理。上位機軟件主要包括四個部分：評價算法管理、計劃任務管理、手動評價分析和歷史評價查詢。

4.1 評價算法管理

主要是在界面中直觀的顯示出軟件所用到的算法信息，如算法名稱、算法類型和算法用到的評價因子等。同時含有增加和刪除算法信息的按鈕，方便及時更新算法信息。

4.2 計劃任務管理

主要用于管理計劃執行的任務，主界面顯示評價站點信息（包括站點名稱以及采用的評價算法）、評價方法、運行狀態、定時評價頻次以及評價結果。

界面上的添加/刪除按鈕可以添加/刪除計劃，同時可以設定每一條計劃的評價頻次和啟動/停止該計劃，計劃的評價結果實時更新，并將評價結果和相關信息寫入到數據表中保存。

4.3 手動評價分析

主要是手工選擇站點信息以及評價方法，對選擇的站點進行評價，直接在界面顯示評價信息和預警信息。站點信息、評價信息和預警信息等都自動寫入到數據表中保存。

4.4 歷史評價查詢

根據之前的計劃任務和手動評價，以日志形式在界面中直觀顯示各任務的評價信息和預警信息。

5 評價算法的驗證

為提高水質評價算法的正確性，在算法軟件的開發和使用工程中，增加了采用算法的數據樣本對評價算法的準確性進行驗證的環節，為評價算法的改進提供依據。

每個評價算法都有特定的輸入參數和輸出結果，樣本數據包含來自現實事物或已經被驗證是正確的輸入參數和輸出結果，不同的評價算法，它們的樣本數據各不相同。

評價算法的驗證方法是輸入該算法的樣本數據的輸入部分，比較評價算法的輸出結果是否與樣本中的輸出一致，相同則表示正確。通過多個樣本數據測試，可以得出評價算法的準確率。

在開發過程中，采用模擬的樣本數據，對算法進行初步驗證。模擬的樣本數據是軟件開發人員根據國家標準中參數值人為選定的。采用模擬樣本，可以快速地對算法進行測試，方便評價算法的設計人員和算法的編程人員及時發現和改進算法中的缺陷。

在試運行階段，采用來自實際過程的樣本數據，進行評價算法的驗證。從被評價水體的水質記錄數據庫獲取該算法所需的歷史數據，通常只有輸入參數而沒有輸出結果，請水利專家根據輸入參數給出輸出結果的估計值，構成樣本數據。

運行過程中采用實際樣本數據進行評價算的法驗證。具體做法是自動記錄輸入參數、算法的輸出結果和對應的時間；人工收集樣本數據的實際輸出數據，在操作界面輸入對應時間下和輸出結果，形成實際的樣本數據。在評價程序運行一段時間后，可以執行實際樣本數據的驗證功能，得到評價算法的準確率。

編寫評價算法的管理模塊，實現上述評價算法的驗證功能，并記錄驗證結果，供算法設計人員調用和分析。

6 結論

根據相關水質標準和水利知識，以SQL2005數據庫和VS2005軟件包，開發了能融合多種水質評價算法，具有實時水質評價和水質預警能力的水質評價軟件，它不僅可以單獨運行，還可以作為一個功能模塊集成到預警系統中。

本軟件的最大特征是采用軟件算法驗證的反饋機制，編寫評價算法的管理模塊，構建和組織水質樣本數據，對水質評價算法的準確性進行有效的驗證和考評，作為評價算法改進和提高的依據。