水質污染物聯網探測方法研究

周曉宇

(黑龍江省科學院自動化所，哈爾濱 150090)

水質污染監測和安全監測信息獲取是一個長期的重要課題，排放事故及化工爆炸造成的污染程度居高不下;污染起因復雜，其要素之一是超標定量監測設備缺乏。究其原因是調控信息攝取方法，信息鏈、信息流出現問題［1］。傳統的監控模式，人為的主觀因素調制與干預太強。普通的電子監測模式由于信息環節是人為組合，物理誤差人為化、虛擬誤差因素交織復雜，探測設備抗各種物理干擾和社會干擾能力先天不足，受操作人員素質和相關利益調制影響大，實際效果無法考核。從信息學角度來看，信息鏈是延遲、不連續和失真的，信息流是無時間和地點標記的，信息時間、空間組合是利益相關者完成的。在信息理論飛速發展的今天，人們利用網絡化物聯網傳感和工業因特網絡融合理論可以成功地解決污染信息獲取以及信息鏈不連續和失真的問題。通過放置在船舶上的物聯網探測設備配合GPS對污染濃度以及具體時間、具體位置進行實時監測，得出污染圖譜。監測污染的空間分布與時間分布等手段，通過通信網絡隨時監測發現、分析問題并進行預報。

1 物聯網探測方法解決內容

(1)解決電導傳感器網絡探測的關鍵問題，使實驗室分析儀器通過無線網絡技術升級為現場測試儀器。

(2)解決污染信息挖掘理論與方法問題:空間挖掘、時間挖掘、時空二維挖掘、譜挖掘。通過信號對應關系的數學模型處理［2］。采用小波分析、模糊神經元網絡、遺傳算法等智能分析方法對災害信息進行在時域、頻域、數字域進行分析，給出波譜和定量值，進行災害定位及溯源。

(3)確立監測系統信息鏈與信息流理論:通過信息鏈接路由技術、信息延遲分析、時間標記技術，解決監控信息“質量損失”問題，確定信息質量評價和計量方法。解決信息的人為“失真”問題。

2 水質電導檢測網絡

水質電導監測網絡監測信息鏈硬體由電導傳感探頭、信號耦合器、濾波器、光電轉換器、計算機系統、復用調制器、網關、交換機、路由器等構成。計算機定時發出探測信號，經過光纖傳到電導腔探頭，水中有害物由于其吸收無機污染物對應損耗大而被增強。而其他的干擾模式被有源腔抑制，電信號經過數模轉換器進入計算機通過計算機進行污染信息解析與記錄，通過GPS把方位信息結合進來，這樣就把水污染電導譜圖探測出來［3］，還可以通過通信網絡(如CDMA)把信息傳到水質監測中心。經過計算機軟件分析推算出水污染發生的時間、空間分布、強度、信息頻譜、發生的時間及位置。并且進行標簽注，中心計算機對于信號的進行時域、數字域信息挖掘，并把信息通過因特網傳到遠處國家或者省級水污染安全監控中心。研究內容如下:

(1)物聯網有源腔傳感機理研究:提高檢測靈敏度、分辨率，完成自潔功能。

(2)水污染信息鏈和信息流構建理論研究:安全監測傳感網絡結構研究，光纖與無線通信網絡路由功能研究。

(3)水安全信息挖掘研究:通過信息挖掘軟件進行水污染災害信息提取，通過系統學圖譜分析、小波分析、模糊神經元網絡，遺傳算法對圖譜信號在時域、頻域、數字域進行分析，給出波譜和定量值，進行水污染災害定位。

圖1 水質電導檢測網絡框圖Fig.1 Block diagram of the water conductivity detector network

3 水質污染物聯網探測方法和技術路線

探測方法:

(1)水污染光纖光譜信息流數學模型模塊庫鏈接。建立6個關鍵模型庫:污染物光譜模型庫;信息高譜分析模型庫;光譜信息檢測算法與信號分析處理模型庫;光譜圖譜地理信息模型庫;網絡信息流媒體控制模型庫;系統分析軟件模型庫。由模型庫進行鏈接構建監測系統總體模型。模塊的有效性和精度等性能評價通過MATLAB仿真進行，然后通過試驗進行實測與標定［4］。

(2)平臺化設計、仿真、評價方法。構建研究平臺，把現有水污染光譜分析資源在設計平臺上進行系統集成。人工模擬各種信息流進行仿真處理，通過排隊論對監測的譜系對應性能進行評價。為優化監測理論打下基礎。

(3)信息鏈系統集成設計方法。把現有的光纖光譜分析高水平成熟的硬件與軟件資源在設計指標基礎上進行集成，避免低水平重復研究。

(4)知識庫鏈接法。充分利用研究過的光纖傳感器、光纖加速度計、光纖傳感器網絡等經驗，構造知識庫(這些均已在完成研究生論文的指導中進行了預備試驗)通過鏈接，構建軟件算法。

(5)網絡化開發與研究。對研究人員在計算機網絡上進行并行開發，通過計算機網絡進行集成。

(6)先進優化理論的應用。為提高可靠性，硬件優化為軟件，采用軟件無線電處理方法。為降低研究的復雜度，把系統分層，分塊解析，以加快研究速度，降低和分解復雜度，系統優化利用成熟理論模塊的再組合完成。

技術路線:

第一步建立分塊數學模型。水安全指標的傳感模型、光纖信息鏈模型、信息通信模型、網絡模型、高光譜頻線性信號分析軟件模型等，通過MATLAB和仿真相結合考核其各種技術指標，進行初步優化。

第二步建立光譜信息流和信息鏈模塊庫，通過模塊分層組合構建設計軟件平臺，通過MATLAB構建煤礦傳感信號通信仿真平臺。

第三步通過MATLAB的各種工具箱構建光譜信息流和信息鏈運行和評價算法。小波細化分析，神經元網絡濾波，模糊高速檢測，遺傳算法，等等。通過加入干擾、擾動、噪聲，來進行系統功能評價。在先前研制的光纖陀螺、光纖水聽器、光纖加速度計等傳感器實驗測試中進行理論驗證實驗，并進行對比分析，得出科學結論。

第四步理論驗證用硬件系統制作與調試。選擇合適的電導譜傳感方式，無機物傳感采用電導光譜、有機物傳感采用紅外光譜。構建光譜分析具體數學模型以及光纖網絡通信技術，采用光纖分時組網的方式進行多采樣點信息攝取。

第五步由信息流和信息鏈集成網絡系統的信息框架。采用網絡仿真工具進行測試、優化和計量;水污染定量計量采用網絡計量方法。

4 總結

隨著物聯網技術的飛速發展，物聯網已經廣泛應用到了許多領域，隨著物聯網商業化和信息數字化促進了水質污染方案的研發和更現代化的處理水質污染產品，可以為水質污染信息產業供應鏈提供非常完美的解決方案。物聯網技術也稱為EPC系統，作為一個全球性大系統，涉及了軟件、硬件、中間件、互聯網、ERP等信息通信產業的各個分支，將會對水質污染等商業領域內各個行業帶來巨大的影響。

［1］付婉霞，張璐璐，劉劍瓊.防止建筑給水系統二次污染的技術措施探討［J］.北京建筑工程學院學報，2003，30(1):25-28.

［2］陳新，丁堂堂，于在升.我國管道直飲水現狀的調研報告［J］.中國給水排水，2008，17(9):32-34.

［3］葉兵，甘日華，陳玉梅，等.廣東管道分質直飲水衛生狀況分析［J］.中國衛生監督雜志，2004，11(4):197-198.

［4］肖偉民，林耀軍，羅冬浦，等.飲用水不同類型消毒劑對分質供水管材溶蝕作用研究［J］.給水排水，2004，30(1):25-28.