水质污染物联网探测方法研究

周晓宇

(黑龙江省科学院自动化所，哈尔滨 150090)

水质污染监测和安全监测信息获取是一个长期的重要课题，排放事故及化工爆炸造成的污染程度居高不下;污染起因复杂，其要素之一是超标定量监测设备缺乏。究其原因是调控信息摄取方法，信息链、信息流出现问题［1］。传统的监控模式，人为的主观因素调制与干预太强。普通的电子监测模式由于信息环节是人为组合，物理误差人为化、虚拟误差因素交织复杂，探测设备抗各种物理干扰和社会干扰能力先天不足，受操作人员素质和相关利益调制影响大，实际效果无法考核。从信息学角度来看，信息链是延迟、不连续和失真的，信息流是无时间和地点标记的，信息时间、空间组合是利益相关者完成的。在信息理论飞速发展的今天，人们利用网络化物联网传感和工业因特网络融合理论可以成功地解决污染信息获取以及信息链不连续和失真的问题。通过放置在船舶上的物联网探测设备配合GPS对污染浓度以及具体时间、具体位置进行实时监测，得出污染图谱。监测污染的空间分布与时间分布等手段，通过通信网络随时监测发现、分析问题并进行预报。

1 物联网探测方法解决内容

(1)解决电导传感器网络探测的关键问题，使实验室分析仪器通过无线网络技术升级为现场测试仪器。

(2)解决污染信息挖掘理论与方法问题:空间挖掘、时间挖掘、时空二维挖掘、谱挖掘。通过信号对应关系的数学模型处理［2］。采用小波分析、模糊神经元网络、遗传算法等智能分析方法对灾害信息进行在时域、频域、数字域进行分析，给出波谱和定量值，进行灾害定位及溯源。

(3)确立监测系统信息链与信息流理论:通过信息链接路由技术、信息延迟分析、时间标记技术，解决监控信息“质量损失”问题，确定信息质量评价和计量方法。解决信息的人为“失真”问题。

2 水质电导检测网络

水质电导监测网络监测信息链硬体由电导传感探头、信号耦合器、滤波器、光电转换器、计算机系统、复用调制器、网关、交换机、路由器等构成。计算机定时发出探测信号，经过光纤传到电导腔探头，水中有害物由于其吸收无机污染物对应损耗大而被增强。而其他的干扰模式被有源腔抑制，电信号经过数模转换器进入计算机通过计算机进行污染信息解析与记录，通过GPS把方位信息结合进来，这样就把水污染电导谱图探测出来［3］，还可以通过通信网络(如CDMA)把信息传到水质监测中心。经过计算机软件分析推算出水污染发生的时间、空间分布、强度、信息频谱、发生的时间及位置。并且进行标签注，中心计算机对于信号的进行时域、数字域信息挖掘，并把信息通过因特网传到远处国家或者省级水污染安全监控中心。研究内容如下:

(1)物联网有源腔传感机理研究:提高检测灵敏度、分辨率，完成自洁功能。

(2)水污染信息链和信息流构建理论研究:安全监测传感网络结构研究，光纤与无线通信网络路由功能研究。

(3)水安全信息挖掘研究:通过信息挖掘软件进行水污染灾害信息提取，通过系统学图谱分析、小波分析、模糊神经元网络，遗传算法对图谱信号在时域、频域、数字域进行分析，给出波谱和定量值，进行水污染灾害定位。

图1 水质电导检测网络框图Fig.1 Block diagram of the water conductivity detector network

3 水质污染物联网探测方法和技术路线

探测方法:

(1)水污染光纤光谱信息流数学模型模块库链接。建立6个关键模型库:污染物光谱模型库;信息高谱分析模型库;光谱信息检测算法与信号分析处理模型库;光谱图谱地理信息模型库;网络信息流媒体控制模型库;系统分析软件模型库。由模型库进行链接构建监测系统总体模型。模块的有效性和精度等性能评价通过MATLAB仿真进行，然后通过试验进行实测与标定［4］。

(2)平台化设计、仿真、评价方法。构建研究平台，把现有水污染光谱分析资源在设计平台上进行系统集成。人工模拟各种信息流进行仿真处理，通过排队论对监测的谱系对应性能进行评价。为优化监测理论打下基础。

(3)信息链系统集成设计方法。把现有的光纤光谱分析高水平成熟的硬件与软件资源在设计指标基础上进行集成，避免低水平重复研究。

(4)知识库链接法。充分利用研究过的光纤传感器、光纤加速度计、光纤传感器网络等经验，构造知识库(这些均已在完成研究生论文的指导中进行了预备试验)通过链接，构建软件算法。

(5)网络化开发与研究。对研究人员在计算机网络上进行并行开发，通过计算机网络进行集成。

(6)先进优化理论的应用。为提高可靠性，硬件优化为软件，采用软件无线电处理方法。为降低研究的复杂度，把系统分层，分块解析，以加快研究速度，降低和分解复杂度，系统优化利用成熟理论模块的再组合完成。

技术路线:

第一步建立分块数学模型。水安全指标的传感模型、光纤信息链模型、信息通信模型、网络模型、高光谱频线性信号分析软件模型等，通过MATLAB和仿真相结合考核其各种技术指标，进行初步优化。

第二步建立光谱信息流和信息链模块库，通过模块分层组合构建设计软件平台，通过MATLAB构建煤矿传感信号通信仿真平台。

第三步通过MATLAB的各种工具箱构建光谱信息流和信息链运行和评价算法。小波细化分析，神经元网络滤波，模糊高速检测，遗传算法，等等。通过加入干扰、扰动、噪声，来进行系统功能评价。在先前研制的光纤陀螺、光纤水听器、光纤加速度计等传感器实验测试中进行理论验证实验，并进行对比分析，得出科学结论。

第四步理论验证用硬件系统制作与调试。选择合适的电导谱传感方式，无机物传感采用电导光谱、有机物传感采用红外光谱。构建光谱分析具体数学模型以及光纤网络通信技术，采用光纤分时组网的方式进行多采样点信息摄取。

第五步由信息流和信息链集成网络系统的信息框架。采用网络仿真工具进行测试、优化和计量;水污染定量计量采用网络计量方法。

4 总结

随着物联网技术的飞速发展，物联网已经广泛应用到了许多领域，随着物联网商业化和信息数字化促进了水质污染方案的研发和更现代化的处理水质污染产品，可以为水质污染信息产业供应链提供非常完美的解决方案。物联网技术也称为EPC系统，作为一个全球性大系统，涉及了软件、硬件、中间件、互联网、ERP等信息通信产业的各个分支，将会对水质污染等商业领域内各个行业带来巨大的影响。

［1］付婉霞，张璐璐，刘剑琼.防止建筑给水系统二次污染的技术措施探讨［J］.北京建筑工程学院学报，2003，30(1):25-28.

［2］陈新，丁堂堂，于在升.我国管道直饮水现状的调研报告［J］.中国给水排水，2008，17(9):32-34.

［3］叶兵，甘日华，陈玉梅，等.广东管道分质直饮水卫生状况分析［J］.中国卫生监督杂志，2004，11(4):197-198.

［4］肖伟民，林耀军，罗冬浦，等.饮用水不同类型消毒剂对分质供水管材溶蚀作用研究［J］.给水排水，2004，30(1):25-28.