[发明专利]一种河道多传感器融合上下游污染预警系统及方法

说明书

本发明公开了一种河道多传感器融合上下游污染预警系统及方法。河道部分包括在河道上下游多处部署的水质在线监测浮标节点，岸上部分包括无线网关，以及云服务器。水质在线监测浮标节点用于水质数据的实时采集、存储和传输，包括水质多传感器系统、水流传感器、实时时钟模块、微处理器、无线通信模块、天线、存储模块和电源模块。云服务器建立河道多传感器数据融合分析模型，利用多传感器数据融合方法分析河道中是否存在污染并对污染物进行分类、估计污染源位置，结合上下游关系对河道水质进行在线监测和分类预警，判断河道是否受到污染物入侵并估计污染源位置。本发明利用多个水质参数进行在线监测，具有能耗低，污染物检出率高，应用范围广的特点。

技术领域

本发明涉及水质预警系统，更具体地说，特别涉及河道多传感器融合上下游污染预警系统及方法。

背景技术

目前，水污染问题日益凸显，严重影响城乡居民的饮用水安全，城市用水一度紧张。随着人们对水质健康的关注日益增加，水质安全监测研究成为广受关注的研究领域。水质健康监测可以通过传感器对水源保护地、水库等进行实时监测，还可以对采集的数据进行整理与分析，建立相应的数学模型，为日常水质管理提供指导方案，从而完善水质管理的各个环节，对判断发生的重大水质时间进行报警启动相应处理预案。一旦发生有污染，环保部门就可以采取应急机制，避免污水流入居民家庭。

在调查中发现，我国在水质监测方面问题较多。第一，每一级的水质监测中心采样频率低；第二，在线监测站数量过少，现场监测能力低，无法获得重要水源地带中水质的实时参数信息。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种河道多传感器融合上下游污染预警系统及方法。

一种河道多传感器融合上下游污染预警系统，包括河道部分和岸上部分，河道部分包括在河道上下游多处部署的水质在线监测浮标节点，岸上部分包括无线网关，以及云服务器，所述水质在线监测浮标节点通过无线通信方式连接无线网关，无线网关连接云服务器；所述水质在线监测浮标节点用于水质数据的实时采集、存储和传输，包括水质多传感器系统、水流传感器、实时时钟模块、微处理器、无线通信模块、天线、存储模块和电源模块，水质多传感器系统、水流传感器、实时时钟模块将定时采集的水质数据、水流方向、速度、实时时间，传输至微处理器预处理后存储在存储模块，并通过无线通信模块和天线发送至岸上的无线网关，无线网关将数据中继转发至云服务器分析处理；所述云服务器建立河道多传感器数据融合分析模型，利用多传感器数据融合方法分析河道中是否存在污染并对污染物进行分类、估计污染源位置，结合上下游关系对河道水质进行在线监测和分类预警，判断河道是否受到污染物入侵并估计污染源位置。

所述的无线通信模块采用NB-IOT方式。

一种根据所述的污染预警系统在线监测和分类预警方法，具体步骤如下：

Step1：离线获取水质传感器采集的不同污染物、不同浓度的水质时间序列，包括氨氮、COD、 TOC、溶解氧、pH、浊度、电导率、水温、叶绿素指标；

Step2：去除非正数据和超过时间序列均值4倍标准差的异常数据，并将数据按照(x–x_min)/(x_max -x_min)对其归一化处理，其中x为水质时间序列，x_min和x_max分别为输入的水质时间序列的最小值和最大值；

Step3：利用时间序列移动均值预测水质变化：采用之前一段时间内水质参数测量值的均值作为水质参数在当前时刻的预测值，

其中，Z*(t)为t时刻的预测值，Z(t-i)为第t-i时刻的测量值，n为滑动窗大小，

采用滑动时间窗内的正常水质指标均值作为水质背景信号，得到的残差序列，采用残差信号作为污染物异常检测和分类的特征，可以很好的降低水质背景波动的影响，