周曉宇

(黑龍江省科學院自動化所，哈爾濱 150090)

水質(zhì)污染監(jiān)測和安全監(jiān)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(jiān)測設(shè)備缺乏。究其原因是調(diào)控信息攝取方法，信息鏈、信息流出現(xiàn)問題［1］。傳統(tǒng)的監(jiān)控模式，人為的主觀因素調(diào)制與干預(yù)太強。普通的電子監(jiān)測模式由于信息環(huán)節(jié)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(shè)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(zhì)和相關(guān)利益調(diào)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(xù)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(guān)者完成的。在信息理論飛速發(fā)展的今天，人們利用網(wǎng)絡(luò)化物聯(lián)網(wǎng)傳感和工業(yè)因特網(wǎng)絡(luò)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(xù)和失真的問題。通過放置在船舶上的物聯(lián)網(wǎng)探測設(shè)備配合GPS對污染濃度以及具體時間、具體位置進行實時監(jiān)測，得出污染圖譜。監(jiān)測污染的空間分布與時間分布等手段，通過通信網(wǎng)絡(luò)隨時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)、分析問題并進行預(yù)報。

1 物聯(lián)網(wǎng)探測方法解決內(nèi)容

(1)解決電導傳感器網(wǎng)絡(luò)探測的關(guān)鍵問題，使實驗室分析儀器通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)升級為現(xiàn)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(yīng)關(guān)系的數(shù)學模型處理［2］。采用小波分析、模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能分析方法對災(zāi)害信息進行在時域、頻域、數(shù)字域進行分析，給出波譜和定量值，進行災(zāi)害定位及溯源。

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

2 水質(zhì)電導檢測網(wǎng)絡(luò)

水質(zhì)電導監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測信息鏈硬體由電導傳感探頭、信號耦合器、濾波器、光電轉(zhuǎn)換器、計算機系統(tǒng)、復用調(diào)制器、網(wǎng)關(guān)、交換機、路由器等構(gòu)成。計算機定時發(fā)出探測信號，經(jīng)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(yīng)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(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)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(jié)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(wǎng)絡(luò)(如CDMA)把信息傳到水質(zhì)監(jiān)測中心。經(jīng)過計算機軟件分析推算出水污染發(fā)生的時間、空間分布、強度、信息頻譜、發(fā)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(shù)字域信息挖掘，并把信息通過因特網(wǎng)傳到遠處國家或者省級水污染安全監(jiān)控中心。研究內(nèi)容如下:

(1)物聯(lián)網(wǎng)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(gòu)建理論研究:安全監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究，光纖與無線通信網(wǎng)絡(luò)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(zāi)害信息提取，通過系統(tǒng)學圖譜分析、小波分析、模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法對圖譜信號在時域、頻域、數(shù)字域進行分析，給出波譜和定量值，進行水污染災(zāi)害定位。

圖1 水質(zhì)電導檢測網(wǎng)絡(luò)框圖Fig.1 Block diagram of the water conductivity detector network

3 水質(zhì)污染物聯(lián)網(wǎng)探測方法和技術(shù)路線

探測方法:

(1)水污染光纖光譜信息流數(shù)學模型模塊庫鏈接。建立6個關(guān)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(wǎng)絡(luò)信息流媒體控制模型庫;系統(tǒng)分析軟件模型庫。由模型庫進行鏈接構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)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(shè)計、仿真、評價方法。構(gòu)建研究平臺，把現(xiàn)有水污染光譜分析資源在設(shè)計平臺上進行系統(tǒng)集成。人工模擬各種信息流進行仿真處理，通過排隊論對監(jiān)測的譜系對應(yīng)性能進行評價。為優(yōu)化監(jiān)測理論打下基礎(chǔ)。

(3)信息鏈系統(tǒng)集成設(shè)計方法。把現(xiàn)有的光纖光譜分析高水平成熟的硬件與軟件資源在設(shè)計指標基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)等經(jīng)驗，構(gòu)造知識庫(這些均已在完成研究生論文的指導中進行了預(yù)備試驗)通過鏈接，構(gòu)建軟件算法。

(5)網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)與研究。對研究人員在計算機網(wǎng)絡(luò)上進行并行開發(fā)，通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行集成。

(6)先進優(yōu)化理論的應(yīng)用。為提高可靠性，硬件優(yōu)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(tǒng)分層，分塊解析，以加快研究速度，降低和分解復雜度，系統(tǒng)優(yōu)化利用成熟理論模塊的再組合完成。

技術(shù)路線:

第一步建立分塊數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(jié)合考核其各種技術(shù)指標，進行初步優(yōu)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(gòu)建設(shè)計軟件平臺，通過MATLAB構(gòu)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(gòu)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(jīng)元網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)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(jié)論。

第四步理論驗證用硬件系統(tǒng)制作與調(diào)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(gòu)建光譜分析具體數(shù)學模型以及光纖網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，采用光纖分時組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息框架。采用網(wǎng)絡(luò)仿真工具進行測試、優(yōu)化和計量;水污染定量計量采用網(wǎng)絡(luò)計量方法。

4 總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了許多領(lǐng)域，隨著物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化和信息數(shù)字化促進了水質(zhì)污染方案的研發(fā)和更現(xiàn)代化的處理水質(zhì)污染產(chǎn)品，可以為水質(zhì)污染信息產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈提供非常完美的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也稱為EPC系統(tǒng)，作為一個全球性大系統(tǒng)，涉及了軟件、硬件、中間件、互聯(lián)網(wǎng)、ERP等信息通信產(chǎn)業(yè)的各個分支，將會對水質(zhì)污染等商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)各個行業(yè)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(tǒng)二次污染的技術(shù)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(xiàn)狀的調(diào)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(zhì)直飲水衛(wèi)生狀況分析［J］.中國衛(wèi)生監(jiān)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(zhì)供水管材溶蝕作用研究［J］.給水排水，2004，30(1):25-28.