郝啟文，王小藝，許繼平，劉載文，盛 璐，何多多

(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048)

1 概述

隨著全球水體富營養(yǎng)化的加劇，湖庫發(fā)生水華現(xiàn)象越來越普遍，其造成的環(huán)境和經(jīng)濟問題越來越引起人們的關注[1]。水體富營養(yǎng)化會導致某些特征性藻類非正常增殖，水體顏色逐漸變深，水體透明度下降，溶解氧濃度降低，CODMn濃度增大，直接導致魚類及其他生物死亡，從而破壞湖庫水體的自然生態(tài)平衡，造成環(huán)境和經(jīng)濟的重大損失[2-3]。近年來，我國許多大型湖泊面臨著水華爆發(fā)的危險。水華的爆發(fā)破壞了水體中的生物多樣性，嚴重制約了經(jīng)濟建設和社會發(fā)展。因此，有效預測水華爆發(fā)、對水華進行治理已經(jīng)迫在眉睫[4-5]。

本文根據(jù)當前國內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的現(xiàn)狀及系統(tǒng)所需的技術要求，開發(fā)了湖庫水質(zhì)監(jiān)測與水華預警信息系統(tǒng)。系統(tǒng)能實時接收水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、快速查詢、數(shù)據(jù)對比等功能。同時，系統(tǒng)集成了水華智能預測模型，實現(xiàn)了對湖庫水華的中長期預測預警功能，為環(huán)保部門進行水環(huán)境監(jiān)測與水華防治提供有效的信息化決策平臺。

2 預警信息系統(tǒng)設計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設計

湖庫水質(zhì)監(jiān)測與水華預警信息系統(tǒng)基于 Visual Studio 2010軟件平臺進行開發(fā)，系統(tǒng)利用Socket控件接收下位儀表通過通用分組無線服務(General Packet Radio Service, GPRS)傳送的數(shù)據(jù)，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和大量歷史數(shù)據(jù)存儲在基于 SQL2005建立的數(shù)據(jù)庫中，為后期數(shù)據(jù)處理和分析提供可靠依據(jù)。同時，系統(tǒng)可在地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)圖中實時顯示監(jiān)測點位置、水質(zhì)參數(shù)，并按時間跨度、空間范圍進行水質(zhì)數(shù)據(jù)的歷史查詢，繪制實時、歷史曲線，進行數(shù)據(jù)對比。系統(tǒng)實現(xiàn)了Matlab和 C++程序的混編，通過調(diào)用后臺灰色-BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡模型對采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)水華預測預警功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 預警信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術

2.2.1 網(wǎng)絡通信技術

水質(zhì)監(jiān)測傳感器的布點靈活，分布廣泛，數(shù)據(jù)量穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求高，實時性強。GPRS遠程無線傳輸方式適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。其具有覆蓋地域廣、通信距離遠、網(wǎng)絡可靠性高、穩(wěn)定性好、通信成本較低等優(yōu)點。通過上述分析，選用GPRS遠程無線傳輸方式對水質(zhì)信息進行實時傳送，完全可以滿足傳感器和系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的要求。

由于Socket接口是訪問Internet時用得最廣泛的方法，因此本系統(tǒng)采用面向連接的流式的Socket，針對面向連接的 TCP服務，實現(xiàn)由傳感器采集的水質(zhì)信息的實時接收。

2.2.2 地理信息系統(tǒng)技術

GIS是以測繪測量為基礎、以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用數(shù)據(jù)源、以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術。近年來，由于新技術的發(fā)展和能夠獲取或共享的區(qū)域性數(shù)據(jù)日益豐富，因此傳統(tǒng)的大而全的地理信息系統(tǒng)已逐漸被集成二次開發(fā)的 GIS系統(tǒng)所取代[6]。水質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)有賴于信息的實時更新和對信息的空間分析與綜合處理。GIS強大的專題制圖功能可將環(huán)境的變化情況、規(guī)律[7]，通過直觀的圖件資料予以顯示，實現(xiàn)對空間信息及其他種類信息的有效管理，實現(xiàn)對環(huán)境的綜合動態(tài)監(jiān)測。

本文系統(tǒng)利用MapX組件技術進行開發(fā)，將GIS作為本項目的基礎平臺，起到存儲、處理和分析空間信息的作用。系統(tǒng)通過接收水質(zhì)傳感器采集的數(shù)據(jù)，監(jiān)測不同時段的信息變化情況，比較不同的空間數(shù)據(jù)集或其他種類的信息[8]。圖2為基于GIS的智能化信息系統(tǒng)(以太湖流域為例)初始界面。

圖2 系統(tǒng)初始界面

2.2.3 數(shù)據(jù)庫技術

結(jié)構(gòu)化查詢語言(Structured Query Language,SQL)是一種數(shù)據(jù)庫查詢和程序設計語言，用于存取數(shù)據(jù)及查詢、更新和管理關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于多水質(zhì)參數(shù)傳感器，并配有高精度的信標機，采集包括時間、地理坐標等基本數(shù)據(jù)，利用GPRS模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)采用開放數(shù)據(jù)庫連接(Open Database Connectivity, ODBC)接口，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和大量歷史數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。可實現(xiàn)水質(zhì)信息、GPS位置信息實時顯示，并按時間跨度對歷史信息進行查詢和對比。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 水質(zhì)信息分析

系統(tǒng)可實時顯示下位監(jiān)測點的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可將水環(huán)境變化情況通過直觀的圖像資料予以顯示。監(jiān)測點每小時對水質(zhì)參數(shù)進行一次采集，并通過GPRS上傳。圖3為實時監(jiān)測狀態(tài)和歷史查詢狀態(tài)顯示。

圖3 實時監(jiān)測顯示與歷史數(shù)據(jù)查詢界面

水質(zhì)監(jiān)測點圖標將實時顯示在該水域地圖中的相應位置上，當鼠標放置于圖中該監(jiān)測點上時，該監(jiān)測點的水質(zhì)信息將以列表的形式顯示；同時，在界面左側(cè)的日歷中選擇需要的日期和時間段，可以進行水質(zhì)信息的歷史查詢。

系統(tǒng)實現(xiàn)了不同監(jiān)測點可變時間跨度數(shù)據(jù)對比功能。通過選定2個或2個以上監(jiān)測點在某一時間段內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)進行比對，可以曲線圖形式在同一界面中直觀顯示這些監(jiān)測點的水質(zhì)變化情況，如圖 4所示。

圖4 監(jiān)測點數(shù)據(jù)對比

3.2 水華預測預警功能

湖庫體系是一個多層次、多因素、多目標的復雜系統(tǒng)，水質(zhì)信息系統(tǒng)也具有明顯的層次復雜性、動態(tài)變化隨時性、指標數(shù)據(jù)不完全、不確定性[9]。針對湖庫水華產(chǎn)生的特點，應用智能信息處理技術對采集到的大量數(shù)據(jù)進行分析，將灰色理論與神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合，對水華的爆發(fā)時刻進行預測[10]。

具體建模步驟如圖5所示。

圖5 灰色-BP神經(jīng)網(wǎng)絡建模步驟

將葉綠素參數(shù)值分為多個時間序列，分別建立GM(1, 1)模型，獲得葉綠素的預測值，將這些預測值與實際值之間的偏差關系及序列之間的相互關系綜合到神經(jīng)網(wǎng)絡模型中考慮。將GM(1, 1)模型對下一時刻或幾個時刻葉綠素預測的偏差值作為神經(jīng)網(wǎng)絡的一個輸入，影響水華的另外幾個主要因素(總磷、總氮、光照、溫度等)作為神經(jīng)網(wǎng)絡的其他輸入，對應輸入的下一時刻葉綠素偏差值作為神經(jīng)網(wǎng)絡的導師信號，將預測值偏差與GM(1, 1)模型對應時刻的預測值疊加，即得到葉綠素的預測值。圖6為水華預測仿真結(jié)果(預測周期為30天)。

圖6 30天水華預測結(jié)果

基于灰色-BP神經(jīng)網(wǎng)絡的混合模型能夠有效預測水華暴發(fā)，預測精度達到90%以上。

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了集成網(wǎng)絡通信技術、地理信息系統(tǒng)技術、SQL2005數(shù)據(jù)庫技術于一體的湖庫水質(zhì)監(jiān)測與水華預警智能信息系統(tǒng)，著重介紹了實現(xiàn)該系統(tǒng)的關鍵技術及中長期水華智能預測預警方法，為提高湖庫水質(zhì)自動化監(jiān)測程度及水華高精度預測提供了一套有效的信息化平臺。

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