付炳炳，張俊濤，趙文博

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

（1）研究目的。我國(guó)的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)在近些年都保持著良好的發(fā)展勢(shì)頭，隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，資源環(huán)境的保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的沖突加劇，環(huán)境保護(hù)工作面臨著更多的挑戰(zhàn)，一些影響比較大的環(huán)境污染公共事件更是頻繁發(fā)生，對(duì)環(huán)境造成的損失是無(wú)法估量的，對(duì)生態(tài)造成的破壞更是難以恢復(fù)的。

一旦發(fā)生污染事故，就要求環(huán)保部門(mén)能迅速進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，啟動(dòng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)處置系統(tǒng)，快速判斷污染物種類(lèi)、濃度、污染范圍及可能造成的危害，妥善處理污染事故。這些都需要做出一套應(yīng)急系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控突發(fā)性的環(huán)境污染。

（2）研究意義。目前，國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)突發(fā)性環(huán)境事故的技術(shù)普遍比較落后，大多數(shù)監(jiān)測(cè)單位主要使用實(shí)驗(yàn)室儀器或進(jìn)口檢測(cè)管進(jìn)行應(yīng)急檢測(cè)，或是使用一些小型化的單項(xiàng)快速測(cè)定儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急分析檢測(cè)。傳統(tǒng)的應(yīng)急測(cè)試方法為單點(diǎn)測(cè)量，如果要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，設(shè)備需要外接電源，使用不方便，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。本文“基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)性環(huán)境污染實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究”的意義可以從多個(gè)方面體現(xiàn)出來(lái)：從科學(xué)貢獻(xiàn)角度來(lái)講，將會(huì)在各種存在污染物泄漏隱患的企業(yè)里布置實(shí)際無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，基于這些企業(yè)特有工作環(huán)境對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響，本文將會(huì)研究更加具有挑戰(zhàn)性的實(shí)際問(wèn)題，并提出解決方案。從直接的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)講，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果的情況下，每一次提前預(yù)警污染物泄漏和迅速精確排查泄露點(diǎn)都會(huì)減少或者縮短企業(yè)的停產(chǎn)維修的時(shí)間，這無(wú)疑可以大大地減少損失。從生態(tài)環(huán)境和職工身體健康來(lái)講，減少污染物的排放會(huì)對(duì)企業(yè)周邊的生態(tài)保護(hù)起到積極作用，并且可以有效地降低企業(yè)職工的身體健康受到的危害。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于應(yīng)急無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)工作的研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)的大型石化企業(yè)里基本上還沒(méi)有開(kāi)始運(yùn)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在2010 年舉辦的第21 屆國(guó)際會(huì)議儀表與綠色經(jīng)濟(jì)高峰論壇上，中石化自控中心站技術(shù)委員會(huì)副主任委員黃步余做了“石油化工工業(yè)集成自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展”的主題報(bào)告，分析了石油化工工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。報(bào)告中反映出：與國(guó)外領(lǐng)先的石化企業(yè)相比，中國(guó)石化企業(yè)還處在信息化建設(shè)的初期階段。因此，我們必須積極運(yùn)用先進(jìn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)來(lái)打造“智能石化工廠”（見(jiàn)圖1）。

圖1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“智能石化工廠”的示例圖

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)探測(cè)跟蹤研究中，有2 個(gè)主要組成部分：①協(xié)同的數(shù)據(jù)處理；②對(duì)象位置報(bào)告。前者旨在讓傳感器合作確定一個(gè)簡(jiǎn)明摘要對(duì)象的位置信息（即檢測(cè)存在的對(duì)象的這些傳感器的位置信息），而后者的目的是準(zhǔn)確、及時(shí)地將這簡(jiǎn)明摘要信息傳輸給匯集點(diǎn)。要跟蹤的對(duì)象，可以分為2 大類(lèi)別：連續(xù)的和單個(gè)的。連續(xù)對(duì)象（Continuous Object）通常分布在一個(gè)非常大的區(qū)域，可能會(huì)擴(kuò)散，體積增大，或分割成多個(gè)連續(xù)的對(duì)象，如有毒氣體，牛群移動(dòng)和軍隊(duì)的前進(jìn)。現(xiàn)在有許多研究是關(guān)于檢測(cè)并跟蹤定位一個(gè)或多個(gè)個(gè)體目標(biāo)的，例如［1］。近來(lái)，受到重視的還有對(duì)連續(xù)目標(biāo)如毒氣的研究，例如［2］。

2 污染物監(jiān)測(cè)定位分析

2.1 對(duì)污染物源點(diǎn)定位的研究現(xiàn)狀

多數(shù)研究者采用的方法按照定位移動(dòng)代理的機(jī)動(dòng)程度以及定位模型的復(fù)雜程度可以劃分為以下3 類(lèi)：

（1）傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，主要采用高分辨率的傳感器裝置，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳回處理中心進(jìn)行分析。

（2）利用機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的大型移動(dòng)機(jī)器人搜索定位，通過(guò)機(jī)器人的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)污染物源點(diǎn)定位。

（3）采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)定位污染物源點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外在實(shí)現(xiàn)污染物源點(diǎn)定位的研究工作中采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有：Lino Marques 等人采用一種連續(xù)的濃度擴(kuò)散衰減模型來(lái)為源點(diǎn)定位構(gòu)建一個(gè)反演問(wèn)題，通過(guò)求解該問(wèn)題來(lái)定位出污染物源點(diǎn)［3］?？锱d紅等人則采用極大似然估計(jì)法、直接三邊法實(shí)現(xiàn)污染源點(diǎn)定位［4，5］。朱勇等人則提出一種基于WSN 的加權(quán)組合三邊算法對(duì)污染源點(diǎn)進(jìn)行定位［6］。

2.2 對(duì)污染物邊界定位的研究現(xiàn)狀

在對(duì)污染物的邊界進(jìn)行定位方面的研究現(xiàn)在還比較少，不過(guò)隨著人們對(duì)安全的重視，也有越來(lái)越多的研究者加入了這個(gè)行列。許多研究者在這個(gè)領(lǐng)域提出了各具特色的方案。在文獻(xiàn)［2］中，研究者提出了一個(gè)有損壞傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理方案。在文獻(xiàn)［7］和［8］中，研究者們則提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊界上節(jié)點(diǎn)的分布式算法。

3 污染物邊界定位及源點(diǎn)定位方面的研究

3.1 基于集群歸類(lèi)的動(dòng)態(tài)集群法（DCSODT）

在文獻(xiàn)［9］中，研究者們提出了一個(gè)基于集群的方法，稱(chēng)為DCSODT。在DCSODT 中有2 個(gè)非常重要的階段：協(xié)作數(shù)據(jù)處理和報(bào)告對(duì)象的位置。為了完成這個(gè)目標(biāo)，他們定義了報(bào)告者為含有一個(gè)或多個(gè)（單跳）相鄰的正常節(jié)點(diǎn)的事件節(jié)點(diǎn)。根據(jù)對(duì)象的位置，所有的報(bào)告者以一個(gè)分布式的方式被組織成集群。簇頭會(huì)收集匯總它所在群集中的節(jié)點(diǎn)的信息，然后利用一個(gè)地理路由方法把匯總后的信息發(fā)給基站，再由基站估算出目標(biāo)的邊界。

3.2 一個(gè)可擴(kuò)展的，基于拓?fù)淇刂茀f(xié)議（SCOOT）

上面所提到的DCSODT 并不是一個(gè)完善的方案，它還有眾多的缺點(diǎn)有待改進(jìn)。此協(xié)議的主要缺點(diǎn)是缺乏可擴(kuò)展性，而且在該協(xié)議中，報(bào)告者的數(shù)量隨著節(jié)點(diǎn)度（鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目）增加而增加。于是，Shin-Chih Tu 等人在2009 年在DCSODT 的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)名稱(chēng)為：“Scalable continuous object detection and tracking（SCOOT）”的方案。在這個(gè)方案中的協(xié)同數(shù)據(jù)處理階段，引入了2 個(gè)步驟以確定一個(gè)事件節(jié)點(diǎn)是否有利于確定對(duì)象的位置。若是一個(gè)事件節(jié)點(diǎn)的本地信息對(duì)確定對(duì)象位置沒(méi)有作用，則不將其選作報(bào)告者。不過(guò)SCOOT 也有自己的不足，它只是給出了污染物邊界上的節(jié)點(diǎn)，卻沒(méi)能給出污染物的邊界，而且在睡眠調(diào)度上也不算完善。

3.3 連續(xù)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤機(jī)制（CODA）

該機(jī)制允許每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在感測(cè)范圍內(nèi)探測(cè)和跟蹤移動(dòng)中的對(duì)象。監(jiān)測(cè)連續(xù)的對(duì)象，而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的通信費(fèi)用，需要一個(gè)有效的目標(biāo)檢測(cè)機(jī)制。在發(fā)展CODA 機(jī)制中，在剛開(kāi)始的網(wǎng)絡(luò)部署階段就指定了一個(gè)數(shù)目構(gòu)成靜態(tài)骨干集群。在每個(gè)靜態(tài)集群中，任何傳感器在檢測(cè)到對(duì)象在其附近時(shí)直接發(fā)送檢測(cè)到的信息到Cluster Head（CH）。收到此信息后，CH 執(zhí)行本地邊界的估算函數(shù)來(lái)確定連續(xù)對(duì)象的邊界范圍內(nèi)的集群。在這些傳感器組成動(dòng)態(tài)群集后，動(dòng)態(tài)群集會(huì)把連續(xù)目標(biāo)的邊界信息發(fā)送到指定的基站。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在今后的污染物邊界定位及源點(diǎn)定位方面的研究，更大的可能是趨向于更緊密且節(jié)能的協(xié)作處理，更智能的動(dòng)態(tài)集群方式。而且，隨著對(duì)綠色節(jié)能的更加重視，低功耗的算法更容易受到人們的青睞。這就需要合適的睡眠調(diào)度算法及合理的能夠適應(yīng)高干擾環(huán)境的地理路由算法。

［1］R.Brooks，C.Griffin，D.S.Friedlander.Self-organized distributed sensor network entity Tracking［J］.International Journal of High Performance Computing Applications，2002（3）：207-219.

［2］M.Ding，D.Chen，K.Xing，X.Cheng.Localized fault-tolerant event boundary detection in sensor Networks［J］.In Proceedings of IEEE Conference on Computer Communications，2005（5）：902-913.

［3］L.Marques，T.Anibal，D.Almeida.Electronic nose-based odour source localization［J］.IEEE AMC2000-NAGOYA，2000（9）：36-40.

［4］匡興紅，邵惠鶴.基于WSN 的兩種氣體源定位算法研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007（2）：298-302.

［5］匡興紅，邵惠鶴.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣體源定位算法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007（7）：1464-1465.

［6］朱勇，王萍，張昕明.基于WSN 的加權(quán)組合三邊氣體源定位算法研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2009（8）：12-15.

［7］李培江.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的自供電技術(shù)的研究［J］.科技信息，2012（35）：25，37.

［8］孟慶春，陳光柱.自供電無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012（7）：102-104.

［9］X.Ji，H.Zha，J.J.Metzner，G.Kesidis.Dynamic cluster structure for object detection and tracking in wireless ad -hoc sensor networks［J］.Proceedings of the IEEE International Conference on Communications，2004（10）：3807-3811.