楊 曄 ，林彥君 ，陳丹丹 ，李書(shū)明

（1．國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210061； 2．廈門(mén)水務(wù)原水投資運(yùn)營(yíng)有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

0 引言

現(xiàn)階段，水環(huán)境污染使水資源更加短缺，而水質(zhì)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)對(duì)水環(huán)境改善具有積極意義[1]。隨著傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)向自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方向發(fā)展，使得水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)性更高[2]。不確定性、非線性理論方法的出現(xiàn)和應(yīng)用，為水質(zhì)評(píng)價(jià)新模式的產(chǎn)生提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持[3]。

然而對(duì)于大多數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，仍存在以下問(wèn)題：1）監(jiān)測(cè)站點(diǎn)單一，不利于水質(zhì)信息共享；2）未對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析；3）水質(zhì)評(píng)價(jià)算法評(píng)價(jià)結(jié)果不穩(wěn)定；4）只能實(shí)現(xiàn)對(duì)污染后水體的監(jiān)測(cè)及報(bào)警，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測(cè)及趨勢(shì)分析功能還有待進(jìn)一步挖掘。

長(zhǎng)泰枋洋水利樞紐工程是廈漳兩市共同依托九龍江流域，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨流域水資源配置的重要工程，是水利部全國(guó) 172 個(gè)重大節(jié)水供水水利項(xiàng)目之一。工程位于長(zhǎng)泰縣枋洋鎮(zhèn)，由上存水庫(kù)、尚吉電站、溪口閘壩及溪口—許莊引水隧洞組成。

本研究結(jié)合枋洋水利樞紐，設(shè)計(jì)一套水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。為了增強(qiáng)水質(zhì)在信息共享、存儲(chǔ)和分析等方面的能力，系統(tǒng)運(yùn)用對(duì)比分析方法分析水質(zhì)信息。將新興的機(jī)器學(xué)習(xí)支持向量機(jī)[4-5]運(yùn)用到水質(zhì)評(píng)價(jià)中，使評(píng)價(jià)結(jié)果更穩(wěn)定、可靠。利用灰色理論模型[6-7]預(yù)測(cè)水質(zhì)，以便能盡早發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的異常變化，為防止下游水質(zhì)污染迅速做出預(yù)警預(yù)報(bào)，及時(shí)追蹤污染源。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要由以下 4 層構(gòu)成：

1）基礎(chǔ)設(shè)施層。由采水、配水、預(yù)處理等單元及水質(zhì)在線分析儀組成，采水、配水和預(yù)處理單元將水樣采集，處理后供水質(zhì)在線分析儀使用。其中水質(zhì)在線分析儀由五參數(shù)水質(zhì)分析儀（水溫、pH、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率），以及氨氮、高錳酸鹽、總磷、總氮等在線分析儀組成。

2）數(shù)據(jù)層。水質(zhì)數(shù)據(jù)主要包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)儀器工作狀態(tài)、報(bào)警等數(shù)據(jù)，由基礎(chǔ)設(shè)施層的水質(zhì)儀表獲取，經(jīng) RS-232/485 接口由工控機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集和處理，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口傳給水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。經(jīng)專業(yè)模型計(jì)算后，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)查詢、業(yè)務(wù)報(bào)表等調(diào)用，通過(guò)專業(yè)展示模塊展示。

3）業(yè)務(wù)邏輯層。包括相關(guān)業(yè)務(wù)模型。

4）應(yīng)用服務(wù)層。包括相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)，其中視頻監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)視監(jiān)測(cè)儀器的工作狀態(tài)、人員進(jìn)出情況、取水口和水面情況監(jiān)控，保障水樣的代表性。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取 B/S[8]模式進(jìn)行架構(gòu)，對(duì)各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并利用 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，通過(guò)專用的通信系統(tǒng)，將經(jīng)審核及處理后的數(shù)據(jù)通過(guò) Web 方式發(fā)布到 Intranet 或者 Internet 上，枋洋水利樞紐調(diào)度中心及其他相關(guān)部門(mén)可通過(guò)瀏覽器查詢實(shí)時(shí)或歷史水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)頁(yè)面通過(guò)百度地圖將監(jiān)測(cè)站點(diǎn)展現(xiàn)在電子地圖上，展示內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的分布、水質(zhì)情況等信息。對(duì)比水質(zhì)目標(biāo)及類別，判斷當(dāng)前水質(zhì)是否處于達(dá)標(biāo)狀態(tài)。達(dá)標(biāo)水質(zhì)顯示為綠色，標(biāo)記為正常，未達(dá)標(biāo)水質(zhì)顯示為紅色。根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、水質(zhì)參數(shù)、采集時(shí)間等信息，實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)的新增、查詢、修改、刪除功能。對(duì)比分析功能有助于用戶通過(guò)圖表及報(bào)告更直觀地掌握不同時(shí)間段的水質(zhì)參數(shù)信息，有助于發(fā)現(xiàn)同一時(shí)段不同參數(shù)因子間的相關(guān)性及內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律，對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)及參數(shù)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)起到積極作用。

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)

水質(zhì)評(píng)價(jià)是利用一定的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水環(huán)境各要素指標(biāo)實(shí)測(cè)資料對(duì)水環(huán)境進(jìn)行定量綜合評(píng)價(jià)，以便有效掌握水環(huán)境狀況，為水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)合理的決策依據(jù)和參考。

水質(zhì)參數(shù)的樣本是非線性、多維的有限樣本，統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論是一種專門(mén)研究有限樣本情況下機(jī)器學(xué)習(xí)規(guī)律的理論，在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上發(fā)展出了一種新的模式識(shí)別方法——支持向量機(jī)（SVM）。支持向量機(jī)模型具有良好的推廣和泛化能力，以及在處理分類和小樣本問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于核函數(shù)的選取，徑向基核函數(shù)（RBF）與其他核函數(shù)相比數(shù)值限制條件較少，可以將樣本映射到一個(gè)更高維的空間，可以處理非線性的樣本且具有較高的分類效率及較強(qiáng)的適應(yīng)性。

本系統(tǒng)采用支持向量機(jī)的評(píng)價(jià)模型對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，水環(huán)境因子參照 GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值。水質(zhì)評(píng)價(jià)流程如下：1）選取監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)樣本數(shù)據(jù)若干組，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將處理后的大部分?jǐn)?shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本；2）將水質(zhì)指標(biāo)參數(shù) pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等作為輸入變量，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果作為輸出變量。選用徑向基核函數(shù)，訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本，確定模型參數(shù)，建立水質(zhì)評(píng)價(jià)模型；3）將測(cè)試樣本代入模型測(cè)試，輸出評(píng)價(jià)結(jié)果。系統(tǒng)采用曲線圖形式對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)類別進(jìn)行表達(dá)，并在同一張圖中分別展示按照國(guó)家和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，有助于用戶進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 水質(zhì)預(yù)測(cè)

水質(zhì)預(yù)測(cè)是利用水質(zhì)歷史信息推斷未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)水體相關(guān)參數(shù)的變化，并將預(yù)測(cè)結(jié)果展現(xiàn)在系統(tǒng)中，為水質(zhì)分析和預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

由于水體中污染物種類、數(shù)量及其擴(kuò)散和彌散的復(fù)雜性，以及水體對(duì)其稀釋和自凈作用等的影響，存在大量的不確定因素，即灰色信息。對(duì)灰色信息進(jìn)行預(yù)測(cè)則主要采用灰色系統(tǒng)理論，灰色系統(tǒng)理論使用累加生成概念作為灰色量“白化”的工具，用以構(gòu)造趨勢(shì)模型?；疑到y(tǒng)建模思想是直接將時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為微分方程，從而建立抽象系統(tǒng)發(fā)展變化的動(dòng)態(tài)模型。其中，關(guān)于數(shù)列預(yù)測(cè)的一個(gè)變量、一階微分的灰色模型 GM（1，1）就是取得顯著成效的灰色動(dòng)態(tài)模型，是一種研究非確定灰問(wèn)題的新建模方法，在水環(huán)境預(yù)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用灰色模型 GM（1，1）對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)管理，基本思路是以灰色生成函數(shù)概念為基礎(chǔ)，以微分?jǐn)M合為核心，把原來(lái)無(wú)明顯規(guī)律的非負(fù)時(shí)間序列，經(jīng)過(guò)按時(shí)間累加后生成新的時(shí)間序列呈現(xiàn)的規(guī)律，用一階線性微分方程的解逼近，從而建立抽象系統(tǒng)的發(fā)展變化的動(dòng)態(tài)模型，以弱化原始序列的隨機(jī)影響。用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，再進(jìn)行還原處理，得到原始序列的預(yù)測(cè)值，最后對(duì)求解的預(yù)測(cè)模型采用殘差檢驗(yàn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

基于 GM（1，1）的水質(zhì)預(yù)測(cè)模型建模過(guò)程如下：

1）假設(shè)連續(xù)時(shí)間段內(nèi)獲得水質(zhì)參數(shù)的原始非負(fù)序列X（0），經(jīng)過(guò)累加生成得到有規(guī)律的時(shí)間序列X（1），再經(jīng)過(guò)均值生成得到模型的背景值序列Z（1）。序列表達(dá)式分別為

式中：x（0）（k）≥ 0，k= 1，2，…，n。

2）將生成的背景值序列結(jié)合灰色差分方程構(gòu)造模型的基本形式，表達(dá)式為

式中：a為模型的發(fā)展系數(shù)；b為灰色作用量。

3）結(jié)合最小二乘法思想求解模型參數(shù)向量，計(jì)算公式為

4）將所求參數(shù)a，b代入白化微分方程求解并經(jīng)累減還原計(jì)算后得到原始水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)序列的預(yù)測(cè)值。白化微分方程及其解的表達(dá)式及未來(lái)k個(gè)時(shí)間段的水質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)值的計(jì)算公式分別為

5）對(duì)水質(zhì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行殘差校驗(yàn)，計(jì)算相對(duì)誤差ε（i）、平均相對(duì)誤差ε，得出模型預(yù)測(cè)精度p，評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)效果。相關(guān)計(jì)算公式為

若p大于 90%，則符合預(yù)測(cè)精度標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)在枋洋中的應(yīng)用介紹

3.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

長(zhǎng)泰枋洋水利樞紐工程總共布設(shè) 2 個(gè)點(diǎn)，溪口閘壩閘前、上存大壩壩前設(shè)計(jì)布設(shè)戶外預(yù)集成式枋洋水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。

點(diǎn)擊頁(yè)面左側(cè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)圖標(biāo)，彈出信息框，顯示相應(yīng)水質(zhì)類別及參數(shù)實(shí)時(shí)值。對(duì)于未達(dá)標(biāo)水質(zhì)，顯示為紅色，如圖2 所示。頁(yè)面右側(cè)展示最近 1 d 變化曲線，通過(guò)點(diǎn)擊折線圖下方的參數(shù)名進(jìn)行篩選所要查看的參數(shù)曲線，如圖3 所示。

圖2 上存水庫(kù)水質(zhì)類別 GIS 圖展示

圖3 上存水庫(kù)水質(zhì)參數(shù) 1 d 變化曲線

通過(guò)下拉菜單選擇監(jiān)測(cè)站點(diǎn)名稱、水質(zhì)參數(shù)名稱，點(diǎn)擊“按周比較”“按月比較”按鈕分別對(duì)過(guò)去4 周及過(guò)去 12 月的水質(zhì)參數(shù)的最大值、最小值、平均值進(jìn)行比較分析，以柱狀圖形式展示。

3.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)

采用基于 SVM 的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型分析 2021 年 2 月 1—5 日枋洋水利樞紐監(jiān)測(cè)站點(diǎn)上存水庫(kù)、溪口閘壩水質(zhì)評(píng)價(jià)類別。以溪口閘壩為例，通過(guò)國(guó)家和企業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所得綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)類別如圖4 所示，各監(jiān)測(cè)因子水質(zhì)類別如圖5 所示。

圖4 溪口閘壩綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)類別

圖5 溪口閘壩單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)類別

3.3 水質(zhì)預(yù)測(cè)

采用基于灰色理論的水質(zhì)預(yù)測(cè)模型對(duì)長(zhǎng)泰枋洋水利樞紐各水質(zhì)參數(shù)的含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值以折線圖的方式進(jìn)行展示，選擇監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及水質(zhì)參數(shù)，點(diǎn)擊按鈕可以動(dòng)態(tài)查看。

以 pH 對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行殘差檢驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示，平均相對(duì)誤差小于 1%，獲得較高的預(yù)測(cè)精度。

表1 水質(zhì)預(yù)測(cè)模型殘差檢驗(yàn)表

4 結(jié)語(yǔ)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)為水質(zhì)信息存儲(chǔ)、處理、預(yù)警、分析及服務(wù)提供了綜合展示平臺(tái)，對(duì)于不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，在水質(zhì)分析、評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)方面均取得較好效果。采用支持向量機(jī)算法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，有效避免了局部極值問(wèn)題，對(duì)于多維有限樣本，應(yīng)用此算法建模更為簡(jiǎn)單有效。針對(duì)水質(zhì)參數(shù)多樣性、水質(zhì)預(yù)測(cè)困難的特點(diǎn)，采用基于灰色系統(tǒng)理論所建模型對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可靠性高，不需要大量樣本數(shù)據(jù)，相比機(jī)理預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。

當(dāng)原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動(dòng)，則會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)精度產(chǎn)生影響。因此，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測(cè)及趨勢(shì)分析功能還有待進(jìn)一步挖掘。隨著水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析工作的不斷深入，水質(zhì)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)模型的發(fā)展會(huì)更加符合水環(huán)境的特征，建議今后將支持向量機(jī)算法與其他算法融合，建立新型水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，并以灰色系統(tǒng)理論思想為基礎(chǔ)，多學(xué)科交叉、滲透，建立新型灰色預(yù)測(cè)模型，計(jì)算結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)可靠，為實(shí)現(xiàn)水環(huán)境預(yù)測(cè)預(yù)警提供技術(shù)支持。