鐘 亮

（廣州市南沙區(qū)磨碟頭工程管理所，廣州 510000）

目前，在傳統(tǒng)水質(zhì)區(qū)域監(jiān)測(cè)中，受到污染水體中指標(biāo)多、面積廣、時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜等情況，導(dǎo)致水樣在人工采集、 測(cè)試分析等存在嚴(yán)重的單一性和滯后性［1-3］；其次，運(yùn)行管理中設(shè)施數(shù)據(jù)分散，難以統(tǒng)一管理，受多因素影響，預(yù)期分析效果差，缺乏針對(duì)異常指標(biāo)監(jiān)測(cè)感知預(yù)警的情況［4］，為此，構(gòu)建水量排污運(yùn)行智能化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)， 獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是關(guān)鍵且迫切的。

本文為實(shí)現(xiàn)對(duì)排污現(xiàn)狀的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和科學(xué)管控，以統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施的方式為依據(jù)，以計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等現(xiàn)代化技術(shù)為基礎(chǔ)，采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離（Dynamic Time Warping Distance，DTW）算法和遙感（Remote Sensing，RS）技術(shù)耦合協(xié)調(diào)，構(gòu)建具備實(shí)時(shí)化、 智能化和科學(xué)化的一體式排污監(jiān)測(cè)預(yù)警管控平臺(tái)。 該監(jiān)測(cè)管控平臺(tái)系統(tǒng)通過RS技術(shù)整合“天-地-河”全空間雨量、液位、水質(zhì)數(shù)據(jù)，可視化疊加展示各區(qū)域污水系統(tǒng)運(yùn)行情況， 實(shí)現(xiàn)了智能化管控污水系統(tǒng)運(yùn)行各相關(guān)因素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［5］；通過DTW算法進(jìn)一步優(yōu)化解決時(shí)間序列時(shí)間點(diǎn)延后的問題，正確判斷兩個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的相似性， 并通過時(shí)間分割策略來降低算法復(fù)雜度。以此，實(shí)現(xiàn)從區(qū)域宏觀的角度和輔助排查影響對(duì)全污水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和排污各類因素相關(guān)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析及預(yù)警。從而通過動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離（DTW）算法和遙感（RS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)排污動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 排污運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系設(shè)計(jì)研究分析

1.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警體系設(shè)計(jì)方案

排污運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)整體構(gòu)架如圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)總體架構(gòu)

由圖1可知，平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)以“六橫兩縱”為主體，“兩縱” 包括信息安全體系、 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，“六橫” 分別為前端感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層和展示層。其中，在前端感知層中，主要依托傳感器設(shè)備對(duì)管網(wǎng)液體、水質(zhì)等進(jìn)行分析；其次，運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)數(shù)據(jù)層統(tǒng)一整理、傳輸和分析水質(zhì)理化性質(zhì)數(shù)據(jù)、 水樣點(diǎn)位地理信息指標(biāo)等；最后，通過排污水質(zhì)監(jiān)測(cè)多平臺(tái)（GIS平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫平臺(tái)等）對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)預(yù)警進(jìn)行分類管理，以此，在實(shí)現(xiàn)排污水?dāng)?shù)據(jù)規(guī)范管理的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)排污水信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，提升監(jiān)測(cè)平臺(tái)安全性和功能性。

1.2 研究?jī)?nèi)容

本文以區(qū)域排污水質(zhì)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象， 構(gòu)建基于動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離（DTW）算法和RS技術(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)一體化服務(wù)平臺(tái)， 最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析和報(bào)警預(yù)測(cè)管理，其研究分析主要內(nèi)容如下：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水廠、管網(wǎng)等設(shè)備區(qū)域運(yùn)行動(dòng)態(tài)，并對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)、排污水質(zhì)濃度、運(yùn)行水位量進(jìn)行分類匯總，進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)分析，以降低因設(shè)備故障和污染因子所引發(fā)的排污加劇現(xiàn)象。

（2） 實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)提前感知污水系統(tǒng)運(yùn)行異常情況， 以可視化預(yù)警和報(bào)警成果進(jìn)一步協(xié)助線下排查、定位影響污水系統(tǒng)運(yùn)行問題，輔助污水處理提質(zhì)增效工作開展。通過對(duì)各類在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，基于DTW算法分析數(shù)據(jù)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常相關(guān)情況，輸出相似性高的數(shù)據(jù)波段、數(shù)值及其相關(guān)方因素。

（3）在排污水質(zhì)監(jiān)測(cè)過程中，構(gòu)建RS技術(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)污染區(qū)域高效、精準(zhǔn)定位。 實(shí)現(xiàn)地理特征、區(qū)域環(huán)境參數(shù)和排污水質(zhì)結(jié)果的協(xié)同分析。

2 排污運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)方法分析

2.1 DTW算法原理及技術(shù)設(shè)計(jì)分析

目前，在排污水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，多采取DTW算法優(yōu)化數(shù)據(jù)信息因空間和時(shí)間差異形成的影響，進(jìn)而高效處理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)延后問題。 DTW算法是數(shù)據(jù)時(shí)間序列的基礎(chǔ)表示形式， 其原理是通過優(yōu)化調(diào)整DTW算法距離模式， 實(shí)現(xiàn)對(duì)相似度長(zhǎng)度不均一時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較， 進(jìn)而提升運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)精度。DTW算法其本質(zhì)是典型的數(shù)據(jù)優(yōu)化問題，在該算法訓(xùn)練和識(shí)別過程中， 首先構(gòu)建參考模塊和測(cè)試模塊，兩者一般同種類型的LPC系數(shù)、相同幀長(zhǎng)、窗函數(shù)等［6］。 當(dāng)時(shí)間規(guī)整函數(shù)滿足某一特定條件時(shí)，通過求解參考模塊和測(cè)試模塊間的距離最小值優(yōu)化規(guī)整數(shù)據(jù)時(shí)間序列對(duì)應(yīng)關(guān)系， 從而正確判斷兩段長(zhǎng)度不均一時(shí)間序列排污數(shù)據(jù)的相似性， 實(shí)現(xiàn)排查影響污水系統(tǒng)正常運(yùn)行的各類因素相關(guān)性分析總結(jié)。

DTW算法片段長(zhǎng)度分析對(duì)比示意結(jié)果如圖2。

圖2 DTW算法表現(xiàn)形式示意圖

通過圖2可知，當(dāng)a序列數(shù)據(jù)片段與b序列數(shù)據(jù)片段間的歐式距離達(dá)到最低， 及圖中所示ab間距離值小于ab’間距離時(shí)，其數(shù)據(jù)片段波形存在相似性，但時(shí)間序列軸距不相同，如20時(shí)間斷面處，b’點(diǎn)對(duì)應(yīng)值非a值，其在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程中將造成數(shù)據(jù)誤差，致使數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，為此，通過DTW算法進(jìn)行最優(yōu)歐式距離計(jì)算，以獲取區(qū)域排污相似片段（a，b片段）內(nèi)的正確對(duì)應(yīng)值，提高運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警的精準(zhǔn)性，降低傳統(tǒng)時(shí)間段內(nèi)對(duì)齊比較距離數(shù)據(jù)的延誤性。

在DTW算法整合調(diào)整時(shí)間序列數(shù)據(jù)片段， 實(shí)現(xiàn)排污動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程設(shè)計(jì)中， 存在一定的全局限制性條件，結(jié)果如圖3。

圖3 DTW算法限制線示意圖

通過圖3可知，時(shí)間序列實(shí)線和虛線間存在全局限制線， 即兩時(shí)間序列片段規(guī)整路徑偏離網(wǎng)格矩陣對(duì)角線的距離不能大于門限。在限制線的前提下，尋找最優(yōu)時(shí)間序列數(shù)據(jù)片段匹配值，以此，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域排污運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警過程。

在限制線條件基礎(chǔ)下， 通過對(duì)齊映射分析探索不同時(shí)間序列數(shù)據(jù)片段內(nèi)的DTW最優(yōu)路徑（最小路徑距離），首先將實(shí)線和虛線進(jìn)行相關(guān)定義，其次匹配時(shí)間序列數(shù)據(jù)點(diǎn)最小路徑距離， 經(jīng)過規(guī)整路徑得到累加距離，如式（1）：

式中 γ（i，j）為累積距離；d（qi，cj）為當(dāng)前格點(diǎn)距離，即點(diǎn)qi和cj的歐式距離與可到達(dá)該點(diǎn)的最小的鄰近元素的累積距離和。

2.2 RS技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)分析

目前，在區(qū)域范圍內(nèi)污水治理過程中，常通過RS技術(shù)進(jìn)行時(shí)間序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。 其中，RS指遙感技術(shù)，主要通過高空接受地表目標(biāo)物的電磁波信息， 并以此根據(jù)目標(biāo)物電磁波特性進(jìn)行地物識(shí)別、 范圍性監(jiān)測(cè)預(yù)警和遠(yuǎn)距離測(cè)控等過程。 在排污運(yùn)行監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，其具備靈活布置、高靈敏度、低經(jīng)濟(jì)成本性特征，同時(shí)在區(qū)域水質(zhì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控中， 一定程度內(nèi)解決了水質(zhì)參數(shù)分布不均監(jiān)測(cè)難度大和人為誤差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度， 對(duì)水質(zhì)運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和水體排污實(shí)際情況評(píng)估極為關(guān)鍵。

2.3 “耦合協(xié)調(diào)”設(shè)計(jì)預(yù)警平臺(tái)體系

目前，在排污水質(zhì)分析區(qū)域范圍、時(shí)間序列層面中，DTW算法通過歐式距離優(yōu)化調(diào)整不同時(shí)間序列數(shù)據(jù)片段中最優(yōu)距離， 實(shí)現(xiàn)了排污數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性采集，提升不同時(shí)間序列層面內(nèi)數(shù)據(jù)的相似性等級(jí)；而RS技術(shù)通過接受地表排污水質(zhì)的目標(biāo)電磁波， 進(jìn)行數(shù)據(jù)特征波段、信息測(cè)繪等，不僅實(shí)現(xiàn)了區(qū)域范圍可監(jiān)測(cè)，而且提升了排污動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程。 在此基礎(chǔ)上，本文嘗試通過融合RS技術(shù)結(jié)合DTW算法優(yōu)化時(shí)間序列數(shù)據(jù)空間、時(shí)間差異性，提升監(jiān)測(cè)的魯棒性。 以RS技術(shù)DTW算法“耦合協(xié)同”機(jī)制構(gòu)建區(qū)域范圍、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、 精準(zhǔn)性的排污運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、智能化的水質(zhì)信息預(yù)警分析，提升排污監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)管控能力。

3 排污運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分析

3.1 數(shù)據(jù)資源整合設(shè)計(jì)分析

排污監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)主要通過對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、匯總存儲(chǔ)和分析過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警，為此，對(duì)排污數(shù)據(jù)資源的整合過程是平臺(tái)預(yù)警分析的關(guān)鍵因素。 首先，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中，常通過數(shù)據(jù)加密，保證排污數(shù)據(jù)的完整性和保密性。其中，數(shù)據(jù)傳輸在不同網(wǎng)絡(luò)層級(jí)中傳輸方式不同，對(duì)于鏈路層， 采取網(wǎng)絡(luò)加密和IP方式； 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層級(jí)，采用多種通訊協(xié)議方式。排污監(jiān)測(cè)平臺(tái)中傳輸數(shù)據(jù)的安全性，一方面保障了數(shù)據(jù)的原始性，另一方面有助于數(shù)據(jù)對(duì)比分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警報(bào)備等。

在排污水質(zhì)數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)中， 傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)庫匯總，并進(jìn)行備份，同時(shí)其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身的功能或通過系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)庫備份恢復(fù)功能， 備份方式采用增量備份或全庫備份。 在服務(wù)器中為每次備份建立在線式索引，當(dāng)用戶需要恢復(fù)時(shí)，只需要點(diǎn)取在線式索引中需要恢復(fù)的文件或數(shù)據(jù)， 系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行文件恢復(fù)。 不僅保證了排污運(yùn)行監(jiān)測(cè)平臺(tái)的安全性，還強(qiáng)化了時(shí)間序列數(shù)據(jù)片段監(jiān)測(cè)時(shí)效性。

3.2 動(dòng)態(tài)運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警安全體系分析

排污運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)通過DTW算法和RS技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)過程及時(shí)性、 數(shù)據(jù)獲取精準(zhǔn)性等，同時(shí)為使監(jiān)測(cè)平臺(tái)穩(wěn)定、長(zhǎng)足實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程。以科學(xué)的安全體系結(jié)構(gòu)模型為依據(jù)，在保證系統(tǒng)安全體系的完備性、合理性的前提下，對(duì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)安全體系單元進(jìn)行分析， 通過分析和綜合研究應(yīng)用確定動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)項(xiàng)目指導(dǎo)實(shí)施的方案。 安全體系主要分為應(yīng)用系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)安全、物理安全和安全管理等部分。 其中，應(yīng)用系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)系統(tǒng)安全保障了排污數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)中的及時(shí)性和安全性；安全管理中，有序?qū)崿F(xiàn)了RS技術(shù)的全范圍監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保障等，安全管理體系的合理設(shè)計(jì)，對(duì)RS技術(shù)和DTW耦合協(xié)同的排污運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)健康運(yùn)行極為關(guān)鍵。

4 結(jié)語

（1）DTW算法和RS技術(shù)能優(yōu)化時(shí)間序列數(shù)據(jù)片段，提高排污實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)預(yù)警效率，排除人為影響因素，實(shí)現(xiàn)有效排污數(shù)據(jù)解譯分析。

（2）RS技術(shù)和DTW算法耦合協(xié)調(diào)， 能有效實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列數(shù)據(jù)、 范圍性數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)時(shí)間的斷面精準(zhǔn)性分析的效益增值。

（3）深入分析DTW算法和RS技術(shù)耦合協(xié)調(diào)所構(gòu)建的監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，為排污水質(zhì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、優(yōu)化調(diào)整措施和監(jiān)測(cè)預(yù)警提供科學(xué)理論依據(jù)。