CN102542377A - 水环境智能管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水环境智能管理方法，用于实现蓝藻打捞、运输和处理过程的全程船车智能调度；在蓝藻暴发后，自动调配一定数量的蓝藻打捞船前往暴发区域对湖面蓝藻进行清理打捞，同时调度蓝藻运输船和运输车将打捞后的蓝藻运往蓝藻分离厂；也调配藻泥运输车将分离处理后的藻泥运往资源再利用基地。采用的调度策略根据各船车行运状态和运输能力、分离厂和资源再利用基地的工作状态和处理能力，以缩短蓝藻打捞时间、提高船车反应速度和降低蓝藻全程处理代价为目标，实现了智能、实时、低成本的船车调度。

Description

水环境智能管理方法

技术领域

本发明涉及水环境保护技术领域，特别涉及一种水环境智能管理方法。

背景技术

目前蓝藻处理的工艺流程为：(1)部门组织相关的打捞船队至指定区域打捞蓝藻。(2)船只将蓝藻运送至指定的处理站，临时放置在缓冲池里面，如果缓冲池无法放置，则船队处于等待状态。(3)蓝藻进入预处理池，进行浓度监测，保障后续的流程的高效开展。(4)进行二级藻水分离。(5)进行脱水处理。(6)藻泥运输至资源化利用基地进行二次利用。

上述工艺流程存在的基本问题是：(1)船队和运输车辆以及藻水分离站之间沟通协调存在问题，导致信息流不畅，有时会严重影响整体的运作效率。(2)部分处理工艺流程设备的自动化程度相对较低，依靠人工经验进行判断，仍然存在效率提升空间。(3)没有一个统一的指挥中心，处理站之间存在信息孤岛。(4)对湖面蓝藻的预报和信息报送机制没有建立，下情上达不畅。(5)总的出入没有控制，即没有更好的办法控制船队的作业情况，没有办法控制运输车辆的运行情况。(6)蓝藻再利用的效率和用途未能进行精细的统计，缺乏对今后蓝藻处理产业链发展的指导性一手数据。

而用户关注的部分问题如下：(1)车船调度对藻水分离站效率的影响。(2)车船作业信息对藻水分离站的工作的指导作用。(3)直观的信息展示方式，给藻水分离站工作人员的指导作用。(4)蓝藻预测信息对藻水分离站的工作的指导作用。(5)相关水质、蓝藻浓度、厚度的检测方式和智能化控制。(6)蓝藻再利用效率和单位可产出的经济效益。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种水环境智能管理方法，实现实时监控及合理分配调度，提高湖泊蓝藻整体监控和治理水平。

本发明的技术方案如下：

一种水环境智能管理方法，包括以下步骤：

(1)综合信息中心负责将各类信息进行汇集、存储、处理和挖掘，依据构建的专家系统形成态势、文字和图表等多种类型的输出，并要具备一定的预警功能；中心的所有集成数据是研究人员和管理部门进行水质研究和监测的基础，同时也是蓝藻打捞处理的基本依据。中心还要对系统中的多种设备进行控制，完成系统级别的功能集成，采用B/S结合C/S的架构，以多种手段呈现，系统具有良好可扩展性，使得信息存在既被感知；

(2)调度策略生成服务器根据船只和当前的任务情况使用遗传算法生成几套静态的调度方案，把生成的方案发送到系统数据库供管理员选用；实时调配时，管理员通过中央处理服务器向调度策略服务器发送方案生成请求，调度策略生成服务器从数据库中查询相应的地理信息、目前使用的调度方案和当前的船只信息，通过模拟退火算法搜索到几个相对较优的调度方案传送到数据库供系统管理员选用；

(3)管理人员通过本系统可以实时查询某只船的位置、打捞情况等信息，可以通过系统的路径回溯功能查看它的运行轨迹；通过本系统，管理人员也可以实时查询船只的信息，可以查询船只、打捞等信息。

本发明的有益技术效果是：

本发明实时智能船车调度用于实现蓝藻打捞、运输和处理过程的全程船车智能调度。在蓝藻暴发后，自动调配一定数量的蓝藻打捞船前往暴发区域对湖面蓝藻进行清理打捞，同时调度蓝藻运输船和运输车将打捞后的蓝藻运往蓝藻分离厂；也调配藻泥运输车将分离处理后的藻泥运往资源再利用基地。采用的调度策略根据各船车行运状态和运输能力、分离厂和资源再利用基地的工作状态和处理能力，以缩短蓝藻打捞时间、提高船车反应速度和降低蓝藻全程处理代价为目标，实现了智能、实时、低成本的船车调度。

附图说明

图1是综合信息中心人力与资源调度机制。

图2是多子系统协同工作平台。

图3是藻水分离站的信息化网络拓扑结构。

图4是处理设备安全生产监控中心设计图。

图5是藻水分离站和资源化利用基地的移动设备监控技术架构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

1综合信息中心

综合信息中心是整个系统的控制中心，负责连接湖面现场检测站、沿岸蓝藻监测点、负责蓝藻打捞及运输的相关船只和车辆、藻水分离站，综合信息中心与这些分系统的连接通过先进灵活的3G网络、有线/无线互联网络来实现。综合信息中心的显示以综合信息显示墙来完成，通过显示墙能够全面丰富地呈现蓝藻、水文水质的相关信息，通过直观的三维地图和实时数据及事件，领导和管理人员可以第一时间了解整体无锡太湖区域的相关态势，为及时做出决策提供支持。

如图1所示，综合信息中心核心的功能是对整个系统的相关人力和资源进行调度分配。首先，综合信息中心以决策领导为中心，水利专家、各个部分负责人以及处理人员作为基本的人力资源，他们相互合作及时完成领导做出的决策部署。同时，利用系统中的通信网络，基于物联网技术，综合信息中心可以和沿岸蓝藻监测点、湖面综合监测站的设备直接通信，监测和控制相关的设备，同时利用GPS定位技术实时获取船只和车辆的位置信息，并在大屏幕中动态显示。此外，综合信息中心可以直接对船只和车辆发布指挥信息。

如图2所示，无锡水利局综合信息中心主要以现有电信运营商的3G网络、有线/无线互联网络作为支撑，底层无线传感器网络为重要组成部分，形成一个有机整体。综合信息中心实现对太湖自动监测站网的远程维护、运行及控制，对收集到的数据同化、存储、管理、展示等，依据构建的专家系统完成预测预警系统研制并发布太湖蓝藻水华预警信息等功能，实现信息智能处理，同时综合信息中心能够根据监测到的数据智能自动分派打捞船，监控藻水分离站的处理过程，调度各种相关运输车辆，实现蓝藻监控全过程的自动指挥控制。

综合信息中心建立基于GIS基础平台的Intemet发布服务器；构建及组织向公众提供的太湖水域水质监测信息；采取公众易于接受的方式，实时发布太湖水域水质监测信息。

综合信息中心负责将各类信息进行汇集、存储、处理和挖掘，依据构建的专家系统形成态势、文字和图表等多种类型的输出，并要具备一定的预警功能。中心的所有集成数据是研究人员和管理部门进行水质研究和监测的基础，同时也是蓝藻打捞处理的基本依据。中心还要对系统中的多种设备进行控制，完成系统级别的功能集成，采用B/S结合C/S的架构，以多种手段呈现，系统具有良好可扩展性，使得信息存在既被感知。

1.1系统组成与功能要求

综合信息中心是太湖蓝藻灾害监测预警系统数据信息处理和服务的核心，主要由计算机网络系统、数据库系统和GIS分析系统组成。系统包括的功能有信息发布、应用业务、各种数据管理服务等。

计算机网络系统主要为系统数据接收、处理、加工与信息查询、预报决策、预警与信息发布、信息交换等服务提供硬软件系统。

数据库系统主要为系统维护管理、信息查询与服务、预报决策与预警提供数据信息。

在设计信息汇集与预警系统时，各地应结合本地现有的网络结构、通信信道、网管系统、网络设备状况，按照各自的太湖蓝藻灾害监测预警系统对网络和通信的实际要求，充分利用现有资源，合理制定设计方案。

1.2藻水分离站和资源化利用基地管理与调度

网络化生产系统的构架

(一)信息化中控室

信息化生产监控网络拓扑结构如图3所示。

目的：(1)从整体局面控制各个藻水分离站、资源化利用基地与综合信息中心之间的信息共享问题。(2)为各个站点和基地建立统一且唯一的信息存放地。(3)为以后藻水分离站和资源化利用基地的扩展做好准备。(4)进行统一的数据管理，便于日后的安全、容灾等管理和维护。(5)实现统一的信息披露通道，防止非公开信息的泄露。(6)通过指挥中心工作人员的统一指挥，集中智慧进行决策，然后各分离站、利用基地和协同单位进行工作处理。

(二)藻水分离站和资源化利用基地设备安全生产监控中心，如图4所示。

藻水分离站和资源化利用基地设备的正常运转也是一个重要的工作环节，对这些设备的安全监控随着站点的增多、设备自动化程度和复杂程度的提高，将显得越来越重要。

(三)三位一体的生产信息采集机制

三位一体中的三位主要是：

(1)视频传感设备。

视频传感设备主要起到全局监测的作用。为了降低传输的效率和数据流量，减低对数据链路的访问量，前端可能用到的技术有：

视频比对技术。如果两次或多次连拍的数据图像没有变化，则不在上传图像或者视频信息到信息中心。

补光与图像校正技术。因为视频采集收到灯光影等多种野外工作环境的影响，有效地降低这些外界干扰，将提升后续决策的准确程度。

定时自拍与远程拍摄控制技术。因为传感设备将安装在湖面的多个位置，为了实现实时拍摄，将不得不启用远程控制拍摄技术。

块传输技术。为了降低传输数据量，将图像进行分块传输，将两次拍摄中有不同变化的部分传输到指挥中心，又中心进行自动图像合成。

(2)高精度传感设备。

通过高精度传感设备，采集湖面的多个详细的精确的参数，绘制参数成效图，供经验丰富的技术人员进行决策使用。

(3)人员信息上报系统

传感网或者物联网将无可避免的将人作为一个主导因素参与其中。特别是对于某些传感器的发展的不是很好的地方，或者信息的后续决策处理过程，将相关经验丰富人员的判断过程形成专家知识库，提升决策效果和传感器检测效果。

有了以上的三位一体的数据来源，将有相关的数据综合分析系统，经过系统的预处理，将直观的方式呈现出来，拟采用的方式为：

(1)综合性监控制电视墙。

通过视频信息检测湖面静态或动态影像信息。

通过高精度传感器传回的数据参考实际的人员上报信息，进行细部特征分析。

(2)工作人员工作界面。

内部工作人员可以通过相关的软件界面，采用类似于综合性监控制电视墙的方式查看所有的数据资料。

(3)普通市民的信息查阅。

通过专业网站和信息披露机制，将相关的影像信息，采用类似于卫星云图的方式，让大家了解太湖治理的工作成效。

(4)智能处理终端。

高级管理人员和政府相关领导，通过安装相关的程序到智能手持终端或者3G手机中，随时随地查阅或汇报无锡市太湖治理情况。

(四)站内生产情况的管理与调度

所有的控制是通过前端机实现的数据提取和上传，以及可能的控制功能。方案的主要展现如下特点：

系统提供软硬件一体化解决方案，用户无需采购其他产品即可实现监控目标；

系统提供可伸缩的监控体系，满足从小规模监控到大规模、分布式各种不同规模监控需求，适合监控内容的快速扩充；

系统提供灵活的可裁减解决方案，最大程度的保护用户现有投资，提供最适合用户需求的解决方案；

系统提供即拆即用的软件维护能力，满足监控系统的多样化需求。

通过前端机构成的岸基工作设备的信息采集网络，指挥中心的的综合监控系统，可以查看或者控制任何一个设备的运作情况。

基于移动设备的藻水分离站和资源化利用基地监测的实现原理如图5所示。

2车船调度

2.1现状及需求分析

对于水利局的太湖信息化治理系统来说，随时跟踪蓝藻打捞作业船只的工作状态、及时调整打捞作业船只的工作目标，对于提高打捞工作效率效率、缩短打捞作业时间有着非常重要的意义。但是蓝藻打捞船只具有数量大，流动性强、司机综合素质良莠不齐等特点，难以通过传统手段进行管理。

水利管理部门对于打捞作业船只监控的基本要求是明确船只、打捞工作的状态，即随时了解某打捞船只运行在什么位置，打捞工作进展如何。这些都是水利局管理部门提高自身工作效率的必要信息，只有了解了以上信息，水利管理部门才有可能进一步采用先进的技术调配，提高单位船只的效率，进而提高整个太湖蓝藻治理工作的效率。水利管理部门监控船只和打捞工作的高级要求是，使用哪只船来满足某个蓝藻突发事件的打捞请求是最有效率的。以上监控采用传统的方法难以实现。如何有效的监控、高效的调度打捞作业船只成了太湖蓝藻治理急需解决的一个问题。

GPS、通讯和计算机技术的发展为上述问题的解决提供了必要的技术手段，全球定位系统(GPS，Global Position System)、3G无线通讯、计算机数据库技术等技术的发展从根本上解决以上问题。

通过先进的车船调度系统，能够实现打捞作业船只的合理布局，降低船只无谓消耗，提高船只效率，降低打捞时间，缩短蓝藻变质对水体的危害时间，直接减少对太湖水资源的影响。同时，通过合理的调度和安排，减少大量作业船只的行进路线，降低油耗，减少二次污染。

2.2系统框架

本系统基于浮动船只信息采集技术，是一个典型的中央服务器/客户端系统，其中中央服务系统负责信息的处理和发布，客户端负责向中央系统提供本终端位置信息，同时接收中央系统的调度命令。中央服务器和客户端通过商用的GPRS无线数据平台通讯。

中央监控调度系统(the central stakeout and dispense system)：

中央监控调度系统主要由系统数据库、中央处理服务器、调度策略生成服务器、客户查询服务器、监控大屏幕以及相关外设组成。

系统数据库由地理信息数据库、打捞信息数据库和船只信息数据库构成。地理信息数据库的数据主要是电子地图，是整个系统的定位基础，该数据库提供基本的经纬度定位功能和路径查询功能；打捞信息数据库存储与打捞作业相关的数据，包括打捞作业时间、数量、等，提供相关的查询功能；船只信息数据库存储与船只相关数据，包括船只当前位置和船只位置历史纪录、当前任务状态、当前任务的起讫位置、船只空间使用状况等信息。以上三个数据库协同工作就能完成系统功能。

中央处理服务器主要负责中央监控系统和各个浮动船只之间的信息交互工作。系统采用的是商用的GPRS通讯平台，浮动船只通过无线网络把数据传输到GPRS数据服务器，GPRS数据服务器再把数据传送到中央处理服务器，中央处理服务器进行数据匹配等处理后把数据存入系统数据库的相应部分，中央监控系统到浮动车的信息传递是以上过程的逆过程。

调度策略生成服务器根据船只和当前的任务情况使用遗传算法生成几套静态的调度方案，把生成的方案发送到系统数据库供管理员选用。实时调配时，管理员通过中央处理服务器向调度策略服务器发送方案生成请求，调度策略生成服务器从数据库中查询相应的地理信息、目前使用的调度方案和当前的船只信息，通过模拟退火算法搜索到几个相对较优的调度方案传送到数据库供系统管理员选用。

大屏幕为水利检测部门监控船只而设立提供可视化手段，管理人员通过大屏幕可以观察指定区域内的船只的分布状况，为电动调配提供一定的依据。

管理人员通过本系统可以实时查询某只船的位置、打捞情况等信息，可以通过系统的路径回溯功能查看它的运行轨迹；通过本系统，管理人员也可以实时查询船只的信息，可以查询船只、打捞等信息。

通过本系统，管理人员可以实现交互式船只在线实时调度。当收到打捞请求时，通过系统定位客户所在位置，查询请求所属区域内的船只，向调度策略生成服务器发送策略生成请求，管理员显示调度策略生成服务器生成的几种备选方案，从中挑选一种作为本次调度的方案，在通过中央处理服务器把调度方案发送到相关的船只执行。

载端(the car carries device)：

基于GPRS与GPS技术，可以对车船定位，并由系统实现车船轨迹跟踪，可接收调度命令前往打捞运输站点，可与信息中心双向通信，报告工作进度等。车船载端由GPS信号接收机、GPRS通讯模块、信息显示屏组成。GPS信号接收机接收卫星信号确定本船只的经纬度和时间信息，相应的数据按一定的时间间隔通过GPRS通讯模块传回GPRS数据服务器，GPRS数据服务器再通过网络把数据传回到中央监控中心。从中央监控中心下行的信息通过GPRS数据服务器发送到车船载端，通过信息显示屏显示。目前，配合地图匹配技术，GPS的定位精度已经达到十米级，可以满足本系统的精度要求。

2.3实时智能车船调度算法

实时智能船车调度用于实现蓝藻打捞、运输和处理过程的全程船车智能调度。其主要任务是在蓝藻暴发后，根据一定的优化规则自动调配一定数量的蓝藻打捞船前往暴发区域对湖面蓝藻进行清理打捞，同时调度蓝藻运输船和运输车将打捞后的蓝藻运往蓝藻分离厂；此外，也调配藻泥运输车将分离处理后的藻泥运往资源再利用基地。采用的调度策略根据各船车行运状态和运输能力、分离厂和资源再利用基地的工作状态和处理能力，以缩短蓝藻打捞时间、提高船车反应速度和降低蓝藻全程处理代价为目标，实现了智能、实时、低成本的船车调度。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水环境智能管理方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)综合信息中心负责将各类信息进行汇集、存储、处理和挖掘，依据构建的专家系统形成态势、文字和图表等多种类型的输出，并要具备一定的预警功能；中心的所有集成数据是研究人员和管理部门进行水质研究和监测的基础，同时也是蓝藻打捞处理的基本依据。中心还要对系统中的多种设备进行控制，完成系统级别的功能集成，采用B/S结合C/S的架构，以多种手段呈现，系统具有良好可扩展性，使得信息存在既被感知；

(2)调度策略生成服务器根据船只和当前的任务情况使用遗传算法生成几套静态的调度方案，把生成的方案发送到系统数据库供管理员选用；实时调配时，管理员通过中央处理服务器向调度策略服务器发送方案生成请求，调度策略生成服务器从数据库中查询相应的地理信息、目前使用的调度方案和当前的船只信息，通过模拟退火算法搜索到几个相对较优的调度方案传送到数据库供系统管理员选用；

(3)管理人员通过本系统可以实时查询某只船的位置、打捞情况等信息，可以通过系统的路径回溯功能查看它的运行轨迹；通过本系统，管理人员也可以实时查询船只的信息，可以查询船只、打捞等信息。

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