CN102818884A - 一种违规排污口的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种违规排污口的定位方法，将带有水质检测传感器的移动监测部件置于河道中进行巡航；在巡航过程中，如果检测到河道水质被污染后，就对河道任一横截面进行检测；若在同一横截面中所检测到的污染物浓度不变，则表明移动监测部件离违规排污口距离较远，就使用一维水质模型估算移动监测部件与违规排污口之间的距离，且令移动监测部件前往估算值所在的河道位置；若在同一横截面中所检测到的污染物浓度有变化，则表明移动监测部件离违规排污口距离较近，则使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法对违规排污口进行准确定位。本发明具有原理简单、智能化程度高、稳定可靠、定位准确等优点。

Description

一种违规排污口的定位方法

技术领域

本发明主要涉及到水质监测领域，特指一种用来搜索违规排污口的定位方法。

背景技术

水质污染直接威胁到人类健康，将会破坏生态环境，制约经济、社会的可持续发展。现今，水质污染问题产生的原因是很广泛的，其中包括了工业废水的排放和生活污水的排放等。尽管政府规范了企业的污水排放行为，但是有些企业为了节省处理废水的经费对工业废水进行偷排。政府对这些不法行为是防不胜防的，因为这些企业常常使用暗铺的管道进行排放，而这些暗道是难以被人们发现，这种企业一直到被发现进行偷排时，早已偷排了十多年，对生态环境、人类健康已经造成了不可挽回的损失；而且，有不少这些企业往往会在多个地方铺设暗道以规避执法人员的检测。正因如此，所以需要采取必要手段去控制这种污染。

在处理水污染事故时，关键是要第一时间识别污染，迅速了解违规排污口的位置及波及范围，做好自动追踪定位。但通过人工监测处理的方式，往往难以达到这个要求。而且，传统的人工采样监测手段具有很大的随意性。例如，地表水自动监测站通常只能监测到水质是否受到污染，而监测船对违规排污口的侦测不但需要较高的费用，且无法实现对水污染的在线自动监测，难以大量应用于水污染实时监测和违规排污口。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、智能化程度高、稳定可靠、定位准确的违规排污口的定位方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种违规排污口的定位方法，将带有水质检测传感器的移动监测部件置于河道中进行巡航；在巡航过程中，如果检测到河道水质被污染后，就对河道任一横截面进行检测；若在同一横截面中所检测到的污染物浓度不变，则表明移动监测部件离违规排污口距离较远，就使用一维水质模型估算移动监测部件与违规排污口之间的距离，且令移动监测部件前往估算值所在的河道位置；若在同一横截面中所检测到的污染物浓度有变化，则表明移动监测部件离违规排污口距离较近，则使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法对违规排污口进行准确定位。

作为本发明的进一步改进：

所述移动监测部件中内置有正常水质的最低标准参数、导入河道地理位置信息和移动监测部件距离障碍物的安全距离预设值。

所述使用一维水质模型估算移动监测部件与违规排污口之间距离的步骤为：

①给定移动监测部件检测到的污染物浓度值集合C，污染物浓度值集合C相对应的移动监测部件的位置坐标集x，选择数据总数N；其中，污染物浓度值集C为共有N个河水污染物浓度值C₀、C₁、C₂......C_N，位置坐标集x为河水污染物浓度值所对应的位置坐标值x₀、x₁、x₂......x_N，即C₀为在位置坐标为x₀中检测到的河水污染物浓度值；

②利用下式（1）的一维水质模型对违规排污口位置x_p进行求解：

$x_p=\frac{\mathrm{ab}-2\mathrm{cd}}{2\mathrm{be}-\mathrm{ad}}---\left(1\right)$

其中： $a=4x^3-4\stackrel{\‾}{x}\stackrel{\‾}{x^2};$ $b=\stackrel{\‾}{x^2\ln C}-\stackrel{\‾}{x^2}\stackrel{\‾}{\ln C};$ $c=\stackrel{\‾}{x^4}-{\stackrel{\‾}{x^2}}^2;$ $d=2\stackrel{\‾}{x\ln C}-2\stackrel{\‾}{\ln C}\stackrel{\‾}{x};$ $e=4\stackrel{\‾}{x^2}-4{\stackrel{\‾}{x}}^2;$ 式中

为移动监测部件测量多个污染物浓度时所在位置离违规排污口的距离的平均值，

其中lnC为对污染物浓度值求自然对数， $\stackrel{\‾}{\ln C}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\ln C}_i}{N},$ $\stackrel{\‾}{x\ln C}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\ln C_i}{N}.$

所述基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法的流程为：

如果目前污染物浓度值≤水质最低标准值，且移动监测部件的直线移动距离>设定值，那么就改变移动监测部件的前进方向；

如果目前污染物浓度值≤水质最低标准值，且直线移动距离<设定值，那么移动监测部件移动到污染物浓度最大值的地方，标志已找到排污口；

如果检测到目前污染物浓度值非常低或变为0时，就改变移动监测部件的移动方向，向违规排污口所在一侧河道方向转动120度。

所述基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法的流程还包括：

如果河道中的障碍物与移动监测部件之间的距离<安全距离，那么移动监测部件就通过移动避开障碍物。

如果移动监测部件的位置接近河道边沿的位置，那么就改变移动监测部件的前进方向。

所述移动监测部件为可在河道中巡航的鱼形机器人，所述鱼形机器人上安装有用来对河水流速、污染物浓度、河道深度进行测量的传感器，所述鱼形机器人上安装有用来对自身位置进行检测的全球定位装置和深度传感器。

所述鱼形机器人上安装有用来对河道中过往船只进行识别并避让的声音识别装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的定位方法，能够对违规排污口进行准确定位，把隐蔽的违规排污口准确定位后让环保部门能够快速处理违规排污口使污染范围控制到最小。

2、本发明的定位方法，智能化程度非常高，能够自动对违规排污口进行自动准确定位，使环保部门能够更加方便地实现对河道的监控。

3、本发明的定位方法，原理简单、稳定可靠，并能用于较复杂的环境当中，从而大大降低了移动监测部件的故障率，提高了运行效率，易推广，增大了社会效益。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是在具体应用实例中使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法对河道中心的违规排污口定位的搜索路径示意图。

图3是在具体应用实例中使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法对河道边上的违规排污口定位的搜索路径示意图。

图4是在具体应用实例中所采用鱼形机器人的框架结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明是通过实时检测水污染对排污口进行准确定位，并综合考虑了河道复杂环境的影响。即，本发明使用移动监测部件通过对正常水质的参数进行采样后作为无污染水质标准参数。投入正常运行后，移动监测部件将长期在河道中进行巡航。在移动监测部件的巡航过程中，如果检测到河道水质被污染后，对河道某一横截面（垂直河岸方向）进行检测。若同一横截面中检测到的污染物浓度不变，则说明移动监测部件离违规排污口距离较远，可使用一维水质模型估算移动监测部件与违规排污口之间的距离；若距离较近，则直接使用移动监测部件的违规排污口搜索方法，最终对违规排污口进行准确定位。

如图1所示，在具体应用实例中，本发明违规排污口的定位方法的具体步骤为：

（1）首先记录正常水质的最低标准参数、导入河道地理位置信息、设置移动监测部件距离障碍物的安全距离；

（2）投入运行后，移动监测部件在河道中正常巡游；移动监测部件若检测到河道水质受到污染，将通过以下步骤对违规排污口进行估算定位：

（2.1）检测移动监测部件运行的河道中任一横截面的污染物浓度，判断是否有浓度差：若有浓度差，直接执行步骤（2.3），若无浓度差则执行步骤（2.2）；

（2.2）检测河水流速、污染物浓度参数，调用一维水质模型对移动监测部件与违规排污口的距离进行估算，且令移动监测部件前往估算值所在的河道位置；

（2.3）处于或到达违规排污口大概位置后，使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法进行准确定位。

本实施例中，通过一维水质模型估算移动监测部件与违规排污口之间距离的具体流程为：

（2.2.1）给定移动监测部件检测到的污染物浓度值集合C，污染物浓度值集合C相对应的移动监测部件的位置坐标集x；选择数据总数N。其中，污染物浓度值集合C为共有N个河水污染物浓度值C₀、C₁、C₂......C_N，位置坐标集x为河水污染物浓度值所对应的位置坐标值x₀、x₁、x₂......x_N，即C₀为在位置坐标为x₀中检测到的河水污染物浓度值。

（2.2.2）利用一维水质模型对违规排污口位置x_p进行求解得：

$x_p=\frac{\mathrm{ab}-2\mathrm{cd}}{2\mathrm{be}-\mathrm{ad}}$

其中： $a=4x^3-4\stackrel{\&OverBar;}{x}\stackrel{\&OverBar;}{x^2};$ $b=\stackrel{\&OverBar;}{x^2\ln C}-\stackrel{\&OverBar;}{x^2}\stackrel{\&OverBar;}{\ln C};$ $c=\stackrel{\&OverBar;}{x^4}-{\stackrel{\&OverBar;}{x^2}}^2;$ $d=2\stackrel{\&OverBar;}{x\ln C}-2\stackrel{\&OverBar;}{\ln C}\stackrel{\&OverBar;}{x};$

式中

为移动监测部件测量多个污染物浓度时所在位置离违规排污口的距离的平均值，

其中lnC为对污染物浓度值求自然对数， $\stackrel{\&OverBar;}{\ln C}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\ln C}_i}{N},$ $\stackrel{\&OverBar;}{x\ln C}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\ln C_i}{N}.$

对一维水质瞬时点源排放数学模型的解释如下：

$C(x,t)=\frac{M}{A\sqrt{4\mathrm{\&pi;}{D}_x(t-t_0)}}\&CenterDot;\exp [-\frac{{(x-x_0-\mathrm{ut}+{\mathrm{ut}}_0)}^2}{4D_x(t-t_0)}]\exp [-k(t-t_0)]---\left(2\right)$

式中：C（x,t）为在坐标为x处排污引起的污染物浓度值(mg/L)、M为污染物排放量（kg）、A为河流断面面积（m²）、D_x为纵向弥散系数（m²/min）、k为污染物衰减系数（min^-1）、u为河流平均速度（m/min）、x₀为污染源位置（m）、t₀为污染源排放时刻（min），t为检测污染物浓度的时刻（min）。

对式（2）取对数得：

lnC＝m_xX+b_x    （3）

式中：

X＝(x-x_m)²

x_m=x₀-ut₀

$m_x=\frac{1}{4D_X{t}_0}$

$b_x{=\mathrm{kt}}_0+\ln \frac{M}{A}\sqrt{-\frac{m_x}{\mathrm{\&pi;}}}$

式（3）进行线性回归分析，其相关系数为：

$r_{\ln c,x}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})({\ln C}_i-\stackrel{\&OverBar;}{\ln C})}{\sqrt{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})}^2}\sqrt{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({\ln C}_i-\stackrel{\&OverBar;}{\ln C})}^2}}---\left(4\right)$

为使x_m在公式中达到相关性最大，相关系数对x_m求导求取极大值得：

$x_p=\frac{\mathrm{ab}-2\mathrm{cd}}{2\mathrm{be}-\mathrm{ad}}.$

本实施例中，步骤（2.3）是在到达违规排污口大概位置后使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法进行准确定位。该基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法为：

如果目前污染物浓度≤水质最低标准、直线移动距离>设定值，那么就改变移动监测部件的前进方向。

如果目前污染物浓度≤水质最低标准、直线移动距离<设定值，那么移动监测部件移动到污染物浓度最大值的地方，标志着已找到排污口。

如果河道中的障碍物与移动监测部件之间的距离<安全距离，那么移动监测部件就使用场势法避障，即通过移动避开障碍物。

如果移动监测部件的位置接近河道边沿的位置，那么就改变移动监测部件的前进方向。

如果移动监测部件上的污染物浓度传感器检测到污染物浓度值非常低或变为0时，就改变移动监测部件的移动方向，向违规排污口所在一侧河道方向转动120度。

参见图2，为具体应用过程中使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法对河道中心的违规排污口定位的搜索路径示意图。图中描述的是排污口在河道的中心进行排污后形成的污染扩散图，图中颜色深的区域代表污染物浓度值大，颜色浅的区域代表污染物浓度值低，颜色的由深到浅代表了污染物扩散过程中浓度值的由大变小的过程，区域的偏向表示了由于水流作用下，排污口排出污染物后受到了河水的流动的影响。移动监测部件到达一维水质模型估算的位置后使用Z形路径搜索方法，该方法中路径为Z字型，当移动监测部件遇到岸壁或检测到污染物浓度接近正常值后进行转向，其转向角度标量值为θ（图中所标注角度），转向方向为转向河道中心一侧。最终移动检测部件的移动路径会越来越小，而检测到的污染物浓度值会越来越大，而在监测污染源过程中不断更新污染物浓度值及其所在位置并记录下来，当移动检测部件在整个监测Z字路径均没有检测到污染物时或检测污染物过程中的直线移动路径小于设定值则返回浓度值最大点，此时污染物浓度值最大点为排污口位置。

参见图3，为具体应用过程中使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法对河道边上的违规排污口定位的搜索路径示意图。图中描述的是排污口在河道的一侧进行排污后形成的污染扩散图，图中颜色深的区域代表污染物浓度值大，颜色浅的区域代表污染物浓度值低，颜色的由深到浅代表了污染物扩散过程中浓度值的由大变小的过程，区域的偏向表示了由于水流作用下，排污口排出污染物后受到了河水的流动的影响。移动监测部件到达一维水质模型估算的位置后使用Z形路径搜索方法，该方法中路径为Z字型，当移动监测部件遇到岸壁或检测到污染物浓度接近正常值后进行转向，转向方向为转向河道中心一侧。最终移动检测部件的移动路径会越来越小，而检测到的污染物浓度值会越来越大，而在监测污染源过程中不断更新污染物浓度值及其所在位置并记录下来，当移动检测部件在整个监测Z字路径均没有检测到污染物时或检测污染物过程中的直线移动路径小于设定值则返回浓度值最大点，此时污染物浓度值最大点为排污口位置。

如图4所示，本实施例中，移动监测部件为可在河道中巡航的鱼形机器人，用于对违规排污口进行搜索。该鱼形机器人包括了动作机构、电池管理电路、信号处理电路、机器鱼处理器以及机器鱼动作控制器，在机器鱼处理器的控制下，经信号处理电路、机器鱼动作控制器对动作机构实施控制。该鱼形机器人上安装有用来测量河水相关参数的传感器，例如用来对河水流速、污染物浓度、河道深度进行测量的传感器。鱼形机器人上安装有用来对自身位置进行检测的全球定位装置、深度传感器等等。鱼形机器人上还安装有声音识别装置（声音传感器），对河道过往船只进行识别并避让。鱼形机器人上还设有用来避障的超声波传感器。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种违规排污口的定位方法，其特征在于：将带有水质检测传感器的移动监测部件置于河道中进行巡航；在巡航过程中，如果检测到河道水质被污染后，就对河道任一横截面进行检测；若在同一横截面中所检测到的污染物浓度不变，则表明移动监测部件离违规排污口距离较远，就使用一维水质模型估算移动监测部件与违规排污口之间的距离，且令移动监测部件前往估算值所在的河道位置；若在同一横截面中所检测到的污染物浓度有变化，则表明移动监测部件离违规排污口距离较近，则使用基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法对违规排污口进行准确定位。

2.根据权利要求1所述的违规排污口的定位方法，其特征在于：所述移动监测部件中内置有正常水质的最低标准参数、导入河道地理位置信息和移动监测部件距离障碍物的安全距离预设值。

3.根据权利要求1或2所述的违规排污口的定位方法，其特征在于，所述使用一维水质模型估算移动监测部件与违规排污口之间距离的步骤为：

①给定移动监测部件检测到的污染物浓度值集合C，污染物浓度值集合C相对应的移动监测部件的位置坐标集x，选择数据总数N；其中，污染物浓度值集C为共有N个河水污染物浓度值C₀、C₁、C₂......C_N，位置坐标集x为河水污染物浓度值所对应的位置坐标值x₀、x₁、x₂......x_N，即C₀为在位置坐标为x₀中检测到的河水污染物浓度值；

②利用下式（1）的一维水质模型对违规排污口位置x_p进行求解：

$x_p=\frac{\mathrm{ab}-2\mathrm{cd}}{2\mathrm{be}-\mathrm{ad}}---\left(1\right)$

其中： $a=4x^3-4\stackrel{\&OverBar;}{x}\stackrel{\&OverBar;}{x^2};$ $b=\stackrel{\&OverBar;}{x^2\ln C}-\stackrel{\&OverBar;}{x^2}\stackrel{\&OverBar;}{\ln C};$ $c=\stackrel{\&OverBar;}{x^4}-{\stackrel{\&OverBar;}{x^2}}^2;$ $d=2\stackrel{\&OverBar;}{x\ln C}-2\stackrel{\&OverBar;}{\ln C}\stackrel{\&OverBar;}{x};$ $e=4\stackrel{\&OverBar;}{x^2}-4{\stackrel{\&OverBar;}{x}}^2;$ 式中

为移动监测部件测量多个污染物浓度时所在位置离违规排污口的距离的平均值，

其中lnC为对污染物浓度值求自然对数， $\stackrel{\&OverBar;}{\ln C}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\ln C}_i}{N},$ $\stackrel{\&OverBar;}{x\ln C}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\ln C_i}{N}.$

4.根据权利要求1或2所述的违规排污口的定位方法，其特征在于，所述基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法的流程为：

如果目前污染物浓度值≤水质最低标准值，且移动监测部件的直线移动距离>设定值，那么就改变移动监测部件的前进方向；

如果目前污染物浓度值≤水质最低标准值，且直线移动距离<设定值，那么移动监测部件移动到污染物浓度最大值的地方，标志已找到排污口；

如果检测到目前污染物浓度值非常低或变为0时，就改变移动监测部件的移动方向，向违规排污口所在一侧河道方向转动120度。

5.根据权利要求4所述的违规排污口的定位方法，其特征在于，所述基于污染物浓度值变化的Z形路径搜索方法的流程还包括：

如果河道中的障碍物与移动监测部件之间的距离<安全距离，那么移动监测部件就通过移动避开障碍物；

如果移动监测部件的位置接近河道边沿的位置，那么就改变移动监测部件的前进方向。

6.根据权利要求1或2所述的违规排污口的定位方法，其特征在于，所述移动监测部件为可在河道中巡航的鱼形机器人，所述鱼形机器人上安装有用来对河水流速、污染物浓度、河道深度进行测量的传感器，所述鱼形机器人上安装有用来对自身位置进行检测的全球定位装置和深度传感器。

7.根据权利要求6所述的违规排污口的定位方法，其特征在于，所述鱼形机器人上安装有用来对河道中过往船只进行识别并避让的声音识别装置。

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