CN103472201A - 一种河流中不透水边界的污染源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种河流中不透水边界的污染源定位方法。其技术方案是：首先在待监测的河流区域内均匀地部署n个传感器节点(2)，每个传感器节点(2)均以无线方式与汇聚节点(3)连接，汇聚节点(3)与网关(4)无线连接，网关(4)通过GPRS与计算机(5)连接。每个传感器节点(2)中均装有传感器节点控制程序，汇聚节点(3)中装有汇聚节点控制程序，计算机(5)中装有污染源监测定位控制程序。计算机(5)将收到的各个传感器节点(2)的数据代入污染源监测定位控制程序即可得出污染源(1)位置坐标。本发明具有成本低廉、部署方便、不受时空干扰、跨区域监测、操作性强和检测周期短的特点，为河流中不透水边界污染源的定位提供了一种新方法。

Description

一种河流中不透水边界的污染源定位方法

技术领域

本发明属于无线传感网络与环境监测技术领域。具体涉及一种河流中不透水边界的污染源定位方法。 

技术背景

我国水环境正面临着水体污染、水资源短缺和洪涝灾害等多方面压力，水体污染加剧了水资源短缺，水生态环境破坏促使洪涝灾害频发，给人们的生产生活带来了诸多不良影响。河流是主要的引用水源，工农业废水废渣的排放、化学物质的泄漏以及城市垃圾的倾倒都严重污染了水体。所以，河流污染源的定位对保护水资源起着重要意义。 

目前，国外学者对水环境的研究主要是监测水质，对污染源的定位研究甚少。国内对水体中污染源的定位研究较少。目前，水体污染源的探测与定位是通过人工检测、遥感技术、GPS定位技术、GIS技术和机器人定位技术。人工检测技术周期长、采样时间受天气地域等的影响，遥感、GPS和GIS技术成本昂贵，机器人定位技术造价高且易出故障，并且不易实现大面积和跨区域的监测，可操作性不强。 

总之，以上探测与定位技术在实际应用中存在的弊端有：技术成本昂贵，受天气地域影响，跨区域监测难，检测周期长，操作性差。 

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种具有成本低廉、部署方便、不受时空干扰、跨区域监测、操作性强和检测周期短的河流中不透水边界的污染源定位方法。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是： 

步骤一、标记说明 

本方法所涉及的标记：M表示已知污染源处的污染物排放强度；h表示待监测河流的平均水深；u_x表示待监测河流的水流速度；k_sy表示弥散系数；k₁表示降解系数；(x_i,y_i)表示传感器节点的坐标，i＝1,2,...,n，n为自然数,n≥3；

表示第i传感器节点测得的浓度，i＝1,2,...,n；(ζ,η)表示估计污染源的坐标，ζ表示估计污染源位置的横坐标，η表示污染源位置的纵坐标。 

步骤二、部署无线传感网络 

无线传感网络由计算机、网关、汇聚节点和n个传感器节点组成，n个传感器节点均匀地部署在待监测河流区域内；每个传感器节点均以无线方式与汇聚节点连接，汇聚节点与网关无线连接，网关通过GPRS与计算机连接； 

每个传感器节点中均装有传感器节点控制程序，汇聚节点中装有汇聚节点控制程序，计算机中装有污染源监测定位控制程序； 

步骤三、河流中不透水边界的污染源定位模型 

设定部署在河流中的传感器节点监测到污染物，处于不同位置的传感器节点观测到的污染物浓度为： 

$C(x_i,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})=\frac{M}{h\sqrt{4\mathrm{\π}{k}_{\mathrm{sy}}{u}_x(x_i-\mathrm{\ζ})}}\exp (-\frac{K_1(x_i-\mathrm{\ζ})}{u_x})(\exp (-\frac{u_x{(y_i-\mathrm{\η})}^2}{4k_{\mathrm{sy}}(x_i-\mathrm{\ζ})})+\exp (-\frac{u_x{(2\mathrm{\η}-y_i)}^2}{4k_{\mathrm{sy}}(x_i-\mathrm{\ζ})}))---\left(1\right)$

步骤四、确定污染源的位置 

(a)对式(1)采用非线性最小二乘的方法估计污染源位置 

$\underset{(\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\tilde{C}}_i-C(x_i,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})]}^2---\left(2\right)$

(b)污染物的离子扩散速率远远小于待监测河流的水流速度u_x，忽略离子扩散速率，能监测到污染物的传感器节点均在污染源的下游方向，得式(3) 

s.t.ζ≤x_i                     (3) 

在纵向扩散时，污染物近岸排放≤污染源在纵轴方向上的边界β，所以η满足式(4)约束 

0≤η≤β               (4) 

(c)式(2)、(3)和(4)为非线性约束最小二乘，采用信赖域算法求解，得污染源位置； 

所述传感器节点控制程序的主流程是： 

S-101、初始化； 

S-102、接收命令指示flag=1？ 

S-103、若是，则执行S-104；若否，则执行S-105； 

S-104、执行命令指令； 

S-105、监测离子浓度； 

S-106、判断离子浓度是否异常？ 

S-107、若是，则执行S-108；若否，则执行S-102； 

S-108、发送传感器节点所测离子浓度值、坐标(x_i,y_i)及时间；再执行S-102。所述汇聚节点控制程序的主流程是： 

S-201、初始化； 

S-202、设置汇聚节点控制参数； 

S-203、判断计算机的命令标志位flag1=1？ 

S-204、若是，则执行S-205；若否，则执行S-208； 

S-205、接收命令，分析命令； 

S-206、向传感器节点广播计算机命令； 

S-207、延时； 

S-208、判断传感器节点数据flag2=1？ 

S-209、若是，则执行S-210；若否，则执行S-203； 

S-210、接收传感器节点数据； 

S-211、将接收的传感器节点数据通过GPRS发送到计算机； 

S-212、发送完毕，再执行S-203。 

所述污染源监测定位控制程序的主流程是： 

S-301、初始化； 

S-302、设置不透水边界的污染源定位模型参数； 

S-303、有无命令发送？ 

S-304、若有，则执行S-305；若无，则执行S-306； 

S-305、向汇聚节点发送命令，再执行S-303； 

S-306、接收数据； 

S-307、一轮数据是否接收完毕？ 

S-308、若是，则执行S-309；若否，则执行S-306； 

S-309、分析数据； 

S-310、发出预警点信息； 

S-311、提取节点坐标及该传感器所监测的离子浓度值； 

S-312、代入河流中不透水边界的污染源定位模型； 

S-313、计算污染源位置坐标； 

S-314、显示污染源位置，再执行S-303。 

由于采用上述方案，本发明首先在待监测的河流区域内均匀地部署n个传感器节点(x_i,y_i)，其中i＝1,2,...,n，n为自然数,n≥3。每个节点的传感器均分别以无线方式与汇聚节点连接，汇聚节点与网关无线连接，网关通过GPRS与计算机连接。在无线传感网络的传感器节点中装入传感器节点控制程序，在汇聚节点中装入汇聚节点控制程序，在计算机中装入污染源监测定位控制程序，计算机将收到的各个传感器节点的数据代入污染源监测定位控制程序即可得出污染源位置坐标。故所采用的无线传感网络能方便地部署于河流中，成本低廉，可移植性强，监测区域广；同时克服了人工检测技术周期长、采样时间受天气地域等的影响；另外，由于遥感、GPS、GIS技术成本昂贵，机器人定位技术造价高且易出故障，并且不能实现大面积、跨区域的监测，可操作性不强，本发明则成功地克服了上述缺陷。 

因此，本发明具有成本低廉、部署方便、不受时空干扰、跨区域监测、操作性强和检测周期短短的特点，为河流中不透水边界污染源的定位提供了一种新方法。 

附图说明

图1无线传感网络部署图； 

图2为图1中传感器节点控制程序流程图； 

图3为图1中汇聚节点控制程序流程图； 

图4为图1中污染源监测定位控制程序流程图。 

具体的实施方式 

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述，并非对其保护范围的限制。 

实施例1 

一种河流中不透水边界的污染源定位方法。该方法的具体步骤是： 

步骤一、标记及其已知条件的说明 

本实施例中：污染源1处的污染物排放强度M＝4500g/s；待监测河流的平均水深h＝6m；待监测河流的水流速度u_x＝1.5m/s；弥散系数k_sy＝0.65m²/s；降解系数k₁＝0.2d^-1；传感器节点2数i＝1,2,...,12；(x_i,y_i)表示传感器节点2的坐标，i＝1,2,...,12；

表示第i传感器节点2测得的浓度，i＝1,2,...,12；(ζ,η)表示估计污染源1的坐标，ζ表示估计污染源1位置的横坐标，η表示污染源1位置的纵坐标。 

步骤二、部署无线传感网络 

如图1所示：无线传感网络由计算机5、网关4、汇聚节点3和12个传感器节点2组成。12 个传感器节点2均匀地部署在待监测河流区域内，每个传感器节点2均以无线方式与汇聚节点3连接，汇聚节点3与网关4无线连接，网关4通过GPRS与计算机5连接。 

每个传感器节点2中均装有传感器节点控制程序，汇聚节点3中装有汇聚节点控制程序，计算机5中装有污染源监测定位控制程序。 

步骤三、河流中不透水边界的污染源1定位模型 

设定部署在河流中的传感器节点2监测到污染物，处于不同位置的传感器节点2监测到的污染物浓度： 

$C(x_i,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})=\frac{M}{h\sqrt{4\mathrm{\π}{k}_{\mathrm{sy}}{u}_x(x_i-\mathrm{\ζ})}}\exp (-\frac{K_1(x_i-\mathrm{\ζ})}{u_x})(\exp (-\frac{u_x{(y_i-\mathrm{\η})}^2}{4k_{\mathrm{sy}}(x_i-\mathrm{\ζ})})+\exp (-\frac{u_x{(2\mathrm{\η}-y_i)}^2}{4k_{\mathrm{sy}}(x_i-\mathrm{\ζ})}))---\left(1\right)$

式(1)中，传感器节点2坐标(x_i,y_i)及其节点处的离子浓度C_i如表1所示。 

表1                 节点坐标及节点处的离子浓度 

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													(xi,yi)	(11,1)	(21,1)	(31,1)	(41,1)	(11,6)	(21,6)	(31,6)	(41,6)	(11,11)	(21,11)	(31,11)	(41,11)
Ci	49.6135	56.2121	55.7885	51.2390	130.0653	101.1985	81.2109	67.4779	11.3901	32.4248	39.7837	40.8180

步骤四、确定污染源1的位置 

(a)对式(1)采用非线性最小二乘的方法估计污染源1位置 

$\underset{(\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\tilde{C}}_i-C(x_i,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})]}^2---\left(2\right)$

(b)污染物的离子扩散速率远远小于待监测河流的水流速度u_x，忽略离子扩散速率，能监测到污染物的传感器节点2均在污染源1的下游方向，得式(3) 

s.t.ζ≤x_i                       (3) 

在纵向扩散时，污染物近岸排放≤污染源1在纵轴方向上的边界β，β＝10m，所以η满足式(4)约束 

0≤η≤10                     (4) 

(c)式(2)、(3)和(4)为非线性约束最小二乘，采用信赖域算法求解，得污染源1位置(6.5548,3.4237)。 

本实施例所述传感器节点控制程序的主流程如图2所示： 

S-101、初始化； 

S-102、接收命令指示flag=1？ 

S-103、若是，则执行S-104；若否，则执行S-105； 

S-104、执行命令指令； 

S-105、监测离子浓度； 

S-106、判断离子浓度是否异常？ 

S-107、若是，则执行S-108；若否，则执行S-102； 

S-108、发送传感器节点2所测离子浓度值、坐标(x_i,y_i)和时间；再执行S-102。本实施例所述汇聚节点控制程序的主流程如图3所示： 

S-201、初始化； 

S-202、设置汇聚节点3的控制参数； 

S-203、判断计算机5的命令标志位flag1=1？ 

S-204、若是，则执行S-205；若否，则执行S-208； 

S-205、接收命令，分析命令； 

S-206、向传感器节点2广播计算机5命令； 

S-207、延时； 

S-208、判断传感器节点2数据flag2=1？ 

S-209、若是，则执行S-210；若否，则执行S-203； 

S-210、接收传感器节点2数据； 

S-211、将接收的传感器节点2数据通过GPRS发送到计算机5； 

S-212、发送完毕，再执行S-203。 

本实施例所述污染源监测定位控制程序的主流程如图4所示： 

S-301、初始化； 

S-302、设置不透水边界的污染源定位模型参数； 

S-303、有无命令发送？ 

S-304、若有，则执行S-305；若无，则执行S-306； 

S-305、向汇聚节点3发送命令，再执行S-303； 

S-306、接收数据； 

S-307、一轮数据是否接收完毕？ 

S-308、若是，则执行S-309；若否，则执行S-306； 

S-309、分析数据； 

S-310、发出预警点信息； 

S-311、提取节点坐标及该传感器所监测的离子浓度值； 

S-312、代入河流中不透水边界的污染源定位模型； 

S-313、计算污染源1位置坐标； 

S-314、显示污染源1位置，再执行S-303。 

实施例2 

一种河流中不透水边界的污染源定位方法。该方法的具体步骤是： 

步骤一、标记及其已知条件的说明 

本实施例中：污染源1处的污染物排放强度M＝5000g/s；待监测河流的平均水深h＝5m；待监测河流的水流速度u_x＝2m/s；弥散系数，k_sy＝0.65m²/s；降解系数，k₁＝0.2d^-1；(x_i,y_i)表示传感器节点2的坐标，i＝1,2,...,20；表示第i传感器节点2测得的浓度，i＝1,2,...,20；(ζ,η)表示估计污染源1的坐标，ζ表示估计污染源1位置的横坐标，η表示污染源1位置的纵坐标。 

步骤二、部署无线传感网络 

无线传感网络由计算机5、网关4、汇聚节点3和20个传感器节点2组成，20个传感器节点2均匀地部署在待监测河流区域内；每个传感器节点2均以无线方式与汇聚节点3连接，汇聚节点3与网关4无线连接，网关4通过GPRS与计算机5连接。 

每个传感器节点2中均装有传感器节点控制程序，汇聚节点3中装有汇聚节点控制程序，计算机5中装有污染源监测定位控制程序。 

步骤三、河流中不透水边界的污染源1定位模型 

设定部署在河流中的传感器节点2监测到污染物，处于不同位置的传感器节点2观测到的污染物浓度为： 

$C(x_i,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})=\frac{M}{h\sqrt{4\mathrm{\π}{k}_{\mathrm{sy}}{u}_x(x_i-\mathrm{\ζ})}}\exp (-\frac{K_1(x_i-\mathrm{\ζ})}{u_x})(\exp (-\frac{u_x{(y_i-\mathrm{\η})}^2}{4k_{\mathrm{sy}}(x_i-\mathrm{\ζ})})+\exp (-\frac{u_x{(2\mathrm{\η}-y_i)}^2}{4k_{\mathrm{sy}}(x_i-\mathrm{\ζ})}))---\left(1\right)$

式(1)中，传感器节点2坐标(x_i,y_i)及其节点处的离子浓度C_i如表1所示。 

表1        传感器节点坐标及其节点处的离子浓度 

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											(xi,yi)	(10,0)	(20,0)	(30,0)	(40,0)	(50,0)	(10,5)	(20,5)	(30,5)	(40,5)	(50,5)
Ci	268.1593	138.4760	102.3139	86.3862	73.2022	0.6928	50.5539	58.2275	58.2275	54.3897

[0137] 

i	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
											(xi,yi)	(10,10)	(20,10)	(30,10)	(40,10)	(50,10)	(10,15)	(20,15)	(30,15)	(40,15)	(50,15)
Ci	0	0.7307	5.9254	11.7705	16.4522	0	0	0.1062	0.7657	2.0550

步骤四、确定污染源1的位置 

(a)对式(1)采用非线性最小二乘的方法估计污染源1位置： 

$\underset{(\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\tilde{C}}_i-C(x_i,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})]}^2---\left(2\right)$

(b)污染物的离子扩散速率远远小于待监测河流的水流速度u_x，忽略离子扩散速率，能监测到污染物的传感器节点2均在污染源1的下游方向，得式(3) 

s.t.ζ≤x_i                 (3) 

在纵向扩散时，污染物近岸排放≤污染源1在纵轴方向上的边界β，β＝10m，所以η满足式(4)约束 

0≤η≤10              (4) 

(c)式(2)、(3)和(4)为非线性约束最小二乘，采用信赖域算法求解，得污染源1位置(8.4348,0.5858)。 

本实施例的传感器节点控制程序流程同实施例1的传感器节点控制程序流程。 

本实施例的汇聚节点控制程序流程同实施例1的汇聚节点控制程序流程。 

本实施例的污染源监测定位控制程序流程同实施例1的污染源监测定位控制程序流程。 

本具体实施方式首先在待监测的河流区域内均匀地部署n个传感器节点2(x_i,y_i)，其中i＝1,2,...,n，n为自然数,n≥3。每个传感器节点2均分别以无线方式与汇聚节点3连接，汇聚节点3与网关4无线连接，网关4通过GPRS与计算机5连接。在无线传感网络的传感器节点2中装入传感器节点控制程序，在汇聚节点3中装入汇聚节点控制程序，在计算机5中装入污染源1监测定位控制程序，计算机5将收到的各个传感器节点2的数据代入污染源监测定位控制程序即可得出污染源1位置坐标。故所采用的无线传感网络能方便地部署于河流中，成本低廉，可移植性强，监测区域广；同时克服了人工检测技术周期长、采样时间受天气地域等的影响；另外，由于遥感、GPS、GIS技术成本昂贵，机器人定位技术造价高且易出故障，并且不能实现大面积、跨区域的监测，可操作性不强，本具体实施方式则成功地克服了上述缺陷。因此，本具体实施方式具有成本低廉、部署方便、不受时空干扰、跨区域监测、操作性强和 

检测周期短短的特点，为河流中不透水边界污染源1的定位提供了一种新方法。 

Claims (4)

1.一种河流中不透水边界的污染源定位方法，其特征在于所述的定位方法的具体步骤是：

步骤一、标记说明

本方法所涉及的标记：M表示污染源(1)处的污染物排放强度，h表示待监测河流的平均水深，u_x表示待监测河流的水流速度，k_sy表示弥散系数，k₁表示降解系数，(x_i,y_i)表示传感器节点(2)的坐标，i＝1,2,...,n，n为自然数,n≥3；

表示第i传感器节点(2)测得的浓度，i＝1,2,...,n，(ζ,η)表示估计污染源(1)的坐标，ζ表示估计污染源(1)位置的横坐标，η表示估计污染源(1)位置的纵坐标；

步骤二、部署无线传感网络

无线传感网络由计算机(5)、网关(4)、汇聚节点(3)和n个传感器节点(2)组成；n个传感器节点(2)均匀地部署在待监测河流区域内，每个传感器节点(2)均以无线方式与汇聚节点(3)连接，汇聚节点(3)与网关(4)无线连接，网关(4)通过GPRS与计算机(5)连接；

每个传感器节点(2)中均装有传感器节点控制程序，汇聚节点(3)中装有汇聚节点控制程序，计算机(5)中装有污染源监测定位控制程序；

步骤三、河流中不透水边界的污染源定位模型

设定部署在河流中的传感器节点(2)监测到污染物，处于不同位置的传感器节点(2)观测到的污染物浓度为：

$C(x_i,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})=\frac{M}{h\sqrt{4\mathrm{\π}{k}_{\mathrm{sy}}{u}_x(x_i-\mathrm{\ζ})}}\exp (-\frac{K_1(x_i-\mathrm{\ζ})}{u_x})(\exp (-\frac{u_x{(y_i-\mathrm{\η})}^2}{4k_{\mathrm{sy}}(x_i-\mathrm{\ζ})})+\exp (-\frac{u_x{(2\mathrm{\η}-y_i)}^2}{4k_{\mathrm{sy}}(x_i-\mathrm{\ζ})}))---\left(1\right)$

步骤四、确定污染源(1)的位置

(a)对式(1)采用非线性最小二乘的方法估计污染源(1)位置

$\underset{(\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\tilde{C}}_i-C(x_i,y_i,\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})]}^2---\left(2\right)$

(b)污染物的离子扩散速率远远小于待监测河流的水流速度u_x，忽略离子扩散速率，能监测到污染物的传感器节点(2)均在污染源(1)的下游方向，得式(3)

s.t.ζ≤x_i                  (3)

在纵向扩散时，污染物近岸排放≤污染源(1)在纵轴方向上的边界β，所以η满足式(4)约束

0≤η≤β                       (4)

(c)式(2)、(3)和(4)为非线性约束最小二乘，采用信赖域算法求解，得污染源(1)位置。

2.根据权利要求1所述的河流中不透水边界的污染源定位方法，其特征在于所述传感器节点控制程序的主流程是：

S-101、初始化；

S-102、接收命令指示flag=1？

S-103、若是，则执行S-104；若否，则执行S-105；

S-104、执行命令指令；

S-105、监测离子浓度；

S-106、判断离子浓度是否异常？

S-107、若是，则执行S-108；若否，则执行S-102；

S-108、发送传感器节点(2)所测离子浓度值、坐标(xi,yi)和时间；再执行S-102。

3.根据权利要求1所述的河流中不透水边界的污染源定位方法，其特征在于所述汇聚节点控制程序的主流程是：

S-201、初始化；

S-202、设置汇聚节点(3)的控制参数；

S-203、判断计算机(5)的命令标志位flag1=1？

S-204、若是，则执行S-205；若否，则执行S-208；

S-205、接收命令，分析命令；

S-206、向传感器节点(2)广播计算机命令；

S-207、延时；

S-208、判断传感器节点(2)数据flag2=1？

S-209、若是，则执行S-210；若否，则执行S-203；

S-210、接收传感器节点(2)数据；

S-211、将接收的传感器节点(2)数据通过GPRS发送到计算机(5)；

S-212、发送完毕，再执行S-203。

4.根据权利要求1所述的河流中不透水边界的污染源定位方法，其特征在于所述污染源监测定位控制程序的主流程是：

S-301、初始化；

S-302、设置不透水边界的污染源定位模型参数；

S-303、有无命令发送？

S-304、若有，则执行S-305；若无，则执行S-306；

S-305、向汇聚节点(3)发送命令，再执行S-303；

S-306、接收数据；

S-307、一轮数据是否接收完毕？

S-308、若是，则执行S-309；若否，则执行S-306；

S-309、分析数据；

S-310、发出预警点信息；

S-311、提取节点坐标及该传感器所监测的离子浓度值；

S-312、代入河流中不透水边界的污染源定位模型；

S-313、计算污染源(1)位置坐标；

S-314、显示污染源(1)位置，再执行S-303。

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