CN105738587A - 一种水质监测系统 - Google Patents

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张丽丽
薛琳
郑效田
高正中
郑丰隆
王晓宁
卫永琴
徐沛
阮敬华
张忠伟
阚茹男
李雪莲
尤星懿
赵信广
韩凯
朱明辉
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Abstract

本发明公开了一种水质监测系统，包括传感器组，定位模块，监测中心，物理模型构建模块，虚拟作动器，虚拟传感器，仿真分析模块，数据分析处理模块，专家评估模块，显示屏，人机操作模块。本发明通过北斗短报文通讯技术进行数据的传输，无需架设通讯线路，使用方便，能全方位的对水质进行实时的检测，从而得出专家评估结果，检测结果精确度高，且可以通过物理模型的构建，对水质的后续情况进行了预测和仿真分析，也将各种水质治理方案转换成参数后作用于物理模型，实现了水质治理方案的合理选择。

Description

一种水质监测系统
技术领域
本发明涉及水质监测领域，具体涉及一种水质监测系统。
背景技术
随着社会的不断进步，环保的重要性日益提高，因此水质量检测技术的重要性日益显著，现有的水质检测方法大多采用采样后在实验室中进行检测的方法进行水质的评估，需要采用一系列的实验设备和实验操作，费时费力，检测的结果较为单一，同时单方面依靠计算软件进行计算，检测的精确度较低，水质的变化都是随着时间变化的，目前的检测系统均只能固定队某一时间段的水样的检测，功能单一。
同时，现有的水质检测信息均通过有线网或者GPRS、3G等无线方式传输，然而在无人居住的偏远地区或者山区无GPRS、3G信号，也不具备铺设通讯线路的必要性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种水质监测系统，通过北斗短报文通讯技术进行数据的传输，无需架设通讯线路，使用方便，能全方位的对水质进行实时的检测，从而得出专家评估结果，检测结果精确度高，且可以通过物理模型的构建，对水质的后续情况进行了预测和仿真分析，也将各种水质治理方案转换成参数后作用于物理模型，实现了水质治理方案的合理选择。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种水质监测系统，包括
传感器组，用于定时定量检测采集所检测段的流量、流速、水位、水温、泥沙、浊度、酸碱度、电导度、溶解氧、生化需氧量、化学需氧量、营养盐和叶绿素参数，并通过北斗模块将所采集到的数据发送到监测中心；
定位模块，与传感器复合成一体，用于定位各个传感器所在的位置，并将定位信息通过北斗模块发送到监测中心；
监测中心，用于接收水文水质信息采集模块和定位模块发送的数据，将这些数据发送到数据处理模块进行显示，发送到数据库进行储存，发动到虚拟传感器进行显示，并将这些数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；用于将定位模块发送来的数据和水文水质信息采集模块发送到虚拟传感器；
物理模型构建模块，用于接收中央处理器发现的数据建立待检测段的水质物理模型；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型构建模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；
虚拟传感器，为在待检测段的水质物理模型中插入一些各类型的虚拟结构来达到直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元，用于接收各功能传感器所检测到的数据、定位模块的定位数据，并进行显示；
仿真分析模块，用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束的参数，再结合仿真分析方法进行不同的参数进行计算求解；
数据分析处理模块，用于对接收到的环境数据进行计算，得出水质环境结果，并将所得水质环境结果发送到显示屏进行显示和储存；
专家评估模块，用于储存各类典型的水质环境数据以及其所可能带来的水质灾害情况，用于将接收到的水质环境数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；内设一网络爬虫进程，用于在网络中查找与所接收的水质环境数据相关的网页或文档，并将查询结果发送到显示屏；
显示屏，用于显示水质环境结果、专家评估结果以及网络相关数据查询结果，并基于水质环境结果输出表征水质环境的二维结果图、三维结果图；
人机操作模块，用于输入信息调用命令，所述中央处理器根据信息调用命令，从数据储存模块中调用人们所需的数据信息；通过显示屏显示监控中心所调用的数据信息。
优选地，所述传感器组包括流速传感器、流量传感器、水压传感器、水温传感器、含氧量传感器和pH值传感器。
优选地，所述虚拟传感器包括通用虚拟传感器和专用虚拟传感器。
优选地，所述数据处理模块包括
几何模型建立模块，用于基于所述研究区水文水质条件、地形地貌建立相应的几何模型；
模型分层模块，用于接收所述建立几何模型模块输出的几何模型，并对所述几何模型进行分层；
边界划分处理模块，用于基于研究区实际地形地貌、水质情况设置所述几何模型边界；
实体设置模块，用于表示一区域是否有河流、降雨量、蒸发，设置所述几何模型的源汇项；
网格划分模块，用于对所述几何模型进行网格划分；
参数输入模块，用于接受所述监测模块获得的所述环境数据，将所述环境数据传送至所述输入参数模块；
数学模型选择模块，用于基于要解决的水质灾害类型，选择数学模型模块类型；
模型求解计算模块，用于基于所述数学模型选择模块选择的所述数学模型模块，选择所述求解计算模块对数学模型进行计算；
模型校正模块，用于将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模拟结果在预定的误差范围内与实测结果吻合；
参数灵敏度分析模块，用于基于参数值的时空分布、边界条件不确定度的影响，确定不确定度对校正后的模型的影响程度。
优选地，所述定位模块为北斗模块、RFID芯片、电子罗盘芯片和单片机，北斗模块、RFID芯片、电子罗盘芯片均与单片机相连，RFID芯片用于识别各个传感器的类别。
优选地，所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。
优选地，所述显示屏内安装有
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；
回归计算模块，用于通过不同函数对实测数据曲线进行回归计算。
优选地，所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或转移数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随水流段地理位置的变化规律。
本发明具有以下有益效果：
通过北斗短报文通讯技术进行数据的传输，无需架设通讯线路，使用方便，能全方位的对水质进行实时的检测，从而得出专家评估结果，检测结果精确度高，且可以通过物理模型的构建，对水质的后续情况进行了预测和仿真分析，也将各种水质治理方案转换成参数后作用于物理模型，实现了水质治理方案的合理选择。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种水质监测系统，包括
传感器组，用于定时定量检测采集所检测段的流量、流速、水位、水温、泥沙、浊度、酸碱度、电导度、溶解氧、生化需氧量、化学需氧量、营养盐和叶绿素参数，并通过北斗模块将所采集到的数据发送到监测中心；
定位模块，与传感器复合成一体，用于定位各个传感器所在的位置，并将定位信息通过北斗模块发送到监测中心；
监测中心，用于接收水文水质信息采集模块和定位模块发送的数据，将这些数据发送到数据处理模块进行显示，发送到数据库进行储存，发动到虚拟传感器进行显示，并将这些数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；用于将定位模块发送来的数据和水文水质信息采集模块发送到虚拟传感器；
物理模型构建模块，用于接收中央处理器发现的数据建立待检测段的水质物理模型；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型构建模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；
虚拟传感器，为在待检测段的水质物理模型中插入一些各类型的虚拟结构来达到直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元，用于接收各功能传感器所检测到的数据、定位模块的定位数据，并进行显示；
仿真分析模块，用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束的参数，再结合仿真分析方法进行不同的参数进行计算求解；
数据分析处理模块，用于对接收到的环境数据进行计算，得出水质环境结果，并将所得水质环境结果发送到显示屏进行显示和储存；
专家评估模块，用于储存各类典型的水质环境数据以及其所可能带来的水质灾害情况，用于将接收到的水质环境数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；内设一网络爬虫进程，用于在网络中查找与所接收的水质环境数据相关的网页或文档，并将查询结果发送到显示屏；
显示屏，用于显示水质环境结果、专家评估结果以及网络相关数据查询结果，并基于水质环境结果输出表征水质环境的二维结果图、三维结果图；
人机操作模块，用于输入信息调用命令，所述中央处理器根据信息调用命令，从数据储存模块中调用人们所需的数据信息；通过显示屏显示监控中心所调用的数据信息。
所述传感器组包括流速传感器、流量传感器、水压传感器、水温传感器、含氧量传感器和pH值传感器。
所述虚拟传感器包括通用虚拟传感器和专用虚拟传感器。
所述数据处理模块包括
几何模型建立模块，用于基于所述研究区水文水质条件、地形地貌建立相应的几何模型；
模型分层模块，用于接收所述建立几何模型模块输出的几何模型，并对所述几何模型进行分层；
边界划分处理模块，用于基于研究区实际地形地貌、水质情况设置所述几何模型边界；
实体设置模块，用于表示一区域是否有河流、降雨量、蒸发，设置所述几何模型的源汇项；
网格划分模块，用于对所述几何模型进行网格划分；
参数输入模块，用于接受所述监测模块获得的所述环境数据，将所述环境数据传送至所述输入参数模块；
数学模型选择模块，用于基于要解决的水质灾害类型，选择数学模型模块类型；
模型求解计算模块，用于基于所述数学模型选择模块选择的所述数学模型模块，选择所述求解计算模块对数学模型进行计算；
模型校正模块，用于将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模拟结果在预定的误差范围内与实测结果吻合；
参数灵敏度分析模块，用于基于参数值的时空分布、边界条件不确定度的影响，确定不确定度对校正后的模型的影响程度。
所述定位模块为北斗模块、RFID芯片、电子罗盘芯片和单片机，北斗模块、RFID芯片、电子罗盘芯片均与单片机相连，RFID芯片用于识别各个传感器的类别。
所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。
所述显示屏内安装有
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；
回归计算模块，用于通过不同函数对实测数据曲线进行回归计算。
所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或转移数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随水流段地理位置的变化规律，
以上仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水质监测系统，其特征在于，包括
传感器组，用于定时定量检测采集所检测段的流量、流速、水位、水温、泥沙、浊度、酸碱度、电导度、溶解氧、生化需氧量、化学需氧量、营养盐和叶绿素参数，并通过北斗模块将所采集到的数据发送到监测中心；
定位模块，与传感器复合成一体，用于定位各个传感器所在的位置，并将定位信息通过北斗模块发送到监测中心；
监测中心，用于接收水文水质信息采集模块和定位模块发送的数据，将这些数据发送到数据处理模块进行显示，发送到数据库进行储存，发动到虚拟传感器进行显示，并将这些数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；用于将定位模块发送来的数据和水文水质信息采集模块发送到虚拟传感器；
物理模型构建模块，用于接收中央处理器发现的数据建立待检测段的水质物理模型；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型构建模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；
虚拟传感器，为在待检测段的水质物理模型中插入一些各类型的虚拟结构来达到直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元，用于接收各功能传感器所检测到的数据、定位模块的定位数据，并进行显示；
仿真分析模块，用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束的参数，再结合仿真分析方法进行不同的参数进行计算求解；
数据分析处理模块，用于对接收到的环境数据进行计算，得出水质环境结果，并将所得水质环境结果发送到显示屏进行显示和储存；
专家评估模块，用于储存各类典型的水质环境数据以及其所可能带来的水质灾害情况，用于将接收到的水质环境数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；内设一网络爬虫进程，用于在网络中查找与所接收的水质环境数据相关的网页或文档，并将查询结果发送到显示屏；
显示屏，用于显示水质环境结果、专家评估结果以及网络相关数据查询结果，并基于水质环境结果输出表征水质环境的二维结果图、三维结果图；
人机操作模块，用于输入信息调用命令，所述中央处理器根据信息调用命令，从数据储存模块中调用人们所需的数据信息；通过显示屏显示监控中心所调用的数据信息。
2.根据权利要求1所述的一种水质监测系统，其特征在于，所述传感器组包括流速传感器、流量传感器、水压传感器、水温传感器、含氧量传感器和pH值传感器。
3.根据权利要求1所述的一种水质监测系统，其特征在于，所述虚拟传感器包括通用虚拟传感器和专用虚拟传感器。
4.根据权利要求1所述的一种水质监测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括
几何模型建立模块，用于基于所述研究区水文水质条件、地形地貌建立相应的几何模型；
模型分层模块，用于接收所述建立几何模型模块输出的几何模型，并对所述几何模型进行分层；
边界划分处理模块，用于基于研究区实际地形地貌、水质情况设置所述几何模型边界；
实体设置模块，用于表示一区域是否有河流、降雨量、蒸发，设置所述几何模型的源汇项；
网格划分模块，用于对所述几何模型进行网格划分；
参数输入模块，用于接受所述监测模块获得的所述环境数据，将所述环境数据传送至所述输入参数模块；
数学模型选择模块，用于基于要解决的水质灾害类型，选择数学模型模块类型；
模型求解计算模块，用于基于所述数学模型选择模块选择的所述数学模型模块，选择所述求解计算模块对数学模型进行计算；
模型校正模块，用于将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模拟结果在预定的误差范围内与实测结果吻合；
参数灵敏度分析模块，用于基于参数值的时空分布、边界条件不确定度的影响，确定不确定度对校正后的模型的影响程度。
5.根据权利要求1所述的一种水质监测系统，其特征在于，所述定位模块为北斗模块、RFID芯片、电子罗盘芯片和单片机，北斗模块、RFID芯片、电子罗盘芯片均与单片机相连，RFID芯片用于识别各个传感器的类别。
6.根据权利要求1所述的一种水质监测系统，其特征在于，所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。
7.根据权利要求1所述的一种水质监测系统，其特征在于，所述显示屏内安装有
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；
回归计算模块，用于通过不同函数对实测数据曲线进行回归计算。
8.根据权利要求7所述的一种水质监测系统，其特征在于，所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或转移数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随水流段地理位置的变化规律。
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