CN106855565A - 一种基于信息融合技术的动态水质监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，涉及水质监测技术，用于解决现有技术中，机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低的问题。它包括采集模块、预处理模块、动态分析模块、信息融合模块以及GPS模块；所述采集模块包括柱状的壳体，位于壳体上端的上盖，位于壳体下端的采集端头，位于壳体外壁的浮力盘，所述壳体外壁设有第一开口，所述浮力盘上表面设有第一凸起，所述壳体内部设有升降转轴。通过调节采集端头纵向浸水深度，横向移动距离以及横向转动角度，实现动态COD指标采样，提高机动监测能力。本发明还公开了一种基于信息融合技术的动态水质监测方法。

Description

一种基于信息融合技术的动态水质监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水质监测技术，具体来说，是一种基于信息融合技术的动态水质监测系统及方法。

背景技术

水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水)及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等；另一类是一些有毒物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。

水利系统水质监测工作经历了几十年的发展，首先在水文部门内增设了水质监测机构，进而建立健全了各流域水质监测中心，现已建成了覆盖全国的水质监测网络体系，实现了对水质的有效监测，在水质监测项目上，也由从天然水化学监测发展延伸而来，具有了综合河流天然水化学特征与河流水污染特征的监测。

在水利系统的水质监测是与水文站相结合的，充分利用了采样上具备的便利的条件，可以实现代表性强的高频次监测，具有流域管理和水量，水质同时监测的优势，结合水功能区管理要求，掌握国家确定的重要江河、湖泊、跨省(自治区、直辖市)的江河、湖泊水体，省界水体、重要供水水源地、主要入河排污口的水质情况，有可能完成掌握突发性水污染事故以及洪水淹没、河流断流后的复流、污水闸坝调度与水库调度等重要过程的水质突变情况。

专利文献CN 102331485 B一种便携式水质监测仪，包括上位机和下位机，上位机和下位机通过通信中间件或者无线通讯部分连接，上位机包含上位机人机界面部分；下位机包含单片机、数据采集部分、扩展SDRAM部分以及下位机人机界面部分，数据采集部分具有通过可伸缩式SDI-12接口总线与单片机连接的SDI-12传感器，该SDI-12接口总线通过节节型接口连接至少一个SDI-12传感器；无线通讯部分包括GPRS无线模块；电源部分包括自带电源、太阳能电源，以及当太阳能电源提供的电压不足以维持水质监测仪工作时，将电源切换到自带电源的电源管理模块。本发明能使便携式水质监测仪接入的传感器个数不受限制、数据传输简单、数据存储量大。

其中，COD是最常用的评价水体污染程度的综合性指标。COD指标由于测量方便，费用低，适用范围广等优点已成为我国水质监测中必测的一项指标。但在水质成分复杂，水中无机还原性污染物、难降解有机物含量高时，用COD指标来表征有机污染程度会出现很大的偏差。并且由于COD的标准测定方法易受干扰，使得COD的测定值与理论值相差较大。

为客观的评价江河和海洋水质的状况，除上述带传感器的监测仪监测外，有时需进行动态COD指标采样，通过跟踪流速和流量，以便及时了解动态的有机污染程度。现有技术中，机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低，无法及时掌握突发性水污染事故以及洪水淹没、河流断流后的复流、污水闸坝调度与水库调度等重要水利过程的水质中COD突变情况。

发明内容

本发明目的是旨在提供了一种通过调节采集端头纵向浸水深度，横向移动距离以及横向转动角度，实现动态COD指标采样，提高机动监测能力的基于信息融合技术的动态水质监测系统。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，包括采集模块、预处理模块、动态分析模块、信息融合模块以及GPS模块；所述采集模块包括柱状的壳体，位于壳体上端的上盖，位于壳体下端的采集端头，位于壳体外壁的浮力盘，所述壳体外壁设有第一开口，所述浮力盘上表面设有第一凸起，所述壳体内部设有升降转轴，所述升降转轴下端设有第一平台，所述第一平台下表面设有用于插入第一凸起的第一凹槽。

采用上述技术方案的发明，利用升降转轴控制采集端头浸水深度，以便提取不同水质层的样品，水中有机污染物主要以还原态的形式出现，当水中的生物以有机物为养料进行分解时，会不断消耗水中的溶解氧。COD指标正是基于生物分解有机物需耗氧这一点出发，由氧化剂的氧化能力来代替水中生物分解有机物的能力。因此COD可以作为有机物污染程度的指标，其数值很直观地表示了水体受有机污染的程度，且对于不同水体的比较也相对简单。通过预处理模块、动态分析模块、信息融合模块以及GPS模块，实现数据的采集，数据的上传，完成数据的动态监控。

增设浮力盘，便于采集端头提取不同水质层的样品的动态COD指标。另外，不同水质层中，有着不同的生物群落，对有机物的降解能力也不一样。通过采集端头动态COD指标采样，能减少因不同水质层降解能力的偏差，造成COD值引起的污染程度的误差。

进一步限定，所述第一开口为两个，对称设置在壳体外壁两侧，所述升降转轴外圈设有沿第一开口滑动的第一突起。

通过相互配合的第一开口和第一突起，便于控制采集端头提取不同水质层的样品的动态COD指标。

进一步限定，还包括中空的第一驱动臂和中空的第二驱动臂，所述第一驱动臂上端延伸进壳体，且连接浮力盘，所述第一驱动臂下端铰接第二驱动臂后端；

所述第一驱动臂内腔设有第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述第一驱动臂外圈设有旋转转轴，所述旋转转轴输出轴连接第一齿轮，所述第一齿轮通过齿轮啮合驱动第二齿轮，所述第二齿轮通过齿轮啮合驱动第三齿轮；

所述第二驱动臂内腔设有第一伸缩杆、第二伸缩杆和涡轮齿轮，所述第一伸缩杆内套有第二伸缩杆，所述第二伸缩杆后端和涡轮齿轮同轴，且所述涡轮齿轮和第三齿轮通过齿轮传动，所述第二伸缩杆前端设有采集端头。

进一步限定，所述第一伸缩杆内壁设有第一滑槽，所述第二伸缩杆外壁设有第一滑条。

进一步限定，所述采集端头设有6～8个取样孔。

增设6～8个取样孔，能同时提取多处的水质层的样品。

进一步限定，所述第二伸缩杆前端设有第一条形孔，所述第一伸缩杆外壁设有第一限位结构，所述第一限位结构包括用于插入第一条形孔的第一横条，复位弹簧，所述复位弹簧一端连接第一伸缩杆外壁，一端连接第一横条。

进一步限定，还包括用于连接第一驱动臂和第二驱动臂的连接件，所述连接件包括上连接件和下连接件；

所述上连接件包括上连接底板，对称设置在上连接底板两侧的上连接支耳，上活动转轴，所述上连接支耳下端连接上连接底板，其上端贯穿上活动转轴；

所述下连接件包括下连接底板和下联轴器，所述下联轴器上端连接下连接底板，其内部设有用于放置的涡轮齿轮的第一空腔。

进一步限定，所述上盖下端外圈设有锁定凸起，所述浮力盘上端设有和锁定凸起匹配的锁定孔。

进一步限定，所述第一驱动臂表面涂有防水材料层，所述第二驱动臂表面涂有防水材料层。

增设防水材料层，避免设备被腐蚀。

本发明还提供了一种基于信息融合技术的动态水质监测方法，包括以下步骤，

步骤一，采集数据，首先利用采集模块采集水质层数据，S1，利用相互配合的第一驱动臂和第二驱动臂，进而调节采集端头纵向浸水深度，进入不同水质层；S2，独有的旋转转轴设计，利用齿轮传动，精准控制采集端头同一水质层，横向移动距离；S3，采用上连接件和下连接件，调节采集端头同一水质层，横向转动角度；

步骤二，动态分析，把采集到的4种数据经过预处理模块初次去重后，送入信息融合模块，利用多融合算法进行技术特征比对，完成二次去重，4种数据分别是COD信息水面层数据，COD信息水体层数据，COD信息上覆水层数据，COD信息底泥层数据；

步骤三，上传数据，利用多融合算法进行技术特征比对二次去重后的数据，通过GPS模块上传至数据库。

本发明相比现有技术，实现动态采样，加强水资源管理与保护工作需要水质监测有超前发展，通过水质监测的基础数据，分析水的承载力，按照水功能区的不同，确认水环境容量，建立水环境的评估与决策模型，分析和掌握污染物水体中稀释扩散和自净化过程与平衡关系，制定减量或禁止排放的规划与实施方案，指导水利工程，治理工程，使水环境与社会经济协调发展，水资源管理与保护工作为经济发展服务，水利成为社会经济持续发展的资源保障。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明一种基于信息融合技术的动态水质监测系统示意图；

图2为本发明一种基于信息融合技术的动态水质监测系统流程图；

图3为本发明采集模块示意图(状态一)；

图4为图1中A-A剖面视图；

图5为本发明采集模块示意图(状态二)；

图6为本发明采集模块示意图(状态三)；

主要元件符号说明如下：

采集模块1，壳体2，上盖3，采集端头4，浮力盘5，第一开口6，第一凸起7，升降转轴8，第一平台9，第一凹槽10，第一突起11，第一驱动臂12，第二驱动臂13，第一齿轮14，第二齿轮15，第三齿轮16，第一伸缩杆17，第二伸缩杆18，涡轮齿轮19，第一滑槽20，第一滑条21，第一条形孔22，第一横条23，上连接件24，上连接底板241，上连接支耳242，上活动转轴243，下连接件25，下连接底板251，下联轴器252，锁定凸起26，锁定孔27，泡沫层28，旋转转轴29。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

实施例一，

如图3，图4，图5，图6所示，一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，包括采集模块1、预处理模块、动态分析模块、信息融合模块以及GPS模块；采集模块1包括柱状的壳体2，位于壳体2上端的上盖3，位于壳体2下端的采集端头4，位于壳体2外壁的浮力盘5，壳体2外壁设有第一开口6，浮力盘5上表面设有第一凸起7，壳体2内部设有升降转轴8，升降转轴8下端设有第一平台9，第一平台9下表面设有用于插入第一凸起7的第一凹槽10。

第一开口6为两个，对称设置在壳体2外壁两侧，升降转轴8外圈设有沿第一开口6滑动的第一突起11。

还包括中空的第一驱动臂12和中空的第二驱动臂13，第一驱动臂12上端延伸进壳体2，且连接浮力盘5，第一驱动臂12下端铰接第二驱动臂13后端；

第一驱动臂12内腔设有第一齿轮14、第二齿轮15和第三齿轮16，第一驱动臂12外圈设有旋转转轴29，旋转转轴29输出轴连接第一齿轮14，第一齿轮14通过齿轮啮合驱动第二齿轮15，第二齿轮15通过齿轮啮合驱动第三齿轮16；

第二驱动臂13内腔设有第一伸缩杆17、第二伸缩杆18和涡轮齿轮19，第一伸缩杆17内套有第二伸缩杆18，第二伸缩杆18后端和涡轮齿轮19同轴，且涡轮齿轮19和第三齿轮16通过齿轮传动，第二伸缩杆18前端设有采集端头4。

第一伸缩杆17内壁设有第一滑槽20，第二伸缩杆18外壁设有第一滑条21。

采集端头4设有6个取样孔。

第二伸缩杆18前端设有第一条形孔22，第一伸缩杆17外壁设有第一限位结构，第一限位结构包括用于插入第一条形孔22的第一横条23，复位弹簧，复位弹簧一端连接第一伸缩杆17外壁，一端连接第一横条23。

实施例二，

如图3，图4，图5，图6所示，一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，包括采集模块1、预处理模块、动态分析模块、信息融合模块以及GPS模块；采集模块1包括柱状的壳体2，位于壳体2上端的上盖3，位于壳体2下端的采集端头4，位于壳体2外壁的浮力盘5，壳体2外壁设有第一开口6，浮力盘5上表面设有第一凸起7，壳体2内部设有升降转轴8，升降转轴8下端设有第一平台9，第一平台9下表面设有用于插入第一凸起7的第一凹槽10。

第一开口6为两个，对称设置在壳体2外壁两侧，升降转轴8外圈设有沿第一开口6滑动的第一突起11。

还包括中空的第一驱动臂12和中空的第二驱动臂13，第一驱动臂12上端延伸进壳体2，且连接浮力盘5，第一驱动臂12下端铰接第二驱动臂13后端；

第一驱动臂12内腔设有第一齿轮14、第二齿轮15和第三齿轮16，第一驱动臂12外圈设有旋转转轴29，旋转转轴29输出轴连接第一齿轮14，第一齿轮14通过齿轮啮合驱动第二齿轮15，第二齿轮15通过齿轮啮合驱动第三齿轮16；

第二驱动臂13内腔设有第一伸缩杆17、第二伸缩杆18和涡轮齿轮19，第一伸缩杆17内套有第二伸缩杆18，第二伸缩杆18后端和涡轮齿轮19同轴，且涡轮齿轮19和第三齿轮16通过齿轮传动，第二伸缩杆18前端设有采集端头4。

第一伸缩杆17内壁设有第一滑槽20，第二伸缩杆18外壁设有第一滑条21。

采集端头4设有6个取样孔。

第二伸缩杆18前端设有第一条形孔22，第一伸缩杆17外壁设有第一限位结构，第一限位结构包括用于插入第一条形孔22的第一横条23，复位弹簧，复位弹簧一端连接第一伸缩杆17外壁，一端连接第一横条23。

还包括用于连接第一驱动臂12和第二驱动臂13的连接件，连接件包括上连接件24和下连接件25；

上连接件24包括上连接底板241，对称设置在上连接底板241两侧的上连接支耳242，上活动转轴243，上连接支耳242下端连接上连接底板241，其上端贯穿上活动转轴243；

下连接件25包括下连接底板251和下联轴器252，下联轴器252上端连接下连接底板251，其内部设有用于放置的涡轮齿轮19的第一空腔。

上盖3下端外圈设有锁定凸起26，浮力盘5上端设有和锁定凸起26匹配的锁定孔27。

第一驱动臂12表面涂有防水材料层，第二驱动臂13表面涂有防水材料层。

上述实施例一和实施例二的区别在于，相对实施例一来说，实施例二中，增设用于连接第一驱动臂和第二驱动臂的连接件，便于调整采集端头的角度，利于采集不同水质层的样品的动态COD指标。

如图1，图2所示，一种基于信息融合技术的动态水质监测方法，包括以下步骤，

步骤一，采集数据，首先利用采集模块采集水质层数据，S1，利用相互配合的第一驱动臂和第二驱动臂，进而调节采集端头纵向浸水深度，进入不同水质层；S2，独有的旋转转轴设计，利用齿轮传动，精准控制采集端头同一水质层，横向移动距离；S3，采用上连接件和下连接件，调节采集端头同一水质层，横向转动角度；

步骤二，动态分析，把采集到的4种数据经过预处理模块初次去重后，送入信息融合模块，利用多融合算法进行技术特征比对，完成二次去重，4种数据分别是COD信息水面层数据，COD信息水体层数据，COD信息上覆水层数据，COD信息底泥层数据；

步骤三，上传数据，利用多融合算法进行技术特征比对二次去重后的数据，通过GPS模块上传至数据库。

以上对本发明提供的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统及方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：包括采集模块、预处理模块、动态分析模块、信息融合模块以及GPS模块；所述采集模块包括柱状的壳体，位于壳体上端的上盖，位于壳体下端的采集端头，位于壳体外壁的浮力盘，所述壳体外壁设有第一开口，所述浮力盘上表面设有第一凸起，所述壳体内部设有升降转轴，所述升降转轴下端设有第一平台，所述第一平台下表面设有用于插入第一凸起的第一凹槽。

2.根据权利要求1所述的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：所述第一开口为两个，对称设置在壳体外壁两侧，所述升降转轴外圈设有沿第一开口滑动的第一突起。

3.根据权利要求2所述的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：还包括中空的第一驱动臂和中空的第二驱动臂，所述第一驱动臂上端延伸进壳体，且连接浮力盘，所述第一驱动臂下端铰接第二驱动臂后端；

所述第一驱动臂内腔设有第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述第一驱动臂外圈设有旋转转轴，所述旋转转轴输出轴连接第一齿轮，所述第一齿轮通过齿轮啮合驱动第二齿轮，所述第二齿轮通过齿轮啮合驱动第三齿轮；

所述第二驱动臂内腔设有第一伸缩杆、第二伸缩杆和涡轮齿轮，所述第一伸缩杆内套有第二伸缩杆，所述第二伸缩杆后端和涡轮齿轮同轴，且所述涡轮齿轮和第三齿轮通过齿轮传动，所述第二伸缩杆前端设有采集端头。

4.根据权利要求3所述的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：所述第一伸缩杆内壁设有第一滑槽，所述第二伸缩杆外壁设有第一滑条。

5.根据权利要求4所述的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：所述采集端头设有6～8个取样孔。

6.根据权利要求5所述的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：所述第二伸缩杆前端设有第一条形孔，所述第一伸缩杆外壁设有第一限位结构，所述第一限位结构包括用于插入第一条形孔的第一横条，复位弹簧，所述复位弹簧一端连接第一伸缩杆外壁，一端连接第一横条。

7.根据权利要求6所述的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：还包括用于连接第一驱动臂和第二驱动臂的连接件，所述连接件包括上连接件和下连接件；

所述上连接件包括上连接底板，对称设置在上连接底板两侧的上连接支耳，上活动转轴，所述上连接支耳下端连接上连接底板，其上端贯穿上活动转轴；

所述下连接件包括下连接底板和下联轴器，所述下联轴器上端连接下连接底板，其内部设有用于放置的涡轮齿轮的第一空腔。

8.根据权利要求7所述的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：所述上盖下端外圈设有锁定凸起，所述浮力盘上端设有和锁定凸起匹配的锁定孔。

9.根据权利要求3或4或5或6或7或8所述的一种基于信息融合技术的动态水质监测系统，其特征在于：所述第一驱动臂表面涂有防水材料层，所述第二驱动臂表面涂有防水材料层。

10.一种基于信息融合技术的动态水质监测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，采集数据，首先利用采集模块采集水质层数据，S1，利用相互配合的第一驱动臂和第二驱动臂，进而调节采集端头纵向浸水深度，进入不同水质层；S2，独有的旋转转轴设计，利用齿轮传动，精准控制采集端头同一水质层，横向移动距离；S3，采用上连接件和下连接件，调节采集端头同一水质层，横向转动角度；

步骤二，动态分析，把采集到的4种数据经过预处理模块初次去重后，送入信息融合模块，利用多融合算法进行技术特征比对，完成二次去重，4种数据分别是COD信息水面层数据，COD信息水体层数据，COD信息上覆水层数据，COD信息底泥层数据；

步骤三，上传数据，利用多融合算法进行技术特征比对二次去重后的数据，通过GPS模块上传至数据库。