CN108769945A - 流域水环境有机污染物监测预警系统 - Google Patents

流域水环境有机污染物监测预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了流域水环境有机污染物监测预警系统，该系统包括传感监测装置和分析预警装置，传感监测装置用于采集待监测的流域水环境的有机污染物浓度数据；分析预警装置用于根据有机污染物浓度数据分析流域水环境的污染严重程度，并根据污染严重程度发出预警信号。

Description

流域水环境有机污染物监测预警系统
技术领域
本发明涉及水质监测技术领域，具体涉及流域水环境有机污染物监测预警系统。
背景技术
传统的江河流域水环境监测主要是设置定点监测站、抽样调查、现场观察和测量等方法，这些监测手段和方法不仅耗费人力、物力、财力资源而且效率也十分低下。
发明内容
针对上述问题，本发明提供流域水环境有机污染物监测预警系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了流域水环境有机污染物监测预警系统，该系统包括传感监测装置和分析预警装置，传感监测装置用于采集待监测的流域水环境的有机污染物浓度数据；分析预警装置用于根据有机污染物浓度数据分析流域水环境的污染严重程度，并根据污染严重程度发出预警信号。
优选地，所述分析预警装置包括分析模块和预警模块，所述分析模块用于根据有机污染物浓度数据分析流域水环境的污染严重程度，并输出污染严重程度分析结果；所述预警模块在流域水环境的污染严重程度超过设定的阈值时发出预警信号。
优选地，所述分析模块包括阈值预设单元和判断单元；阈值预设单元用于预设各有机污染物浓度的安全阈值；判断单元用于将有机污染物浓度数据与相应的安全阈值进行比较，在有机污染物浓度数据超出相应的安全阈值时，判断该有机污染物浓度数据异常，并根据异常的有机污染物浓度数据数量确定流域水环境的污染严重程度。
本发明的有益效果为：本发明基于无线传感器网络技术，实现了对流域水环境有机污染物浓度的自动实时监测和在线预警，节省了人力物力。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的流域水环境有机污染物监测预警系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的分析预警装置的结构示意框图。
附图标记：
传感监测装置1、分析预警装置2、分析模块10、预警模块20。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本发明实施例提供了流域水环境有机污染物监测预警系统，该系统包括传感监测装置1和分析预警装置2，传感监测装置1用于采集待监测的流域水环境的有机污染物浓度数据；分析预警装置2用于根据有机污染物浓度数据分析流域水环境的污染严重程度，并根据污染严重程度发出预警信号。
在一个实施例中，如图2所示，所述分析预警装置2包括分析模块10和预警模块20，所述分析模块10用于根据有机污染物浓度数据分析流域水环境的污染严重程度，并输出污染严重程度分析结果；所述预警模块20在流域水环境的污染严重程度超过设定的阈值时发出预警信号。
其中，所述分析模块10包括阈值预设单元和判断单元；阈值预设单元用于预设各有机污染物浓度的安全阈值；判断单元用于将有机污染物浓度数据与相应的安全阈值进行比较，在有机污染物浓度数据超出相应的安全阈值时，判断该有机污染物浓度数据异常，并根据异常的有机污染物浓度数据数量确定流域水环境的污染严重程度。在一种实施方式中，可以设置第一、第二、第三数量阈值，异常的有机污染物浓度数据数量超过第一数量阈值但未超过第二数量阈值时，设置污染严重程度为低等程度污染；异常的有机污染物浓度数据数量超过第二数量阈值但未超过第三数量阈值时，设置污染严重程度为中等程度污染等等。在一种实施方式中，可以根据不同类型的异常的有机污染物浓度数据数量来确定流域水环境的污染严重程度。例如，当多种类型的异常的有机污染物浓度数量都超过某个设定的阈值时，判定污染严重程度为重度污染等。本实施例对此不作限定。
本发明上述实施例基于无线传感器网络技术，实现了对流域水环境有机污染物浓度的自动实时监测和在线预警，节省了人力物力。
在一个实施例中，传感监测装置包括汇聚节点和多个用于采集所述有机污染物浓度数据的传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中多个汇聚节点部署于设定的待监测的流域水环境区域边缘，多个传感器节点部署于该待监测的流域水环境区域内；初始时，所述多个传感器节点根据预定的分簇机制完成分簇并选取簇头；在路径发现阶段，簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的各汇聚节点的最优路径，并根据寻找到的最优路径建立自身到与该最优路径对应的汇聚节点的链路；在数据传输阶段，传感器节点将采集的有机污染物浓度数据发送至对应的簇头，簇头在所能通向的各汇聚节点中选择一个汇聚节点作为目的节点，将有机污染物浓度数据通过对应的最优路径发送至目的节点。
在一个实施例中，所述传感器节点包括用于监测流域水环境的有机污染物浓度的传感器和用于将传感器信号转换为对应的有机污染物浓度数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
在一种实施方式中，簇头选择链路总开销最小的最优路径发送有机污染物浓度数据，从而将有机污染物浓度数据发送至与该最优路径对应的目的节点。
在一个实施例中，簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的每个汇聚节点的最优路径，具体包括：
(1)簇头s0定期产生一定数量的前向蚂蚁报文，随机选择通信范围内的另一个簇头进行转发，并启动第一超时时钟，所述前向蚂蚁报文携带有簇头s0的节点标识；
(2)当前向蚂蚁报文δ到达簇头s1时，簇头s1在其通信范围内概率地选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头，继续转发前向蚂蚁报文δ；
(3)若簇头s1已选择簇头s2转发前向蚂蚁报文δ，则将自身的节点标识加入前向蚂蚁报文δ的地址链表，按照下列公式更新前向蚂蚁报文δ中记录的当前链路总开销，并将前向蚂蚁报文δ发送给簇头s2：
式中，Ey表示更新后的链路总开销，Ey-1表示更新前的链路总开销，初始时链路总开销为0，E为设定的单位距离链路开销值，为簇头s1与簇头s2之间的距离；
(4)按照(2)、(3)继续转发前向蚂蚁报文δ，直至将其发送到任意一个汇聚节点；
(5)汇聚节点oj收到簇头s0产生的前向蚂蚁报文δ时启动第二超时时钟，对于在第二超时时钟超时前收到的多个簇头s0产生的前向蚂蚁报文，汇聚节点oj选择当前链路总开销最小的前向蚂蚁报文作为标准前向蚂蚁报文，并根据标准前向蚂蚁报文产生后向蚂蚁报文，将后向蚂蚁报文沿着标准前向蚂蚁报文的逆路径发送出去，其中后向蚂蚁报文携带有标准前向蚂蚁报文的地址链表、汇聚节点oj标识、链路总开销；
(6)当簇头s3收到簇头s4发送的后向蚂蚁报文时，提取簇头s4的节点标识以及汇聚节点oj标识，并保存在本地，簇头s3更新自身至簇头s4的链路的信息素浓度；
(7)当前簇头按照后向蚂蚁报文的地址链表指示的信息继续转发后向蚂蚁报文，直至后向蚂蚁报文到达簇头s0；
(8)簇头s0对在第一超时时钟超时之前收到的后向蚂蚁报文，按照(6)提取、更新相应的信息，从而得到与收到的后向蚂蚁报文数量相同的到不同汇聚节点的路径；其中簇头s0收到一个后向蚂蚁报文，表示有一条通向该后向蚂蚁报文所记录的汇聚节点的路径。
本实施例中，各簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的汇聚节点的最优路径，当簇头到一个汇聚节点拥有多条路径时，由汇聚节点选择当前链路总开销最小的前向蚂蚁报文作为标准前向蚂蚁报文，并根据标准前向蚂蚁报文产生后向蚂蚁报文，将后向蚂蚁报文沿着标准前向蚂蚁报文的逆路径发送出去，从而使得对于通向同一个汇聚节点的多条路径，始终能够选择总链路开销最小的路径作为通向该汇聚节点的最优路径，有利于延长无线传感器网络的生命周期。
在一个实施中，簇头s1在其通信范围内按照下列公式概率地选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头：
式中，Wa表示簇头s1在其通信范围内选择第a个簇头来转发前向蚂蚁报文δ的概率，表示簇头s1与所述第a个簇头的链路上的信息素浓度，Pa0为所述第a个簇头的初始能量，Pa为所述第a个簇头的当前剩余能量，Pmin为设定的最小能量值，为簇头s1与所述第a个簇头之间的距离；为簇头s1通信范围内没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头数量，表示簇头s1与其通信范围内没有转发过前向蚂蚁报文δ的第b个簇头的链路上的信息素浓度，Pb0为所述第b个簇头的初始能量，Pb为所述第b个簇头的当前剩余能量，为簇头s1与所述第b个簇头之间的距离；y1、y2、y3皆为设定的权重系数。
本实施例进一步改进了概率选择公式，能够更加优化下一跳簇头的选择，从而有利于提高所寻找路径的稳定性，缩短路径长度。
在一个实施例中，信息素浓度的更新公式为：
式中，C(s3,s4)′表示更新后的簇头s3,s4之间链路上的信息素浓度，C(s3,s4)为更新前的簇头s3,s4之间链路上的信息素浓度，u为信息素的挥发度；为将标准前向蚂蚁报文从始发的簇头发送至汇聚节点oj总的跳数；ΔC为预设常量，表示一次更新中所释放的信息素的总量；M为部署的传感器节点数量。
本实施例进一步改进了信息素浓度更新公式，使得在每次信息素更新的过程中，每条链路所增加的信息素浓度由路径的跳数决定，使得跳数较少的路径的各链路增加的信息素浓度更多，有利于使得簇头在初始阶段便可沿着相对较优的路径转发蚂蚁报文。
在一个实施例中，所述预定的分簇机制，具体为：
(1)采用虚拟正六边形网格将设定的监测区域划分为N个子区间，单个子区间内的所有传感器节点构成一个簇；
(2)对于每个子区间，子区间内的所有传感器节点构建链路，链路上权值最大的传感器节点成为所在子区间的簇头；其中权值的计算公式为：
式中，Qi表示传感器节点i的权值，Pi为传感器节点i的当前剩余能量，Pmin为设定的最小能量值，为传感器节点i到第j个汇聚节点的距离，n为汇聚节点个数。
本实施例提出了一种简单便捷的分簇机制，在簇建立阶段，首先进行虚拟正六边形网格划分，对每个划分的子区间，选取权值最大的传感器节点作为该子区间对应簇的簇头，并基于能量和距离因素具体设置了权值的计算公式。本实施例能够有效平衡簇内能耗，且有利于节省后续簇头向所能通向的各汇聚节点传输有机污染物浓度数据的能耗，从而节省流域水环境有机污染物监测预警系统的监测成本。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.流域水环境有机污染物监测预警系统，其特征是，包括传感监测装置和分析预警装置，传感监测装置用于采集待监测的流域水环境的有机污染物浓度数据；分析预警装置用于根据有机污染物浓度数据分析流域水环境的污染严重程度，并根据污染严重程度发出预警信号。
2.根据权利要求1所述的流域水环境有机污染物监测预警系统，其特征是，传感监测装置包括汇聚节点和多个用于采集所述有机污染物浓度数据的传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中多个汇聚节点部署于设定的待监测的流域水环境区域边缘，多个传感器节点部署于该待监测的流域水环境区域内；初始时，所述多个传感器节点根据预定的分簇机制完成分簇并选取簇头；在路径发现阶段，簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的各汇聚节点的最优路径，并根据寻找到的最优路径建立自身到与该最优路径对应的汇聚节点的链路；在数据传输阶段，传感器节点将采集的有机污染物浓度数据发送至对应的簇头，簇头在所能通向的各汇聚节点中选择一个汇聚节点作为目的节点，将有机污染物浓度数据通过对应的最优路径发送至目的节点。
3.根据权利要求1所述的流域水环境有机污染物监测预警系统，其特征是，所述分析预警装置包括分析模块和预警模块，所述分析模块用于根据有机污染物浓度数据分析流域水环境的污染严重程度，并输出污染严重程度分析结果；所述预警模块在流域水环境的污染严重程度超过设定的阈值时发出预警信号。
4.根据权利要求3所述的流域水环境有机污染物监测预警系统，其特征是，所述分析模块包括阈值预设单元和判断单元；阈值预设单元用于预设各有机污染物浓度的安全阈值；判断单元用于将有机污染物浓度数据与相应的安全阈值进行比较，在有机污染物浓度数据超出相应的安全阈值时，判断该有机污染物浓度数据异常，并根据异常的有机污染物浓度数据数量确定流域水环境的污染严重程度。
5.根据权利要求2所述的流域水环境有机污染物监测预警系统，其特征是，所述传感器节点包括用于监测流域水环境的有机污染物浓度的传感器和用于将传感器信号转换为对应的有机污染物浓度数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
6.根据权利要求2所述的流域水环境有机污染物监测预警系统，其特征是，簇头基于蚁群优化算法寻找自身至所能通向的每个汇聚节点的最优路径，具体包括：
(1)簇头s0定期产生一定数量的前向蚂蚁报文，随机选择通信范围内的另一个簇头进行转发，并启动第一超时时钟，所述前向蚂蚁报文携带有簇头s0的节点标识；
(2)当前向蚂蚁报文δ到达簇头s1时，簇头s1在其通信范围内概率地选择一个没有转发过前向蚂蚁报文δ的簇头，继续转发前向蚂蚁报文δ；
(3)若簇头s1已选择簇头s2转发前向蚂蚁报文δ，则将自身的节点标识加入前向蚂蚁报文δ的地址链表，按照下列公式更新前向蚂蚁报文δ中记录的当前链路总开销，并将前向蚂蚁报文δ发送给簇头s2：
式中，Ey表示更新后的链路总开销，Ey-1表示更新前的链路总开销，初始时链路总开销为0，E为设定的单位距离链路开销值，为簇头s1与簇头s2之间的距离；
(4)按照(2)、(3)继续转发前向蚂蚁报文δ，直至将其发送到任意一个汇聚节点；
(5)汇聚节点oj收到簇头s0产生的前向蚂蚁报文δ时启动第二超时时钟，对于在第二超时时钟超时前收到的多个簇头s0产生的前向蚂蚁报文，汇聚节点oj选择当前链路总开销最小的前向蚂蚁报文作为标准前向蚂蚁报文，并根据标准前向蚂蚁报文产生后向蚂蚁报文，将后向蚂蚁报文沿着标准前向蚂蚁报文的逆路径发送出去，其中后向蚂蚁报文携带有标准前向蚂蚁报文的地址链表、汇聚节点oj标识、链路总开销；
(6)当簇头s3收到簇头s4发送的后向蚂蚁报文时，提取簇头s4的节点标识以及汇聚节点oj标识，并保存在本地，簇头s3更新自身至簇头s4的链路的信息素浓度；
(7)当前簇头按照后向蚂蚁报文的地址链表指示的信息继续转发后向蚂蚁报文，直至后向蚂蚁报文到达簇头s0；
(8)簇头s0对在第一超时时钟超时之前收到的后向蚂蚁报文，按照(6)提取、更新相应的信息，从而得到与收到的后向蚂蚁报文数量相同的到不同汇聚节点的路径；其中簇头s0收到一个后向蚂蚁报文，表示有一条通向该后向蚂蚁报文所记录的汇聚节点的路径。
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