CN111443178A - 基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法与系统 - Google Patents

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辛元雪
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Abstract

本发明公开了一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法与系统，方法包括：在水中随机布置四个水质传感器终端；初始化相关水质指标对应的污染源分子在水中的扩散系数；获取各传感器终端的相关水质指标的读数，由传感器终端内置的定位模块获取各个传感器终端的位置坐标，然后通过无线模块上传到计算机；计算机收到各个水质传感器的相关水质指标读数和其位置坐标信息后，基于浓度扩散公式建立并求解关于污染源的坐标、扩散时间、和污染源释放的分子数的联立方程组，得出污染源位置坐标信息、污染源释放的分子数和污染源的扩散时长。与现有技术相比，本发明能够快速准确地定位污染源的位置并获取污染源相关信息，其性能优越，且易于实现。

Description

基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法与系统
技术领域
本发明涉及水污染源溯源领域，具体涉及一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法与系统。
背景技术
目前，全国全面推行河长制。针对河长制“水资源保护、河湖水域岸线管理保护、水污染防治、水环境治理、水生态修复、执法监管”六大任务的落实执行，亟需信息化建设的辅助作用。其中，水质监测直接关系到民生问题。传统的水质监测方式主要分为两种:一是针对饮用水及工业废、污水等的高频率监测，以实验室检测为主，测量过程需实地取样、预处理、检测，流程复杂、时效性差、测量频率低，无法实现大范围联网水质自动监测的需求；二是是重要江河湖泊设立大型水质自动监测站，技术要求高，设备工作环境要求苛刻，需要配套厂房和专业人员，投资和维护费用大。
当前也出现了基于智能光谱型传感器的水污染物在线监测成套装备，主要包括微型低功耗智能光谱型传感器。但利用在线监测设备进行污染物的追踪溯源因为其时变特性仍然是一个棘手的问题。
发明内容
发明目的：本发明目的是针对水污染源追踪溯源问题，提供一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法与系统，使其性能优越，更易于实现，快速有效地对污染源进行追踪溯源。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法，包括以下步骤：
(1)在水中随机布置四个水质传感器终端；
(2)初始化相关水质指标对应的污染源分子在水中的扩散系数；
(3)获取各传感器终端的相关水质指标的读数，由传感器终端内置的定位模块获取各个传感器终端的位置坐标，然后通过无线模块上传到计算机；
(4)计算机收到各个水质传感器的相关水质指标读数和其位置坐标信息后，基于浓度扩散公式建立关于污染源的坐标、扩散时间和污染源释放的分子数的联立方程组；
(5)计算机求解方程组，得出污染源位置坐标信息、污染源释放的分子数和污染源的扩散时长。
进一步地，所述步骤(4)中的联立方程组如下：
Figure BDA0002485382250000021
Figure BDA0002485382250000022
Figure BDA0002485382250000023
Figure BDA0002485382250000024
其中：r1,r2,r3,r4和(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)分别是四个传感器终端的相关水质指标的读数和位置坐标，(x0,y0)为污染源的坐标，t为已扩散的时间，M为污染源释放的分子数，D为污染源分子在水中的扩散系数。
一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源系统，包括：随机布置在水中的四个水质传感器终端，以及接收水质传感器终端上传数据的计算机；所述水质传感器终端用于获取相关水质指标和终端位置坐标，并将相关水质指标读数和其位置坐标信息上传到计算机；所述计算机用于初始化相关水质指标对应的污染源分子在水中的扩散系数，在收到各个水质传感器的相关水质指标读数和其位置坐标信息后，基于浓度扩散公式建立关于污染源的坐标、扩散时间和污染源释放的分子数的联立方程组，通过求解方程组，得出污染源位置坐标信息、污染源释放的分子数和污染源的扩散时长。
进一步地，所述水质传感器终端包括水质监测模块、定位模块和无线传输模块；所述水质监测模块用于获取相关水质指标的读数；所述定位模块用于通过GPS或北斗卫星获取终端的位置信息；所述无线传输模块用于将信息通过无线通信方式上传至计算机。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法，能够快速准确地定位污染源的位置并获取污染源相关信息，其性能优越，且易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的场景示意图；
图3是本发明实施例的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图2描述了基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法的应用场景图，基于此场景我们提出了基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法。如图1所示，本发明实施例提出的一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法的，主要包括如下步骤：
(1)在水中随机布置四个水质传感器终端s1，s2，s3，s4。
(2)初始化算法参数：相关水质指标对应的污染源分子在水中的扩散系数D。
(3)获取各传感器终端的相关水质指标的读数r1,r2,r3,r4，由传感器终端内置的定位模块获取各个传感器终端的位置坐标(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)，然后通过无线模块上传到计算机。
(4)在水域，基于分子通信原理，污染源扩散可以建模为布朗运动。假设污染源在初始时刻t＝0时释放的污染物分子数目为M，则在传感器终端处接收到的分子浓度r可以表示为
Figure BDA0002485382250000031
其中，d为污染源和传感器终端的距离(m)，D为信道中分子的扩散系数(m2/s),t为已扩散的时间，单位为秒。
因此，计算机收到各个水质传感器的相关水质指标读数和其位置坐标信息后，基于浓度扩散公式建立关于污染源的坐标(x0,y0)、扩散时间t和污染源释放的分子数M的联立方程组如下：
Figure BDA0002485382250000041
Figure BDA0002485382250000042
Figure BDA0002485382250000043
Figure BDA0002485382250000044
其中，x0，y0，t和M为未知参数，则可由4个方程求解得出。因此，在本发明中，我们选取4个传感器终端来测数，从而构成4个方程来求解4个未知数。
(5)计算机求解上述方程组，得出污染源位置坐标信息(x0,y0)，污染源释放的分子数M和污染源的扩散时长t。
如图3所示，本发明实施例公开的一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源系统，包括水质传感器终端和计算机两部分。水质传感器终端包括水质监测模块、定位模块和无线传输模块。其中，水质监测模块用于获取相关水质指标的读数，定位模块通过GPS或北斗卫星获取移动终端的位置信息，无线传输模块将信息通过无线通信方式上传至计算机。计算机负责对方程的运算及结果的输出，具体计算方法详见上述方法实施例，此处不再赘述。
如上所述，本发明能够快速准确地定位污染源的位置并获取污染源相关信息，其性能优越，且易于实现。

Claims (5)

1.一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在水中随机布置四个水质传感器终端；
(2)初始化相关水质指标对应的污染源分子在水中的扩散系数；
(3)获取各传感器终端的相关水质指标的读数，由传感器终端内置的定位模块获取各个传感器终端的位置坐标，然后通过无线模块上传到计算机；
(4)计算机收到各个水质传感器的相关水质指标读数和其位置坐标信息后，基于浓度扩散公式建立关于污染源的坐标、扩散时间和污染源释放的分子数的联立方程组；
(5)计算机求解方程组，得出污染源位置坐标信息、污染源释放的分子数和污染源的扩散时长。
2.根据权利要求1所述的一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源方法，其特征在于，所述步骤(4)中的联立方程组如下：
Figure FDA0002485382240000011
Figure FDA0002485382240000012
Figure FDA0002485382240000013
Figure FDA0002485382240000014
其中：r1,r2,r3,r4和(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)分别是四个传感器终端的相关水质指标的读数和位置坐标，(x0,y0)为污染源的坐标，t为已扩散的时间，M为污染源释放的分子数，D为污染源分子在水中的扩散系数。
3.一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源系统，其特征在于，包括：随机布置在水中的四个水质传感器终端，以及接收水质传感器终端上传数据的计算机；所述水质传感器终端用于获取相关水质指标和终端位置坐标，并将相关水质指标读数和其位置坐标信息上传到计算机；所述计算机用于初始化相关水质指标对应的污染源分子在水中的扩散系数，在收到各个水质传感器的相关水质指标读数和其位置坐标信息后，基于浓度扩散公式建立关于污染源的坐标、扩散时间和污染源释放的分子数的联立方程组，通过求解方程组，得出污染源位置坐标信息、污染源释放的分子数和污染源的扩散时长。
4.根据权利要求3所述的一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源系统，其特征在于，联立方程组如下：
Figure FDA0002485382240000021
Figure FDA0002485382240000022
Figure FDA0002485382240000023
Figure FDA0002485382240000024
其中：r1,r2,r3,r4和(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)分别是四个传感器终端的相关水质指标的读数和位置坐标，(x0,y0)为污染源的坐标，t为已扩散的时间，M为污染源释放的分子数，D为污染源分子在水中的扩散系数。
5.根据权利要求3所述的一种基于分子通信机理的水污染源快速追踪溯源系统，其特征在于，所述水质传感器终端包括水质监测模块、定位模块和无线传输模块；所述水质监测模块用于获取相关水质指标的读数；所述定位模块用于通过GPS或北斗卫星获取终端的位置信息；所述无线传输模块用于将信息通过无线通信方式上传至计算机。
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