CN113238013A - 基于大数据的水环境污染分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据的水环境污染分析系统，属于水环境污染分析技术领域，包括检测模块、控制模块、大数据分析模块、预警模块、远程通信模块和存储模块，本发明科学合理，使用安全方便，所述检测模块通过大数据分析模块与预警模块和远程通信模块相连，所述控制模块连接大数据分析模块和远程通信模块，所述远程通信模块连接客户端和存储模块，本发明利用检测模块可以实时检测水体的污染情况，并将检测结果实时上传，将目标区域的水体内的污染物分别检测并抽样计算，避免水体中污染物因沉淀得不到及时检测和治理的情况发生，再根据检测结果利用公式和算法将水污染情况分为不同等级，并根据不同的等级决定不同处理办法。

Description

基于大数据的水环境污染分析系统

技术领域

本发明涉及水环境污染分析技术领域，具体是一种基于大数据的水环境污染分析系统。

背景技术

水体富营养化主要是含有大量P元素，N元素和金属离子的废水排放造成的；现有技术主要是通过人工方式现场采样,通过纯化学化验和电化学传感器进行水质的分析检测,这样的检测方式存在成本高,耗时长，可操作性差，无法实现实时监测的问题，且若水体因为流动缓慢或者沉淀，未扩散到检测点，可能存在检测结果不准的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于大数据的水环境污染分析系统，以解决现有技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于大数据的水环境污染分析系统，其特征在于：该水环境污染分析系统包括检测模块、控制模块、大数据分析模块、预警模块、远程通信模块、存储模块和客户端，所述检测模块的输出端连接大数据分析模块的输入端，所述大数据分析模块的输出端连接所述远程通信模块和所述预警模块的输入端，所述预警模块的输出端连接所述远程通信模块和所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接所述大数据分析模块和所述远程通信模块的输入端，所述远程通信模块的输出端连接所述客户端和存储模块的输入端，所述存储模块的输出端连接所述大数据分析模块和预警模块的输入端。

优选的，所述检测模块包括位于水平面上端的摄像装置和位于水平面下端的检测器，所述摄像装置包括水平面检测单元、异常捕捉单元和实时查看单元，所述检测器包括P检测单元、N检测单元、金属离子含量检测单元和数据传输单元；

所述水平面检测单元、异常捕捉单元和实时查看单元用于检测水平面情况，所述P检测单元、N检测单元、金属离子含量检测单元的功能是用于检测水体内P元素、N元素以及所含的金属离子含量，所述数据传输单元用于将摄像装置所拍摄的结果和检测器所检测的结果传输到大数据分析模块中；

所述水平面检测单元可以观测水平面的水草生长情况，所述异常捕捉单元可以对水平面的异物例如死鱼等物体进行监测。

优选的，所述大数据分析模块包括差别对比单元和存储单元；

所述存储单元中存储了水体中N元素、P元素及金属离子含量的正常值，所述差别对比单元的作用是将所检测到的水体中的N元素的含量、P元素的含量及金属离子含量和正常值进行对比，若为正常值则输出到远程通信模块进行存储和输出，若为非正常值，则输入到预警模块；

N元素正常含量为X，P元素正常含量为Y，金属离子正常含量为Z，将检测到的N元素含量Xc、Yc、Zc与正常含量进行对比，结果只要满足Xc＞X、Yc＞Y、Zc＞Z三个条件中的任意一个，则输入到预警模块，若以上条件任何一个都不满足，则输入到远程通信模块。

优选的，所述预警模块包括GPS定位单元、时间统计单元、计算单元、警报单元和锁定单元；

所述GPS定位单元和检测单元一同安装于检测器上，目标河流的水体内，可以定位检测到非正常值的检测器的位置，所述时间统计单元用以统计从检测器检测到非正常值的时间至采取措施的时间间隔，所述计算单元根据水的流速和上述时间统计单元所统计的时间来计算出已经遭到污染的河流长度及污染等级，所述锁定单元从存储模块中输入目标河流周围工厂分布情况及对应位置，将所检测到非正常值的检测器的GPS位置信息和其上游工厂进行对应，再根据检测到非正常值的检测器的上游检测器的检测结果，确定排放污水的涉事工厂，所述警报单元根据GPS定位单元的定位情况，将检测结果和涉事工厂作为信息上传到远程通信模块上报给客户端。

优选的，所述远程通信模块包括ZigBee通信单元和无线通信网络；

所述ZigBee通信单元用于大数据分析模块与控制模块之间、控制模块和远程通信模块之间的无线通讯，所述无线通信网络用于远程通信模块和客户端之间的无线通信。

优选的，所述存储模块包括数据存储单元、数据调取单元和存储数据库；

所述数据存储单元用以存储远程通信模块输入的信息，所述存储数据库用以存储河流水体中P元素、N元素、金属离子含量正常值和不同值对应的污染级别，所述数据调取单元用以将数据存储单元中的信息调取并传输到大数据分析模块和预警模块。

优选的，所述检测模块和大数据分析模块将检测到的数据进行上传和与正常数据对比；所述大数据分析模块、预警模块和控制模块根据数据是否处于正常值，来确定数据不同的传输方向；所述预警模块、远程通信模块、存储模块和客户端将检测到的数据进行计算，确定等级，再将该等级所对应的处理方式传输到客户端和存储模块。

优选的，将检测到的数据进行上传和与正常数据对比包括以下步骤：

S11、利用检测模块进行相关数据的采集和上传；

S12、利用大数据分析模块将所采集和上传的数据与标准数据进行对比；

根据数据是否处于正常值，来确定数据不同的传输方向包括以下步骤：

S21、若所采集的数据处于正常值，则直接由数据传输单元输出；若为非正常值，则传输到预警模块；

S22、预警模块确定该地点上游排放污染物的涉事工厂、下游的已经污染的流域以及所造成的污染等级，再输出到控制模块和远程通信模块；

将检测到的数据进行计算，确定等级，再将该等级所对应的处理方式传输到客户端和存储模块包括以下步骤：

S31、控制模块通过得到的不同污染等级来确定不同的处理方式，将处理方式传输到数据传输单元；

S32、数据传输单元将所得到的所有信息传输到客户端和存储模块；

统计目标河流周围工厂分布，并将统计结果存储到存储模块中，将将河流中P元素、N元素及金属离子的正常值输入到存储模块，将目标河流水体内等间距设置检测器，检测器上设置有检测模块，检测器实时监督河流水体中P元素、N元素的浓度，及检测水体的含氧量；并将所检测到的数据输入到大数据分析模块，存储模块将P元素、N元素及金属离子的正常值输入到大数据分析模块，大数据模块将检测到的数据和标准数据进行对比，若检测的数据处于正常值，则直接由数据传输单元输出；若为非正常值，则传输到预警模块；预警模块通过GPS定位单元确定发送非正常数据信息检测器的位置，再通过存储模块中预存的目标河流周围的工厂分布信息，通过锁定单元确定该地点上游排放污染物的涉事工厂，通过预警模块中的时间统计单元确定检测到河流污染的时间以及根据工厂排放污水的间隔时间和水的流速，通过计算单元算出下游遭到污染的流域以及所造成的污染等级，再将结果输出到控制模块和远程通信模块，控制模块通过得到的不同污染等级来确定不同的处理方式，将处理方式传输到数据传输单元；数据传输单元将所得到的所有信息传输到客户端和存储模块。

优选的，所述步骤S22中，确定污染等级的计算方法为：

将河流中水体内N元素正常值设为X，将P元素正常值设为Y，将金属离子含量正常值设为Z，将涉事工厂下游2000米内的检测器所采集到的N元素、P元素和金属离子含量数据分别进行收集计算：

2000米内的检测器所检测到的N元素含量分别为X1、X2，…，Xp，P元素含量分别为Y1、Y2，…，Yp，金属离子含量为Z1、Z2，…，Zp,则得到集合Q1＝{X1,X2,X3,…,Xp}，Q2＝{Y1,Y2，Y3,…,Yp}，Q3＝{Z1、Z2、Z3、…、Zp}；

取

；k为水污染的相对数值,p为取值的数量；

将河流中每2000米划分为一个区域，每100米设置一个检测器，则每区域共有20个检测器，河流分为了第一区域、第二区域…第Q区域，将同一个个区域中的检测器所检测到的N元素、P元素、金属离子含量列为矩阵S，S中包含同一区域内随机的6个检测器的检测值：

由S随机生成H个子矩阵：

则

则将所检测区域内的

放入到算法：

将求出的

的数值与M，N进行对比(M，N为自定义的水污染等级临界值)：

当

时，对应水污染等级为I级，可以通过自然净化来恢复原样，只需要通过预警模块向涉事工厂发出警告；

当

时，对应水污染等级为II级，不可以通过自然净化恢复原样，通过预警模块向环保部门发出提醒；

当

时，对应水污染等级为III级，不可以通过自然净化恢复原样且造成了较严重的后果，通过预警模块向检察机关发出提醒；

取

，利用每个取样点的和进行计算，可以较为客观的求出水污染的情况，即工厂排放的污水中只含有P元素、N元素、金属离子中的一个时，也可以对k值产生影响，将同一区域每个检测器所检测到的P元素、N元素、金属离子及其对应的k值列为一个矩阵，再由该矩阵随机生成子矩阵，随机生成子矩阵为随机抽取检测点的数值生成的矩阵，具有随机性，可以代表目标区域内水体污染情况，再将子矩阵对应的k值求得平均值，再根据平均值再次利用公式求值，此种计算方法可以解决当河流中某一处可能存在污染，但是由于沉淀或者河水流动较为缓慢等其他原因，未及时扩散到其他检测点时，也可影响最终值，从而及时对排放污水的结果进行处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以实时检测水体中P元素，N元素和金属离子的浓度，并将检测结果实时上传，若检测到水体污染情况，及时溯源，找到排放污水的涉事工厂，再根据涉事工厂下游2000米内污染情况的检测结果，利用公式和算法将涉事工厂排放污水造成的污染情况分为不同的等级，避免水体中污染物因沉淀得不到及时检测和治理的情况发生，并根据不同的等级决定对涉事工厂的不同处理办法和环境治理办法。

附图说明

图1为本发明一种基于大数据的水环境污染分析系统的模块组成结构示意图；

图2为本发明一种基于大数据的水环境污染分析系统的模块连接结构示意图；

图3为本发明一种基于大数据的水环境污染分析系统步骤示意图；

图4为本发明一种基于大数据的水环境污染分析系统详细化步骤结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：如图1-4所示，一种基于大数据的水环境污染分析系统，其特征在于：该水环境污染分析系统包括检测模块、控制模块、大数据分析模块、预警模块、远程通信模块、存储模块和客户端。

检测模块的输出端连接大数据分析模块的输入端，大数据分析模块的输出端连接远程通信模块和预警模块的输入端，预警模块的输出端连接远程通信模块和控制模块的输入端，控制模块的输出端连接大数据分析模块和远程通信模块的输入端，远程通信模块的输出端连接客户端和存储模块的输入端，存储模块的输出端连接大数据分析模块和预警模块的输入端。

检测模块包括位于水平面上端的摄像装置和位于水平面下端的检测器，摄像装置包括水平面检测单元、异常捕捉单元和实时查看单元，检测器包括P检测单元、N检测单元、金属离子含量检测单元和数据传输单元；

水平面检测单元、异常捕捉单元和实时查看单元用于检测水平面情况，P检测单元、N检测单元、金属离子含量检测单元的功能是用于检测水体内P元素、N元素以及所含的金属离子含量，数据传输单元用于将摄像装置所拍摄的结果和检测器所检测的结果传输到大数据分析模块中。

所述水平面检测单元可以观测水平面的水草生长情况，所述异常捕捉单元可以对水平面的异物例如死鱼等物体进行监测。

大数据分析模块包括差别对比单元和存储单元；

存储单元中存储了水体中N元素、P元素及金属离子含量的正常值，差别对比单元的作用是将所检测到的水体中的N元素的含量、P元素的含量及金属离子含量和正常值进行对比，若为正常值则输出到远程通信模块进行存储和输出，若为非正常值，则输入到预警模块；

N元素正常含量为X，P元素正常含量为Y，金属离子正常含量为Z，将检测到的N元素含量Xc、Yc、Zc与正常含量进行对比，结果只要满足Xc＞X、Yc＞Y、Zc＞Z三个条件中的任意一个，则输入到预警模块，若以上条件任何一个都不满足，则输入到远程通信模块。

预警模块包括GPS定位单元、时间统计单元、计算单元、警报单元和锁定单元；

GPS定位单元和检测单元一同安装于检测器上，目标河流的水体内，可以定位检测到非正常值的检测器的位置，时间统计单元用以统计从检测器检测到非正常值的时间至采取措施的时间间隔，计算单元根据水的流速和上述时间统计单元所统计的时间来计算出已经遭到污染的河流长度及污染等级，锁定单元从存储模块中输入目标河流周围工厂分布情况及对应位置，将所检测到非正常值的检测器的GPS位置信息和其上游工厂进行对应，再根据检测到非正常值的检测器的上游检测器的检测结果，确定排放污水的涉事工厂，警报单元根据GPS定位单元的定位情况，将检测结果和涉事工厂作为信息上传到远程通信模块上报给客户端。

远程通信模块包括ZigBee通信单元和无线通信网络；

ZigBee通信单元用于大数据分析模块与控制模块之间、控制模块和远程通信模块之间的无线通讯，无线通信网络用于远程通信模块和客户端之间的无线通信。

存储模块包括数据存储单元、数据调取单元和存储数据库；

数据存储单元用以存储远程通信模块输入的信息，存储数据库用以存储河流水体中P元素、N元素、金属离子含量正常值和不同值对应的污染级别，数据调取单元用以将数据存储单元中的信息调取并传输到大数据分析模块和预警模块。

检测模块和大数据分析模块将检测到的数据进行上传和与正常数据对比；大数据分析模块、预警模块和控制模块根据数据是否处于正常值，来确定数据不同的传输方向；预警模块、远程通信模块、存储模块和客户端将检测到的数据进行计算，确定等级，再将该等级所对应的处理方式传输到客户端和存储模块。

将检测到的数据进行上传和与正常数据对比包括以下步骤：

S11、利用检测模块进行相关数据的采集和上传；

S12、利用大数据分析模块将所采集和上传的数据与标准数据进行对比；

根据数据是否处于正常值，来确定数据不同的传输方向包括以下步骤：

S21、若所采集的数据处于正常值，则直接由数据传输单元输出；若为非正常值，则传输到预警模块；

S22、预警模块确定该地点上游排放污染物的涉事工厂、下游的已经污染的流域以及所造成的污染等级，再输出到控制模块和远程通信模块；

将检测到的数据进行计算，确定等级，再将该等级所对应的处理方式传输到客户端和存储模块包括以下步骤：

S31、控制模块通过得到的不同污染等级来确定不同的处理方式，将处理方式传输到数据传输单元；

S32、数据传输单元将所得到的所有信息传输到客户端和存储模块。

统计目标河流周围工厂分布，并将统计结果存储到存储模块中，将将河流中P元素、N元素及金属离子的正常值输入到存储模块，将目标河流水体内等间距设置检测器，检测器上设置有检测模块，检测器实时监督河流水体中P元素、N元素的浓度，及检测水体的含氧量；并将所检测到的数据输入到大数据分析模块，存储模块将P元素、N元素及金属离子的正常值输入到大数据分析模块，大数据模块将检测到的数据和标准数据进行对比，若检测的数据处于正常值，则直接由数据传输单元输出；若为非正常值，则传输到预警模块；预警模块通过GPS定位单元确定发送非正常数据信息检测器的位置，再通过存储模块中预存的目标河流周围的工厂分布信息，通过锁定单元确定该地点上游排放污染物的涉事工厂，通过预警模块中的时间统计单元确定检测到河流污染的时间以及根据工厂排放污水的间隔时间和水的流速，通过计算单元算出下游遭到污染的流域以及所造成的污染等级，再将结果输出到控制模块和远程通信模块，控制模块通过得到的不同污染等级来确定不同的处理方式，将处理方式传输到数据传输单元；数据传输单元将所得到的所有信息传输到客户端和存储模块。

步骤S22中，确定污染等级的计算方法为：

将河流中水体内N元素正常值设为X，将P元素正常值设为Y，将金属离子含量正常值设为Z，将涉事工厂下游2000米内的检测器所采集到的N元素、P元素和金属离子含量数据分别进行收集计算：

2000米内的检测器所检测到的N元素含量分别为X1、X2，…，Xp，P元素含量分别为Y1、Y2，…，Yp，金属离子含量为Z1、Z2，…，Zp,则得到集合Q1＝{X1,X2,X3,…,Xp}，Q2＝{Y1,Y2，Y3,…,Yp}，Q3＝{Z1、Z2、Z3、…、Zp}；

取

，k为水污染的相对数值,p为取值的数量；

将河流中每2000米划分为一个区域，每100米设置一个检测器，则每区域共有20个检测器，河流分为了第一区域、第二区域…第Q区域，将同一个个区域中的检测器所检测到的N元素、P元素、金属离子含量列为矩阵S，S中包含同一区域内随机的6个检测器的检测值：

由S随机生成H个子矩阵：

则

则将所检测区域内的

放入到算法：

将求出的

的数值与M，N进行对比(M，N为自定义的水污染等级临界值)：

当

时，对应水污染等级为I级，可以通过自然净化来恢复原样，只需要通过预警模块向涉事工厂发出警告；

当

时，对应水污染等级为II级，不可以通过自然净化恢复原样，通过预警模块向环保部门发出提醒；

当

时，对应水污染等级为III级，不可以通过自然净化恢复原样且造成了较严重的后果，通过预警模块向检察机关发出提醒。

取利用每个取样点的和进行计算，可以较为客观的求出水污染的情况，即工厂排放的污水中只含有P元素、N元素、金属离子中的一个时，也可以对k值产生影响，将同一区域每个检测器所检测到的P元素、N元素、金属离子及其对应的k值列为一个矩阵，再由该矩阵随机生成子矩阵，随机生成子矩阵为随机抽取检测点的数值生成的矩阵，具有随机性，可以代表目标区域内水体污染情况，再将子矩阵对应的k值求得平均值，再根据平均值再次利用公式求值，此种计算方法可以解决当河流中某一处可能存在污染，但是由于沉淀或者河水流动较为缓慢等其他原因，未及时扩散到其他检测点时，也可影响最终值，从而及时对排放污水的结果进行处理。

工作原理：统计目标河流周围工厂分布，并将统计结果存储到存储模块中，将将河流中P元素、N元素及金属离子的正常值输入到存储模块，将目标河流水体内等间距设置检测器，检测器上设置有检测模块，检测器实时监督河流水体中P元素、N元素的浓度，及检测水体的含氧量；并将所检测到的数据输入到大数据分析模块，存储模块将P元素、N元素及金属离子的正常值输入到大数据分析模块，大数据模块将检测到的数据和标准数据进行对比，若检测的数据处于正常值，则直接由数据传输单元输出；若为非正常值，则传输到预警模块；预警模块通过GPS定位单元确定发送非正常数据信息检测器的位置，再通过存储模块中预存的目标河流周围的工厂分布信息，通过锁定单元确定该地点上游排放污染物的涉事工厂，通过预警模块中的时间统计单元确定检测到河流污染的时间以及根据工厂排放污水的间隔时间和水的流速，通过计算单元算出下游遭到污染的流域以及所造成的污染等级，再将结果输出到控制模块和远程通信模块，控制模块通过得到的不同污染等级来确定不同的处理方式，将处理方式传输到数据传输单元；数据传输单元将所得到的所有信息传输到客户端和存储模块。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种基于大数据的水环境污染分析系统，其特征在于：该水环境污染分析系统包括检测模块、控制模块、大数据分析模块、预警模块、远程通信模块、存储模块和客户端；所述检测模块的输出端连接大数据分析模块和远程通信模块的输入端，所述大数据分析模块的输出端连接所述远程通信模块和所述预警模块的输入端，所述预警模块的输出端连接所述远程通信模块和所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接所述大数据分析模块和所述远程通信模块的输入端，所述远程通信模块的输出端连接所述客户端和存储模块的输入端，所述存储模块的输出端连接所述大数据分析模块和预警模块的输入端；

所述将检测到的数据进行上传和与正常数据对比包括以下步骤：

S11、利用检测模块进行相关数据的采集和上传；

S12、利用大数据分析模块将所采集和上传的数据与标准数据进行对比；所述根据数据是否处于正常值，来确定数据不同的传输方向包括以下步骤：

S21、若所采集的数据处于正常值，则直接由数据传输单元输出；若为非正常值，则传输到预警模块；

S22、预警模块确定该地点上游排放污染物的涉事工厂、下游的已经污染的流域以及所造成的污染等级，再输出到控制模块和远程通信模块；所述将检测到的数据进行计算，确定等级，再将该等级所对应的处理方式传输到客户端和存储模块包括以下步骤：

S31、控制模块通过得到的不同污染等级来确定不同的处理方式，将处理方式传输到数据传输单元；

S32、数据传输单元将所得到的所有信息传输到客户端和存储模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的水环境污染分析系统，其特征在于：所述步骤22中，确定污染等级的计算方法为：

将河流中水体内N元素正常值设为X，将P元素正常值设为Y，将金属离子含量正常值设为Z，将涉事工厂下游2000米内的检测器所采集到的N元素、P元素和金属离子含量数据分别进行收集计算：

2000米内的检测器所检测到的N元素含量分别为X1、X2，…，Xp，P元素含量分别为Y1、Y2，…，Yp，金属离子含量为Z1、Z2，…，Zp,则得到集合Q1＝{X1,X2,X3,…,Xp}，Q2＝{Y1,Y2，Y3,…,Yp}，Q3＝{Z1、Z2、Z3、…、Zp}；

取

；k为水污染的相对数值,p为取值的数量；

将河流中每2000米划分为一个区域，每100米设置一个检测器，则每区域共有20个检测器，河流分为了第一区域、第二区域…第Q区域，将同一个个区域中的检测器所检测到的N元素、P元素、金属离子含量列为矩阵S，S中包含同一区域内随机的6个检测器的检测值：

由S随机生成H个子矩阵：

则

则将所检测区域内的

放入到算法：

将求出的

的数值与M，N进行对比，M，N为自定义的水污染等级的域值：

当

时，对应水污染等级为I级，可以通过自然净化来恢复原样，只需要通过预警模块向涉事工厂发出警告；

当

时，对应水污染等级为II级，不可以通过自然净化恢复原样，通过预警模块向环保部门发出提醒；

当

时，对应水污染等级为III级，不可以通过自然净化恢复原样且造成了较严重的后果，通过预警模块向检察机关发出提醒。

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