CN113552304A - 一种渔港水域水质环境监测可视分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种渔港水域水质环境监测可视分析系统，包括数据采集模块、数据处理模块、辅助模块、可视分析模块和水质监测结果显示及污染事件预警模块；所述数据采集模块，用于通过水质多参数测量仪和GPS定位仪作用能够确定监测渔港水质检测传感器的参数；所述数据处理模块，用于处理浮标承载数据处理；所述辅助模块，用于提供运行所需电能，实现GPS定位，通过与岸基建立通信来达到水质监测数据报文传输；所述可视分析模块，用于通过大数据可视分析技术对渔港水质监测数据进行对维度关联分析处理；所述水质监测结果显示及污染事件预警模块，用于通过终端对可视分析结构进行查询和管理；本发明能够实现渔港水域水质监测分析。
Description
技术领域
本发明涉及渔港水域水质分析技术领域，特别是一种渔港水域水质环境监测可视分析 系统。
背景技术
渔港水域污染防治对沿海城市生态建设及社会发展至关重要。渔港水环境比较复杂， 不仅受进港船舶含油污水、生活污水影响，沿岸湖泊、河流、地下水系生活污水的排放等 都可能流入渔港。农业农村部办公厅《关于开展沿海渔港污染防治工作的通知》着重指出 “要加强指导和监督检查，特别是对辖区内三级及其他渔港的环境监测和评价”。而福建省作为水产品捕捞大省，2020年近海捕捞产量152.90万吨，远洋捕捞产量60.79万吨， 同比增长17.70％，拥有中心渔港11个、一级、二级渔港96个，三级渔港187个。因此， 如何实时监测渔港水域水质情况，加强渔港水污染防治工作，是加强渔港监管与改善渔港 环境急需解决的重要课题，更是关系到沿海城市生态建设及社会发展的战略问题。
基于可视分析的渔港水域污染在线监测系统研发及应用是推动渔港监测全覆盖与及 时预警治理渔港水质污染的关键。随着经济的迅速发展，排污量日益增加,以及一些不合 理的开发活动会给渔港水环境造成了不良影响，并将导致渔港水域富营养化、淤积、生态 环境遭到破坏等问题。采用传统的定期采集水质样本，再到实验室进行提取分析的检测方 法对水质进行检测，既耗时耗力又需要大量资金投入，且难以反映渔港实时水质状态，达 到污染及时预警防治。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种能够实现渔港水域水质监测分析的渔港水域水质 环境监测可视分析系统。
本发明采用以下方法来实现：一种渔港水域水质环境监测可视分析系统，包括数据采 集模块、数据处理模块、辅助模块、可视分析模块和水质监测结果显示及污染事件预警模 块；
所述数据采集模块，用于通过水质多参数测量仪和GPS定位仪作用能够确定监测渔港 水质检测传感器的参数；
所述数据处理模块，用于处理浮标承载数据处理，对采集到的数据进行水质检测数据 报文处理；
所述辅助模块，用于提供运行所需电能，实现GPS定位，通过与岸基建立通信来达到 水质监测数据报文传输；
所述可视分析模块，用于通过大数据可视分析技术对渔港水质监测数据进行对维度关 联分析处理；
所述水质监测结果显示及污染事件预警模块，用于通过终端对可视分析结构进行查询 和管理，实现计时预警作用。
进一步的，所述数据采集模块进一步具体为：依据《海水水质标准》第四类标准内容 确定渔港水域水质监测参数，并选择符合行业标准的多参数水质仪，具备溶解氧、pH值、氧化还原电位、电导率、深度、温度、ISE电极、光学电极测量功能，实现水质常规参数 以及氨、氮、磷、蓝绿色藻类、成品油水质监测数据的采集。
进一步的，所述数据处理模块进一步具体为：通过浮标承载工控机，对水质监测数据 进行处理，并根据通讯协议制作成相应的报文信息，控制通讯频率与数据报文大小，通过 辅助模块的无线宽带通讯，达到实时在线通讯。
进一步的，所述辅助模块进一步具体为：包含电源模块与通讯模块，电源模块由太阳 能板和锂电池构成，能够实现太阳能向电能转化与储备，实现整个系统的正常稳定运行； 通讯模块通过4G/5G无线宽带实现浮标和岸端的通信，以辅助实现水质监测数据的实时测 量。
进一步的，所述可视分析模块进一步具体为：基于岸端数据中心的与计算服务器，以 时间维度为变量演化，关联溶解氧、pH值、氧化还原电位、电导率、温度、氨、氮、磷、 蓝绿色藻类、成品油渔港水域水质监测参数与渔港泊船数量和渔港气象参数，利用主题河 流图，建立时间演化多维度关联可视模型，多监测点空间数据联合，建立渔港水域污染在 线监测多维度时空可视分析系统，实现渔港水域监测多维度数据实时可视分析展示，并对 超标和污染事件进行实时识别与预警，同时利用专家系统对污染事件防治提供决策建议。
进一步的，所述水质监测结果显示及污染事件预警模块进一步具体为：将可视分析模 块分析结果通过互联网实时上传，利用终端展示及交互功能，实现水质监测及污染预警信 息及时传递给渔港污染防治人员。
本发明的有益效果在于：本发明能实时连续的监测渔港水质情况，实现提前预警和跟 踪水污染事件，确保相关部门及人员能够及时明确污染源、污染程度，实施相应的保护 措施；由于监测系统的数据量大，信息连续，能够对渔港水域水质时空变化做出动态反应， 为综合考核提供有效依据；利用生态补充机制收集到的各项数据，能够为法定数据补偿金 核算提供依据，使其更加合理、公平；从多维度监测信息融合、辅助决策制定两个主要方 面实现技术突破，形成综合信息集成及预警平台，以时空维度为变量演化，关联溶解氧、pH值、温度等渔港水域水质监测参数与渔港泊船数量、渔港气象等，利用可视分析技术， 有助于实现科学防治渔港污染；有助于推动水文环境智能感知、数据采集与融合传输、决 策支持等智能水质监测技术装备研发，从而推动福建省沿海城市的生态建设及社会发展。
附图说明
图1为本发明的组成结构示意图。
图2为渔港水质监测浮标承载子系统的结构示意图。
图3为渔港水质监测岸基子系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
请参阅图1所示，本发明提供了一实施例：一种渔港水域水质环境监测可视分析系统， 包括数据采集模块、数据处理模块、辅助模块、可视分析模块和水质监测结果显示及污染 事件预警模块；
所述数据采集模块，用于通过水质多参数测量仪和GPS定位仪作用能够确定监测渔港 水质检测传感器的参数；
所述数据处理模块，用于处理浮标承载数据处理，对采集到的数据进行水质检测数据 报文处理；
所述辅助模块，用于提供运行所需电能，实现GPS定位，通过与岸基建立通信来达到 水质监测数据报文传输；
所述可视分析模块，用于通过大数据可视分析技术对渔港水质监测数据进行对维度关 联分析处理；
所述水质监测结果显示及污染事件预警模块，用于通过终端对可视分析结构进行查询 和管理，实现计时预警作用。
下面通过一具体实施例对本发明作进一步说明：
数据采集模块
数据采集模块依据《海水水质标准》(GB 3097-1997)第四类标准内容确定渔港水域 水质监测参数，并选择符合行业标准(如：行业标准《多参数水质仪》HY/T 126-2009) 的多参数水质仪，具备溶解氧、pH值、氧化还原电位(ORP)、电导率(EC)、深度、温 度、ISE电极、光学电极测量功能，实现水质常规参数以及氨、氮、磷、蓝绿色藻类、成 品油等水质监测数据的快速高精度采集。
数据处理模块
数据处理模块通过浮标承载工控机，对水质监测数据进行处理，并根据通讯协议制作 成相应的报文信息，控制通讯频率与数据报文大小，通过辅助模块的无线宽带通讯，达到 实时在线通讯。所述数据处理分为两个阶段，第一阶段在浮标上的工控机初步将多传感器 参数编译为16进制的简短数据消息，第二阶段为数据处理中心的可视化软件进行解析处 理并分析。所述数据处理中心的可视化软件用于读取实时监测传输的简短数据消息(包括： 溶解氧、pH值、氧化还原电位(ORP)、电导率(EC)、温度、氨、氮、磷、蓝绿色藻类、 成品油等渔港水域水质监测多维度参数数据)，并进行渔港水域水质监测多维度参数数据、多监测点空间数据，渔港泊船数量、渔港气象数据的多维度关联性处理与可视化分析。着重分析溶解氧、pH值、氧化还原电位(ORP)、电导率(EC)、温度、氨、氮、磷、蓝绿 色藻类、成品油等渔港水域水质监测多维度参数数据、渔港泊船数量、渔港气象数据等参 数之间的相互综合因素对水质环境的影响。所述可视化软件同时具有成熟的专家数据库相 匹配，对于不同的参数情况给予最佳的应对措施，实现监测、分析、预警、急救措施一体 化的系统。
本发明中数据处理分析包括以下步骤：
1、根据制定的通讯协议解析水质监测多维度参数数据；
2、通过主题河流图方法，实现确定空间维度下其他单维度数据随时间的趋势演化；
3、通过多监测点及线性插值方法，实现确定时间维度下其他单维度数据随空间分布 的趋势演变，同时与港内船舶位置相匹配分析。
4、同一时空维度下，通过多维度参数的支持度、置信度、提升度进行计算，得到多维度数据的关联性分析结果；
5、将同一时空维度下的其他维度参数进行频次量化，通过Apriori关联算法挖掘频 繁项集，产生关联规则，对多维参数进行数值的、单层次、多维的分类，实现不同参数数值对应的水质情况与相应的污染源判断；
6、根据农业农村部办公厅依据《海水水质标准》(GB 3097-1997)第四类标准和《海洋沉积物质量》(GB 18668-2002)第三类标准制定预警指标，形成渔港水质环境评价参 数超标及时预警；
7、利用沿海渔港污染防治设施设备配备指导标准、污染经验防治办法、防治知识库 等建立渔港水域污染防治专家系统，实现渔港水质污染及时高效防治。
辅助模块
辅助模块主要包含电源模块与通讯模块。电源模块由太阳能板、锂电池构成，能够实 现太阳能向电能转化与储备，实现浮标承载模块的正常稳定运行。通讯模块主要是通过4G/5G无线宽带实现浮标-岸端通信，以辅助实现水质监测数据的实时、精准测量。
渔港水域污染在线监测系统岸基模块
岸基模块主要包括可视分析模块与水质监测结果显示及污染事件预警模块。
可视分析模块
基于岸端数据中心的与计算服务器，以时间维度为变量演化，关联溶解氧、pH值、氧 化还原电位(ORP)、电导率(EC)、温度、氨、氮、磷、蓝绿色藻类、成品油等渔港水 域水质监测参数与渔港泊船数量、渔港气象等参数，利用主题河流图，建立时间演化多维 度关联可视模型，多监测点空间数据联合，建立渔港水域污染在线监测多维度时空可视分 析系统，实现渔港水域监测多维度数据实时可视分析展示，并对超标、污染事件进行实时 识别与预警，同时利用专家系统对污染事件防治提供决策建议。
水质监测结果显示及污染事件预警模块
将可视分析模块分析结果通过互联网实时上传，利用成熟的PC端、网页端、移动手机端软件展示及交互功能，实现水质监测及污染预警信息及时传递给渔港污染防治人员，增强污染事件预防强度。
请参阅图2所示，渔港水域污染在线监测系统浮标承载子系统
浮标承载数据采集子系统，主要依托辅助系统供给能源，利用多参数水质监测仪，实 现全天候、连续、定点的监测渔港水质情况，并实时将数据传输到监控中心，由浮标体及锚系、监测仪器、数据采集传输单元、供电单元(电池组和太阳能供电系统)、保护单元(GPS、灯标、报警)组成，可远程实时监测水质等多种监测数据。基于无线局域网技术建立的远 程无线监控系统，无需铺设电缆，可迅速方便地在需要监控的地方设前端监控设备，具有 很强的实用性、灵活性和可扩充性。
浮标承载硬件主要包括多参数水质监测仪、控制板、电池、电源模块、GPS、等部分组成。
水质多参数监测仪依据《海水水质标准》(GB 3097-1997)第四类标准内容确定渔港 水域水质监测参数，并选择符合行业标准(如：行业标准《多参数水质仪》HY/T 126-2009) 的多参数水质仪，达到具备溶解氧、pH值、氧化还原电位(ORP)、电导率(EC)、深度、温度、ISE电极、光学电极测量功能，实现水质温度，pH，溶氧，电导，浊度，叶绿素， 蓝绿藻、UVCOD、氨氮、成品油等水质监测数据的快速高精度采集。
根据前期多版本的工控板调试经验对浮标监控硬件系统的进行改版设计，并加入新的 传感器，融合输出多方面数据，使得监控系统的功能能够更加完善的实现，确定最佳的硬 件方案。
控制板模块采用意法半导体提供低功耗微控制器STM32F103CBT6，其ARM 32位Cortex TM-M3 CPU核心，最高频率72mhz，片内有64或128K的闪存，20K的SRAM，三个16位定时器，每个最多4个IC/OC/PWM或脉冲计数器及正交(增量)编码器输入,串口为2个SPI、 2个IC2(SMBUS/PMBUS)、3个USART(ISO 7816接口，LIN，IRDA能力，调制解调器控制)， 7通道DMA控制器，9个通信接口,CAN接口(2.0B激活)，调试模式采用串行线调试(SWD) 和JTAG。控制模块对水质多传感器监测信息、GPS信息以及多个传感器信息进行解析，并 按照自制定的通讯协议以报文消息的格式进行编码、调制输出通过本振放大模块输出，以 及对启动指示等信息的综合处理。系统启动后，CPU模块将会定时发送的监测消息。
GPS模块采用低功耗与高性能结合的NEO-M8N模块，其拥有并行的GNSS引擎，用于接 收来自GPS卫星发送的信号，经过滤波、放大、混频等处理，实现对GPS信号的捕获、跟踪、及导航数据的提取，且NEO-M8N提供了最好的性能和更简单的RF射频集成，然后将 产生的位置、时间、速度等导航定位信息数据通过串口按照NMEA-0183协议输出。导航精 度为167dBM。在GPS模块电源电路上，首先，通过控制NEO-M8N模块的VCC，实现GPS模 块的开启或关闭功能。其次，在NEO-M8N模块VBat管脚一直提供3.3V电源供电，实现GPS 模块1.5S热启动功能。
本振模块及放大器模块采用2级放大模式，第一级采用2SK3475场效应管，第二级采 用RQA0009场效应管，二者都是专门为VHF/UHF射频功率放大器应用而设计的MOS FET型晶体管。本振电路拟采用SI4463芯片方案。SI4463芯片是高性能的低电流收发器，其覆 盖了119MHz至1050MHz的Sub-1GHz频段。硬件引脚主要有电源、射频部分组成，软件引 脚主要分为SPI、芯片是能以及GPIO。芯片的12-15引脚为SPI引脚，最大支持速率达到 10MHz。芯片支持标准的SPI总线协议。
太阳能充电模块采用一块太阳能板为锂电池充电，开路电压21.7V，功率36w，充电时长约为2h。电源管理模块采用一块锂电池供电，7.4V供电电压，容量6800mAh。3.3V 降压电路采用TLV62150降压转换器实现电压转换，将8.3V输入转为3.3V输出给芯片、 本振模块、GPS模块以及水质监测仪模块。采用CN3722，将21.7V的太阳能板输入电压降 成8.3V再输入给3.3V的降压电路。可使用太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成 电路，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能。CN3722具有恒流和恒压充电模式，非常适 合锂电池或磷酸铁锂电池的充电。在恒压充电模式，恒压充电电压由外部电阻分压网络设 置；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的电池，当电池电 压低于所设置的恒压充电电压的66.7％时，CN3722用所设置的恒流充电电流的15％对电池 进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流减小到所设置恒流充电 电流的9.5％时，进入充电结束状态。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，CN3722 自动进入低功耗的睡眠模式。其它功能包括输入低电压锁存，电池温度监测，电池端过压 保护和充电状态指示等。CN3722采用16管脚TSSOP封装。
⑦结构接口设计对外提供1个2芯3.96mm间距电源接口(8.3V，GND)、1个2芯7.62mm间距充电接口(SUN-，SUN+)、1个4芯2.54mm间距下载接口(CLK、SWD、GND、3.3V)、 2个3芯2.54mm间距485输出接口(485+，485-，GND)、1个无线宽带天线接口、1个 GPS天线接口、1个多参数水质监测仪接口。
请参阅图3所示，渔港水域污染在线监测系统岸基子系统
岸基服务器通过4G/5G/wifi路由器与浮标工控机连接，进行数据交换。再通过监控 计算中心进行可视分析与智能预警处理，通过Web、控制平板、手机APP等终端实现渔港水域水质监测信息实时交互。
可视分析技术，主要利用主题河流图分析技术，利用河流图中不同颜色的条带状河流 分支代表不同的水质参数变化，河流分支的宽度代表原数据集中的数值，实现不同维度监 测数据的随时间演化的可视交互分析；
多维度数据关联是将已监测到的不同维度数据关联起来并挖掘其之间的关系，反映不 同监测参数信息间的相互依存关系，达到污染事件智能预警；
专家系统是人工智能的一个重要分支，是一类具有专门知识和经验的计算机智能程序 系统，采用人工智能中的知识表示和知识推理技术来模拟解决复杂问题，达到渔港水质 污染事件溯源预警后，提供防治决策建议，为渔港污染防治人员的现场救援提供依据。
以时间维度为变量演化，关联溶解氧、pH值、氧化还原电位(ORP)、电导率(EC)、 温度、氨、氮、磷、蓝绿色藻类、成品油等渔港水域水质监测参数与渔港泊船数量、渔港 气象等参数，利用主题河流图，建立关联性时间演化可视模型，建立渔港水域污染在线监 测多维度可视分析系统，实现渔港水域监测多维度数据实时可视分析展示，并对超标、污 染事件进行实时识别与预警。
总之，渔港水质监测数据采集模块主要由多参数水质仪、GPS等装置构成，依据渔港 水质检测需求确定监测传感器功能，用于盐度、溶解氧、pH、氨、氮、磷、蓝绿色藻类、 成品油等渔港水域水质参数监测。数据处理模块包含浮标承载数据处理计算机与数据存储装置，依据制定的适用的通讯协议，对采集数据进行水质监测数据报文处理。辅助模块包含船岸通信模块、供电模块等，主要用于提供系统运行所需的电能、GPS定位以及通过与 岸基建立通信来达到水质监测数据报文传输等任务。可视分析模块包含岸基的云平台和云存储服务器，主要基于大数据可视分析技术对渔港水质监测数据进行对维度关联分析处理。水质监测结果显示及污染事件预警模块，通过网页、PC端、手机端等平台对可视分析 结果进行查询与管理，实现污染事件及时预警，并结合污染防治指导标准、专家库等对污 染事件及时处理提供决策方案建议；最终实现数据驱动的渔港水质监测及污染事件预警。
针对渔港水质实时监测及突发污染事故及时预警需求，本专利采用浮标平台，配套水 质多参数测量仪，通过无线通讯实现浮标-岸端数据传输，采用时间演化多维度关联可视 模型建立渔港水域污染在线监测可视分析系统，实现水质信息在线监测与污染事件及时预 警，助力福州生态城市建设。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修 饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种渔港水域水质环境监测可视分析系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据处理模块、辅助模块、可视分析模块和水质监测结果显示及污染事件预警模块；
所述数据采集模块，用于通过水质多参数测量仪和GPS定位仪作用能够确定监测渔港水质检测传感器的参数；
所述数据处理模块，用于处理浮标承载数据处理，对采集到的数据进行水质检测数据报文处理；
所述辅助模块，用于提供运行所需电能，实现GPS定位，通过与岸基建立通信来达到水质监测数据报文传输；
所述可视分析模块，用于通过大数据可视分析技术对渔港水质监测数据进行对维度关联分析处理；
所述水质监测结果显示及污染事件预警模块，用于通过终端对可视分析结构进行查询和管理，实现计时预警作用。
2.根据权利要求1所述的一种渔港水域水质环境监测可视分析系统，其特征在于：所述数据采集模块进一步具体为：依据《海水水质标准》第四类标准内容确定渔港水域水质监测参数，并选择符合行业标准的多参数水质仪，具备溶解氧、pH值、氧化还原电位、电导率、深度、温度、ISE电极、光学电极测量功能，实现水质常规参数以及氨、氮、磷、蓝绿色藻类、成品油水质监测数据的采集。
3.根据权利要求1所述的一种渔港水域水质环境监测可视分析系统，其特征在于：所述数据处理模块进一步具体为：通过浮标承载工控机，对水质监测数据进行处理，并根据通讯协议制作成相应的报文信息，控制通讯频率与数据报文大小，通过辅助模块的无线宽带通讯，达到实时在线通讯。
4.根据权利要求1所述的一种渔港水域水质环境监测可视分析系统，其特征在于：所述辅助模块进一步具体为：包含电源模块与通讯模块，电源模块由太阳能板和锂电池构成，能够实现太阳能向电能转化与储备，实现整个系统的正常稳定运行；通讯模块通过4G/5G无线宽带实现浮标和岸端的通信，以辅助实现水质监测数据的实时测量。
5.根据权利要求1所述的一种渔港水域水质环境监测可视分析系统，其特征在于：所述可视分析模块进一步具体为：基于岸端数据中心的与计算服务器，以时间维度为变量演化，关联溶解氧、pH值、氧化还原电位、电导率、温度、氨、氮、磷、蓝绿色藻类、成品油渔港水域水质监测参数与渔港泊船数量和渔港气象参数，利用主题河流图，建立时间演化多维度关联可视模型，多监测点空间数据联合，建立渔港水域污染在线监测多维度时空可视分析系统，实现渔港水域监测多维度数据实时可视分析展示，并对超标和污染事件进行实时识别与预警，同时利用专家系统对污染事件防治提供决策建议。
6.根据权利要求1所述的一种渔港水域水质环境监测可视分析系统，其特征在于：所述水质监测结果显示及污染事件预警模块进一步具体为：将可视分析模块分析结果通过互联网实时上传，利用终端展示及交互功能，实现水质监测及污染预警信息及时传递给渔港污染防治人员。
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