CN113899872A - 基于水质监测的污染源溯源系统 - Google Patents

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刘超
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Abstract

本发明公开了基于水质监测的污染源溯源系统，涉及水环境监测技术领域，解决了现有方案存在大量数据堆积，且分析手段单一，无法有效进行水污染超标警示和污染源溯源的技术问题；包括数据采集模块、数据处理模块和可视化模块；本发明将智能分析和GIS技术相结合，为水质监测配置了一套集数据传输、数据转化、智能化分析和超标警示为一体的污染源溯源系统；有效的提升了水质分析、超标报警、污染源溯源的监测数据处理，提高了水质监测和污染源溯源的工作效率；本发明在获取超标网格区域之后，还结合超标因子和相邻网格区域获取了警告网格区域；避免遗漏污染源，进一步提高了污染源溯源的精确度。

Description

基于水质监测的污染源溯源系统
技术领域
本发明属于水环境监测技术领域，具体是基于水质监测的污染源溯源系统。
背景技术
水环境是指自然界中水的形成、分布和转化所处的空间环境，水环境关系到居民生活质量和生态环境，因此水污染溯源不仅可以查找污染源，还可以辅助水污染治理。
流域环境的复杂性，导致水污染精确溯源的难度较大，现有的水质监测溯源手段偏向数据展示、手动填报或者自动监测，存在大量的数据堆积，缺乏有效的超标警示及污染源溯源方法；因此，亟需一种基于水质监测的污染源溯源系统。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了基于水质监测的污染源溯源系统，用于解决现有方案存在大量数据堆积，且分析手段单一，无法有效进行水污染超标警示和污染源溯源的技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出基于水质监测的污染源溯源系统，包括：
数据采集模块：用于实时在线采集监测点位的水质监测数据，通过数据传输协议将水质监测数据发送至数据处理模块；
数据处理模块：用于分析水质监测数据筛选出超标数据，并根据超标数据定位超标点位；还结合超标点位和拓扑关系溯源超标区域；
可视化模块：用于获取监测点位和监测点位对应的汇水区域，通过GIS平台对监测点位和汇水区域进行拓扑关联，建立可视化地图平台。
优选的，通过所述可视化模块建立可视化地图平台，包括：
通过GIS平台对监测点位的经纬度坐标矢量化，依据标准坐标系建立矢量点文件，同时获取监测点位对应汇水区域的矢量面文件；
建立矢量点和矢量面图层之间的关联关系，再基于GIS平台部署建立可视化地图平台。
优选的，所述数据处理模块根据水质监测数据定位超标定位，包括：
定时对所述水质监测数据进行解析并同步至数据库；
基于对监测点位的水质要求和水环境质量标准对解析后的水质监测数据进行智能分析，获取智能分析结果；其中，智能分析结果包括超标因子和超标量；
所述智能分析结果结合GIS平台在可视化地图中定位超标点位。
优选的，所述数据处理模块对水质监测数据进行智能分析，包括：
所述数据处理模块提取所述水质监测数据中污染因子以及对应的污染浓度；
根据水质要求和水环境质量标准选取标准评估集合；其中，标准评估集合为污染因子以及对应污染浓度阈值的集合；
将提取的污染因子以及对应的污染浓度与标准评估集合进行对比分析，获取智能分析结果。
优选的，所述污染浓度阈值通过水质要求和水环境质量标准选取，具体为水质要求和水环境质量标准允许的污染浓度最小值。
优选的，所述数据处理模块结合超标点位和拓扑关系溯源超标区域，包括：
获取所述超标点位对应的点位编码，根据点位编码获取超标点位对应的汇水区域面图层；
通过GIS平台建立汇水区域面图层和超标点位的动态交互，在可视化地图中突出显示超标区域；
根据涉水单位对汇水区域进行网格划分，获取网格化区域；其中，涉水单位包括企业、居民小区和学校；
建立排水查询数据库；其中，排水查询数据库包括网格中涉水单位以及对应的排水量和排水类型；
对超标点位中超标因子进行分析，获取超标分析结果，并根据超标分析结果进行警示；其中，超标分析结果包括超标类型和涉水单位。
优选的，根据所述超标分析结果确定警告网格区域，包括：
当网格区域的水质超标时，提取超标因子以及对应的涉水单位；同时获取该网格区域的相邻网格区域；
当相邻网格区域中存在与提取的超标因子对应涉水单位属性相同的单位时，则将该相邻网格区域标记为警告网格区域；
在可视化地图上突出显示警告网格区域。
优选的，所述GIS平台包括ArcGIS Desktop、ArcGIS Server和WebGIS。
优选的，所述水质监测数据通过设置在监测点位的数据采集设备获取；其中，数据采集设备包括余氯传感器、电导率传感器、pH传感器、ORP传感器和浊度传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将智能分析和GIS技术相结合，为水质监测配置了一套集数据传输、数据转化、智能化分析和超标警示为一体的污染源溯源系统；有效的提升了水质分析、超标报警、污染源溯源的监测数据处理，提高了水质监测和污染源溯源的工作效率。
2、本发明在获取超标网格区域之后，还结合超标因子和相邻网格区域获取了警告网格区域；避免遗漏污染源，进一步提高了污染源溯源的精确度。
附图说明
图1为本发明的工作步骤示意图；
图2为本发明的系统原理示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图2，本发明的目的是解决现有的水质监测手段偏向数据展示，手动填报或自动监测，存在大量的数据堆积，监测手段单一，缺乏有效的超标报警及污染源溯源的方法；本发明利用数据传输、数据转换、数据矢量化、GIS等技术，有效的提升了水质分析、超标报警、污染源溯源的监测数据处理，提高了水质监测的工作效率和准确度。
本发明提供了基于水质监测的污染源溯源系统，包括数据采集模块、数据处理模块和可视化模块；
数据采集模块：用于实时在线采集监测点位的水质监测数据，通过数据传输协议将水质监测数据发送至数据处理模块；
数据处理模块：用于分析水质监测数据筛选出超标数据，并根据超标数据定位超标点位；还结合超标点位和拓扑关系溯源超标区域；
可视化模块：用于获取监测点位和监测点位对应的汇水区域，通过GIS平台对监测点位和汇水区域进行拓扑关联，建立可视化地图平台。
在一个可选的实施例中，数据处理模块分别与数据采集模块、可视化模块和数据库通信连接，可视化模块分别与数据采集模块和数据库通信连接。
在一个具体实施例中，数据传输过程采用“客户机-服务器”模式，各自动站基站软件系统作为客户机，通过特定的网络(3G、4G、光纤等)与中心平台服务器进行通讯。对客户机而言，通讯服务器的IP地址是固定的(该1P地址由运营商负责分配)，而各个客户机在登陆网络时，IP地址由网络运营商动态分配，因此，总是客户机主动发起连接。
对于通讯服务器而言，通过引入的“地址编号”区分每个自动站。系统预留200-300个监测点位的接入能力，并能接入包括地表水监测、污染源监测等类型各异的监测信息。数据传输采用HJ212标准协议，环保部门提出，规定了污染源在线自动监控(监测)系统中监控中心(中心平台)和自动监控设备(监测子站)之间数据通讯、控制和报警等信息的传输协议。规范了数据传输，保证各种环境监控监测仪器设备、传输网络和环保部门应用软件系统之间的连通。HJ212作为环境在线监测领域应用最为广泛的通信标准，也是基站软件通信接口默认的通信协议。
为了保证数据传输的可靠性、有效性和完整性，本系统中HJ212通信规约具备如下功能特点：
1)支持历史数据召唤功能，保证断网期间的监测数据不会丢失；
2)支持断点续传功能和冗余重试功能，最大限度的保证在网络通信不稳定的情况下，数据的完整性；
3)支持水质监测站站房主要功能部件运行进程及状态数据的接入，实现监测设备故障的远程诊断与远程故障定位，从而提高监测数据的有效性、准确性和可信度；
4)支持身份验证和权限保护机制，防止恶意链接和并发攻击，有效保障数据传输链路的稳定性和可靠性。
对HJ212标准协议解析后的数据，进行数据提取，存储至数据库。
在一个实施例中，该污染源溯源系统还包括智能终端，智能终端与可视化模块通信连接，可实现对污染源溯源过程的移动监控，同时可用于接收警示信息。
在一个具体的实施中，智能终端包括智能手机和平板电脑。
在一个实施例中，通过可视化模块建立可视化地图平台，包括：
通过ArcGIS Desktop对监测点位的经纬度坐标矢量化，依据WGS1984大地坐标系建立矢量点文件，同时获取监测点位对应汇水区域的矢量面文件；
建立矢量点和矢量面图层之间的关联关系，再基于ArcGIS Server部署建立可视化地图平台。
在一个可选的实施例中，通过ArcGIS Desktop中地理处理工具“相交”，建立矢量点和矢量面图层之间的关联关系，通过图层符号系统优化配置图层样式，最后基于ArcGISServer部署可视化地图服务。
在一个实施例中，数据处理模块根据水质监测数据定位超标定位，包括：
定时对水质监测数据进行解析并同步至数据库；
基于对监测点位的水质要求和水环境质量标准对解析后的水质监测数据进行智能分析，获取智能分析结果；
智能分析结果结合GIS平台在可视化地图中定位超标点位。
可以理解的是，智能分析结果包括超标因子、超标量以及其他可以表征水质污染的参数。
在一个可选的实施例中，十分钟解析一次水质监测数据并同步至数据库；基于当地对监测点位的目标水质要求，结合《地表水环境质量标准GB3838-2002》，对实测水质进行智能判定，并与目标水质进行比对，基于WebGIS开发技术，通过数据库查询提供超标点位经纬度，在网页地图中定位超标点位。
可以理解的是，当地对监测点位的目标水质要求和《地表水环境质量标准GB3838-2002》两个标准对同一片区域或者同一监测点位的要求不一致，本申请中选取两者之中较为严格的数据作为分析标准；在另外一些优选的实施例中，也可以根据实际情况进行选取。
在一个实施例中，数据处理模块对水质监测数据进行智能分析，包括：
数据处理模块提取水质监测数据中污染因子以及对应的污染浓度；
根据水质要求和水环境质量标准选取标准评估集合；
将提取的污染因子以及对应的污染浓度与标准评估集合进行对比分析，获取智能分析结果。
在另外一个优选的实施例中，智能分析结果还可通过人工智能模型获取；本申请提到的人工智能模型包括深度卷积神经网络模型、RBF神经网络模型和支持向量机模型。
在一个可选的实施例中，当污染因子的实际浓度不大于标准评估集合中对应污染因子污染浓度与误差系数之和；其中误差系数为人工设置的不大于0的实数。
在一个具体的实施例中，标准评估集合为污染因子以及对应污染浓度阈值的集合；如重金属离子以及对应的污染浓度阈值，余氯以及对应的污染浓度阈值。
在一个实施例中，数据处理模块结合超标点位和拓扑关系溯源超标区域，包括：
获取超标点位对应的点位编码，根据点位编码获取超标点位对应的汇水区域面图层；
通过WebGIS建立汇水区域面图层和超标点位的动态交互，在可视化地图中红色高亮显示超标区域；
根据涉水单位对汇水区域进行网格划分，获取网格化区域；
建立排水查询数据库；
对超标点位中超标因子进行分析，获取超标分析结果，并根据超标分析结果进行警示。
在一个可选的实施例中，通过数据整编，对汇水区域涉排、涉水企业、小区、学校、机构等地区进行网格化管理，建立区域排水、涉水类型数据库，通过对监测数据超标因子的分析，智能判定超标类型与超标企业，并进行警示提醒，为排水办、河长办等部门提供决策依据。
可以理解的是，汇水区域又称作集水区域、集水盆地、流域盆地，是指地表径流或其他物质汇聚到一共同的出水口的过程中所流经的地表区域，它是一个封闭的区域；出水口是指水流离开汇水区的点，这个点是汇水区边界上的最低点；通常一条河流的汇水区没有其他的地表径流流入且只有唯一的一个出水点。
在一个具体的实施例中，排水查询数据库包括网格中涉水单位以及与之关联的排水量、排水类型等数据。
在一个具体的实施例中，超标分析结果包括超标类型和涉水单位。
在一个具体的实施例中，涉水单位包括企业、居民小区、学校等可能会对水资源造成污染的单位。
在一个实施例中，根据超标分析结果确定警告网格区域，包括：
当网格区域的水质超标时，提取超标因子以及对应的涉水单位；同时获取该网格区域的相邻网格区域；
当相邻网格区域中存在与提取的超标因子对应涉水单位属性相同的单位时，则将该相邻网格区域标记为警告网格区域；
在可视化地图上橙色显示警告网格区域。
可以理解的是，当某一个网格区域出现某种因子异常造成水质污染时，并不一定是仅因为该网格区域产生的影响，与其相邻的网格区域中如果存在相同涉水单位，也有可能产生一定影响，因此本申请通过获取警告网格区域进行及时警示，给工作人员提供足够的时间，保证高效及时地发现污染源。
本申请为各类业务应用提供一体化的支撑平台，整合多维度的数据，并通过前端界面可视化，后端对数据进行实时监管、分析，通过三大运营商平台或云服务平台，进行信息警示、提醒、为监管部门治水工作，提供强有力的数据支撑。
本发明的工作原理：
通过数据采集模块实时在线采集监测点位的水质监测数据，通过数据传输协议将水质检测数据发送至数据处理模块。
通过可视化模块获取监测点位和监测点位对应的汇水区域，通过GIS平台建立监测点位和汇水区域的拓扑关系，建立可视化地图平台。
数据处理模块分析水质监测数据，筛选出超标数据，并根据超标数据定位超标点位，结合超标点位和拓扑关系溯源超标区域，进行警示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (8)

1.基于水质监测的污染源溯源系统，其特征在于，包括：
数据采集模块：用于实时在线采集监测点位的水质监测数据，通过数据传输协议将水质监测数据发送至数据处理模块；
数据处理模块：用于分析水质监测数据筛选出超标数据，并根据超标数据定位超标点位；还结合超标点位和拓扑关系溯源超标区域；
可视化模块：用于获取监测点位和监测点位对应的汇水区域，通过GIS平台对监测点位和汇水区域进行拓扑关联，建立可视化地图平台。
2.根据权利要求1所述的基于水质监测的污染源溯源系统，其特征在于，通过所述可视化模块建立可视化地图平台，包括：
通过GIS平台对监测点位的经纬度坐标矢量化，依据标准坐标系建立矢量点文件，同时获取监测点位对应汇水区域的矢量面文件；
建立矢量点和矢量面图层之间的关联关系，再基于GIS平台部署建立可视化地图平台。
3.根据权利要求1所述的基于水质监测的污染源溯源系统，其特征在于，所述数据处理模块根据水质监测数据定位超标定位，包括：
定时对所述水质监测数据进行解析并同步至数据库；
基于对监测点位的水质要求和水环境质量标准对解析后的水质监测数据进行智能分析，获取智能分析结果；其中，智能分析结果包括超标因子和超标量；
所述智能分析结果结合GIS平台在可视化地图中定位超标点位。
4.根据权利要求1所述的基于水质监测的污染源溯源系统，其特征在于，所述数据处理模块对水质监测数据进行智能分析，包括：
所述数据处理模块提取所述水质监测数据中污染因子以及对应的污染浓度；
根据水质要求和水环境质量标准选取标准评估集合；其中，标准评估集合为污染因子以及对应污染浓度阈值的集合；
将提取的污染因子以及对应的污染浓度与标准评估集合进行对比分析，获取智能分析结果。
5.根据权利要求4所述的基于水质监测的污染源溯源系统，其特征在于，所述污染浓度阈值通过水质要求和水环境质量标准选取，具体为水质要求和水环境质量标准允许的污染浓度最小值。
6.根据权利要求1所述的基于水质监测的污染源溯源系统，其特征在于，所述数据处理模块结合超标点位和拓扑关系溯源超标区域，包括：
获取所述超标点位对应的点位编码，根据点位编码获取超标点位对应的汇水区域面图层；
通过GIS平台建立汇水区域面图层和超标点位的动态交互，在可视化地图中突出显示超标区域；
根据涉水单位对汇水区域进行网格划分，获取网格化区域；其中，涉水单位包括企业、居民小区和学校；
建立排水查询数据库；其中，排水查询数据库包括网格中涉水单位以及对应的排水量和排水类型；
对超标点位中超标因子进行分析，获取超标分析结果，并根据超标分析结果进行警示；其中，超标分析结果包括超标类型和涉水单位。
7.根据权利要求6所述的基于水质监测的污染源溯源系统，其特征在于，根据所述超标分析结果确定警告网格区域，包括：
当网格区域的水质超标时，提取超标因子以及对应的涉水单位；同时获取该网格区域的相邻网格区域；
当相邻网格区域中存在与提取的超标因子对应涉水单位属性相同的单位时，则将该相邻网格区域标记为警告网格区域；
在可视化地图上突出显示警告网格区域。
8.根据权利要求1所述的基于水质监测的污染源溯源系统，其特征在于，所述水质监测数据通过设置在监测点位的数据采集设备获取；其中，数据采集设备包括余氯传感器、电导率传感器、pH传感器、ORP传感器和浊度传感器。
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