基于光譜分析的海綿體性能評測系統(tǒng)設(shè)計

武尚智，羅秀卿

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061)

“重地上、輕地下”的城市發(fā)展觀使得現(xiàn)階段我國許多城市的防澇基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重不足，“小雨必淹、大雨必澇”暴露出一些城市排水系統(tǒng)建設(shè)的局限性。近年來國家對海綿城市的建設(shè)越來越重視，海綿城市項目實施當(dāng)中的系統(tǒng)性要求也越來越高[1]，在海綿城市的建設(shè)中如何客觀評價各個海綿體的作用效果，如何科學(xué)定量各個海綿體的“海綿”功能，成為了海綿城市建設(shè)中的重點和難點。

鑒于此，以光譜傳感分析技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種海綿體性能評測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對區(qū)域內(nèi)調(diào)節(jié)塘、雨水濕地、濕塘、蓄水池等多種海綿體進行現(xiàn)場信息采集并通過系統(tǒng)內(nèi)置算法進行現(xiàn)場快速評測，得出海綿體實時評測數(shù)據(jù)及指標(biāo)，從而就地顯示和及時預(yù)警；同時系統(tǒng)將數(shù)據(jù)遠傳至中心平臺服務(wù)器進行評測，中心平臺服務(wù)器通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ图叭诤纤惴▽?shù)據(jù)進行處理，最終得出該區(qū)域內(nèi)各個海綿體精確性能評測指標(biāo)，從而實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)海綿體性能多角度、多維度的評測功能[2]。

1 光譜傳感分析技術(shù)

1.1 簡介

光譜傳感分析技術(shù)相對于傳統(tǒng)的的傳感檢測分析方法有著較為明顯的先進性。大部分物質(zhì)當(dāng)中的粒子在特定某種電磁輻射條件下會產(chǎn)生物理學(xué)意義上的變化，比如發(fā)射、吸收、散射、能級改變等等，而通過不同物質(zhì)變化量的甄別便可以對該種物質(zhì)進行定性分析、甚至是定量分析[3]。光譜傳感分析技術(shù)方法的優(yōu)點是靈敏、便捷、無損、易操作。

1.2 常用光譜檢測分析方法

目前基于光譜傳感分析的檢測方法主要有拉曼光譜法、紅外光譜法、熒光法、UV光譜法等。每種光譜分析方法都有自己的適用范圍與適用場合。

1.2.1拉曼光譜法

拉曼光譜出現(xiàn)于可見光譜與紅外光譜區(qū)之間，屬于一種散射現(xiàn)象。在其應(yīng)用于光譜分析方法時，它通常是由分子轉(zhuǎn)動或振動時的變化率差異而產(chǎn)生，拉曼光譜通常需要海量的數(shù)據(jù)庫作為支撐，數(shù)據(jù)解析方案較為復(fù)雜[4- 5]。

1.2.2紅外光譜法

紅外光譜法的原理是基于不同的能量差異性的表現(xiàn)，待測分子在紅外光譜經(jīng)過時，只會與其吸收特點相符的紅外光譜進行吸收。該種方法具有重復(fù)性好、使用條件簡單等優(yōu)點，但是對測量要求有一定的局限，建模工作量較大。

1.2.3熒光光譜法

熒光光譜法是用紫外光照射后某些物質(zhì)后可產(chǎn)生熒光而據(jù)此定性定量分析的方法。熒光光譜法的原理是物質(zhì)分子由基態(tài)躍遷到高能級時會吸收能量，再返回初始激發(fā)態(tài)的能級時會將發(fā)射出來部分光量子。熒光光譜法檢測精度高、方法簡單便捷。

1.2.4紫外光譜法

紫外光譜法即UV法利用分子在紫外光譜區(qū)域?qū)Σ煌镔|(zhì)的分子吸收不同波段的光譜的原理而產(chǎn)生的。該種方法會使得分子吸收的光譜出現(xiàn)躍遷，即電子在電子能級進行躍遷從而跳轉(zhuǎn)能級，這批電子在得到多余能量之外會跳出低級別的能量級而進入一個較高級別的能量級，各種躍遷確定著它會吸收同樣的的輻射能量，而由于不同物品其分子結(jié)構(gòu)各有不同，所以其吸收光譜會出現(xiàn)特有的性質(zhì)。紫外光譜法簡單，但精度受經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀绊戄^大。

1.3 多光譜融合分析技術(shù)

多光譜融合分析技術(shù)是利用一定的決策準(zhǔn)則將待測量分成不同的類別，通過不同光譜檢測方法得出檢測數(shù)據(jù)，再通過融合算法得出結(jié)論。針對不同的待測量，多光譜融合分析技術(shù)可通過不同層次的融合給出多維度的答案，彌補了單一光譜分析方法的局限性，有著更高的精度和魯棒性[6]。

2 海綿體性能評價方法

2.1 城市常見海綿體分類

海綿城市當(dāng)中的海綿體各類繁多，將城市常見海綿體按過程進行分類，如圖1所示，可以分為源頭部分、中途部分、末端部分。具體包括：綠色屋頂、下沉式綠地、滲透鋪裝、植草溝、植被緩沖帶、生物滯留帶、調(diào)節(jié)塘、調(diào)節(jié)池、雨水罐、雨水花園等。

圖1 城市常見海綿體種類

2.2 海綿體性能評測

海綿體性能的評價涉及多個交叉學(xué)科、多個組成要素，其衡量標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)的選定也是一個較為繁雜的過程，海綿城市的評價標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)本身也存在地域性和階段性的差異。而對海綿體進行評測主要是基于其“彈性”功能，吸水、蓄水、滲水、凈水、釋水等功能，將這些功能通過直接測量或軟測量的方法得到量化指標(biāo)，進而達到有效評價的目的。

通過對城市常見海綿體進行比選及評測，得出一種針對目標(biāo)區(qū)域的海綿體性能評價體系。可根據(jù)各海綿體功能及評價目標(biāo)建立競爭性評價體系，得出各海綿體在該目標(biāo)下指標(biāo)參數(shù)。表1為城市常見海綿體性能評測要素表。

表1 城市常見海綿體性能評測要素表(部分海綿體指標(biāo)權(quán)重過小忽略)

根據(jù)評測要素表可以得出城市常見海綿體性能的評測要素，而不同的評測要素分別對應(yīng)于從近紅外到紫外等的不同光譜段的優(yōu)選光譜。結(jié)合先進的光譜分析方法及大數(shù)據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂蓪搅骺偭?、削減峰值流量、水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)、水利用率、水質(zhì)預(yù)警信息到區(qū)域景觀、功能及經(jīng)濟效益等多個方面進行評價。

3 基于光譜分析技術(shù)的海綿體評價系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總述

基于光譜分析技術(shù)的海綿體性能評測系統(tǒng)主要采用了現(xiàn)場便攜式設(shè)備、光譜檢測融合算法及中心平臺服務(wù)器的架構(gòu)。其中現(xiàn)場便攜式設(shè)備主要負(fù)責(zé)對各海綿體的特征參數(shù)采集及前端處理；采集的數(shù)據(jù)再通過不同層次的光譜檢測融合算法得到海綿體評價結(jié)論；平臺服務(wù)器主要用來將前端采集的信息深度分析處理、存儲并預(yù)警[7]，如圖2所示。

圖2 海綿體性能評測系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 現(xiàn)場便攜式設(shè)備

每個現(xiàn)場便攜式設(shè)備都是帶有人工智能(AI)的物聯(lián)網(wǎng)終端，它由預(yù)處理系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和主控系統(tǒng)組成，如圖3所示。其中預(yù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對海綿體進行參數(shù)匹配及優(yōu)選光譜檢測得到光譜數(shù)據(jù)；分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供不同的光譜分析方法；數(shù)據(jù)傳入主控系統(tǒng)后通過融合算法計算得出評價結(jié)果，對該區(qū)域海綿體狀態(tài)進行評價；評價內(nèi)容通過輔助系統(tǒng)的人機交互單元現(xiàn)場顯示及報警，同時通過無線通訊單元遠傳至監(jiān)控中心平臺服務(wù)器。

圖3 現(xiàn)場便攜式設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.3 光譜檢測融合算法

評測系統(tǒng)內(nèi)置多種光譜檢測基礎(chǔ)算法，主要包括偏最小二乘法PLS(partial least squares)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、極限學(xué)習(xí)機(extreme learning machine)等，光譜檢測融合算法在各基礎(chǔ)算法之上進行多層次的融合計算，一定程度上實現(xiàn)了算法的揚長避短，提高了算法的整體精度。光譜檢測融合算法采用了三種層次的融合：直接融合、特征融合、深度融合。

直接融合算法主要用于現(xiàn)場便攜式設(shè)備，它直接對傳感器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行處理，得出未經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理的數(shù)據(jù)。直接融合算法適用于數(shù)據(jù)有明顯規(guī)律、實時性要求較高的情況。特征融合適用于中心平臺服務(wù)器，是指原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過預(yù)處理之后再進行模式識別的處理。該種融合能保留更多的現(xiàn)場信息，分析結(jié)果更為精確。深度融合指需要先經(jīng)過長時間的訓(xùn)練建立起自適應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，對特征融合的數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí)處理后得出結(jié)果，該種融合方法最為精確，但數(shù)據(jù)處理量大，所需硬件資源較多，實時性較差。

深度融合選擇算法時首先遍歷系統(tǒng)內(nèi)m×n種算法，尋找出最優(yōu)算法或算法組合，與預(yù)設(shè)的模式進行比較，可不斷調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)置算法。根據(jù)不同海綿體特征抓取內(nèi)容的區(qū)別以及實時性評價要求選擇的不同數(shù)據(jù)融合分析算法，實現(xiàn)了對海綿體進行多維度的評測。

3.4 中心平臺服務(wù)器

中心平臺服務(wù)器負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場便攜式設(shè)備傳回的信息，并通過光譜檢測融合算法對數(shù)據(jù)進行處理。其主要包括初始化系統(tǒng)、權(quán)限管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、算法系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、即時預(yù)警分析系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、故障管理系統(tǒng)等，如圖4所示。

圖4 中心平臺服務(wù)器系統(tǒng)圖

中心平臺服務(wù)器采用分布式架構(gòu)的混合型服務(wù)器，結(jié)合SSD的高IO能力和大容量SATA磁盤的優(yōu)勢，提供了控制器、安全、負(fù)載均衡等高網(wǎng)絡(luò)帶寬要求的云服務(wù)基礎(chǔ)計算能力，同時支撐數(shù)據(jù)倉庫、大數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用，可實現(xiàn)分布式并行計算框架計算。

平臺服務(wù)器采用分布式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，硬件、軟件冗余備份，具有高可靠性，完整地實現(xiàn)了以下功能：現(xiàn)場便攜式設(shè)備統(tǒng)一的遠程自動化管理、通信同步處理、數(shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)處理控制、區(qū)域或整體預(yù)警等[8]。

4 結(jié)語

本文針對海綿城市建設(shè)中海綿體的性能評測建立了一套以光譜分析原理為基礎(chǔ)并應(yīng)用檢測融合算法的評測系統(tǒng)，為海綿體性能的快速準(zhǔn)確評測提供了一種新的方法和思路，對海綿城市項目的建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。

受限于典型海綿體歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)量的不足，文中光譜檢測融合算法的精度仍有較大提升空間，而隨著海綿城市建設(shè)中經(jīng)驗數(shù)據(jù)的逐步累積、硬件設(shè)備性能的不斷提升，將會與光譜檢測融合算法精度形成正向良性循環(huán)，未來基于光譜分析的海綿體性能評測系統(tǒng)會在海綿城市建設(shè)以及城市防洪排澇預(yù)警中扮演更加重要的角色。