針對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊小琛，劉翼翔，章航滔，張?jiān)苹?/p>

（1.湘潭大學(xué)公共管理學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湘潭大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，湖南 湘潭 411105；3.福建省水投勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350001）

聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）發(fā)布的世界規(guī)模水體富營(yíng)養(yǎng)化研究結(jié)果顯示，在全球范圍內(nèi)，30%～40%的湖泊、水庫(kù)存在不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化影響[1]。藍(lán)藻水華的頻繁暴發(fā)，不僅破壞了湖泊水體的正常功能和生態(tài)環(huán)境，造成漁業(yè)生產(chǎn)的重大損失，而且嚴(yán)重威脅飲用水安全，危害人體健康，成為制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)境因素之一。如何科學(xué)地預(yù)測(cè)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生，以便于提前決策減少其帶來(lái)的不利影響是我國(guó)水資源保護(hù)工作亟需解決的重大問(wèn)題。

2016 年12 月11 日，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》指出，全面推行河長(zhǎng)制是落實(shí)綠色發(fā)展理念、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)在要求，是解決中國(guó)復(fù)雜水問(wèn)題、維護(hù)河湖健康生命的有效舉措，是完善水治理體系、保障國(guó)家水安全的制度創(chuàng)新。截至2018年，全國(guó)已有31個(gè)省推行河長(zhǎng)制，建立河湖管護(hù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖水體水質(zhì)及流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成全社會(huì)治水的良好氛圍。對(duì)湖泊水體進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)、全天候的監(jiān)測(cè)，能極大地節(jié)省人力物力；對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行及時(shí)的預(yù)測(cè)預(yù)警，能為湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的預(yù)防治理方案設(shè)計(jì)提供理論技術(shù)支持；有利于提前防范水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)水域防災(zāi)減災(zāi)[2-5]?；诖耍疚慕Y(jié)合云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)較為完善的針對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

1 需求分析

系統(tǒng)需求分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體流程的不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的核心是對(duì)湖泊水體與富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析，建立相關(guān)預(yù)測(cè)及預(yù)警模型。通過(guò)對(duì)已運(yùn)用的水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)調(diào)查分析研究，得到最基本的系統(tǒng)需求信息，分為功能需求和性能需求兩類。

1.1 功能需求

湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集、篩選處理、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、業(yè)務(wù)處理五大部分。結(jié)合國(guó)家發(fā)布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002），同時(shí)根據(jù)用戶要求設(shè)置相關(guān)閾值。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集

利用現(xiàn)有的水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)與湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)做到數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)及整理，并存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.1.2 篩選處理

對(duì)所采泛型數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，篩選出可以精確反映湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的數(shù)據(jù)；對(duì)所選數(shù)據(jù)做相應(yīng)規(guī)范化處理，并存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1.1.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

能對(duì)規(guī)范處理數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估分析，判別水質(zhì)數(shù)據(jù)是否存在異常，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)處理，并存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.1.4 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

能根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，判斷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)是否存在異常，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)處理，并存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.1.5 業(yè)務(wù)操作

系統(tǒng)需具備用戶管理、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、主界面實(shí)時(shí)顯示等若干功能。

1.2 性能需求

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的性能好壞與水文工作息息相關(guān)，除進(jìn)行必要的功能需求分析外，還需要滿足系統(tǒng)性能需求，如系統(tǒng)響應(yīng)速度、負(fù)載能力、安全性、可靠性、可用性、可維護(hù)性。除了用戶正常使用外，還要保證用戶使用體驗(yàn)及系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2 系統(tǒng)模型架構(gòu)

湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)初衷是為湖泊水污染治理提供一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、管理、挖掘和預(yù)測(cè)預(yù)警于一體的輔助決策工具。通過(guò)大量數(shù)據(jù)的分析整理，探討水質(zhì)指標(biāo)與富營(yíng)養(yǎng)化之間的關(guān)系，進(jìn)而建立模型，通過(guò)上述需求分析及對(duì)現(xiàn)有水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的調(diào)查研究，選用物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)構(gòu)建系統(tǒng)模型，主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個(gè)層面，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型架構(gòu)

2.1 感知層

感知層的核心是搭載有傳感器、監(jiān)測(cè)儀的嵌入式平臺(tái)，主要功能是收集、篩選水質(zhì)參數(shù)，并對(duì)所采數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷、規(guī)范處理。實(shí)時(shí)采集各類水質(zhì)參數(shù)，交由嵌入式平臺(tái)進(jìn)行篩選和規(guī)范化處理，以期剔除異常數(shù)據(jù)和消除參數(shù)間量綱不同所造成的影響。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的核心是通信模塊，將處理后的數(shù)據(jù)及設(shè)備信息上傳云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，是保證感知層采集、處理得到的數(shù)據(jù)能長(zhǎng)距離傳輸至云數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)的關(guān)鍵。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層的核心是部署有預(yù)測(cè)、評(píng)級(jí)模型的信息可視化平臺(tái)，主要有兩大功能：①對(duì)感知層采集到的歷時(shí)水體參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)級(jí)處理。預(yù)測(cè)模型以相關(guān)水域近段時(shí)間內(nèi)采集到的歷時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)相關(guān)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)；評(píng)級(jí)模型對(duì)預(yù)測(cè)模型所得參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)等級(jí)標(biāo)識(shí)對(duì)相關(guān)水域水體富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行分類，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度較高水域進(jìn)行預(yù)警。②將各類數(shù)據(jù)信息以可視化的形式呈現(xiàn)給用戶，并滿足諸如用戶管理、水質(zhì)數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警信息查詢等信息系統(tǒng)基本業(yè)務(wù)操作。

3 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

采用模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)。依據(jù)需求分析提取系統(tǒng)功能，將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)收集、遍歷規(guī)范、參數(shù)預(yù)測(cè)、評(píng)估預(yù)警、應(yīng)用交互5 類子系統(tǒng)及基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)4 類數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)是結(jié)合現(xiàn)有評(píng)價(jià)模型所需因子，諸如氨氮、TN、TP、CODMn、pH、Chla等[6，7]，在嵌入式平臺(tái)上部署水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取水質(zhì)參數(shù)；部署通信模組，傳輸數(shù)據(jù)信息；部署定位模組，獲取位置信息。

4.1.2 遍歷規(guī)范子系統(tǒng)

遍歷規(guī)范子系統(tǒng)是通過(guò)嵌入式平臺(tái)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷編號(hào)及數(shù)據(jù)預(yù)處理，使用信號(hào)濾波器函數(shù)對(duì)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行電信號(hào)去噪處理。根據(jù)國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），參考比重法、極值變換法、歸一化處理法、功效系數(shù)法、線性比例變換法等去量綱處理方法進(jìn)行規(guī)范化處理，消除不同參數(shù)間量綱不同所造成的影響，并保持不同指標(biāo)數(shù)據(jù)的差異性。

4.1.3 參數(shù)預(yù)測(cè)子系統(tǒng)

參數(shù)預(yù)測(cè)子系統(tǒng)部署有基于人工智能BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，網(wǎng)絡(luò)以遍歷規(guī)范子系統(tǒng)提供的歷時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)為輸入，對(duì)各類采集數(shù)據(jù)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，輸出結(jié)果為不同時(shí)序下的水質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)值。

4.1.4 評(píng)估預(yù)警子系統(tǒng)

評(píng)估預(yù)警子系統(tǒng)是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更高層次的應(yīng)用，在云服務(wù)器端采用目前已經(jīng)完成構(gòu)建并廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型及算法，諸如模糊綜合評(píng)價(jià)法[6]、聯(lián)系云模型[7]等，對(duì)各預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)，將所得結(jié)果與發(fā)出預(yù)警信息的評(píng)級(jí)上、下限進(jìn)行比較，如果超出該范圍，則記錄時(shí)間、地點(diǎn)并進(jìn)行預(yù)警提示，為環(huán)保工作者及時(shí)決策提供依據(jù)。

4.1.5 業(yè)務(wù)操作子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)操作子系統(tǒng)是為了更好地滿足受眾需求，在不考慮游客瀏覽情況下，將主要受眾確定為環(huán)保工作者，包括環(huán)保局、水利局、監(jiān)測(cè)站等相關(guān)水利工作人員，主要實(shí)現(xiàn)功能記述如下。

（1）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)記錄用戶基本信息，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)登錄、密碼修改、配置設(shè)置、權(quán)限更改等基本操作；用戶可以根據(jù)需要自行更換評(píng)級(jí)模型算法；用戶可以重新訓(xùn)練并更換人工智能預(yù)測(cè)模型。

（2）信息管理。用戶可通過(guò)設(shè)備編號(hào)、地點(diǎn)名稱、時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段等變量值，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)歷時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警信息的查詢活動(dòng)；同時(shí)，可以進(jìn)行信息發(fā)布。

（3）信息可視化。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)生成并展示不同的動(dòng)態(tài)折線圖表及評(píng)級(jí)級(jí)別；同時(shí)，可以根據(jù)用戶所選的時(shí)間段生成報(bào)表及走勢(shì)折線圖。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分為基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)四大部分。

4.2.1 基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)

基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)、監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息、周邊環(huán)境信息、采集時(shí)間、數(shù)據(jù)編號(hào)、規(guī)范處理后的水質(zhì)數(shù)據(jù)等。

4.2.2 分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)

分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括預(yù)測(cè)評(píng)級(jí)模型信息、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)級(jí)信息。

4.2.3 用戶數(shù)據(jù)庫(kù)

用戶數(shù)據(jù)庫(kù)包括用戶的賬號(hào)、密碼、手機(jī)號(hào)、工作單位、用戶權(quán)限等基本信息及用戶發(fā)布等信息。

4.2.4 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)包括各地以往暴發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化災(zāi)害的歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)及應(yīng)對(duì)策略。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合云計(jì)算、人工智能技術(shù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成需求分析、架構(gòu)選取、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，給出較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，為湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支持，以期對(duì)我國(guó)相關(guān)的水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到參考作用。