郝啟文，王小藝，許繼平，劉載文，盛 璐，何多多

(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

1 概述

隨著全球水體富營養(yǎng)化的加劇，湖庫發(fā)生水華現(xiàn)象越來越普遍，其造成的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題越來越引起人們的關(guān)注[1]。水體富營養(yǎng)化會(huì)導(dǎo)致某些特征性藻類非正常增殖，水體顏色逐漸變深，水體透明度下降，溶解氧濃度降低，CODMn濃度增大，直接導(dǎo)致魚類及其他生物死亡，從而破壞湖庫水體的自然生態(tài)平衡，造成環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的重大損失[2-3]。近年來，我國許多大型湖泊面臨著水華爆發(fā)的危險(xiǎn)。水華的爆發(fā)破壞了水體中的生物多樣性，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展。因此，有效預(yù)測水華爆發(fā)、對(duì)水華進(jìn)行治理已經(jīng)迫在眉睫[4-5]。

本文根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的現(xiàn)狀及系統(tǒng)所需的技術(shù)要求，開發(fā)了湖庫水質(zhì)監(jiān)測與水華預(yù)警信息系統(tǒng)。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)接收水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、快速查詢、數(shù)據(jù)對(duì)比等功能。同時(shí)，系統(tǒng)集成了水華智能預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)湖庫水華的中長期預(yù)測預(yù)警功能，為環(huán)保部門進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測與水華防治提供有效的信息化決策平臺(tái)。

2 預(yù)警信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湖庫水質(zhì)監(jiān)測與水華預(yù)警信息系統(tǒng)基于 Visual Studio 2010軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)利用Socket控件接收下位儀表通過通用分組無線服務(wù)(General Packet Radio Service, GPRS)傳送的數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和大量歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在基于 SQL2005建立的數(shù)據(jù)庫中，為后期數(shù)據(jù)處理和分析提供可靠依據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)可在地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)圖中實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測點(diǎn)位置、水質(zhì)參數(shù)，并按時(shí)間跨度、空間范圍進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)的歷史查詢，繪制實(shí)時(shí)、歷史曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Matlab和 C++程序的混編，通過調(diào)用后臺(tái)灰色-BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)水華預(yù)測預(yù)警功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 預(yù)警信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

水質(zhì)監(jiān)測傳感器的布點(diǎn)靈活，分布廣泛，數(shù)據(jù)量穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸方式適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。其具有覆蓋地域廣、通信距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)可靠性高、穩(wěn)定性好、通信成本較低等優(yōu)點(diǎn)。通過上述分析，選用GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸方式對(duì)水質(zhì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，完全可以滿足傳感器和系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的要求。

由于Socket接口是訪問Internet時(shí)用得最廣泛的方法，因此本系統(tǒng)采用面向連接的流式的Socket，針對(duì)面向連接的 TCP服務(wù)，實(shí)現(xiàn)由傳感器采集的水質(zhì)信息的實(shí)時(shí)接收。

2.2.2 地理信息系統(tǒng)技術(shù)

GIS是以測繪測量為基礎(chǔ)、以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和使用數(shù)據(jù)源、以計(jì)算機(jī)編程為平臺(tái)的全球空間分析即時(shí)技術(shù)。近年來，由于新技術(shù)的發(fā)展和能夠獲取或共享的區(qū)域性數(shù)據(jù)日益豐富，因此傳統(tǒng)的大而全的地理信息系統(tǒng)已逐漸被集成二次開發(fā)的 GIS系統(tǒng)所取代[6]。水質(zhì)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)有賴于信息的實(shí)時(shí)更新和對(duì)信息的空間分析與綜合處理。GIS強(qiáng)大的專題制圖功能可將環(huán)境的變化情況、規(guī)律[7]，通過直觀的圖件資料予以顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息及其他種類信息的有效管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的綜合動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

本文系統(tǒng)利用MapX組件技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，將GIS作為本項(xiàng)目的基礎(chǔ)平臺(tái)，起到存儲(chǔ)、處理和分析空間信息的作用。系統(tǒng)通過接收水質(zhì)傳感器采集的數(shù)據(jù)，監(jiān)測不同時(shí)段的信息變化情況，比較不同的空間數(shù)據(jù)集或其他種類的信息[8]。圖2為基于GIS的智能化信息系統(tǒng)(以太湖流域?yàn)槔?初始界面。

圖2 系統(tǒng)初始界面

2.2.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

結(jié)構(gòu)化查詢語言(Structured Query Language,SQL)是一種數(shù)據(jù)庫查詢和程序設(shè)計(jì)語言，用于存取數(shù)據(jù)及查詢、更新和管理關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于多水質(zhì)參數(shù)傳感器，并配有高精度的信標(biāo)機(jī)，采集包括時(shí)間、地理坐標(biāo)等基本數(shù)據(jù)，利用GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)采用開放數(shù)據(jù)庫連接(Open Database Connectivity, ODBC)接口，將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和大量歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中?？蓪?shí)現(xiàn)水質(zhì)信息、GPS位置信息實(shí)時(shí)顯示，并按時(shí)間跨度對(duì)歷史信息進(jìn)行查詢和對(duì)比。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 水質(zhì)信息分析

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示下位監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可將水環(huán)境變化情況通過直觀的圖像資料予以顯示。監(jiān)測點(diǎn)每小時(shí)對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行一次采集，并通過GPRS上傳。圖3為實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)和歷史查詢狀態(tài)顯示。

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示與歷史數(shù)據(jù)查詢界面

水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)圖標(biāo)將實(shí)時(shí)顯示在該水域地圖中的相應(yīng)位置上，當(dāng)鼠標(biāo)放置于圖中該監(jiān)測點(diǎn)上時(shí)，該監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)信息將以列表的形式顯示；同時(shí)，在界面左側(cè)的日歷中選擇需要的日期和時(shí)間段，可以進(jìn)行水質(zhì)信息的歷史查詢。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同監(jiān)測點(diǎn)可變時(shí)間跨度數(shù)據(jù)對(duì)比功能。通過選定2個(gè)或2個(gè)以上監(jiān)測點(diǎn)在某一時(shí)間段內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以曲線圖形式在同一界面中直觀顯示這些監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)變化情況，如圖 4所示。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 水華預(yù)測預(yù)警功能

湖庫體系是一個(gè)多層次、多因素、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，水質(zhì)信息系統(tǒng)也具有明顯的層次復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)變化隨時(shí)性、指標(biāo)數(shù)據(jù)不完全、不確定性[9]。針對(duì)湖庫水華產(chǎn)生的特點(diǎn)，應(yīng)用智能信息處理技術(shù)對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將灰色理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，對(duì)水華的爆發(fā)時(shí)刻進(jìn)行預(yù)測[10]。

具體建模步驟如圖5所示。

圖5 灰色-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模步驟

將葉綠素參數(shù)值分為多個(gè)時(shí)間序列，分別建立GM(1, 1)模型，獲得葉綠素的預(yù)測值，將這些預(yù)測值與實(shí)際值之間的偏差關(guān)系及序列之間的相互關(guān)系綜合到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中考慮。將GM(1, 1)模型對(duì)下一時(shí)刻或幾個(gè)時(shí)刻葉綠素預(yù)測的偏差值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)輸入，影響水華的另外幾個(gè)主要因素(總磷、總氮、光照、溫度等)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的其他輸入，對(duì)應(yīng)輸入的下一時(shí)刻葉綠素偏差值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)師信號(hào)，將預(yù)測值偏差與GM(1, 1)模型對(duì)應(yīng)時(shí)刻的預(yù)測值疊加，即得到葉綠素的預(yù)測值。圖6為水華預(yù)測仿真結(jié)果(預(yù)測周期為30天)。

圖6 30天水華預(yù)測結(jié)果

基于灰色-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合模型能夠有效預(yù)測水華暴發(fā)，預(yù)測精度達(dá)到90%以上。

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了集成網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、SQL2005數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一體的湖庫水質(zhì)監(jiān)測與水華預(yù)警智能信息系統(tǒng)，著重介紹了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及中長期水華智能預(yù)測預(yù)警方法，為提高湖庫水質(zhì)自動(dòng)化監(jiān)測程度及水華高精度預(yù)測提供了一套有效的信息化平臺(tái)。

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