本發(fā)明涉及水質(zhì)跟蹤監(jiān)測，具體涉及一種水環(huán)境水質(zhì)跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法往往存在一些局限性。例如，監(jiān)測點(diǎn)分布有限，難以全面準(zhǔn)確地反映整個水環(huán)境的水質(zhì)情況；監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集頻率較低，不能實(shí)時(shí)捕捉水質(zhì)的動態(tài)變化；而且對于數(shù)據(jù)的處理和分析也較為簡單，難以深入挖掘數(shù)據(jù)背后的潛在信息，無法及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常和污染情況。

2、此外，當(dāng)水環(huán)境中出現(xiàn)污染時(shí)，快速準(zhǔn)確地確定污染區(qū)域、污染程度以及污染等級對于采取有效的治理措施至關(guān)重要。但現(xiàn)有的技術(shù)手段在這方面往往不夠精準(zhǔn)和高效，無法滿足實(shí)際需求。

3、因此，為了更全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測水環(huán)境水質(zhì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并對污染進(jìn)行精準(zhǔn)分析和評估，研發(fā)一種水環(huán)境水質(zhì)跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)及其方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種水環(huán)境水質(zhì)跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)及其方法，解決了背景技術(shù)中所提出的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種水環(huán)境水質(zhì)跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)及其方法，包括：

4、數(shù)據(jù)采集單元，用于通過分布在目標(biāo)水環(huán)境中多個采集點(diǎn)的多種傳感器實(shí)時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，水質(zhì)數(shù)據(jù)包括但不限于水溫、ph?值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)；

5、預(yù)處理單元，用于對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過預(yù)處理確定水質(zhì)數(shù)據(jù)中的異常值并替換；

6、數(shù)據(jù)分析單元，用于對在多個采集點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變異分析，以及對在多個時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變異分析，通過變異分析，確定各個采集點(diǎn)是否異常；

7、污染分析單元，用于對各個異常采集點(diǎn)進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)分析，并依據(jù)分析結(jié)果，判定出各個異常采集點(diǎn)的污染等級；

8、預(yù)警展示單元，用于將數(shù)據(jù)分析單元得到的各個異常采集點(diǎn)，以及將污染分析單元判定出各個異常采集點(diǎn)的污染等級，展示給相關(guān)人員。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：其中，傳感器將水質(zhì)采集到的數(shù)據(jù)以模擬信號或數(shù)字信號的形式傳輸至數(shù)據(jù)采集單元；

10、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：預(yù)處理方式如下：

11、stepe1、提取在多個采集點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)；

12、從中選定一種水質(zhì)特征對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)；

13、stepe2、求取該種水質(zhì)特征在多個采集點(diǎn)對應(yīng)水質(zhì)特征參數(shù)的平均值；

14、同時(shí)求取該種水質(zhì)特征在多個采集點(diǎn)對應(yīng)水質(zhì)特征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；

15、stepe3、將該種水質(zhì)特征在各個采集點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)結(jié)合平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行異常值判定：

16、選定該種水質(zhì)特征在一個采集點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)：

17、若該種水質(zhì)特征在該個采集點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)與其平均值的差值超出3倍的標(biāo)準(zhǔn)差，則判定該種水質(zhì)特征在一個采集點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)為異常值，隨之將該異常值進(jìn)行替換處理；反之，則判定該種水質(zhì)特征在一個采集點(diǎn)對應(yīng)的該個采集點(diǎn)不為異常值，且不將該異常值進(jìn)行替換處理。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：在stepe3中，其替換處理方式如下：

19、獲取與該種水質(zhì)特征在該個采集點(diǎn)相鄰兩個采集點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)；

20、其中，與相應(yīng)采集點(diǎn)相鄰兩個采集點(diǎn)為相應(yīng)采集點(diǎn)距離值最小和次小的相鄰兩個采集點(diǎn)，若最小的距離值含有多個采集點(diǎn)，則任意選定兩個采集點(diǎn)；

21、隨之求取該兩個水質(zhì)特征參數(shù)的平均值，隨之將其平均值作為該個采集點(diǎn)對應(yīng)異常值的替換結(jié)果。

22、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：對在多個采集點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變異分析的方式如下：

23、stepa1.1、選定一個時(shí)間點(diǎn)，提取在多個采集點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建出區(qū)域水質(zhì)向量矩陣；

24、區(qū)域水質(zhì)向量矩陣如下：

25、

26、其中，s0為區(qū)域水質(zhì)向量矩陣，sij表示第i種水質(zhì)特征在第j個采集點(diǎn)上的特征參數(shù)向量，其中，i=1、2、……n，j=1、2、……m，n表示所有水質(zhì)特征的數(shù)量，m表示所有采集點(diǎn)的數(shù)量；

27、stepa1.2、令i的值依次為1、2、……n；

28、接著通過公式，計(jì)算出相應(yīng)水質(zhì)特征在所有采集點(diǎn)上對應(yīng)特征參數(shù)向量的平均值sp0i；

29、同時(shí)通過公式，計(jì)算出相應(yīng)水質(zhì)特征在所有采集點(diǎn)上對應(yīng)特征參數(shù)向量的標(biāo)準(zhǔn)差sb0i；

30、stepa1.3、之后通過公式，計(jì)算出相應(yīng)水質(zhì)特征在同一時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)多個采集點(diǎn)的變異系數(shù)cv0i；

31、其中，

32、若cv0i較小，則表明該水質(zhì)特征在不同采集點(diǎn)之間的差異較小，水質(zhì)相對穩(wěn)定；

33、如果cv0i較大，則表明該水質(zhì)特征在不同采集點(diǎn)的波動較大，可能存在局部污染或其他特殊情況；

34、stepa1.4、將相應(yīng)水質(zhì)特征在同一時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)多個采集點(diǎn)的變異系數(shù)cv0i與對應(yīng)預(yù)設(shè)的變異閾值cvyi進(jìn)行比較：

35、若cv0i≤cvyi，則表示目標(biāo)水環(huán)境中相應(yīng)的水質(zhì)特征相對穩(wěn)定；

36、若cv0i＞cvyi，則表示目標(biāo)水環(huán)境中相應(yīng)的水質(zhì)特征波動大；

37、stepa1.5、在cv0i＞cvyi時(shí)，獲取對應(yīng)水質(zhì)特征的特征參數(shù)向量sij；

38、隨之通過，計(jì)算出該水質(zhì)特征在各個采集點(diǎn)的偏離度lij；

39、stepa1.6、之后將該水質(zhì)特征在各個采集點(diǎn)的偏離度lij與預(yù)設(shè)的異常偏離閾值lyi進(jìn)行比較：

40、若在所有水質(zhì)特征中，至少含有一種水質(zhì)特征對應(yīng)一個采集點(diǎn)的lij＞lyi，則將該采集點(diǎn)標(biāo)記為異常采集點(diǎn)；反之，則不將該采集點(diǎn)標(biāo)記為異常采集點(diǎn)。

41、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：預(yù)處理方式還如下：

42、stepf1、提取在多個時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)；

43、從中選定一種水質(zhì)特征對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)；

44、stepf2、隨之求取該種水質(zhì)特征在多個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)水質(zhì)特征參數(shù)的平均值；

45、同時(shí)求取該種水質(zhì)特征在多個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)水質(zhì)特征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；

46、stepf3、隨之將該種水質(zhì)特征在各個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)結(jié)合平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行異常值判定：

47、選定該種水質(zhì)特征在一個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)：

48、若該種水質(zhì)特征在該個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)與其平均值的差值超出3倍的標(biāo)準(zhǔn)差，則判定該種水質(zhì)特征在一個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)為異常值，隨之將該異常值進(jìn)行替換處理；反之，則判定該種水質(zhì)特征在一個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的該個時(shí)間點(diǎn)不為異常值，且不將該異常值進(jìn)行替換處理。

49、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：在stepf3中，其替換處理方式如下：

50、獲取與該種水質(zhì)特征在該個時(shí)間點(diǎn)相鄰兩個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)；

51、隨之求取該兩個水質(zhì)特征參數(shù)的平均值，隨之將其平均值作為該個時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)異常值的替換結(jié)果。

52、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：對在多個時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變異分析的方式如下：

53、stepa2.1、選定一個采集點(diǎn)，提取在多個時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建出定點(diǎn)水質(zhì)向量矩陣；

54、定點(diǎn)水質(zhì)向量矩陣如下：

55、

56、其中，s1為定點(diǎn)水質(zhì)向量矩陣，sik表示第i種水質(zhì)特征在第k個時(shí)間點(diǎn)上的特征參數(shù)向量，其中，i=1、2、……n，k=1、2、……v，n表示所有水質(zhì)特征的數(shù)量，v表示所有時(shí)間點(diǎn)的數(shù)量；

57、stepa2.2、令i的值依次為1、2、……n；

58、接著通過公式，計(jì)算出相應(yīng)水質(zhì)特征在所有時(shí)間點(diǎn)上對應(yīng)特征參數(shù)向量的平均值sp1i；

59、同時(shí)通過公式，計(jì)算出相應(yīng)水質(zhì)特征在所有時(shí)間點(diǎn)上對應(yīng)特征參數(shù)向量的標(biāo)準(zhǔn)差sb1i；

60、stepa2.3、之后通過公式，計(jì)算出相應(yīng)水質(zhì)特征在同一采集點(diǎn)對應(yīng)多個時(shí)間點(diǎn)上的變異系數(shù)cv1i；

61、依次類推，在所有采集點(diǎn)中，計(jì)算出相應(yīng)水質(zhì)特征在各個同一采集點(diǎn)對應(yīng)多個時(shí)間點(diǎn)上的變異系數(shù)；

62、其中，

63、若cv1i較小，則表示該水質(zhì)特征在選定采集點(diǎn)隨時(shí)間的變化較為平穩(wěn)；

64、若cv1i較大，則表示該水質(zhì)特征在該采集點(diǎn)的時(shí)間序列上波動劇烈；

65、stepa2.4、選定一種水質(zhì)特征，并提取該種水質(zhì)特征在所有同一采集點(diǎn)對應(yīng)多個時(shí)間點(diǎn)上的變異系數(shù)，并將其標(biāo)記為cv1j；

66、隨之通過，計(jì)算出該種水質(zhì)特征對應(yīng)所有cv1j的平均值cv1p；

67、接著通過lcj=|cv1j-cv1p|；計(jì)算出該水質(zhì)特征在各個采集點(diǎn)的變異偏離差lcj；

68、stepa2.5、將該水質(zhì)特征在各個采集點(diǎn)的變異偏離差lcj與預(yù)設(shè)的異常偏離閾值lcy進(jìn)行比較：

69、若在所有水質(zhì)特征中，至少含有一種水質(zhì)特征對應(yīng)一個采集點(diǎn)的lcj＞lcy，則將該采集點(diǎn)標(biāo)記為異常采集點(diǎn)；反之，則不將該采集點(diǎn)標(biāo)記為異常采集點(diǎn)。

70、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：污染風(fēng)險(xiǎn)分析方式如下：

71、stepk1、在各個異常采集點(diǎn)中選定一個異常采集點(diǎn)；

72、隨后獲取該異常采集上所有水質(zhì)特征分別對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)，并將其標(biāo)記為ysi；

73、stepk2、提取依據(jù)各個水質(zhì)特征對應(yīng)預(yù)設(shè)的特征閾值區(qū)間[syi,min,syi,max]；

74、其中，syi,min表示第i種水質(zhì)特征對應(yīng)特征閾值區(qū)間中的最小值，syi,max表示第i種水質(zhì)特征對應(yīng)特征閾值區(qū)間中的最大值，即syi,min＜syi,max；

75、其中，

76、當(dāng)?shù)趇種水質(zhì)特征的水質(zhì)特征參數(shù)處于對應(yīng)第i種水質(zhì)特征的特征閾值區(qū)間內(nèi)，則表示該種水質(zhì)特征正常；

77、當(dāng)?shù)趇種水質(zhì)特征的水質(zhì)特征參數(shù)不處于對應(yīng)第i種水質(zhì)特征的特征閾值區(qū)間內(nèi)，則表示該種水質(zhì)特征異常；

78、stepk3、隨之將各種水質(zhì)特征分別對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)結(jié)合其對應(yīng)各個特征閾值區(qū)間，計(jì)算出特征參數(shù)偏離系數(shù)；

79、stepk4、提取所有水質(zhì)特征的特征參數(shù)偏離系數(shù)yli；

80、接著通過，計(jì)算出該異常采集點(diǎn)的污染指數(shù)w；

81、stepk5、該異常采集點(diǎn)的污染指數(shù)w與對應(yīng)預(yù)設(shè)的污染閾值wy1和wy2進(jìn)行比較：

82、其中，wy1＞wy2；

83、若w＞wy1，則表示該異常采集點(diǎn)的污染等級高；

84、若wy1≥w＞wy2，則表示該異常采集點(diǎn)的污染等級中；

85、若w≤wy1，則表示該異常采集點(diǎn)的污染等級低。

86、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：在stepk3中、特征參數(shù)偏離系數(shù)的計(jì)算方式如下：

87、將各個水質(zhì)特征對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)與其對應(yīng)特征閾值區(qū)間進(jìn)行比較：

88、若syi,min≤ysi≤syi,max，則表示相應(yīng)水質(zhì)特征的水質(zhì)特征參數(shù)處于其對應(yīng)特征閾值區(qū)間內(nèi)，則將其特征參數(shù)偏離系數(shù)直接記為0；

89、若ysi＜syi,min，則表示相應(yīng)水質(zhì)特征的水質(zhì)特征參數(shù)不處于其對應(yīng)特征閾值區(qū)間內(nèi)，則將其特征參數(shù)偏離系數(shù)的計(jì)算公式如下：

90、

91、式中，yli表示相應(yīng)水質(zhì)特征的特征參數(shù)偏離系數(shù)；

92、若ysi＞syi,max，則表示相應(yīng)水質(zhì)特征的水質(zhì)特征參數(shù)不處于其對應(yīng)特征閾值區(qū)間內(nèi)，則將其特征參數(shù)偏離系數(shù)的計(jì)算公式如下：

93、

94、式中，yli表示相應(yīng)水質(zhì)特征的特征參數(shù)偏離系數(shù)。

95、一種水環(huán)境水質(zhì)跟蹤監(jiān)測方法，該方法通過一種水環(huán)境水質(zhì)跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該方法包括以下步驟：

96、步驟一：數(shù)據(jù)采集

97、通過分布在目標(biāo)水環(huán)境中多個采集點(diǎn)的多種傳感器實(shí)時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，其中水質(zhì)數(shù)據(jù)涵蓋但不限于水溫、ph值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度對應(yīng)的水質(zhì)特征參數(shù)；

98、步驟二：數(shù)據(jù)預(yù)處理

99、對采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在預(yù)處理過程中確定水質(zhì)數(shù)據(jù)中的異常值并進(jìn)行替換；

100、步驟三：數(shù)據(jù)分析

101、對在多個采集點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變異分析，同時(shí)對在多個時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)也進(jìn)行變異分析，通過這種變異分析來確定各個采集點(diǎn)是否存在異常情況；

102、步驟四：污染分析

103、針對各個被判定為異常的采集點(diǎn)進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)分析，并依據(jù)分析結(jié)果判定出各個異常采集點(diǎn)的污染等級；

104、步驟五：預(yù)警展示

105、將數(shù)據(jù)分析步驟中得到的各個異常采集點(diǎn)，以及污染分析步驟中判定出的各個異常采集點(diǎn)的污染等級展示給相關(guān)人員。

106、本發(fā)明的有益效果：

107、本發(fā)明，通過分布在目標(biāo)水環(huán)境中多個采集點(diǎn)的多種傳感器實(shí)時(shí)采集包括水溫、ph值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度等多種水質(zhì)特征參數(shù)，全面反映水環(huán)境的水質(zhì)狀況，為后續(xù)的分析和處理提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

108、本發(fā)明，對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，確定并替換異常值，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。分別針對多個采集點(diǎn)和多個時(shí)間點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值判定和處理，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和一致性。

109、本發(fā)明，對于采集點(diǎn)的異常值，通過獲取相鄰兩個距離值最小和次小的采集點(diǎn)的水質(zhì)特征參數(shù)求平均值進(jìn)行替換，對于時(shí)間點(diǎn)的異常值，通過獲取相鄰兩個時(shí)間點(diǎn)的水質(zhì)特征參數(shù)求平均值進(jìn)行替換，使替換結(jié)果更具合理性。

110、本發(fā)明，對在多個采集點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變異分析，通過構(gòu)建區(qū)域水質(zhì)向量矩陣，計(jì)算各種水質(zhì)特征在不同采集點(diǎn)之間的變異系數(shù)和偏離度，能夠準(zhǔn)確判斷水質(zhì)特征在不同采集點(diǎn)之間的差異情況，快速定位存在局部污染或其他特殊情況的異常采集點(diǎn)。

111、本發(fā)明，對在多個時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變異分析，通過構(gòu)建定點(diǎn)水質(zhì)向量矩陣，計(jì)算各種水質(zhì)特征在同一采集點(diǎn)隨時(shí)間的變異系數(shù)和變異偏離差，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)特征在時(shí)間序列上的波動情況，準(zhǔn)確標(biāo)記異常采集點(diǎn)。

112、本發(fā)明，對各個異常采集點(diǎn)進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)分析，根據(jù)水質(zhì)特征參數(shù)與預(yù)設(shè)的特征閾值區(qū)間計(jì)算特征參數(shù)偏離系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出污染指數(shù)，與預(yù)設(shè)的污染閾值進(jìn)行比較，科學(xué)地判定出各個異常采集點(diǎn)的污染等級，為相關(guān)人員采取針對性的治理措施提供重要依據(jù)。

113、本發(fā)明，將數(shù)據(jù)分析單元得到的各個異常采集點(diǎn)以及污染分析單元判定出的各個異常采集點(diǎn)的污染等級展示給相關(guān)人員，使相關(guān)人員能夠及時(shí)了解水環(huán)境的水質(zhì)狀況和污染情況，以便迅速采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，提高水環(huán)境管理的效率和水平。