呼兰河流域水质监测与评价算法研究

发布时间：2020-09-16 20:31

　　由于人口的快速增长以及社会经济的迅速发展,水环境保护压力不断加剧。本课题主要针对呼兰河水质的污染问题,建立水质监测系统实现重要水质因子的监测,进而建立水质评价模型对水体现状进行分析研究,并进一步对重要水质因子的具体数据与区间变化情况进行客观预测,预知未来的水质状况。论文首先基于物联网技术搭建呼兰河水质监测系统,系统主要包括数据采集模块、传感器模块、自动配水模块等,可实现化学需氧量、p H、氨氮等水质参数的采集与监测功能。然后,利用在解决高维非线性、小样本等问题上很有优势的最小二乘支持向量机(LS-SVM)的分类与回归算法对监测到的水质因子建立水质评价与预测模型。针对水质评价模型的建立,采用多分类最小二乘支持分类算法(LS-SVC)对国家地表水监控中心的水质数据进行学习训练,并利用自适应变异粒子群算法与交叉验证原理进行参数寻优,利用最优的多分类LS-SVC模型对呼兰河未知水质进行自动等级评价。针对水质预测模型的建立,采用偏最小二乘法提取水质数据的主成分并降低其多重相关性,进而通过最小二乘支持回归算法(LS-SVR)进行回归训练,对水质因子的未来数值进行预测;并将模糊信息粒化方法与LS-SVR结合,建立水质时序模型,实现未来三天水质数据趋势变化的预测。最后,利用预测的重要水质因子数值及其区间变化情况实现未来水质等级及其区间变化的预测,进而预知未来的水质状况。通过在监测现场实地测试可知,本课题建立的水质监测系统的采集精度与稳定性能够满足呼兰河监测站点的环境要求。通过实验仿真结果可知,本文建立的水质评价模型对未知样本分类准确率可达94%;水质预测模型可实现对重要水质因子的具体数值及未来三天区间变化的预测,并根据结果可对未来水质实现较为精确的预测。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X832;X824
【部分图文】：

接口电路设计,以太网,主控板

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.3.1 数据采集主板卡采集主控板主要实现与各采集子板卡以及 PC 端的上位机进行通信的功能，题选择了基于3ARM Cortex-M 的嵌入式处理器 STM32F107 为主控芯片，该芯成的 PHY 控制器芯片DP83848以及 MAC 控制器形成以太网接口，最高可实兆网络传输速率，能够满足监测系统的精度要求，采集主控板以太网接口电路下图所示。在软件上为采集主控板移植了uCOSii操作系统与LWIP协议，uCO时操作系统有助于系统的可靠性与实时性，还可协调控制多任务执行，LWIP 负责以太网网络协议的实现，在本系统中负责接收上位机发送的指令，并根据令协调控制各个子板卡。

（1）模拟量采集板卡AIN 采集板卡主要负责现场传感器 4-20 mA 电流信号的采集，并将该电流信号转换为 0-3V 电压信号。该板卡的采集精度很大程度决定最终采集到的各水质因子数值与其实际数值的误差，所以，本课题采用了如图 2-5 所示的模拟量采集电路，该电路选用的运算放大器为高精度的OP-07，其参数指标较高；并选用由DIP-8封装的TL431高精度稳压电路对运放 -07 进行供电，其耗散功率可达 1W，通过更改电阻便可实现供电电压的更改；该电路还能实现满量程的 I/V 转换，当输入4 mA 信号时，可保证 ADC_IN1 端输出电压为 0V，当输入 20 mA 信号时，可保证ADC_IN1 端输出电压为 3V。具体实现为：将该电路中 R18 取值 25R，则当输入电流信号为4mA时，将ICD的同相输入电压通过R38与R46的分压配置为-0.1V，那么输入信号的 0.1 信号与该配置电压完全抵消，ICC_1 输出电压将是 0 ；随着输入电流的增大，若输入电流为满量程电流 20mA ，经I/V 转换后的电压为500mV ，最后需要通过运放 ICC_1 实现 7.5 倍电压放大的功能，具体通过电阻 R62与 R66 的分压实现。传感器信号进行传输时，会有一些干扰信号，所以在信号输入部分加入两个 1N4148 二极管与滤波电容器 C19 以防危险电压信号出现。

配线箱,实物,实验室

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.4 水质在线监测系统的整体安装为了方便与现场各传感器信号、电磁阀、水泵等端口的连接，需要搭建配线箱将模拟量采集板卡、数字量采集板卡、主控板卡等连接起来。其中，实验室配线箱实物图如图 2-9 左侧图所示，右侧图为在监测现场与各端口连接后的实物图监测系统搭建完成后，通过空气开关上电，便可实现自动配水与水质监测的功能

【参考文献】