基于WSN算法及3D位移协同预警模型的卫生填埋场动态监测智能管控系统研究

发布时间：2020-05-12 08:09

【摘要】：本论文以国家科技支撑项目“典型南方城市生物质废物处置与燃气化利用技术集成与示范”课题为依托,着眼于卫生垃圾填埋场环境和安全等问题进行了信息化管控系统的建设,是一项运用现代信息学科技术解决传统填埋场环境和安全管控问题的跨学科研究。保护环境已成为全人类的重大课题,目前城市垃圾填埋场在实际运营中,发生过因填埋气泄漏引发填埋场自燃,以及填埋场塌方等一系列事故,造成了人员伤亡以及财产的重大损失,所以填埋场亟待进一步完善的动态监测与风险管控体系。对涉及填埋场重大安全隐患的填埋气、堆体位移进行实时动态监测,确保填埋场的安全运营。在这方面成系统地研究鲜有发现,因此开展填埋场动态监测及智能控制关键技术和应用研究,对城市大型卫生垃圾填埋场安全风险防范具有十分重要的现实意义。本文在分析研究填埋场填埋气和自然沉降不稳定造成安全隐患的内在原理基础上,讨论并明确填埋场风险管控的主要要素是填埋气和堆体位移。进行监测时存在的技术难点为填埋气的监测数据量大以及堆体位移的监测预警不准确。故建立填埋场动态监测及智能控制系统,对信息的实时采集、数据传输网络以及位移预警模型等关键核心科学问题进行深入研究,为填埋场风险管控系统的建设提供技术支撑。通过对重庆地区生活垃圾进行采样分析,对市内大型填埋场进行实际调查和现场数据测试分析研究,构建了填埋场风险监管指标体系并提出监管指标阈值。研究填埋场监测网络数据的采集与传输关键技术,将无线传感器网络应用至填埋场的动态监测,替代了原有的繁琐且具有安全隐患的人工检测与数据收集,对填埋气、堆体位移等数据进行自动的精确的实时监测,其技术重点在于如何降低采样数据量来满足传输带宽的限制,以达到实时传输的目的。将压缩感知理论应用到该网络,可以有效解决大量数据获取与传输瓶颈问题。根据邻近传感器节点的信息相关性,提出基于压缩感知理论改进的联合稀疏算法无线传感器网络传输模型,该模型在传感器端只需要一个随机数产生器,解决了传感器节点内存较小的问题。改进的测量矩阵非常稀疏,大幅度地减少计算复杂度,节省了电量。然后选择出簇头节点对相邻几个监测节点数据先进行相关性分析计算,相邻节点只需要与簇头节点数据交换,降低了节点发射功率,传输数据减少,提高了监测数据传输的可靠性和数据处理能力。再提出了改进的基于小波树模型化的自适应硬阈迭代算法作为后端的还原算法,减少计算量加快重构算法速度的同时,也能够提高还原精度。并且使用Matlab进行相应的仿真,对比研究结果,证明了提出的基于压缩感知理论改进的联合稀疏算法无线传感器网络传输模型是实用可行的,为无线传感器网络在填埋场预警系统中的应用提供了可靠的解决方案。在填埋堆体位移安全预警方面,现有的人工巡查方式效率低、判断不准确,而传统的山体滑坡、尾矿库变形等自然灾害位移监测中使用了“点”或“线”的监测方法,如果直接引用到填埋场堆体位移监测预警中,无法克服因垃圾自然降解产生的堆体沉降而形成位移和变形,产生虚假报警信号。运用基于马尔科夫链基本理论和加权马尔科夫链理论的预警模型,对填埋堆体的降解情况进行预测。创新性地提出了填埋场填埋堆体3D位移协同监测预警算法,将位移预测从点扩大到面(二维)再到体(三维),避免了现有模型只能预测单点位移状态规律而造成虚警概率高的问题,提高了位移预警的实用性,为填埋场堆体位移预警提供了科学算法。探讨了3D位移协同预警的等级和位移协同检测判定策略,将报警等级细分为千立方级、万立方级、十万立方,采用预警密集度阈值作为指标,验证了其可行性。并研究了以北斗地基增强网为基础的填埋场堆体3D位移协同监测系统。在以上模型算法研究的基础上,结合重庆山地填埋场的特征,首次提出了一套完整的填埋场动态监测及智能管理系统。在硬件设计方面,针对填埋气的监测方案提出了填埋气的监测方法,归纳为“点”、“线”、“面”三种方法,解决了填埋场监测的全覆盖问题。针对填埋场填埋堆体位移监测方案,结合WSN算法及3D位移协同预警算法,运用北斗地网无线传感器网络系统,设计了填埋场位移预警监测网络。在软件设计方面,根据长生桥填埋场的实际地形状态,设计了一套实用的填埋场智能控制系统,搭建了验证环境,对填埋场动态数据感知、数据传输、数据处理、智能安全管控软件功能等主要环节进行了联调联试,验证了数据运行流程。并结合前文的模型运算生成报警日志表、填埋气气量趋势图以及堆体位移趋势图等。该智能化平台软件运行后能够将监测的动态数据保存在数据存储器中,方便以后的数据统计和管理。
【图文】：

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但是设计再精良的填埋场也会由于填埋气的泄漏或者填埋场堆体塌陷而产生了许多污染和事故。根据国内外有关新闻显示，2017年2月7日，汕头市区雷打石垃圾填埋场发生了自燃，图1.1为填埋场发生自燃后处理现场；2017年9月1日，印度新德里的一处垃圾填埋场发生塌方事故，造成2人死伤，图1.2为填埋场塌方应急处理现场。所以填埋场的填埋气如果没得到有效收集和处理，，一旦泄漏不但影响周围空气环境，严重时可能发生自燃甚至引发爆炸，将危及周边交通运输、植被和人身财产安全。另外，填埋场的稳固性也是需要重点关注的，如果填埋场发生大面积塌方，可能引发更严重的二次灾害。所以，大型填埋场的长期稳定期内进行有效的安全监管是非常重要的。我国城市大型卫生填埋场信息管理水平还不高

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了许多污染和事故。根据国内外有关新闻显示，2017年2月7日，汕头市区雷打石垃圾填埋场发生了自燃，图1.1为填埋场发生自燃后处理现场；2017年9月1日，印度新德里的一处垃圾填埋场发生塌方事故，造成2人死伤，图1.2为填埋场塌方应急处理现场。所以填埋场的填埋气如果没得到有效收集和处理，一旦泄漏不但影响周围空气环境，严重时可能发生自燃甚至引发爆炸，将危及周边交通运输、植被和人身财产安全。另外，填埋场的稳固性也是需要重点关注的，如果填埋场发生大面积塌方，可能引发更严重的二次灾害。所以，大型填埋场的长期稳定期内进行有效的安全监管是非常重要的。我国城市大型卫生填埋场信息管理水平还不高，对于填埋气的抽气管理是非常粗放的，只是定期检测垂直气井的气体压力等少量的参数，没有达到精确科学的管理和控制[8]。有些填埋场安装了视频监控摄像头对填埋场进行监控，对填埋堆体的变化情况仅仅依靠人为观察。填埋场安全预警没有形成从填埋气泄漏、填埋场堆体位移监测、地下水的检测到填埋场高清现场视频监控等的一个整体[9]
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X799.3;X84

【参考文献】