專利名稱：在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的診斷方法，尤其特別涉及一種無(wú)人值守水質(zhì)監(jiān)
測(cè)站在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的診斷方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，我國(guó)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，導(dǎo)致了嚴(yán)重的水環(huán)境污 染，飲用水水源地水質(zhì)狀況的持續(xù)趨壞，更是引起了國(guó)人的高度關(guān)注。各級(jí)政府環(huán)保部門為 了完善污染防范、預(yù)警和處置相結(jié)合的飲用水應(yīng)急機(jī)制，逐步在本地區(qū)(自來(lái))水廠原水取
水口上游設(shè)立無(wú)人值守遠(yuǎn)程水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)站，對(duì)原水的ra、溫度、濁度、氨氮、耗氧量、溶解 氧、總氮、總磷、葉綠素、藻密度等近二十種主要水質(zhì)參數(shù)實(shí)施連續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程水質(zhì) 監(jiān)測(cè)站所有在線水質(zhì)參數(shù)測(cè)量?jī)x器所采集水質(zhì)數(shù)據(jù)均通過有線或無(wú)線方式，傳送到自來(lái)水 公司水質(zhì)信息管理中心服務(wù)器(有些地區(qū)是是環(huán)保部門)，供自來(lái)水公司相關(guān)水廠使用，作 為自來(lái)水生產(chǎn)過程控制的重要依據(jù)。無(wú)人值守遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)站及其遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理信息化系 統(tǒng)架構(gòu)如圖i所示。 采集準(zhǔn)確原水水質(zhì)參數(shù)變化對(duì)自來(lái)水生產(chǎn)過程優(yōu)化控制和保證出廠水水質(zhì)至關(guān) 重要。現(xiàn)以氨氮參數(shù)為例，說明如下原水中的氨氮可用來(lái)表征水體受污染的程度，它主要 依靠生物過程降解，氨氮的存在會(huì)跟自來(lái)水生產(chǎn)過程中投加的氯氣發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致自 來(lái)水消毒過程中需要的投氯量增大，進(jìn)而生成更多的對(duì)人體健康有害的消毒副產(chǎn)物。原水 中的氨氮可以通過生物活性炭工藝得到較好的去除，但過高的進(jìn)水氨氮會(huì)造成濾池出水亞 硝酸氮積累，并影響生物活性炭濾池對(duì)有機(jī)物的去除效果。 鑒于各原水水質(zhì)參數(shù)對(duì)飲用水生產(chǎn)工藝的重大影響及飲用水生產(chǎn)工藝流程具有
的大時(shí)滯、大慣性、非線性的特點(diǎn)，通常等到水廠內(nèi)部過程檢測(cè)儀表檢測(cè)出原水水質(zhì)發(fā)生大
幅波動(dòng)、甚至突變這種狀況時(shí)，水廠操作人員和自控系統(tǒng)已失去提前響應(yīng)的時(shí)間，即使立即
根據(jù)變化情況采取應(yīng)急措施，也會(huì)因自來(lái)水生產(chǎn)流程大時(shí)滯、大慣性的特點(diǎn)而造成出廠水
質(zhì)大幅波動(dòng)、甚至短時(shí)超標(biāo)。無(wú)人值守遠(yuǎn)程水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)站建成后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原水主要水
質(zhì)參數(shù)實(shí)施連續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，自來(lái)水廠可提前(約5-10小時(shí)以上)準(zhǔn)確獲得原水水質(zhì)變
化情況，從而可有較充裕的時(shí)間積極采取應(yīng)對(duì)措施，保障水廠生產(chǎn)運(yùn)行安全。 無(wú)人值守遠(yuǎn)程水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)站的設(shè)立，完善了污染防范、預(yù)警和處置相結(jié)合的飲
用水應(yīng)急機(jī)制，提高了飲用水生產(chǎn)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。但水質(zhì)監(jiān)測(cè)站通常設(shè)立在偏遠(yuǎn)的
地方，且長(zhǎng)期工作于無(wú)人值守狀態(tài)，雖然目前環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，通常每周會(huì)派人到遠(yuǎn)程水質(zhì)在
線監(jiān)測(cè)站進(jìn)行一次人工現(xiàn)場(chǎng)取樣，實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)比對(duì)分析，以檢驗(yàn)水質(zhì)儀器是否工作異常，但
該方法周期太長(zhǎng)，若某儀器發(fā)生故障，很難及時(shí)被人發(fā)現(xiàn)并排除故障。 由于遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)站各水質(zhì)參數(shù)測(cè)量?jī)x器，需要長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，而原水 中經(jīng)常有顆粒大小不一的懸浮環(huán)顆粒物、藻類植物透過過濾網(wǎng)進(jìn)入取樣器，如果不能及時(shí) 并有效清洗，則會(huì)發(fā)生堵塞水質(zhì)儀器采集管、粘附取樣器現(xiàn)象，從而影響水質(zhì)參數(shù)測(cè)量?jī)x器 正常、準(zhǔn)確測(cè)量；而水質(zhì)測(cè)量?jī)x器電子元器件老化、線路故障等原因，極易導(dǎo)致水質(zhì)參數(shù)測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。若自來(lái)水廠根據(jù)此類異常數(shù)據(jù)采取相應(yīng)操作(由于飲用水處理工藝 具有的大慣性、大時(shí)滯的特點(diǎn)及水廠投加設(shè)備通常設(shè)置成自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，因此，值班員工很 難在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并糾正投加設(shè)備自動(dòng)發(fā)生的錯(cuò)誤操作)，則可能給自來(lái)水精益生產(chǎn)和飲 用水安全帶來(lái)嚴(yán)重不良影響。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供一種利用原水水質(zhì)參數(shù)之間相關(guān)性對(duì)無(wú)人值守遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān) 測(cè)站在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行診斷的方法，該方法在現(xiàn)有硬件條件基礎(chǔ)上，無(wú)需額外 增加任何硬件，可以完全通過軟件算法實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)站各主要水質(zhì)參數(shù)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 的統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出每?jī)煞N不同水質(zhì)參數(shù)之間的線性相關(guān)系數(shù)。 技術(shù)方案當(dāng)某水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性需要進(jìn)行診斷時(shí)，則通過檢驗(yàn)與該水質(zhì) 參數(shù)相關(guān)關(guān)系最好的另一水質(zhì)參數(shù)在相同時(shí)間段內(nèi)變化情況進(jìn)行診斷若比對(duì)水質(zhì)參數(shù)亦 出現(xiàn)相似波動(dòng)情況，則診斷為該水質(zhì)參數(shù)此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常、有效，該水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)儀器工 作正常；否則，則診斷為該水質(zhì)參數(shù)此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常、無(wú)效，應(yīng)棄用，該水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)儀器 工作異常，同時(shí)向有關(guān)部門發(fā)送相應(yīng)檢測(cè)儀器的故障報(bào)警信息。 本發(fā)明是一種用于無(wú)人值守遠(yuǎn)程原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的有效性辨 識(shí)與診斷方法，具體包括以下步驟 1.)以最近某一段時(shí)間A t為統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間段，選取水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在A t時(shí)間段內(nèi)主 要原水水質(zhì)的ra、溫度、濁度、COD、溶解氧、氨氮、總氮、總磷、葉綠素和藻密度參數(shù)，對(duì)歷史 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用線性回歸模型擬合每?jī)煞N不同水質(zhì)參數(shù)之間的回歸曲線，并 分別求出它們之間的線性相關(guān)系數(shù)； 2.)參與統(tǒng)計(jì)分析的每一種水質(zhì)參數(shù)，定義與其相關(guān)系數(shù)最大的另一參數(shù)為該水 質(zhì)參數(shù)的互相關(guān)水質(zhì)參數(shù)； 3.)根據(jù)實(shí)時(shí)記錄、更新的各水質(zhì)參數(shù)最近兩次次正常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其監(jiān)測(cè)時(shí)間，計(jì) 算出各水質(zhì)參數(shù)最近一個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的平均變化速率，并定義該變化速率為該水質(zhì)參數(shù) 參考變化速率；當(dāng)監(jiān)控中心站水質(zhì)信息化管理中心接收到某無(wú)人值守遠(yuǎn)程原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站 在線采集數(shù)據(jù)中，某一水質(zhì)參數(shù)變化速率超過該水質(zhì)參數(shù)參考變化速率2倍以上時(shí)，則需 要對(duì)該水質(zhì)參數(shù)此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行診斷； 4.)當(dāng)某一水質(zhì)參數(shù)A出現(xiàn)大幅波動(dòng)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性需要進(jìn)行診斷時(shí)，則通過 檢驗(yàn)步驟2)中確定的該水質(zhì)參數(shù)的互相關(guān)水質(zhì)參數(shù)B在相同時(shí)間段內(nèi)變化情況進(jìn)行判定 若水質(zhì)參數(shù)B亦出現(xiàn)相似變化情況，則診斷水質(zhì)參數(shù)A此次突變確是由于采樣原水水質(zhì)出 現(xiàn)突變所致；否則則判定水質(zhì)參數(shù)A此次突變是由于該水質(zhì)參數(shù)測(cè)量?jī)x器故障所致。
統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間段選擇為1到3年范圍內(nèi)任意時(shí)間間隔。每一種水質(zhì)參數(shù)與其互相 關(guān)水質(zhì)參數(shù)之間的線性相關(guān)系數(shù)必須大于等于0. 7。水質(zhì)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)主要水質(zhì)參數(shù)至少包 括PH、溫度、濁度、COD、溶解氧、氨氮、總氮、總磷、葉綠素和藻密度。 有益效果本發(fā)明的實(shí)施，可以快速準(zhǔn)確得診斷出在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的有效性，消 除了監(jiān)測(cè)站異常水質(zhì)數(shù)據(jù)給自來(lái)水精益生產(chǎn)和飲用水安全帶來(lái)的嚴(yán)重不良影響，同時(shí)能及 時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站儀器故障，并向環(huán)境監(jiān)測(cè)中心發(fā)送相應(yīng)水質(zhì)儀器報(bào)警信息，保障了水質(zhì)監(jiān)測(cè) 站長(zhǎng)期可靠、有效運(yùn)行。本發(fā)明具有良好的實(shí)用和推廣價(jià)值，不僅適用于無(wú)人值守遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的判別，同樣也適用于其它類似場(chǎng)合，如無(wú)人值守遠(yuǎn)程空 氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站在線采集數(shù)據(jù)有效性的判別等。


圖1是無(wú)人值守遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)站及其遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理信息化系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種用于無(wú)人值守遠(yuǎn)程原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的有效性判 別方法，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)站現(xiàn)有硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用各水質(zhì)參數(shù)之間相關(guān)性，通過軟件算法實(shí) 現(xiàn)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行診斷，現(xiàn)結(jié)合實(shí)例詳細(xì)闡述這一過程，具體 包括如下步驟 1)、選取最近3年，遠(yuǎn)程原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站十種主要原水水質(zhì)參數(shù)(PH、溫度、濁度、 COD、溶解氧、氨氮、總氮、總磷、葉綠素、藻密度)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用線性回 歸模型擬合每?jī)煞N不同水質(zhì)參數(shù)之間的回歸曲線Y = kX+b， k，b可由計(jì)算求得，并分別求出 它們之間的線性相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，保留有意義相關(guān)關(guān)系。 2)、參與統(tǒng)計(jì)分析的每一種水質(zhì)參數(shù)，定義與其線性相關(guān)系數(shù)最大的(必須滿足 > 0. 7)另一參數(shù)為該水質(zhì)參數(shù)的互相關(guān)水質(zhì)參數(shù)。 3)、水質(zhì)參數(shù)A，最近兩次正常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為XA1， X^，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間分別為t" t2，
計(jì)算該水質(zhì)參數(shù)在^至^時(shí)間段內(nèi)平均速率為^ = IX^XMl/(t廠t》，并以K為 該水質(zhì)參數(shù)參考變化速率，即VKF = K。當(dāng)水質(zhì)參數(shù)A最近兩次正常數(shù)據(jù)更新后，該參數(shù)參 考變化速率則需要重新計(jì)算。監(jiān)控中心站水質(zhì)信息化管理中心接收到A參數(shù)最新采集數(shù)據(jù) XA3，監(jiān)測(cè)時(shí)間t3后，計(jì)算其在t2至t3時(shí)間段內(nèi)平均速率為V2 = I XA3_XA21 / (t3_t2)，若V2 > 2搏^，則A參數(shù)出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性需要進(jìn)入(4)進(jìn)行診斷；否則，則認(rèn) 為A參數(shù)此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常。 4)、當(dāng)某水質(zhì)參數(shù)A出現(xiàn)大幅波動(dòng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(XA3)有效性需要進(jìn)行診斷時(shí)，找出 (2)中確定的該參數(shù)互相關(guān)水質(zhì)參數(shù)B，B參數(shù)在相同監(jiān)測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為Y^通過(1) 種擬合的A， B參數(shù)的線性回歸曲線Y = kX+b及B參數(shù)此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)YB3對(duì)A參數(shù)進(jìn)行可 信度為0.95的預(yù)測(cè)估計(jì)，計(jì)算出置信區(qū)間為(m， n)，若X^ G (m， n)，則診斷為水質(zhì)參數(shù)A， B，此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)XA3， YB3，在可信度0. 95時(shí)，滿足回歸曲線方程，即水質(zhì)參數(shù)A、B出現(xiàn)相似波 動(dòng)情況，且該波動(dòng)是由于原水水質(zhì)出現(xiàn)較大變化所致，屬于正常變化，A參數(shù)此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 正常、有效；否則，則認(rèn)為水質(zhì)參數(shù)A、B未出現(xiàn)相似變化情況，A參數(shù)波動(dòng)是由于儀器故障所 致，A參數(shù)此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，應(yīng)棄用，同時(shí)向環(huán)境監(jiān)測(cè)中心發(fā)送相應(yīng)水質(zhì)儀器故障 報(bào)警信息。
權(quán)利要求
一種在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的診斷方法，其特征在于該方法包括以下步驟1.)以最近某一段時(shí)間Δt為統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間段，選取水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在Δt時(shí)間段內(nèi)主要原水水質(zhì)的PH、溫度、濁度、COD、溶解氧、氨氮、總氮、總磷、葉綠素和藻密度參數(shù)，對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用線性回歸模型擬合每?jī)煞N不同水質(zhì)參數(shù)之間的回歸曲線，并分別求出它們之間的線性相關(guān)系數(shù)；2.)參與統(tǒng)計(jì)分析的每一種水質(zhì)參數(shù)，定義與其相關(guān)系數(shù)最大的另一參數(shù)為該水質(zhì)參數(shù)的互相關(guān)水質(zhì)參數(shù)；3.)根據(jù)實(shí)時(shí)記錄、更新的各水質(zhì)參數(shù)最近兩次次正常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其監(jiān)測(cè)時(shí)間，計(jì)算出各水質(zhì)參數(shù)最近一個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的平均變化速率，并定義該變化速率為該水質(zhì)參數(shù)參考變化速率；當(dāng)監(jiān)控中心站水質(zhì)信息化管理中心接收到某無(wú)人值守遠(yuǎn)程原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在線采集數(shù)據(jù)中，某一水質(zhì)參數(shù)變化速率超過該水質(zhì)參數(shù)參考變化速率2倍以上時(shí)，則需要對(duì)該水質(zhì)參數(shù)此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行診斷；4.)當(dāng)某一水質(zhì)參數(shù)A出現(xiàn)大幅波動(dòng)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性需要進(jìn)行診斷時(shí)，則通過檢驗(yàn)步驟2)中確定的該水質(zhì)參數(shù)的互相關(guān)水質(zhì)參數(shù)B在相同時(shí)間段內(nèi)變化情況進(jìn)行判定若水質(zhì)參數(shù)B亦出現(xiàn)相似變化情況，則診斷水質(zhì)參數(shù)A此次突變確是由于采樣原水水質(zhì)出現(xiàn)突變所致；否則則判定水質(zhì)參數(shù)A此次突變是由于該水質(zhì)參數(shù)測(cè)量?jī)x器故障所致。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的診斷方法，其特征在于統(tǒng)計(jì)分析 時(shí)間段選擇為1到3年范圍內(nèi)任意時(shí)間間隔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的診斷方法，其特征在于每一種水 質(zhì)參數(shù)與其互相關(guān)水質(zhì)參數(shù)之間的線性相關(guān)系數(shù)必須大于等于0. 7。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的診斷方法，其特征在于水質(zhì)監(jiān)測(cè) 站監(jiān)測(cè)主要水質(zhì)參數(shù)至少包括PH、溫度、濁度、COD、溶解氧、氨氮、總氮、總磷、葉綠素和藻 密度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無(wú)人值守水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在線采集水質(zhì)數(shù)據(jù)有效性的診斷方法。本發(fā)明通過對(duì)眾多水質(zhì)監(jiān)測(cè)站原水主要水質(zhì)參數(shù)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，利用線性回歸模型擬合每?jī)煞N不同水質(zhì)參數(shù)之間的回歸曲線，并分別求出它們之間的線性相關(guān)系數(shù)，并把相關(guān)系數(shù)最大的(必須滿足≥0.7)另一水質(zhì)參數(shù)定義為該水質(zhì)參數(shù)的互相關(guān)水質(zhì)參數(shù)。本發(fā)明對(duì)無(wú)人值守遠(yuǎn)程原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站采集的水質(zhì)參數(shù)的有效性診斷方法具有良好的實(shí)用和推廣價(jià)值，對(duì)無(wú)人值守遠(yuǎn)程原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站水質(zhì)參數(shù)測(cè)量?jī)x器的故障診斷和維護(hù)有輔助作用。
文檔編號(hào)G01N33/18GK101718774SQ20091018542
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者何紹明, 華偉, 周杏鵬, 孟慶彬, 張璐, 王東升, 管偉民, 陳玲瑚 申請(qǐng)人:東南大學(xué)