湯江文，唐 勇，劉學(xué)輝，唐 宇

(1. 中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021; 2. 四川博瑞傳感技術(shù)研究院，四川 成都 610051)

0 引 言

近年來，我國經(jīng)濟的發(fā)展日新月異，工業(yè)進程快速推進，水資源短缺、水環(huán)境污染等問題已經(jīng)呈現(xiàn)出日益嚴(yán)重的勢態(tài)。水工業(yè)行業(yè)迎來了水資源費用上漲、飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高、廢水排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，以及水價上漲等諸多的挑戰(zhàn)和機會[1]。同時，對水庫、江河、湖泊等地表水進行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測、面源管控、污染源溯源等精細化管理成為當(dāng)前環(huán)境保護的熱點。在此背景之下，促成水資源、水環(huán)境、水生態(tài)的“三水”協(xié)同共治，大力推動以“三水”精細化管理為目的的新一代技術(shù)和方法創(chuàng)新成為當(dāng)務(wù)之急。

水質(zhì)監(jiān)測，是監(jiān)視和測定水體中污染物的種類、濃度、變化趨勢以及評價水質(zhì)狀況的過程，是及時、準(zhǔn)確、全面地反映水環(huán)境質(zhì)量和污染現(xiàn)狀的重要手段，是制定切實可行的污染防治和水環(huán)境保護措施的前提和基礎(chǔ)[2]。我國水質(zhì)監(jiān)測工作開展已有較長時間，當(dāng)前采用的方法主要有3種：1）人工對控制點進行周期采樣并送到實驗室進行離線分析；2）人工攜帶便攜式儀器前往控制點進行現(xiàn)場人工取樣檢測；3）在控制安裝微型自動化監(jiān)測站進行自動在線分析[3]。從目前的監(jiān)測作業(yè)情況來看，這3種方法都無法滿足對地表水水質(zhì)進行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測、面源管控、污染源溯源等精細化管理的需求。常規(guī)的水環(huán)境監(jiān)測手段已難以滿足對水質(zhì)監(jiān)測的需要[4]。本文基于云傳感和軟測量模式，架設(shè)了適用于水質(zhì)監(jiān)測的云傳感系統(tǒng)，并且完成了軟測量模型的建設(shè)和最優(yōu)回歸方法研究。實現(xiàn)了總磷、總氮量值實時測量。本文基于云傳感和軟測量模式，架設(shè)了適用于水質(zhì)監(jiān)測的云傳感系統(tǒng)，并且完成了軟測量模型的建設(shè)和最優(yōu)回歸方法研究。實現(xiàn)了總磷、總氮量值實時測量。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實驗平臺

1.1 云傳感系統(tǒng)簡介

云傳感系統(tǒng)是基于傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算的新型傳感系統(tǒng)，具備實時傳感、無線傳輸、自動同步和大數(shù)據(jù)存儲等特點。該系統(tǒng)由感知層、邊緣運算層、數(shù)據(jù)傳輸層、云端應(yīng)用層等層級組成。

1.2 地表水智能傳感站

基于云傳感器系統(tǒng)架設(shè)水質(zhì)監(jiān)測智能傳感站，包括傳感倉、本地控制系統(tǒng)及云端系統(tǒng)，對溫度、溶解氧、pH值、氨氮、電導(dǎo)率等易測變量進行實時監(jiān)測。同時采用自動化分析儀器對同一時刻水樣進行分析，得到總磷總氮的實時值。構(gòu)建的實驗平臺框圖如圖1所示。

圖1 實驗平臺框圖

2 軟測量模型研究

2.1 軟測量技術(shù)簡介

軟測量技術(shù)最早來源Brosilow等[5-6]提出的推斷控制?；舅枷胧且宰顑?yōu)準(zhǔn)則設(shè)計估計模型，并通過采集二次變量（容易測量的變量）作為輸入，由估計模型推斷輸出主導(dǎo)變量(不易測量的變量)。估計模型的設(shè)計是根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，選擇一組既與主導(dǎo)變量有密切關(guān)系，又容易測量的輔助變量，通過構(gòu)造某種數(shù)學(xué)關(guān)系，實現(xiàn)對主導(dǎo)變量的在線估計[7]，其原理如圖2所示。其中，x、d為二次變量，被測變量y為 參考變量，估計值為軟測量模型給出的主導(dǎo)變量測量結(jié)果。

圖2 軟測量技術(shù)原理圖

軟測量技術(shù)近年來取得了較大的進展，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者開始對軟測量技術(shù)展開研究，已經(jīng)涉及到了石油、化工、食品、生物、冶金等許多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[8]。

軟測量技術(shù)的核心是軟測量建模，其實現(xiàn)方法主要有：機理建模法[9-10]、回歸分析法[11-12]、狀態(tài)估計法[13]、模式識別方法 、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、支持向量機方法等。本文主要采用回歸分析法進行建模。

2.2 線性回歸模型

采用成都博瑞科傳科技有限公司研制的水質(zhì)監(jiān)測云傳感系統(tǒng)作為實驗軟硬件平臺進行實驗研究，以溫度、溶解氧、pH值、氨氮、電導(dǎo)率等易測量的參數(shù)作為二次變量x，以難測量的總磷為主導(dǎo)變量并設(shè)其估計值為，以儀器分析法得到的總磷值yTP作為參考變量。以此來搭建系統(tǒng)研究總磷的線性回歸模型。則有，總磷的線性回歸系數(shù)組：

二次變量數(shù)據(jù)集合為：

式中：CT——溫度；

CpH——pH值；

CCON——電導(dǎo)率；

CDO——溶解氧；

In America,where the white dominate the country,the black belong to a culturally subordinate group.In a similar way,female belongs to another culturally subordinate group in patriarchal culture.

CTUR——濁度；

CCOD——化學(xué)需氧量；

CNH——氨氮；

Cn——其他二次變量。

于是總磷的線性回歸模型為：

β0～βn——總磷線性回歸系數(shù)；

x0～xn——二次變量。

2.3 系數(shù)獲取與估計求解

獲取i組總磷線性回歸系數(shù)樣本，再利用總磷的線性回歸系數(shù)組DTP和i組二次變量監(jiān)測值對初始線性回歸模型進行線性校準(zhǔn)，從而獲得i組總磷線性回歸系數(shù)樣本。

值得注意的是，主導(dǎo)變量的參考值yTP是持續(xù)獲取的，二次變量xT也是持續(xù)采集的，因此獲得的線性回歸樣本在時間線上連續(xù)，可隨著實驗時間累積來擴大系數(shù)樣本，從而進一步提高準(zhǔn)確性。

β*系數(shù)的擴大樣本陣列為：

其中，每組有h=n+1個線性回歸系數(shù)。選取一組總磷線性回歸系數(shù)樣本 βiT，用其中的線性回歸系數(shù)對β1T至 βi-1T中對應(yīng)的線性回歸系數(shù)逐一替換從而獲得總磷變異線性回歸系數(shù)樣本。則總磷變異估計值融合成的預(yù)測值矩陣?T為：

2.4 最優(yōu)回歸

設(shè)誤差為e，則有誤差公式：

利用式（7）計算總磷估計值、總磷變異估計值與參考變量的誤差值。篩選最小誤差emin和對應(yīng)的，則為最優(yōu)樣本。

以最優(yōu)樣本聯(lián)解式（2）、式（3），則可得到最優(yōu)回歸的主導(dǎo)變量估計值。

利用式（1）進行校準(zhǔn)，進一步獲取總磷校準(zhǔn)系數(shù)kTP和 總磷校準(zhǔn)截距bTP，將系數(shù)k帶入具有最優(yōu)系數(shù)樣本的回歸模型，獲得校準(zhǔn)后的最優(yōu)回歸模型，即：

3 實驗驗證

3.1 系統(tǒng)布設(shè)

配置階梯標(biāo)液對實驗系統(tǒng)進行初期訓(xùn)練，然后將系統(tǒng)布置于某管控點附近進行持續(xù)監(jiān)測和自我優(yōu)化，布設(shè)現(xiàn)場如圖3所示。布設(shè)后開啟系統(tǒng)并使其24 h連續(xù)運行，設(shè)置系統(tǒng)每隔4 h進行一次自回歸運算。

圖3 實驗系統(tǒng)布設(shè)現(xiàn)場

系統(tǒng)布設(shè)后的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過云傳感系統(tǒng)的云端數(shù)據(jù)庫獲取，云端數(shù)據(jù)界面如圖4所示。

圖4 實驗系統(tǒng)云端數(shù)據(jù)界面

3.2 實驗結(jié)果

實驗系統(tǒng)在現(xiàn)場運行一個月后，持續(xù)取50組數(shù)據(jù)與附近管控點和某第三方微站同時刻監(jiān)測數(shù)據(jù)進行抽樣盲比?？偭妆葘η€如圖5所示。

圖5 總磷比對曲線

總氮比對曲線如圖6所示。

圖6 總氮比對曲線

由實驗數(shù)據(jù)可知，總磷軟測量估計值標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 7 mg/L，平均偏差為0.043 mg/L，平均偏差率2.5%；總氮軟測量估計值標(biāo)準(zhǔn)差為0.048 mg/L，平均偏差為0.045 mg/L，平均偏差率3.1%。

4 結(jié)束語

實驗結(jié)果顯示，采用本文方法的總磷總氮軟測量估計值偏差率均優(yōu)于5%，監(jiān)測精度和效果較好，能滿足地表水總磷、總氮監(jiān)測管理的需求?？梢?，采用本方法構(gòu)建總磷、總氮監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，值得在地表水水質(zhì)精細化管理中進行推廣應(yīng)用。