一種基于北斗通導一體化的污水信息采集及處理方法

刁攀，李昕達，程建華，王婭，聶簡，黃玥蕾，常樂

（1.哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱150001；2.哈爾濱工程大學 經濟管理學院，哈爾濱150001）

1 引言

目前，我國有超過30%的重要流域受到不同程度的污染[1]，水質整治已迫在眉睫。就我國廣闊的海岸線以及內陸復雜分布的河流而言，污水信息收集及處理方法是制約提升河流監測能力的瓶頸所在[2]。

在污水信息收集方面，在內陸河流、近岸海域等廣闊水域投放污水監測傳感器的固定浮標收集污水信息是目前國內外常用的方法。固定浮標配備pH 識別、典型化學品濃度等傳感器設備，可通過傳感器監測到的水質信息有效監測固定浮標附近的污水信息[3]。但是對于水域中的白色垃圾等固體性質的垃圾，卻難以有效識別。除此之外，傳統固定浮標在數據傳輸方面，通過移動通信網絡、短波電臺將浮標的污水信息傳輸至數據處理中心。移動通信網絡雖然實現成本相對較低，但是一方面無法脫離移動基站的輔助，另一方面容易受到天氣等因素影響，容易形成通信盲區[4]。短波電臺作用范圍一般不超50km，無法進行超視距通信，大范圍的信息收集受到極大限制，因此有必要研究信息收集的新方法。

本研究鑒于傳統污水監測方法的不足之處，采用浮標定點監測與船體移動監測污水信息相結合的方法，獲取監測水域全面實時的污水信息。基于已有歷史數據，通過大數據處理方法獲取同一時刻覆蓋全水域各點，全面的實時的污水信息。同時，利用我國北斗衛星導航系統（以下簡稱北斗系統）具有北斗技術通導一體化功能，即具有定位、定時和雙向簡短報文通信三大功能，提高污水監測網絡的數據傳輸能力[5]。此方法為我國污水監測提供了高效經濟的新途徑，有效提高污水監測網絡的監測能力。

2 污水監測數據傳輸原理

本研究采用北斗短報文通信技術，彌補了移動通信網絡及短波電臺污水信息傳輸的不足，基本原理如圖1所示。

北斗短報文通信系統由地球同步軌道（Geostationary Orbit, GEO）衛星、主控站、污水信息中心處理站、污水監測網絡組成，其中污水信息中心處理站接收機為指揮型接收機[6]。

圖1 北斗污水監測短報文通信示意圖

北斗污水監測短報文通信工作原理為：

①首先由浮標或監測船將包含接收方的ID 和通信內容的加密申請通信訊號通過GEO 衛星轉發給北斗短報文主控站。

②中心控制站將申請通信訊號經過脫密和加密處理加入持續廣播的出站廣播電文中，并經由GEO 衛星進行廣播。

③污水信息中心處理站接收機接收來自GEO 的衛星的廣播電文，通過ID 匹配完成廣播電文的解調及信息提取。

3 大數據處理模型

在數據處理中心，數據的預處理又稱屬性值的規范化，屬性值有多種類型，包括效益型、成本型和區間型等[7]。這三種屬性，效益型屬性越大越好，成本型屬性越小越好，區間型屬性是在某個區間最佳。

在進行決策時，一般要進行屬性值的規范化，主要有如下三個作用：①屬性值有多種類型，上述三種屬性放在同一個表中不便于直接從數值大小判斷方案的優劣，因此需要對數據進行預處理，使得表中任一屬性下性能越優的方案變換后的屬性值越大[8]；②非量綱化，多屬性決策和評估的困難之一是屬性間的不可度性，在分析評價時，需要排除量綱的選用對評估結果的影響；③歸一化，屬性值表中不同指標的屬性值的數值大小差別很大，為了直觀，更為了便于采用各種多屬性決策和評估方法進行評價，需要把屬性值表中數值歸一化，即把表中數值均變換到[0，1]區間。

在本研究中，我們采用線性變換對數據進行預處理，本文SS，CIE，TDS 為效益型屬性，pH，K，DO 為成本型屬性。

原始的決策矩陣為A=（aij）m×n，變換后的決策矩陣記為B=（bij）m×n，i=1，…m；j=1，…，m。設是決策矩陣第j 列中最大值，min aij是決策矩陣第j 列中最小值，若x 為效益型屬性，則

若xij為成本型屬性，則

4 監測系統的設計及構成

基于北斗通導一體化理論和大數據處理理論，制作實物模型，設計并建立污水監測網絡，對本研究提出的污水監測及信息處理方法進行驗證。污水監測網絡設計包括污水信息采集設計，北斗定位系統設計、上位機設計。

4.1 污水信息采集設計

本研究采集污水信息所用載體是固定在江河上的定點浮標以及巡邏船。定點浮標固定在江河的某些位置，浮標將會搭載多種污水監測傳感器。巡邏船采用流線型外形，底部采用三階斷層式船底，減少運行阻力，降低運行能耗。定點浮標設計參考圖2，移動式船形污水監測器如圖3。

圖2 定點浮標

圖3 移動式的船形污水監測器

污水信息采集使用pH 傳感器、溫度傳感器、TDS 離子濃度傳感器和濁度傳感器。pH 傳感器檢測水的酸堿度，TDS 主要檢測水中的Ca2+，Mg2+，Na+，K+等離子的濃度指標，濁度傳感器檢測水中的懸浮顆粒，多種傳感器綜合反映水域的受污染程度。

巡邏船使用雙電池供電，其中動力與傳感器被分開供電。工作系統使用開關+LDO 兩級穩壓的方式對模塊進行穩壓。應用Altium Designer 設計電路原理圖，Multisim 印制電路板，電路原理圖如圖4所示。

圖4 Altium Designer 繪制電路板

使用Mutilsim 進行電源仿真并使用數字式萬用表進行多次實際測量求取平均值，數據對比如表1所示。

表1 穩壓實驗數據表

4.2 北斗定位系統設計

本研究使用北斗差分技術為巡邏船提供定位，空間部分GEO 衛星在發送基本導航信息的同時還可向用戶發送北斗系統的廣域差分信息、格網電離層信息和完好性信息。

用戶端的主要任務是通過解譯衛星導航電文，同時接收導航衛星的基本導航信息和差分修正、完好性以及電離層延遲等相關計算數據，完成距離測量、定位解算、完好性分析等一系列計算分析工作，從而實現高精度導航定位解算，可以滿足巡航船只內陸航行的需求。

地面基站與巡邏船上的移動站如圖5和圖6所示。

基準站和移動站的北斗接收機對北斗衛星信號測量，并計算出差分校正量，然后將差分校正量播發給位于差分服務范圍內的用戶（又稱流動站）接收機，以提高用戶接收機的定位精度。

4.3 上位機設計

使用QT 進行上位機的設計，從而對數據進行可視化處理。該上位機只需要讀取定點浮標與巡邏船的數據，通過調用QT 自帶的Serial Port 類進行數據串口通信讀取數據。

使用UI 設計上位機的交互界面，左上角是浮標與船只的選項按鈕，左下方進行浮標和船只軌跡的顯示，右邊同步顯示浮標的歷史污水數據曲線以及船只行進軌跡線上的污水數據。該上位機實現點（定點浮標）到線（巡邏船軌跡）到面（巡邏船多次巡邏覆蓋水域）的污水數據監測，通過大數據分析，還能結合某點污水的歷史數據，進行時間軸上的全方位分析。

圖5 基準站

圖6 移動站

上位機設計主界面如圖7所示。

圖7 上位機界面

圖7中浮標的顏色為綠黃紅三色，依次表示污染情況越來越重。右上角表示不同類型傳感器采集污水信息隨時間變化的曲線圖，右下角為不同類型傳感器采集污水信息顯示區。

5 實驗結果分析

本實驗采用已建立基于北斗通導一體化理論和大數據理論的污水監測系統進行試驗，主要驗證污水監測系統的正確性，大數據處理及可視化界面的性能。

5.1 污水采集實驗結果

在同一地點同一時刻，使用本污水監測系統采集污水信息并進行污水采樣，并記錄污水采集時間及地點。在實驗室內對采樣污水進行檢測，記錄污水信息。污水檢測系統采集的污水信息、采集污水樣品實驗室檢測結果如表2所示。

表2 污水監測數據情況

由表2可知，污水監測系統采集的水質信息與實驗室采樣檢測結果基本相符，因此污水監測系統數據采集端穩定可靠。

5.2 北斗星基差分定位技術實驗結果

我們將基準站設置在距離移動站1 公里處，移動站接收機上接收的數據如圖8所示。

圖8 接收機原始數據

對此數據進行處理，得到如圖9所示的經緯度等定位信息，定位精度達到厘米級別。

圖9 處理后的定位數據

對此處理后的定位數據使用MATLAB 繪制出來，得到如圖10 所示的圖形。

圖10 MATLAB 繪制定位結果圖形

北斗定位系統定位結果與實驗記錄的采樣點位置信息相符，證明了污水監測系統定位功能的正確性。

5.3 上位機數據顯示

圖11 上位機顯示實驗結果

由圖11 可知，可視化界面能夠清晰顯示污水監測系統水質監測信息。

6 結論

傳統污水監測系統存在污水信息收集及處理效率較低的問題，本文提出了一種基于北斗通導一體化技術的污水監測及信息處理方法，并實驗驗證了該方法的可行性，得到結論如下：

①本研究利用我國北斗衛星導航系統具有北斗技術通導一體化功能，實現了污水信息大范圍高效收集，滿足了污水監測系統的數據長距離傳輸需求，也為污水點定位提供了新方法。

②本研究采用可視化界面對污水監測系統水質監測信息進行大數據處理，一方面提高了污水信息的監測效率，另一方面方便監測人員對全水域的實時監測。