CN115508528A - 一种河湖水质-水动力学在线智能监测***和方法 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种河湖水质‑水动力学在线智能监测***和方法，水质在线监测设备、水动力学监测设备、视频监测设备、数据采集器、终端服务器、数据智能清洗***、存储和读取***，以及云端数据存储库。该方法通过水质和水动力学监测设备实时监测河湖水体的水质和水动力学指标，通过视频监测设备实时监测***的运行情况，数据采集器在线采集监测数据，经由终端服务***结合视频监测结果对数据进行排查和插值处理，当数据连续措施时发出报警，提醒数据平台管理人员进行检修，通过终端服务器实现数据的智能清洗，并将数据存储在网络数据库，供智慧水务云平台、科学研究机构实时取用数据。

Description

一种河湖水质-水动力学在线智能监测***和方法
技术领域
本发明涉及河湖等水体的水质和水动力学一体化在线监测领域，特别是一种河湖水质-水动力学在线智能监测***和方法。
背景技术
河湖水体水质是智慧河长云平台建设和管理的主要对象，水动力学要素是影响河湖水质的重要指标，实时在线监测水体水质-水动力学的联合监测，是河湖智慧河长制管理的重要工作任务，也是开展河湖水质变化规律和影响因素研究的数据保证。已有的河湖水质在线监测多存在监测数据错误、失真，监测***故障频发等问题。
综上所述，当前智慧河长制建设和管理过程中存在河湖水质-水动力学有效监测难度大，监测数据错误，监测设备故障多等问题，面对智慧河长制建设管理的水质监测需求和河湖水质水动力学研究的数据需求，提出一套智能化的水质-水动力学在线监测***与方法是十分迫切的。
发明内容
本发明针对智慧河长云平台建设和管理过程中遇到的河湖水质监测数据错误或无效的情况，以及水质和水动力学联合监测存在的困难，提出一种河湖水质-水动力学在线智能监测***和方法。
一种河湖水质-水动力学在线智能监测***和方法，包括硬件监测***和数据处理***；
所述的硬件监测***包括水质在线监测设备、水动力学监测设备、数据采集器、终端服务器。
所述的视频监测设备可以定性监测水体颜色、浊度的变化，设立水尺来定量监测水深的变化，设置流速转轮来视频监测流速变化，同时通过监测安放在硬件监测***上的水溶性颜料是否变色来判断电路***是否进水，分析数据采集器或其他***电路的进水或短路现象，及时向数据智能清洗***和智慧河长云平台发送警报。
所述的数据处理***包括数据智能清洗、存储和读取***，以及云端数据存储库。所述的数据智能清洗***，通过判断监测数据是否在对应技术参数的量程范围来判断监测数据的合理性。对于突然出现的数据异常现象，数据智能清洗***可向智慧河长云平台发送数据错误或数据采集故障警报。所述的云端数据存储库基于Web开发进行存储和取用数据。
优选地，水质在线监测设备可以是各类指标的传感器、在线检测设备或是仪表仪器，可以实时自动检测出水质指标的结果。所监测的水质要素包括但不限于pH、电导率、溶解氧、浊度、温度、氨氮、COD、蓝绿藻。
优选地，水动力学监测设备可以是水动力学各要素的传感器或仪表仪器，可以实时自动监测，所监测的水动力学要素包括但不限于水体流量、流速、水深等要素。
优选地，水质在线监测设备和水动力学监测设备的监测数据或结果可以被数据采集器实时抓取，可通过设定的接口将数据结果以电子信号方式进行存储。
优选地，终端服务器是数据智能清洗、插值、存储、读取的控制中心。
优选地，数据智能清洗***可以实现对数据的智能排查，对突变的数值进行插值替换，当连续出现超出量程范围的极端数值或错误格式的结果时智能报错，向智慧水务云平台发送数据错误警报。
上述河湖水质-水动力学在线智能监测***的监测方法，包括以下步骤：
S1：数据实时采集与清洗。开发数据实时采集程序，实时采集水质和水动力学传感器监测数据，视频监测水尺和流速转轮，智能识别水深和流速；制定数据智能清洗规则，将水动力和水质指标监测值实时采集并依据清洗规则判断数据质量，修复缺失、异常数据，最终存入服务器数据库中。
S2：Web应用开发。基于Asp.Net开发水动力-水质监测管理应用***，具体功能包括：1)历时监测数据查询，通过输入查询时间将多项水动力和水质指标通过曲线图、柱状图等形式进行展示并统计最大值、最小值、平均值等常规数据；2)实时监测展示与统计，以15分钟为时间间隔定时更新水动力和水质监测数据并展示。3)动态监测预警，依据各项监测指标的阈值，判断实时更新的监测数据是否超出阈值范围或持续异常，进行预警标记。
优选地，S1包括以下子步骤：
(1)数据采集。开发实时采集程序，调用监测设备厂商提供的API接口读取各项水动力和水质指标监测数值。
(2)数据智能清洗。对实时采集的监测数据进行质量判断，若监测值缺失或异常(当前监测值与历史监测值变化幅度过大)，则调用MATLAB的数据拟合功能，依据最近一天的历史监测数据进行曲线拟合，推测当前监测值进行补充或替换。
(3)数据存储。基于Mysql数据库设计各项监测指标的数据库表结构，将清洗后的监测数据存入数据库中。
(4)定时驱动。每间隔15分钟按照上述步骤(1)～(3)进行一次,实现监测数据的定时采集、清洗与存储。
优选地，数据采集器和供电设备可以在岸边固定安装，监测设备在河湖水体中固定位置，也可以在浮标上安置供电设备和数据采集器，监测设备悬吊水中，实现流动监测。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一套经济适用、智能便捷的水质-水动力学要素联合在线监测***与方法，为河长制智慧云平台建设与管理，水质水动力学耦合模拟研究提供监测技术与数据保障。
附图说明
图1为本发明水质-水动力学在线智能监测***流程图；
图2为本发明数据智能清洗和存储的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本实施例的水质在线监测对象选择pH、电导率、溶解氧、浊度、温度、氨氮、COD共7个指标。水动力学在线监测对象选择流速、水深2个指标。实施例中指标的量程、精度和测量方法见下表1。是实施例中断面流量通过流速乘以断面面积计算得到。
表1
指标名称 量程 精度 测量方法
PH 0-14pH ±0.1pH 电极法
电导率 0～200ms/cm ±1.5％ 电极法
溶解氧 0～20mg/L 1％ 荧光法
浊度(悬浮物) 0～4000NTU ±2％ 光学法
温度 0～50℃ ±0.2℃ 热电阻
氨氮 0.00～100/1000mg/L ±10％ 离子选择法
COD 0.00～500mg/L ±10％ 紫外吸收法
流速 0.021～4.5m/s 0.001m/s 电极法
水深 0.00～50m 0.01m 电极法
本实施例的水质-水动力学在线监测***及检测流程见图1。本实施例针对上述水质和水动力学指标购置水质在线监测设备和水动力学监测设备的监测传感器，由传感器和相应配件组成监测设备，通过数据采集器实时采集监测数据，通过视频监测设备监测数据采集器和指标监测设备运行情况，在电路***涂抹水溶性变色材料，以此来监测电路***是否进水和发生短路的情况。视频监测设备监测和记录水尺的读数流速转轮的转速，智能识别读数，以此来自智能读取水深和流速，同时向智慧河长云平台提供图片结果，以此来分析河道漂浮物、浑浊度、蓝绿藻的水质情况。
本实施例中，终端服务器是数据智能清洗、插值、存储、读取的控制中心。
在终端服务器的控制和指挥下，数据智能清洗***可以实现对数据的智能排查，对突变的数值进行插值替换，当连续出现超出量程范围的极端数值或错误格式的结果时智能报错，向智慧水务云平台发送数据错误警报。
数据智能清洗流程图见图2，数据智能清洗***和方法的步骤如下：
首先是数据实时采集与清洗。开发数据实时采集程序，制定数据智能清洗规则，将水动力和水质指标监测值实时采集并依据清洗规则判断数据质量，修复缺失、异常数据，最终存入服务器数据库中。具体流程步骤：
(1)数据采集。开发实时采集程序，调用监测设备厂商提供的API接口读取各项水动力和水质指标监测数值。
(2)数据智能清洗。对实时采集的监测数据进行质量判断，若监测值缺失或异常(当前监测值与历史监测值变化幅度过大)，则调用MATLAB的数据拟合功能，依据最近一天的历史监测数据进行曲线拟合，推测当前监测值进行补充或替换。
(3)数据存储。基于Mysql数据库设计各项监测指标的数据库表结构，将清洗后的监测数据存入数据库中。
(4)定时驱动。每间隔15分钟按照上述步骤(1)～(3)进行一次,实现监测数据的定时采集、清洗与存储。
其次基于Asp.Net开发水动力-水质监测管理应用***，具体功能包括：1)历时监测数据查询，通过输入查询时间将多项水动力和水质指标进行曲线、柱状图等形式进行展示并进行最大值、最小值、平均值等常规统计；2)实时监测展示与统计，以15分钟为时间间隔定时更新水动力和水质监测数据，并展示。3)动态监测预警，依据各项监测指标的阈值，判断实时更新的监测数据是否超出阈值范围，进行预警标记。
本实施例的传感器在河湖水体中固定位置，数据采集器和太阳能板也可以在浮标上安置太阳能板和数据采集器，实现流动监测。

Claims (6)

1.一种河湖水质-水动力学在线智能监测***，其特征在于，包括硬件监测***和数据处理***；
所述的硬件监测***包括水质在线监测设备、水动力学监测设备、视频监测设备、数据采集器、终端服务器；
所述的水质在线监测设备和水动力学监测设备为监测设备，监测设备的监测数据或结果被数据采集器实时抓取；
所述的数据采集器用于实时采集监测设备的监测结果或数据，通过设定的接口将数据结果以电子信号的方式进行存储；
所述的视频监测设备用于定性监测水体颜色、浊度的变化，设立水尺来定量监测水深的变化，设置流速转轮来视频监测流速变化，还通过监测安放在硬件监测***上的水溶性颜料是否变色来判断电路***是否进水，及时向数据智能清洗***和智慧河长云平台发送警报；
所述终端服务器是数据智能清洗、插值、存储、读取的控制中心；
所述的数据处理***包括数据智能清洗***、存储和读取***，以及云端数据存储库；所述的数据智能清洗***，通过判断监测数据是否在对应技术参数的量程范围来判断监测数据的合理性，对于出现的数据异常现象，数据智能清洗***进行自动插值处理，当连续出现超出量程范围的极端数值或错误格式的结果时智能报错，数据智能清洗***向智慧河长云平台发送数据错误警报，提示工作人员进行排查和检修；所述的云端数据存储库基于Web开发进行存储和取用数据。
2.根据权利要求1所述的一种河湖水质-水动力学在线智能监测***，其特征在于，所述的水质在线监测设备是指各类指标的传感器、在线检测设备或是仪表仪器，实时自动检测出水质指标的结果。
3.根据权利要求1所述的一种河湖水质-水动力学在线智能监测***，其特征在于，所述的水动力学监测设备是指水动力学各要素的传感器或仪表仪器，实时在线自动测定。
4.根据权利要求1所述的一种河湖水质-水动力学在线智能监测***，其特征在于，所述的水质在线监测设备、水动力学监测设备、视频监测设备、数据采集器、供电设备安置在浮标上形成固定或流动监测，或者将数据采集器、供电设备固定在岸边。
5.根据权利要求1所述的一种河湖水质-水动力学在线智能监测***的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：数据实时采集与清洗；开发数据实时采集程序，实时采集水质和水动力学传感器监测数据，视频监测水尺和流速转轮，智能识别水深和流速；制定数据智能清洗规则，将水动力和水质指标监测值实时采集并依据清洗规则判断数据质量，修复缺失、异常数据，最终存入服务器数据库中；
S2：Web应用开发；基于Asp.Net开发水动力-水质监测管理应用***，具体功能包括：1)历时监测数据查询，通过输入查询时间将多项水动力和水质指标通过曲线图、柱状图等形式进行展示并统计最大值、最小值、平均值等常规数据；2)实时监测展示与统计，以15分钟为时间间隔定时更新水动力和水质监测数据并展示；3)动态监测预警，依据各项监测指标的阈值，判断实时更新的监测数据是否超出阈值范围或持续异常，进行预警标记。
6.根据权利要求5所述的一种河湖水质-水动力学在线智能监测***的监测方法，其特征在于，S1包括以下子步骤：
(1)数据采集；开发实时采集程序，调用监测设备厂商提供的API接口读取各项水动力和水质指标监测数值；
(2)数据智能清洗；对实时采集的监测数据进行质量判断，若监测值缺失或异常(当前监测值与历史监测值变化幅度过大)，则调用MATLAB的数据拟合功能，依据最近一天的历史监测数据进行曲线拟合，推测当前监测值进行补充或替换；
(3)数据存储；基于Mysql数据库设计各项监测指标的数据库表结构，将清洗后的监测数据存入数据库中；
(4)定时驱动；每间隔15分钟按照上述步骤(1)～(3)进行一次,实现监测数据的定时采集、清洗与存储。
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于国卿 等: "水闸安全监测数据挖掘中的数据预处理方法", 南水北调与水利科技, vol. 8, no. 4, 15 August 2010 (2010-08-15), pages 115 - 118 *

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CN117130314A (zh) * 2023-09-20 2023-11-28 江苏禹润水务研究院有限公司 一种基于物联网的水务智能监控***

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