基于工业物联网的地下水污染的监测方法与系统与流程

1.本发明涉及电子数字数据处理技术领域，具体涉及一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法与系统。


背景技术：

2.随着工业园区建设的不断加强，工业园区逐渐成为工业废水排放大户和环境污染事故的高发点，污染造成的水质型缺水问题更日渐突显。近来，地下水污染问题受到广泛的关注，而污染程度仍呈不断上升趋势。因此，为防治地下水污染，开展地下水污染监测就尤为重要。
3.现有的对地下水污染进行监测的方法，一般不会区分地下水为地下死水还是流动的活水，只是通过抽检地下水中污染物的含量进行水污染监测。而对于地下流动的活水来说，污染物会随着水流流动，在地下流动的活水中进行取样可能会出现污染评价较低的情况，污染评价误差较大。若出现地下断层的现象，会导致采样井的数据与实际偏差较大，一定程度上也会影响对地下水污染的评价。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法，所采用的技术方案具体如下：根据地下水分布范围按照设定间距设置采样井，分别采集各采样井中在一定时间段内不同时刻的水样本，并获取各水样本中的第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量；基于所述第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量获得污染物向量，基于相邻两个采样井在各时刻的污染物向量，计算任意两个相邻采样井的关联程度；并基于所述关联程度计算各采样井的流动系数；分别获取各采样井在一段时间内不同时刻的水面高度，基于相邻两个采样井的水面高度与所述流动系数，计算各采样井的流动影响系数；基于所述流动影响系数，对各个采样井进行分类，得到多个类别；分别获取各水样本中的颗粒物含量，基于所述颗粒物含量计算各采样井的交换系数；基于同一类别内采样井的流动影响系数与交换系数，计算采样井的污染物交换系数；基于各类别内采样井的数量与污染物交换系数，计算各类别采样井的类别权重系数，利用类别权重系数对各类别内水样本中的第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量进行加权求和得到水污染评价值，根据水污染评价值与设定阈值进行水污染监测。
5.优选地，所述关联程度的获取方法具体为：根据相邻两个采样井对应时刻污染物向量的相似度，得到所述相邻两个采样井各时刻的关联程度。
6.优选地，所述流动系数的获取方法具体为：
其中，表示采样井n的流动系数，表示采样井n在第i时刻与其相邻采样井的关联程度，表示采样井n在各时刻与其相邻采样井的关联程度构成的序列，n表示采样时刻的个数，表示对序列进行中值滤波处理后的序列，表示序列中关联程度的方差，表示序列中关联程度的均值。
7.优选地，所述流动影响系数的获取方法具体为：根据相邻两个采样井在对应时刻水面高度比值的均值与流动系数的乘积，得到采样井的流动影响系数。
8.优选地，所述交换系数的获取方法具体为：其中，表示采样井n的交换系数，表示采样井n在第i时刻水样本中的颗粒物含量，n表示采样时刻的个数，表示采样井n在各时刻水样本中的颗粒物含量构成的序列，表示序列中颗粒物含量的均值，表示序列中颗粒物含量的方差，、分别表示序列中颗粒物含量的最大值与最小值。
9.优选地，所述类别权重系数的获取方法具体为：统计各类别内采样井的数量与污染物交换系数的取值，构建直方图，根据直方图上各类别对应长方形的面积与所有类别对应长方形的总面积比值，得到各类别对应的类别权重系数。
10.本发明还提供了一种基于物联网的地下水污染的监测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法的步骤。
11.本发明实施例至少具有如下有益效果：本发明提供的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法与系统，该方法是一种特别适用于特定功能的数字计算或数据处理方法，对地下水污染的情况进行监测，具体为：本发明通过获取地下水流流向上的三种污染物含量，并基于相邻两个采样井之间的污染物含量一致情况，进行分析地下采样井之间污染物的流动情况，并基于采样井的水面高度对其进行修正，同时考虑了地下水中深层颗粒物的含量，进而对地下污染物的分布情况进行分等级分析，得到其对应的权重，进而获取准确的水污染评价。本发明充分考虑到了随着地下水的流动污染物的流动情况，并排除了由于地质构造问题导致地下水层出现断层现象而造成的检测误差，并通过不同流动等级类别确定权重，使得污染评价情况更加准确。
12.因此，本发明的方法是基于工业信息和数据处理的地下水污染监测方法，能够用
于工业物联网信息感知、工业物联网基础环境运行服务以及工业数据集成服务等信息处理。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
14.图1为本发明的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法的方法流程图。
具体实施方式
15.为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法与系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
16.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
17.下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法与系统的具体方案。
18.实施例1：请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：首先，根据地下水分布范围按照设定间距设置采样井，分别采集各采样井中在一定时间段内不同时刻的水样本，并获取各水样本中的第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量。
19.具体地，需要依据地址资料判断地下水的分布范围，并根据分布范围按照设定间距设置采样井，在本实施例中，采样井的设定间距为50m，实施者可根据实际情况进行选择。
20.在本实施例中，第一污染物、第二污染物、第三污染物分别以磷、氮及重金属为例进行说明，实施者可根据实际情况进行选择其他污染物。其中，磷、氮及重金属这三种污染物大多来自工业排放。
21.分别采集各采样井中在一定时间段内不同时刻的水样本，对于采集到的水样本进行充分搅拌，以至于水样本中的盐类充分且均匀分布在水样本中，对搅拌后的水样本分别利用水质总磷测定仪和水质总氮测定仪、水质重金属含量测定仪进行测定，得到磷、氮以及重金属的含量，再利用均值滤波器对获得的污染物含量数据进行处理，将处理后的污染物含量分别记为，氮含量序列a、磷含量序列b、重金属含量序列c，具体为：采样井n的氮含量序列（其中，表示采样井n在第i时
刻的氮含量，n表示采样时刻的总个数），采样井n的磷含量序列（其中，表示采样井n在第i时刻的磷含量，n表示采样时刻的总个数），采样井n的重金属含量序列（其中，表示采样井n在第i时刻的重金属含量，n表示采样时刻的总个数）。
22.在本实施例中，将一定时间段设定为20周，一定时间段内对应时刻设定为一周，实施者可根据实际情况调整一定时间段和时刻对应的值。
23.需要说明的是，进行均值滤波处理的原因是，由于地下水的氮、磷和重金属盐无法仅仅依靠人为搅拌使其充分均匀的分布在水样本中，故采用数据处理的方式，使得水样本的检测数据更加可靠。其中均值滤波器采用均值窗口沿着数据的顺序，对窗口内的值进行均值替换，使得数据的可靠性更高，去除了个别异常的检测数据，避免了检测误差，得到污染物含量的序列更加可靠。
24.接着，基于所述第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量获得污染物向量，基于相邻两个采样井在各时刻的污染物向量，计算任意两个相邻采样井的关联程度；并基于所述关联程度计算各采样井的流动系数。
25.具体地，根据地下水的氮含量序列a、磷含量序列b、重金属含量序列c对应时刻的数值构建污染物向量，记为。根据相邻两个采样井对应时刻污染物向量的相似度，得到所述相邻两个采样井各时刻的关联程度，用公式表示为：其中，表示采样井n在第i时刻的污染物向量，表示采样井n 1在第i时刻的污染物向量。表示采样井n在第i时刻与其相邻采样井n 1的关联程度，其值域为[0,1]，该值趋近于1时，表示此时采样井n与其相邻的采样井n 1的污染状态越相似甚至保持一致，该值趋近于0时，表示此时采样井n与其相邻的采样井n 1的污染状态差距较大，相邻两个采样井之间的关联程度能够反应通过水流的带动，当前时刻两个采样井之间污染物一致的情况。
[0026]
需要说明的是，相邻两个采样之间的关联程度表征了两个采样井之间的污染物含量是否一致的情况，随着时间的推移，地下水在流动的过程中，相邻两个采样井之间污染物含量是否一致的情况可能会发生变化，故可根据一段时间内相邻采样井之间关联程度的变化，得到采样井中污染物的流动情况，进而得到流动系数。
[0027]
基于关联程度计算采样井的流动系数，用公式表示为：
其中，表示采样井n的流动系数，表示采样井n在第i时刻与其相邻采样井的关联程度，表示采样井n在各时刻与其相邻采样井的关联程度构成的序列，n表示采样时刻的个数，表示对序列进行中值滤波处理后的序列，表示序列中关联程度的方差，表示序列中关联程度的均值。
[0028]
表征了采样井n在各时刻与其相邻采样井的关联程度构成的序列的稳定性程度，阈值为[0,1]，该值越大，说明在地下水流动的过程中，采样井n中与其相邻采样井n 1中的污染物也随之流动，且采样井n中与其相邻采样井n 1中的污染状态保持一致，则采样井n的流动性高；该值越小，说明地下水流动较为缓慢甚至不流动的过程中，采样井n中与其相邻采样井n 1中的污染物随之流动的较为缓慢甚至不流动，且采样井n中与其相邻采样井n 1中的污染状态差别较大，则采样井n的流动性低。
[0029]
表示采样井n的流动系数，该值越大，说明随着地下水流的流动采样井n内污染物的流动性越高，该值越小，说明随着地下水流的流动采样井n内污染物的流动性越低。
[0030]
然后，分别获取各采样井在一段时间内不同时刻的水面高度，基于相邻两个采样井的水面高度与所述流动系数，计算各采样井的流动影响系数；基于所述流动影响系数，对各个采样井进行分类，得到多个类别。
[0031]
需要说明的是，由于地下水的水层结构复杂，可能会出现地下断层的情况，导致相邻的采样井检测到的结果完全不同，或者由于地下的地质变化，同一水层被地下断层隔开，到最后相邻的水系交换较慢，甚至不交换，因此需排除该因素的干扰。而通过采样井中的水面高度可以直接表达各采样井是否处于同一水层，则可以利用采样井的水面高度对采样井的流动系数进行修正。
[0032]
具体地，用水位计测量各采样井在一段时间内不同时刻的水面高度，得到水面高度序列h，记为（其中，表示采样井n在第i时刻的水面高度，n表示采样时刻的总个数）。
[0033]
根据相邻两个采样井在对应时刻水面高度比值的均值与流动系数的乘积，得到采样井的流动影响系数，用公式表示为：其中，表示采样井n的流动影响系数，该值越趋近于1，表示采样井n与其相邻采样井n 1越相似，处于同一流向上的概率较大，表示采样井n的流动系数，、分别表示采样井n和其相邻采样井n 1在第i时刻的水面高度，n表示采样时刻的总个数。
[0034]
根据流动影响系数利用k-means算法对各个采样井进行分级，其中设置k值为5，进而得到五个类别等级，实施者可根据具体情况选择其他聚类算法进行分类，也可选择合适的k值进行分类处理。其中，第一类别记为一级污染物流动类别，第二类别记为二级污染物流动类别，第三类别记为三级污染物流动类别，第四类别记为四级污染物流动类别，第五类别记为五级污染物流动类别。以上为五级类别，数据是由大到小的分级类别，即第一类别中的数据最大，第五类别中的数据最小。
[0035]
进一步的，分别获取各水样本中的颗粒物含量，基于所述颗粒物含量计算各采样井的交换系数；基于同一类别内采样井的流动影响系数与交换系数，计算采样井的污染物交换系数。
[0036]
具体地，在本实施例中以地下水的含沙量为例进行说明，地下水中的含沙量可以直接表达地下水的深层颗粒物的流向。对于各采样井在一段时间内不同时刻，分别采集1m3的水，并记录对应的含沙量s。
[0037]
基于含沙量计算各采样井的交换系数，用公式表示为：其中，表示采样井n的交换系数，表示采样井n在第i时刻水样本中的颗粒物含量，n表示采样时刻的个数，表示采样井n在各时刻水样本中的颗粒物含量构成的序列，表示序列中颗粒物含量的均值，表示序列中颗粒物含量的方差，、分别表示序列中颗粒物含量的最大值与最小值，在本实施例中颗粒物含量为含沙量。
[0038]
通过计算含沙量的波动情况，可以表达采样井内水中的深层污染物的流向，表示采样井n的交换系数，该值越小，表示采样井n内水中的深层污染物的流动性越差，该值越大，表示采样井n内水中的深层污染物的流动性越好。
[0039]
需要说明的是，由于上述基于采样井的流动影响系数对各个采样井进行分类，得到不同的等级类别，只是针对地下水中溶于水的上层污染物进行分析，并未考虑深层污染物沉淀的交换，故需加入污染物沉淀再进行分析，在本实施例中，由于污染物沉淀的颗粒度一般不会大于沙粒直径，则可以利用含沙量对污染物沉淀进行表达。具体地，根据各采样井的流动影响系数与交换系数的乘积，计算采样井的污染物交换系数。
[0040]
最后，基于各类别内采样井的数量与污染物交换系数，计算各类别采样井的类别权重系数，利用类别权重系数对各类别内水样本中的第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量进行加权求和得到水污染评价值，根据水污染评价值与设定阈值进行水污染监测。
[0041]
需要说明的是，随着地下水的流动，会带走水流经线上的污染物离开地下水层，故需要基于污染物交换系数对地下水的污染情况分等级进行评价。
[0042]
以第一类别为例，由于第一类别内的数据是最大的，则可知随着地下水的流动，第一类别内采样井与其相邻采样井之间的污染物流动较大，故可认为第一类别为低污染滞留区，以此类推，第五类别内的数据是最小的，则可知随着地下水的流动，第五类别内采样井
与其相邻采样井之间的污染物流动较小，故认为第五类别为高污染滞留区，同时根据其他类别得到其对应的污染滞留区评价。
[0043]
具体地，统计各类别内采样井的数量与污染物交换系数的取值，构建直方图，根据直方图上各类别对应长方形的面积与所有类别对应长方形的总面积比值，得到各类别对应的类别权重系数。其中，所述直方图的横轴为各类别内采样井的污染物交换系数的取值，纵轴为各类别内采样井的数量。
[0044]
基于类别权重系数计算水污染评价值，用公式表示为：其中，表示第i时刻的水污染评价值，表示第m类别对应的类别权重系数，m表示类别数，在本实施例中m的取值为5，、、分别表示表示第m类别中采样井在第i时刻氮、磷、重金属含量的最大值，a、b、c分别表示依据当地地下水的情况获取的氮、磷、重金属含量的标准值。
[0045]
根据上述方法获取一段时间内各个检测时刻的水污染评价值，并根据当地实际的地质情况获取设定阈值，当水污染评价值大于设定阈值时，得到地下水的污染情况较为严重，需要进行相应的污染治理操作。
[0046]
实施例2：本实施例提供了一种基于工业物联网的地下水污染的监测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法的步骤。由于实施例1已经对一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法进行了详细的阐述，此处不再过多介绍。
[0047]
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0048]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：根据地下水分布范围按照设定间距设置采样井，分别采集各采样井中在一定时间段内不同时刻的水样本，并获取各水样本中的第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量；基于所述第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量获得污染物向量，基于相邻两个采样井在各时刻的污染物向量，计算任意两个相邻采样井的关联程度；并基于所述关联程度计算各采样井的流动系数；分别获取各采样井在一段时间内不同时刻的水面高度，基于相邻两个采样井的水面高度与所述流动系数，计算各采样井的流动影响系数；基于所述流动影响系数，对各个采样井进行分类，得到多个类别；分别获取各水样本中的颗粒物含量，基于所述颗粒物含量计算各采样井的交换系数；基于同一类别内采样井的流动影响系数与交换系数，计算采样井的污染物交换系数；基于各类别内采样井的数量与污染物交换系数，计算各类别采样井的类别权重系数，利用类别权重系数对各类别内水样本中的第一污染物、第二污染物、第三污染物的含量进行加权求和得到水污染评价值，根据水污染评价值与设定阈值进行水污染监测。2.根据权利要求1所述的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法，其特征在于，所述关联程度的获取方法具体为：根据相邻两个采样井对应时刻污染物向量的相似度，得到所述相邻两个采样井各时刻的关联程度。3.根据权利要求1所述的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法，其特征在于，所述流动系数的获取方法具体为：其中，表示采样井n的流动系数，表示采样井n在第i时刻与其相邻采样井的关联程度，表示采样井n在各时刻与其相邻采样井的关联程度构成的序列，n表示采样时刻的个数，表示对序列进行中值滤波处理后的序列，表示序列中关联程度的方差，表示序列中关联程度的均值。4.根据权利要求1所述的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法，所述流动影响系数的获取方法具体为：根据相邻两个采样井在对应时刻水面高度比值的均值与流动系数的乘积，得到采样井的流动影响系数。5.根据权利要求1所述的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法，其特征在于，所述交换系数的获取方法具体为：其中，表示采样井n的交换系数，表示采样井n在第i时刻水样本中的颗粒物含量，n
表示采样时刻的个数，表示采样井n在各时刻水样本中的颗粒物含量构成的序列，表示序列中颗粒物含量的均值，表示序列中颗粒物含量的方差，、分别表示序列中颗粒物含量的最大值与最小值。6.根据权利要求1所述的一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法，其特征在于，所述类别权重系数的获取方法具体为：统计各类别内采样井的数量与污染物交换系数的取值，构建直方图，根据直方图上各类别对应长方形的面积与所有类别对应长方形的总面积比值，得到各类别对应的类别权重系数。7.一种基于工业物联网的地下污染的监测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法的步骤。

技术总结
本发明涉及电子数字数据处理技术领域，具体涉及一种基于工业物联网的地下水污染的监测方法与系统，该方法是一种特别适用于特定功能的数字计算方法，对地下水污染的情况进行监测，具体为：本发明通过获取地下水流流向上的三种污染物含量，进行分析地下采样井之间污染物的流动情况，并基于采样井的水面高度对其进行修正，同时考虑了地下水中深层颗粒物的含量，计算权重系数，进而获取准确的水污染评价。本发明充分考虑到了随着地下水的流动污染物的流动情况，使得污染评价情况更加准确。因此，本发明的方法是基于工业信息和数据处理的地下水污染监测方法，能够用于工业物联网信息感知、工业物联网基础环境运行服务以及工业数据集成服务等信息处理。集成服务等信息处理。集成服务等信息处理。


技术研发人员：曹轩宇
受保护的技术使用者：南通腾宇环保设备有限公司
技术研发日：2022.04.23
技术公布日：2022/5/25