一种地下水的修复方法及系统与流程

1.本发明涉及水环境污染监测技术领域，具体涉及一种地下水的修复方法及系统。


背景技术：

2.在下面的背景讨论中，参考了某些结构和/或方法。然而，下面的参考不应被解释为承认这些结构和/或方法构成了现有技术。申请人明确保留证明这种结构和/或方法不作为现有技术的权利。
3.随着现代工业的发展和人类活动的频繁，环境污染日益严重，尤其是空气污染和水污染，工业活动产生的大量废水随意排放，有些污水未经处理就排放到自然环境，使地表水受到污染。也有一些污水被直接排放到地下，使得地下水被污染，垃圾填埋也会持续地对地下水产生影响。地表水和地下水都是饮用水来源，地下水在我国某些地方是主要的饮用水来源，新一轮全国地下水资源评价与战略问题研究显示，全国约有一半城市市区的地下水污染比较严重，地下水水质呈下降趋势，全国约有一半城市市区的地下水污染比较严重，全国约有7000多万人仍在饮用不符合饮用水水质标准的地下水。地表以下地层复杂，地下水流动极其缓慢，治理修复相当困难，不仅经济投入大，而且技术难度高，风险大，治理周期长。目前地下水污染的治理开展较少。因此，地下水的监测和修复显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于基于传感器网络提出一种地下水修复的方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。为实现上述技术目的，本发明技术方案如下：
5.一种地下水的修复方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
6.步骤1，构建传感器网络，通过传感器网络获得地下水数据；
7.步骤2，对地下水数据进行处理，获得地下水数据集合；
8.步骤3，根据地下水数据集合输出污染警报。
9.进一步地，步骤1中，构建传感器网络，通过传感器网络获得地下水数据的子步骤为：
10.步骤1.1，构建传感器网络，将待监控区域划分成n个子区域；
11.步骤1.2，在每个节点内布置一个组合传感器，每个节点对应一个组合传感器，通过组合传感器获得地下水数据。
12.进一步地，步骤1.2中，在每个子区域内布置一个组合传感器，每个子区域对应一个组合传感器，通过组合传感器获得地下水数据的子步骤为：
13.待监控区域里的几何中心选择一个组合传感器作为主节点，如果每个组合传感器都直接把数据通过无线发送到主节点中，因为地形和通讯距离的原因，会消耗大量能量，也会造成数据丢失和传输错误，因此通过引入辅助节点来提高通讯效率；
14.当组合传感器与主节点通讯质量更好时，把获取的地下水数据发送至主节点，如
果组合传感器与辅助节点通讯质量更好，把获取的地下水数据发送至辅助节点，每过一定周期通过辅助节点把地下水数据发送至主节点，所述通讯质量根据rssi值确定；
15.步骤1.2.1，获取每个组合传感器的当前能量值e
i
，对所有组合传感器的当前能量值排序，得到所有组合传感器的当前能量值的最大值为e
max
，所有组合传感器的当前能量值的最小值为e
min
，e
i
∈[e
min
，e
max
]，i为组合传感器序号，i∈[1，n]，n为组合传感器的数量；
[0016]
步骤1.2.2，设第i个组合传感器到主节点的通信路径为ri
m
，ri
m
表示第i个组合传感器到主节点的通信路径，按照以下式子获得对于受到通信路径ri
m
干扰的组合传感器集合if(ri
m
)，if(ri
m
)的大小为nif(ri
m
)：
[0017][0018]
式中，p
i
是组合传感器i的传输耗能，l
ij
为组合传感器i到组合传感器j的传输能量损耗量，组合传感器j是组合传感器i传输范围内的组合传感器，l
j
为组合传感器j的高斯白噪声的强度，thrs0为组合传感器的rssi通讯阈值，依次改变j的值以获得if(ri
m
)，j∈[1，n]；
[0019]
步骤1.2.3，每个组合传感器把受到当前传感器到主节点通信路径干扰的组合传感器数量广播至主节点，主节点将受到通信路径干扰的组合传感器数量小于的组合传感器作为候选节点，主节点广播候选节点的信息，所述候选节点的信息包括候选节点的编号和的值；
[0020]
步骤1.2.4，各个组合传感器收到辅助节点的信息后，判断自身是否属于候选节点，如果是，跳转步骤1.2.5；
[0021]
步骤1.2.5，属于候选节点的组合传感器按下式计算权重：
[0022][0023]
式(1)中，wc为组合传感器c的权重，ec为组合传感器c的剩余能量，emax为所有组合传感器的当前能量值的最大值，tc为组合传感器c的最大通讯距离，dc,m为组合传感器c到主节点的直线距离，a，b为预设的权重指数，用于改变能量和距离因素对权重值计算的倾向，候选节点广播自身的权重；
[0024]
步骤1.2.6，主节点收到所有候选节点广播的权重值后，选择权重值最大的组合传感器作为辅助节点，并广播辅助节点信息2，所述辅助节点信息2包括辅助节点的组合传感器编号；
[0025]
步骤1.2.7，传感器网络里的组合传感器收到辅助节点信息2后，把辅助传感器的值设置为辅助节点信息2里辅助节点的组合传感器编号，辅助节点设置完成；
[0026]
步骤1.2.8，经过设定的时间阈值t2，重新执行步骤1.2.1～步骤1.2.7选出新的辅助节点。
[0027]
优选地，步骤1.2.8中，经过设定的时间阈值t2，重新执行步骤1.2.1～步骤1.2.7选出新的辅助节点的子步骤，还可以为：
[0028]
步骤1.2.8.1，经过设定的时间阈值t2，重新计算每个组合传感器的权重，式子为：
[0029][0030]
式中，w
″
c
为需要计算的组合传感器c新的权重，w
′
c
为当前组合传感器c的权重，w
c
通过式(1)获得，k
max
为预设的对于每个组合传感器作为辅助节点的阈值，k
c
为组合传感器c已经作为辅助节点的次数；将组合传感器简称为节点；
[0031]
步骤1.2.8.2，从步骤1.2.8.1获得的每个组合传感器新的权重，按照权重对各个组合传感器以权重值从大到小进行排序获得排好序的节点序列，依次对节点序列中各个节点的k
c
值与k
max
进行扫描，即依次判断各个节点的k
c
值是否大于k
max
，当找到k
c
值小于k
max
的节点时，将对应的组合传感器作为新的辅助节点，否则节点序列不存在k
c
值小于k
max
的节点时，将k
c
值最小的对应的组合传感器作为新的辅助节点；
[0032]
步骤1.2.8.3，新的辅助节点广播辅助节点信息2，所述辅助节点信息2包括新的辅助节点的组合传感器编号，执行步骤1.2.7。
[0033]
进一步地，步骤3中，根据地下水数据集合输出污染警报的子步骤为：
[0034]
步骤3.1：对于一个需要评估的数据r0(即地下水数据)，以r0的来源组合传感器为中心与其距离最近的8个组合传感器，取所述8个组合传感器最近一个取样周期的往前一个取样周期ts的数据记为集合tu＝{t1,t2,
…
,tp}，取所述8个组合传感器最近一个取样周期ts获得的数据记为集合t’u＝{t’1,t’2,
…
,t’p}，p＝8：
[0035]
步骤3.2，计算需要评估的数据r0的预估极值dr和预估平均值
[0036][0037][0038]
式中，ty为集合tu第y个值，t
′
y为集合t’u第y个值，dy为r0的来源组合传感器到所选t’y的来源组合传感器的平面距离，δ为扩散系数，如果y的来源组合传感器的平面距离，δ为扩散系数，如果则r0为正常值，否则判断r0为非正常数据，并且用r0的来源传感器的上一个时间间隔t1的正常值代替非正常值r0；
[0039]
步骤3.3，如果传感器网络在一个取样时刻里有多于2个节点的数据的物理量值超出设定的阈值，则发出警报。
[0040]
一种地下水的修复系统，所述系统包括：
[0041]
存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
[0042]
传感器网络，包括多个子区域内的组合传感器，用于获取组合传感器的数据；
[0043]
组合传感器，用于实时获取所检测水域的各种水指标，包括以下模块：水重金属检测仪，ph计，浊度检测仪，溶解氧传感器，cod检测仪，数据传输模块，所述数据传输模块用于发送上述传感器模块获得的数据；
[0044]
数据接收模块，用于接收所述传感器模块的数据传输模块发送的传感器数据，并把传感器数据传输至数据处理模块，所述数据传输模块与所述数据接收模块通过无线技术通讯，所述无线技术通讯为lpwan技术，所述lpwan技术包括以下的一种或多种技术：nb
‑
iot，lte
‑
m，weightless，halow，lora，sigfox，rpma，neul，ble；
[0045]
数据处理模块，包括服务器、计算机、计算工作站、硬件防火墙、路由器，用于对来
自所述数据接收模块的传感器数据进行处理，管理传感器网络，输出预警信息；
[0046]
数据预警模块：用于根据来自数据处理模块的预警信息发出预警。
[0047]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0048]
优化的数据传输路径能有效提高地下水数据传输效率，对数据进行评估和矫正并发出警报。
附图说明
[0049]
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，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他的附图，在附图中：
[0050]
图1为本发明提供的一种地下水的修复方法及系统的流程图；
[0051]
图2为本发明一个实施例的一种地下水的修复系统结构示意框图。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详尽说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053]
同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围内的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
[0054]
以下示例性地说明本发明提供的一种地下水的修复方法及系统。
[0055]
如图1所示为一种地下水的修复方法及系统的流程图，下面结合图1和图2来阐述根据本发明的实施方式的一种地下水的修复方法及系统，所述方法包括以下步骤：
[0056]
步骤1，构建传感器网络，通过传感器网络获得地下水数据；
[0057]
步骤2，对地下水数据进行处理，获得地下水数据集合；
[0058]
步骤3，根据地下水数据集合输出污染警报。
[0059]
进一步地，步骤1中，构建传感器网络，通过传感器网络获得地下水数据的子步骤为：
[0060]
步骤1.1，构建传感器网络，将待监控区域划分成n个子区域；例如n为8到10个；将监控区域平均分成8到10个。
[0061]
步骤1.2，在每个子区域内布置一个节点，每个节点对应一个组合传感器，通过组合传感器获得地下水数据。
[0062]
进一步地，步骤1.2中，在每个子区域内布置一个节点，每个节点对应一个组合传感器，通过组合传感器获得地下水数据的子步骤为：
[0063]
将组合传感器简称为节点；
[0064]
待监控区域里以几何中心设置一个主节点，如果每个组合传感器都直接把数据通过无线发送到一个主节点，因为地形和通讯距离的原因，会消耗大量能量，也会造成数据丢失和传输错误，因此通过引入辅助节点来提高通讯效率；
[0065]
当组合传感器与主节点通讯质量更好时，把获取的地下水数据发送至主节点，如果组合传感器与辅助节点通讯质量更好，把获取的地下水数据发送至辅助节点，每过一定周期辅助节点把地下水数据发送至主节点，所述通讯质量根据rssi值确定，在一个实施例中，rssi取值范围为
‑
85dbm～
‑
138dbm或者[
‑
60,
‑
120]dbm；
[0066]
步骤1.2.1，获取每个组合传感器的当前能量值ei，对所有组合传感器的当前能量值排序，得到所有组合传感器的当前能量值的最大值为emax，所有组合传感器的当前能量值的最小值为emin，ei为第i个组合传感器，i∈[1，n]，n为节点数量；
[0067]
步骤1.2.2，设第i个组合传感器到主节点的通信路径为ri
m
，ri
m
表示第i个组合传感器到主节点的通信路径，按照以下式子获得对于受到通信路径ri
m
干扰的组合传感器集合if(ri
m
)，if(ri
m
)的大小为nif(ri
m
)：
[0068][0069]
式中，p
i
是组合传感器i的传输耗能，l
ij
为组合传感器i到组合传感器j的传输能量损耗量，组合传感器j是组合传感器i传输范围内的组合传感器，l
j
为组合传感器j的高斯白噪声的强度，thrs0为组合传感器的rssi通讯阈值，依次改变j的值以获得if(ri
m
)，j∈[1，n]，i和j均为组合传感器/节点的序号，组合传感器i为第i个传感器；{j|条件}的意义为：求满足条件时的j；
[0070]
步骤1.2.3，每个组合传感器把受到当前传感器到主节点通信路径干扰的组合传感器数量广播至主节点，主节点将受到通信路径干扰的组合传感器数量小于的组合传感器作为候选节点，主节点广播候选节点的信息，所述候选节点的信息包括候选节点的编号和的值；
[0071]
步骤1.2.4，各个组合传感器收到辅助节点的信息后，判断自身是否属于候选节点，如果是，跳转步骤1.2.5；
[0072]
步骤1.2.5，属于候选节点的组合传感器按下式计算权重：
[0073][0074]
式(1)中，wc为组合传感器c的权重，ec为组合传感器c的剩余能量，emax为所有组合传感器的当前能量值的最大值，tc为组合传感器c的最大通讯距离，dc,m为组合传感器c到主节点的直线距离，a，b为预设的权重指数，用于改变能量和距离因素对权重值计算的倾向，候选节点广播自身的权重，在一个实施例中，a＝2，b＝5.1，wc为0.56；
[0075]
步骤1.2.6，主节点收到所有候选节点广播的权重值后，选择权重值最大的组合传感器作为辅助节点，并广播辅助节点信息2，所述辅助节点信息2包括辅助节点的组合传感器编号；
[0076]
步骤1.2.7，传感器网络里的组合传感器收到辅助节点信息2后，把辅助传感器的
值设置为辅助节点信息2里辅助节点的组合传感器编号，辅助节点设置完成；
[0077]
步骤1.2.8，经过设定的时间阈值t2，重新执行步骤1.2.1～步骤1.2.7选出新的辅助节点，在一个优选的例子里t2为30min。
[0078]
优选地，步骤1.2.8中，经过设定的时间阈值t2，重新执行步骤1.2.1～步骤1.2.7选出新的辅助节点的子步骤，还可以为：
[0079]
步骤1.2.8.1，经过设定的时间阈值t2，重新计算每个组合传感器的权重，式子为：
[0080][0081]
式中，w
″
c
为需要计算的组合传感器c新的权重，w
′
c
为当前组合传感器c的权重，w
c
通过式(1)获得，k
max
为预设的对于每个组合传感器作为辅助节点的阈值，k
c
为组合传感器c已经作为辅助节点的次数，在一个优选的例子里k
max
为0.25；w
′
c
为的初始值为1；
[0082]
步骤1.2.8.2，从步骤1.2.8.1获得的每个组合传感器新的权重，按照权重对各个组合传感器以权重值从大到小进行排序获得排好序的节点序列，依次对节点序列中各个节点的k
c
值与k
max
进行扫描，即依次判断各个节点的k
c
值是否大于k
max
，当找到k
c
值小于k
max
的节点时，将对应的组合传感器作为新的辅助节点，否则节点序列不存在k
c
值小于k
max
的节点时，将k
c
值最小的对应的组合传感器作为新的辅助节点；
[0083]
步骤1.2.8.3，新的辅助节点广播辅助节点信息2，所述辅助节点信息2包括新的辅助节点的组合传感器编号，执行步骤1.2.7。
[0084]
进一步地，步骤3中，根据地下水数据集合输出污染警报的子步骤为：
[0085]
步骤3.1：对于一个需要评估的地下水数据r0，以r0的来源组合传感器为中心与其距离最近的8个组合传感器，取所述8个组合传感器最近一个取样周期的往前一个周期ts的数据记为集合tu＝{t1,t2,
…
,tp}，取所述8个组合传感器最近一个取样周期ts获得的数据记为集合t’u＝{t’1,t’2,
…
,t’p}，p＝8：
[0086]
步骤3.2，计算需要评估的数据r0的预估极值dr和预估平均值
[0087][0088][0089]
式中，ty为集合tu第y个值，t
′
y为集合t’u第y个值，dy为r0的来源组合传感器到所选t’y的来源组合传感器的平面距离，δ为扩散系数，如果y的来源组合传感器的平面距离，δ为扩散系数，如果则r0为正常值，否则判断r0为非正常数据，并且用r0的来源传感器的上一个时间间隔t1的正常值代替非正常值r0；
[0090]
步骤3.3，如果传感器网络在一个取样时刻里有多于2个节点的数据的物理量值(即重金属浓度(铅含量、汞含量)，浊度，ph值，溶解氧浓度，化学需氧量的值)超出设定的阈值，则发出警报，在一个实施例中，设定的阈值为铅含量0.01mg/l，汞含量0.001mg/l。
[0091]
进一步地，步骤4，根据污染警报控制地下水修复装置；
[0092]
进一步地，每个子区域还包括至少一个地下水修复装置，所述地下水修复装置为申请号为cn201922301446.9，cn201920851068.9，cn201721810636.8所公开的任意一种装置。
[0093]
一种地下水的修复系统，如图2所示，所述系统包括：
[0094]
存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
[0095]
传感器网络，包括多个子区域内的组合传感器，用于获取组合传感器的数据；组合传感器，用于实时获取所检测水域的各种水指标，包括以下模块：水重金属检测仪，ph计，浊度检测仪，溶解氧传感器，cod检测仪，数据传输模块，所述数据传输模块用于发送上述传感器模块获得的数据；
[0096]
数据接收模块，用于接收所述传感器模块的数据传输模块发送的传感器数据，并把传感器数据传输至数据处理模块，所述数据传输模块与所述数据接收模块通过无线技术通讯，所述无线技术通讯为lpwan技术，所述lpwan技术包括以下的一种或多种技术：nb
‑
iot，lte
‑
m，weightless，halow，lora，sigfox，rpma，neul，ble；
[0097]
数据处理模块，包括服务器、计算机、计算工作站、硬件防火墙、路由器，用于对来自所述数据接收模块的传感器数据进行处理，管理传感器网络，输出预警信息；
[0098]
数据预警模块：用于根据来自数据处理模块的预警信息发出预警。
[0099]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0100]
优化的数据传输路径能有效提高地下水数据传输效率，对数据进行评估和矫正并发出警报。
[0101]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0102]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。