专利名称：供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法
技术领域：
本发明涉及一种污染源追踪定位信息处理方法，尤其是涉及一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法。
背景技术：
供水管网的水质安全日益受到城市政府，供水企业乃至全社会的关注。当污染源从一个入口点进入供水系统时，污染物会迅速的传遍整个管网，对居民健康和生命安全形成巨大威胁。目前，我国城市供水系统水质监测技术相对落后，大部分城市尚不具备完善的在线水质监测的能力。然而，供水管网突发污染事故的威胁时刻存在。我国城市大多以集中供水为主，由于管网构造复杂庞大，实际的供水管网系统构成复杂且敷设于地下，且相互连通，一旦事故发生，导致污染物进入配水管网，当从监测点监测到水质异常或从用户的投诉了解到水质污染信息时，如果无法快速的定位污染注入位置以及受污染的区域，则无法针对性地对污染源采取措施、对污染范围的管网进行隔离和对污染水进行处理，但仅靠人工经验决策很难对污染源的位置以及污染物的扩散情况做出准确判断。近年我国曾先后发生了松花江化工污染、太湖蓝藻暴发等事件，导致哈尔滨、无锡等城市的长时间大范围停水，造成了严重的社会影响。因此，在管网污染事故已经发生的情况下，需要利用有限的监测数据和信息进行污染源的快速定位，从而为事故的影响评价、 控制与消除提供快速而准确的决策支持。供水管网污染源追踪定位的方法是指当事故发生后，根据管网中设置的在线水质监测点监测的水质污染数据，结合管网的拓扑和水力结构，利用一定的方法或者技术确定污染源的位置与污染注入的时间。由于供水管网结构复杂，目前尚没有被广泛认可和应用的污染源识别技术方法。Jiabao Guan等建立了一种新的方法(模拟最优化方法)来解决复杂配水管网中污染源及其释放历史的确定问题。该方法以最优话分析为基础，运用EPANET(美国环保署供水管网模拟软件注行业内著名软件，无现成中文对应名称，以上给出为意译名称)中配水系统模型。在该方法中，通过确定位于配水管网中潜质指定为污染源节点的排放历史，来使用用EPANET生成强制指定的监测点的污染物浓度。这些信息被用于连续最优化预测修正算法来确定污染源及其释放历史。在模拟过程中，假定被研究的配水系统水力条件已知。 用以校正污染源的排放历史的最优化模型主要设计成识别模拟结果与监测点实测数据之间的相似性。这种信息交换在闭合环系统中以收敛算法来进行。在应用此方法时，配水管网中的所有节点，不管其复杂程度如何，都要被选作可能的污染源点和监测点，所以计算的成本比较高。Cristiana Di Cristo等作者描述了定位配水管网中的事故性污染的污染源位置的一个简单方法。该算法从测量到的溶质浓度数据开始，通过分析污染矩阵来首先限制污染源注入点的范围，确定一组备择节点。通过使一个线性最优化问题目标值最小来确定所选点中最有可能的是污染源的点。其中线性最优化问题是依据模拟值与实测值差异最小的原理建立的。该方法计算较为简单，但其结果的可靠性受检测点多少的影响很大，并且对管网中间发生污染(非水源节点)的情况以及多污染源的定位效果不佳。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤1)采集器采集监测点监测到的污染物浓度信息，并将其发送给处理器；2)处理器通过节点关系树的线性规则模型求出其相关上游节点的最大污染物浓度和最大污染物浓度出现的时间，逐步地求解下去，可求出管网中所有节点的最大污染物浓度和其获得最大污染物浓度的时间；3)处理器判断污染物浓度最大的节点预测为污染物注入节点。所述的节点关系树的线性规则模型建立过程如下1)构造节点关系树；2)生成训练数据集；3)数据聚类；4)对每一棵关系树，构造一个用来表示节点与其相关的上游节点之间的关系树的线性规则；5)利用步骤4)中的关系树的线性规则，求出各节点相关的所有上游节点的最大污染物浓度和最大污染物浓度出现的时间；6)判断是否符合实际情况，若为是，判定该模型可用，若为否，返回步骤1)。所述的节点关系树描述节点与其相关上游节点之间的关系。所述的生成训练数据集步骤如下通过EPANET模拟污染注入，随机给定污染物注入节点，然后设定一定的污染物持续注入时间和模拟过程持续时间，给出注入污染物注入的浓度范围，得到训练数据集。所述的数据聚类为采用Kmeans算法将训练数据集分类。所述的关系树的线性规则包括可行域和线性回归公式，将线性规则转化成 If-Then形式，If部分是可行域，Then部分是线性回归公式。所述的步骤5)中的节点根据线性规则的条件和该节点的浓度值，选取规则进行线性规划求解与节点相关的上游节点的最大污染浓度值，如果选取的规则求得无解，就在其它规则中另选合适的规则进行求解，如果所有规则都不满足求解条件或者求得无解，那么放弃由当前节点值求解其上游节点值。与现有技术相比，本发明具有迅速准确地定位给水管网中污染源，为调度人员迅速准确地确定污染源及制定实施解决方案提供有力依据。
图1为本发明的模型流程图；图2为本发明的硬件结构示意图；图3为本发明的上下游节点之间的关系可以转化为连接输入与输出之间的关系树图；图4为本发明的管网示例图；图5为本发明的节点a的关系树(RTa)图；图6为本发明的节点b的关系树(RTb)图；图7为本发明的节点c的关系树(RTc)图；图8为本发明的利用关系树的线性规则由输出值反推输入值的示意图；图9为实施例2的供水管网模型示意图；图10为实施例2的各节点的上下游关系(关系树)图；图11为实施例2的污染源追踪过程流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1如图1、图2所示，一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法， 包括以下步骤1)采集器A采集监测点监测到的污染物浓度信息，并将其发送给处理器B ；2)处理器B通过节点关系树的线性规则模型求出其相关上游节点的最大污染物浓度和最大污染物浓度出现的时间，逐步地求解下去，可求出管网中所有节点的最大污染物浓度和其获得最大污染物浓度的时间；3)处理器B判断污染物浓度最大的节点预测为污染物注入节点。所述的节点关系树的线性规则模型建立过程如下1)构造节点关系树；2)生成训练数据集；3)数据聚类；4)对每一棵关系树，构造一个用来表示节点与其相关的上游节点之间的关系树的线性规则；5)利用步骤4)中的关系树的线性规则，求出各节点相关的所有上游节点的最大污染物浓度和最大污染物浓度出现的时间；6)判断是否符合实际情况，若为是，判定该模型可用，若为否，返回步骤1)。算法的具体过程如下第一步将污染源追踪定位问题转化成一个连接输入和输出的有向关系树，关系树描述了节点与其相关上游节点之间的关系，如图3。通过关系树的上下游节点之间关系的规律，可以根据输入来预测输出。1、构造关系树在污染模拟过程中，需要构造节点关系树。若上游节点有水直接流向节点i即为与节点i相关的节点，节点i的关系树RTi给出了与节点i相邻并且相关的其它所有节点。 附图4是一个简单的管网模型，图中的箭头方向表示管道中水流的方向，节点a和节点b都有箭头指向节点c，表示节点c的水来源于节点a和节点b，则与节点c相关的上游节点是节点a和b。根据水流的方向，可以构造出每个节点的关系树(RTi)，如附图5、图6、图7所示。各节点的关系树的输入输出关系见表1。表1各节点的关系树的输入与输出
权利要求
1.一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤1)采集器采集监测点监测到的污染物浓度信息，并将其发送给处理器；2)处理器通过节点关系树的线性规则模型求出其相关上游节点的最大污染物浓度和最大污染物浓度出现的时间，逐步地求解下去，可求出管网中所有节点的最大污染物浓度和其获得最大污染物浓度的时间；3)处理器判断污染物浓度最大的节点预测为污染物注入节点。
2.根据权利要求1所述的一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，其特征在于，所述的节点关系树的线性规则模型建立过程如下1)构造节点关系树；2)生成训练数据集；3)数据聚类；4)对每一棵关系树，构造一个用来表示节点与其相关的上游节点之间的关系树的线性规则；5)利用步骤4)中的关系树的线性规则，求出各节点相关的所有上游节点的最大污染物浓度和最大污染物浓度出现的时间；6)判断是否符合实际情况，若为是，判定该模型可用，若为否，返回步骤1)。
3.根据权利要求2所述的一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，其特征在于，所述的节点关系树描述节点与其相关上游节点之间的关系。
4.根据权利要求2所述的一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，其特征在于，所述的生成训练数据集步骤如下通过EPANET模拟污染注入，随机给定污染物注入节点，然后设定一定的污染物持续注入时间和模拟过程持续时间，给出注入污染物注入的浓度范围，得到训练数据集。
5.根据权利要求2所述的一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，其特征在于，所述的数据聚类为采用Kmeans算法将训练数据集分类。
6.根据权利要求2所述的一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，其特征在于，所述的关系树的线性规则包括可行域和线性回归公式，将线性规则转化成 If-Then形式，If部分是可行域，Ihen部分是线性回归公式。
7.根据权利要求2所述的一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，其特征在于，所述的步骤幻中的节点根据线性规则的条件和该节点的浓度值，选取规则进行线性规划求解与节点相关的上游节点的最大污染浓度值，如果选取的规则求得无解，就在其它规则中另选合适的规则进行求解，如果所有规则都不满足求解条件或者求得无解，那么放弃由当前节点值求解其上游节点值。
全文摘要
本发明涉及一种供水管网突发污染事故的污染源追踪定位信息处理方法，包括以下步骤1)采集器采集监测点监测到的污染物浓度信息，并将其发送给处理器；2)处理器通过节点关系树的线性规则模型求出其相关上游节点的最大污染物浓度和最大污染物浓度出现的时间，逐步地求解下去，可求出管网中所有节点的最大污染物浓度和其获得最大污染物浓度的时间；3)处理器判断污染物浓度最大的节点预测为污染物注入节点。与现有技术相比，本发明具有迅速准确地定位给水管网中污染源等优点。
文档编号G06F19/00GK102467605SQ201010534558
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者信昆仑, 刘龙, 王康乐, 陶涛 申请人:同济大学