基于證據(jù)理論的水資源污染檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種信息處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于證據(jù)理論的水資 源污染檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，江河湖泊水質(zhì)污染問題和潛在風險不容忽視，深受社會關(guān)注。依托水質(zhì)檢 測監(jiān)測，計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊和信息技術(shù)等現(xiàn)代科技手段，建立完善的水質(zhì)檢測監(jiān)測和信息管 理系統(tǒng)，及時掌握水質(zhì)狀態(tài)，分析預(yù)測水質(zhì)變化規(guī)律和趨勢，為提前應(yīng)對水質(zhì)惡化或警情發(fā) 生提供預(yù)報信息支持，已成為當前亟需解決的技術(shù)問題之一。由于影響水質(zhì)的因素和指標 眾多，且整個監(jiān)測過程涉及了諸多不確定因素，因此采用近年來發(fā)展起來的自動化綜合處 理技術(shù)--信息融合技術(shù)來進行處理是非常必要的。該技術(shù)通過對來自不同指標或傳感器 的信息進行處理，得出綜合分析評估結(jié)果。它是對觀察和測量的一種科學(xué)聚合。對于一個 系統(tǒng)或一個進程的監(jiān)控和檢查，往往需要多種類型的測量或觀察來描述其整體狀態(tài)。數(shù)據(jù) 融合對于具有可重復(fù)性的客觀聚合是很有用處的。許多基建工程問題，例如，資產(chǎn)的狀態(tài)評 估、生產(chǎn)過程中質(zhì)量監(jiān)控以及水質(zhì)監(jiān)測都需要多個性能指標來定義狀態(tài)。此外，對于一個可 靠的預(yù)測來說，通常需要對一個（或多個）性能指標在時間或空間上的觀察進行聚合。
[0003] 在某些情況下，不同的數(shù)據(jù)集（例如，不同類型的傳感器和探測器的測量，各項水 質(zhì)指標）提供了系統(tǒng)或過程的各方面信息，起到相輔相成的作用。因此，我們的目的是為了 收集更多的信息來對狀態(tài)進行準確的預(yù)測。另外，如果由多個數(shù)據(jù)集收集到的信息被用于 處理同一問題則可能產(chǎn)生冗余，但是通過某個觀察/測量的彼此證實卻又提高了可靠性。 在資產(chǎn)的狀態(tài)評估和水質(zhì)監(jiān)測中數(shù)據(jù)集的信息補充和冗余是數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的基礎(chǔ)。
[0004] 飲用水分配系統(tǒng)由于經(jīng)常遭受不良反應(yīng)和事件而導(dǎo)致消費者食用的自來水由高 品質(zhì)變成了不安全、有異味的水。因而為確保消費者可以得到高質(zhì)量的飲用水，在分配系統(tǒng) 中，原水水質(zhì)的定期監(jiān)測及處理過程的監(jiān)控是飲用水水質(zhì)管理至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。
[0005] 為了監(jiān)控分配系統(tǒng)中的水質(zhì)，一些領(lǐng)域（美國公共衛(wèi)生協(xié)會、美國水行業(yè)協(xié)會、水 污染控制聯(lián)合會）通常會將常規(guī)取樣中得到的物理、化學(xué)、和生物指標經(jīng)過實驗室或者便 攜式設(shè)備來進行分析。傳感器技術(shù)的存在使得通過在線監(jiān)控來獲取性能指標比通過取樣來 獲取更受歡迎。這種技術(shù)不斷的發(fā)展，涵蓋了更多類型的水質(zhì)指標。在飲用水分配中的一 些常見水質(zhì)指標有濁度、殘留的消毒劑、PH值、硝酸鹽、磷酸鹽、異養(yǎng)細菌、有機物等。
[0006] 水的使用通過常規(guī)采樣產(chǎn)生了大量的水質(zhì)數(shù)據(jù)，用來在水分配系統(tǒng)中控制和維持 水質(zhì)的可接受狀態(tài)。不同水質(zhì)指標的信息采集使用的技術(shù)也各不相同（人工取樣、自動采 樣并進行隨后的實驗室分析、通過自動分析儀設(shè)備的在線監(jiān)測）。在實際應(yīng)用中，合理實現(xiàn) 對影響水質(zhì)的各種因素和指標的綜合評估，及檢測過程中可能出現(xiàn)的各種不確定因素的綜 合處理存在著通用性不強、計算復(fù)雜度高、實時性差、不確定信息處理能力弱等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對水資源分配系統(tǒng)中存在的水質(zhì)污染現(xiàn)狀，提供了一種基于證據(jù)理論的 水資源污染檢測方法，該方法采用模糊數(shù)模型與證據(jù)理論相結(jié)合的處理思路可有效解決檢 測指標及數(shù)據(jù)的不確定性，且在通用性，計算復(fù)雜度及實時性方面都有較好的改善，可方便 用于各種水資源分配系統(tǒng)的污染檢測中。
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟：
[0009] 第一步、根據(jù)模糊數(shù)的相似度度量方法得到采樣值與現(xiàn)有的水質(zhì)指標模糊數(shù)模型 的相似度。
[0010] 在該污染檢測方法中，首先根據(jù)現(xiàn)有的水資源分配系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫生成水質(zhì)指標 的模糊數(shù)模型，水質(zhì)指標包括：殘余氯（RC)、三鹵甲烷（THM)、異養(yǎng)細菌（HPC)。在建立數(shù)據(jù) 模型的時候應(yīng)遵循三個原則：代表性原則，全面性原則，可操作性原則。
[0011] 其次，水資源分配系統(tǒng)中水質(zhì)指標的采樣值和水質(zhì)指標模糊數(shù)模型根據(jù)模糊數(shù)的 相似度度量方法得到它們之間的相似度。
[0012] 第二步、生成基本概率指派
[0013] 2. 1污染等級與基本概率指派函數(shù)（Basic Probability Assignment,BPA)的焦元 相對應(yīng)：基本概率指派函數(shù)的焦元由污染等級的個數(shù)來定，本方法采用的污染等級為五個： 非常低（VL)、低（L)、中等（M)、高⑶、非常高（VH)。
[0014] 2. 2根據(jù)水質(zhì)指標的采樣值和水質(zhì)指標模糊數(shù)模型的相似度得到初步的基本概率 指派，然后基于各個水質(zhì)指標（即影響水資源水質(zhì)的因素）的貢獻程度，對其進行權(quán)重的劃 分，并加權(quán)計算得到各個污染指標的基本概率指派，由此得到該水資源分配系統(tǒng)的BPA。
[0015] 第三步基本概率指派的融合方法：當有η個指標時，將生成的基本概率指派按以 下經(jīng)典的Dempster組合規(guī)則組合η-1次。
[0018] 第四步、污染程度評定：將第三步中得到的BPA融合結(jié)果進行分析，找出融合后 BPA的主焦元（基本概率指派函數(shù)的焦元中占有明顯優(yōu)勢的焦元），通過污染等級與基本概 率指派函數(shù)焦元的相對應(yīng)關(guān)系，得出水資源分配系統(tǒng)中的污染等級，實現(xiàn)了基于證據(jù)理論 的水資源污染檢測方法。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是：
[0020] 1)傳統(tǒng)的基于證據(jù)理論的水質(zhì)檢測方法中，通常需要采用其他技術(shù)對水質(zhì)參數(shù)的 采樣值進行預(yù)處理來修改證據(jù)模型，以便生成可用D-S組合規(guī)則組合的證據(jù)，且有些由采 樣值轉(zhuǎn)化而得到的證據(jù)理論中的證據(jù)，其基本概率指派是由監(jiān)測人員或?qū)＜蚁到y(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗 得到的，具有很強的主觀性；而本發(fā)明在給出一定的水資源指標樣本數(shù)據(jù)的前提下，通過污 染等級與焦元的對應(yīng)關(guān)系，以及模糊數(shù)的相似度度量方法，可以實現(xiàn)BPA函數(shù)自動生成，大 大地降低了工作量，減少了人的主觀影響。
[0021] 2)本發(fā)明的應(yīng)用前提是水污染系統(tǒng)指標的定性或定量的數(shù)據(jù)庫樣本數(shù)據(jù)，這在水 資源分配系統(tǒng)中非常容易實現(xiàn)，具有良好的通用性；
[0022] 3)通過污染等級與焦元對應(yīng)關(guān)系合成ΒΡΑ，并通過加權(quán)合成法對其進行融合，計 算復(fù)雜度低，具有較好的實時性，而且增大了判決結(jié)果的可信度。
[0023] 4)本發(fā)明中所提出的模糊數(shù)間相似度計算方法綜合考慮了模糊數(shù)間的重心距離、 高度及幾何上的周長和面積等影響模糊數(shù)相似度的諸多因素，有效地實現(xiàn)了模糊數(shù)間相似 度的有效度量。
【附圖說明】
[0024] 圖1為水污染檢測方法運行示意圖。
[0025] 圖2為水質(zhì)指標的模糊數(shù)模型，其中：(a)為殘余氯的模糊數(shù)模型；(b)為三鹵甲 烷的模糊數(shù)模型；(C)為異養(yǎng)細菌的模糊數(shù)模型。
[0026] 圖3為不同殘余氯濃度情況下水質(zhì)指標表示的污染程度概況，其中：(a)為殘余 氯濃度為〇mg/l時的情形；(b)為殘余氯濃度為0. 2mg/l時的情形；（c)為殘余氯濃度為 0. 5mg/l時的情形；⑷為殘余氯濃度為4mg/l時的情形。
【具體實施方式】
[0027] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的應(yīng)用范圍不限于下述的實施 例。本實施例為水資源分配系統(tǒng)中的水質(zhì)污染檢測過程舉例。本實施的具體過程包括以下 幾個步驟：
[0028] (1)污染等級的劃分
[0029] 采用的污染等級為五個：非常低（VL)、低（L)、中等（M)、高（H)、非常高（VH)?；?本概率指派函數(shù)的焦元個數(shù)與污染等級相對應(yīng)。
[0030] (2)水質(zhì)指標的模糊數(shù)模型
[0031] 首先根據(jù)現(xiàn)有的水資源分配系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫生成水質(zhì)指標的模糊數(shù)模型，水質(zhì)指 標包括：殘余氯（RC)、三鹵甲烷（THM)、異養(yǎng)細菌（HPC)。其模型如圖2所示。
[0032] (3)采樣值與現(xiàn)有的水質(zhì)指標模糊數(shù)模型的相似度生成基本概率指派
[0033] 本文中，我們將采樣值（清晰數(shù)）看作一個特殊的模糊數(shù)來處理，例如：殘余氯濃 度的采樣值為〇. 09,則對應(yīng)的模糊數(shù)為（0. 09,0. 09,0. 09,0. 09 ;1. 0)。然后根據(jù)模糊數(shù)的 相似度度量方法得到采樣值與現(xiàn)有的水質(zhì)指標模糊數(shù)模型的相似度，通過對水資源分配系 統(tǒng)中水質(zhì)成分檢測的結(jié)果得到水質(zhì)指標的采樣值如下