小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统设计

刘雪洁, 胡玖坤, 孙麒, 任仁. 小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统设计[J]. 环境保护科学, 2020, 46(4): 62-66. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.04.010
引用本文: 刘雪洁, 胡玖坤, 孙麒, 任仁. 小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统设计[J]. 环境保护科学, 2020, 46(4): 62-66. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.04.010
LIU Xuejie, HU Jiukun, SUN Qi, REN Ren. Design of Information Interconnection and Feedback System for Small Watershed Water Environment Treatment Process[J]. Environmental Protection Science, 2020, 46(4): 62-66. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.04.010
Citation: LIU Xuejie, HU Jiukun, SUN Qi, REN Ren. Design of Information Interconnection and Feedback System for Small Watershed Water Environment Treatment Process[J]. Environmental Protection Science, 2020, 46(4): 62-66. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.04.010

小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统设计

    作者简介: 刘雪洁(1987 − ),女,硕士、工程师。研究方向:水污染治理。E-mail:liuxuejie87@aliyun.com
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07202003)
  • 中图分类号: X522;TP311

Design of Information Interconnection and Feedback System for Small Watershed Water Environment Treatment Process

  • 摘要: 为有效提高水环境质量信息的互联准确和反馈时效性,该研究设计了小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统。在硬件配置中,将MSP430F1611芯片作为控制主体,结合D/A信息转换处理器对小流域环境信息进行采集、传输和处理,并利用ZigBee局域网实现水环境治理数据的共享互联;在软件环境中,将“信息采集-信息互联传输-信息反馈”作为核心思想,构建节点神经层特征信号最佳拓扑结构,利用神经网络和ZigBee协议设计信息采集、无限互联通信和反馈结构,对采集到的信息特征属性进行关联处理,实现对水环境质量信息的采集、存储管理和反馈互联。结果表明,该系统的信息互联准确性较高,信息反馈过程可保持在4 s之内,充分说明了该系统的有效性。
  • 随着我国铁路大面积提速及城市化进程加快,以铁路噪声为主的环境噪声问题日益加重,交通噪声越来越受到公众关注。近年来,随着高速铁路网覆盖面的增加,沿线居民也开始受到高速铁路的交通噪声影响。根据《中长期铁路网规划(2016—2030年)》[1],预计至2030年高速铁路会将全国主要省市区连接起来,形成以“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的高速铁路网,这也意味着受到高速铁路噪声影响的居民会越来越多。

    文献[2-3]研究表明,噪声作为一种有害的物理刺激,可损害动物的消化系统引起胃肠功能紊乱,影响动物的生长和发育,从而导致其体重增长速率减缓。在对武广高铁两侧居民的社会调查问卷中发现,距离高铁越近,居民的烦恼度越高[4]。因此管理治理好高速铁路噪声,减少对周围居民的影响,建立完备的针对高速铁路的噪声标准体系至关重要。但我国现有噪声标准,如《铁路边界噪声限值及其测量方法(GB 12525—90)》[5]、《声环境质量标准(GB 3096—2008)》等[6]均未对铁路类型(普通铁路和高速铁路)进行区分,且方法、标准多数是基于普通铁路噪声特点而建立。然而,普通铁路和高速铁路的噪声具有显著差异。高速铁路具有以下两个特点:噪声源组成复杂、声能量水平高、声源呈宽频特性;由于列车运行速度快,列车运营密度高,造成昼夜等效声级都很高[7]。在相关研究中也得出,高速铁路噪声的实际持续时间在6.1~13.5 s之间,而普通铁路为16.0~25.7 s,说明高速铁路噪声更具突发性;在相同等效声级(LAeq)情况下,高速铁路噪声的主观烦恼度与主观干扰度均高于传统铁路噪声[8];高速铁路噪声的传播规律在45~120 m范围内不符合线声源衰减规律,衰减较慢[9]。由此可见,为了适应我国交通噪声污染新形势,急需研究高速铁路运营期的噪声影响程度,制定完善我国交通噪声排放标准。

    本研究以北京至天津城际铁路客运专线为例,对该工程噪声进行了环境影响后评价,并在此基础上进一步提出了高速铁路噪声方面的管理建议。

    京津城际铁路于2008年8月投入试运营,是国内第一条速度在300 km/h以上的高速客运专线,且具有高密度和公交化的特点。城际列车以最高时速(330 km/h)运行时,其噪声以低、中频噪声为主,具有源强高、作用时间短、频次密和衰减缓慢等特点,与普通铁路情况具有显著差异。根据该工程验收监测结果,铁路边界30 m处昼夜噪声均可满足文献[5]中昼夜70 dB(A)的要求;在安装了声屏障的330 km时速路段,铁路两侧全部区域昼间均可满足4类标准70 dB(A)的要求、夜间运行时段80 m外可基本满足4类标准55 dB(A)的要求;基于环境条件(地形、植被、桥高、房屋朝向等),昼间120 m外区域可基本满足2类标准60 dB(A)的要求、夜间运行时段内180 m外仍不能满足2类标准50 dB(A)的要求;声屏障对以时速330 km运行的列车的降噪效果为5~7 dB(A)。

    结合验收调查声环境监测工作的实际情况,本次研究京津城际铁路的声环境监测点位依以下原则确定。

    1)本研究噪声监测结果作为研究工作的基础数据验证支持,主要是为后续管理提供建议及借鉴,不对工程提出进一步污染防治措施改造建议,因此,选择重点点位进行验证监测并与验收调查阶段进行对比。

    2)根据沿线敏感点的空间分布特征和列车运行速度,选择验收调查报告中有代表性的点位进行监测。
    3)高铁在两端城市区域(北京市三环内和天津市的外环线以内)的运行速度较低,由于采用长轨、轮轨噪声也很小,工程在市区的靠近敏感点路段又全部安装了声屏障,而且城市内的其他噪声源较多(既有的铁路、城市道路),总体看城际列车不是主要的噪声源,因此,研究选取了可以判明高铁是主要噪声源的城郊区或农村敏感点开展了验证监测。

    4)为了全面了解高铁的噪声影响及其分布特征,开展水平衰减断面监测(30、60、120和240 m分别布设点位)。

    5)噪声监测方案中,共设监测敏感点3处、典型验证监测点位12个,即每个敏感点水平衰减断面监测30、60、120和240 m共4个点位。监测点位布设情况见表1

    表 1  噪声监测点位基本情况表
    序号敏感点名称里程高差/m现阶段基本情况
    1A(饮马井村)DK7+00016建有声屏障。比较验收调查阶段,现状部分高楼已建设,但临铁路部分低矮房屋仍存在,距离没有变化。
    2B(董村)DK15+50015建有声屏障。比较验收调查阶段,现状户数有所增加,建设了一些小型企业,距离变近,最近建筑物与外轨中心线距离为10 m。
    3C(前屯)DK70+70 8选取点位处为无声屏障路段,比较验收调查阶段,现状户数有所增加,建设了一些小型企业,距离变近,最近建筑物与外轨中心线距离为16 m。
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    本次监测时间选择在2019年4月下旬,测量时间为10:00~12:00,测量时段列车通过时间间隔约10 min,测量时段列车通过列数20列;其中前屯测点列车通过速度约350 km/h左右,董村测点列车通过速度约320~350 km/h,饮马井村测点列车通过速度约160 km/h左右。

    根据验收调查报告执行标准,距铁路外轨中心线30 m处的噪声排放昼夜均执行文献[5]中70 dB(A)标准。铁路两侧的一般敏感点,60 m内执行文献[10]中4类标准,即昼间70 dB(A)、夜间55 dB(A),60 m外执行2类标准,即昼间60 dB(A)、夜间50 dB(A);60 m内的特殊敏感点-学校以及医院等也执行2类标准。相关标准在该铁路投运之后有修订,但作为2010年12月31日之前投运的铁路,其应执行的噪声标准限值没有变化。

    本次研究选取典型的10:30~11:30的监测数据分析列车噪声特性,包括列车通过1 min时长Leq(td)(通过时段的Leq)和Lp(max)(通过时间段的噪声最大值)、1小时Leq,夜间按同等运行条件,采用昼间数据进行类比分析。研究选取的监测点位噪声监测结果见表2、表3

    表 2  噪声验证监测原始结果
    日期点位频次结果值LeqdB(A)最大值LmaxdB(A)
    2019.04.23饮马井村(距外轨中心线30 m)小时*55.685.5
    第一列车60.187.9
    第二列车58.062.0
    第三列车58.963.7
    饮马井村(距外轨中心线60 m)小时*53.776.1
    第一列车60.366.1
    第二列车57.667.6
    第三列车56.861.1
    饮马井村(距外轨中心线120 m)小时*50.280.3
    第一列车55.364.3
    第二列车53.565.2
    第三列车54.371.2
    2019.04.25董村(距外轨中心线30 m)小时*58.388.7
    第一列车69.979.2
    第二列车68.774.8
    第三列车69.879.4
    董村(距外轨中心线60 m)小时*58.782.6
    第一列车72.375.7
    第二列车67.175.9
    第三列车70.874.5
    董村(距外轨中心线120 m)小时*55.177.2
    第一列车62.878.8
    第二列车66.069.0
    第三列车64.979.7
    董村(距外轨中心线240 m)小时*54.386.5
    第一列车61.175.0
    第二列车59.769.3
    第三列车60.668.5
    2019.04.22前屯(距外轨中心线30 m)小时*61.684.0
    第一列车75.683.7
    第二列车76.786.5
    第三列车75.079.7
    前屯(距外轨中心线60 m)小时*61.885.3
    第一列车74.883.9
    第二列车74.784.6
    第三列车74.082.5
    前屯(距外轨中心线120 m)小时*60.181.8
    第一列车72.779.2
    第二列车71.081.0
    第三列车68.277.3
    前屯(距外轨中心线240 m)小时*56.678.0
    第一列车69.677.0
    第二列车67.877.5
    第三列车65.274.3
    注:*表示10:30~11:30的1 h内平均值。
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    表 3  监测结果统计(有效数据平均值) dB(A)
    序号监测点位Leq(td)Lp(max)1小时*Leq
    1A30 m59.062.955.6
    2A60 m58.264.953.7
    3A120 m54.464.850.2
    4A240 m
    5B30 m69.577.858.3
    6B60 m70.175.458.7
    7B120 m64.675.855.1
    8B240 m60.570.954.3
    9C30 m75.883.361.6
    10C60 m74.583.761.8
    11C120 m70.679.260.1
    12C240 m67.576.356.6
    注:*表示10:30~11:30的1 h内平均值。
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    饮马井村点位处于声源较多的城市区域,受其它噪声源及高大建筑影响较多,因此没有明显的特征。列车通过时段,铁路边界30 m处噪声可满足文献[5]中70 dB(A)的要求。

    运行速度300~350 km/h区段有声屏障的达标情况:

    ①列车通过时段,铁路两侧60 m内,1小时Leq可满足4类昼间标准70 dB(A)的要求、但不能满足4类夜间标准55 dB(A)的要求;

    ②列车通过时段,铁路两侧60 m外(60~120 m),1小时Leq可满足2类昼间标准60 dB(A)的要求,不能满足2类夜间标准50 dB(A)的要求。

    运行速度300~350 km/h区段无声屏障的达标情况:

    ①列车通过时段,铁路两侧60 m内,1小时Leq可满足4类昼间标准70 dB(A)的要求、但不能满足4类夜间标准的55 dB(A)要求;

    ②列车通过时段,铁路两侧60 m外(60~120 m),1小时Leq不能满足2类标准的要求。

    从本次监测结果可以看出,高架高速铁路的列车运行噪声不同于普通铁路,随着距离而明显衰减的特征并不明显,并且由30~120 m过程中衰减不大,120~240 m衰减较大。选取的水平方向30、60、120和240 m测点,60 m附近测点噪声值偏高。

    声屏障对于高速铁路的降噪效果,综合监测结果并结合验收调查中开展的噪声分析可以看出,在线路中段,声屏障对以时速300~350 km运行的列车的降噪效果为5~7 dB(A)。

    验收调查阶段,京津城际铁路每天开行动车组列车70对,本次研究时段,每天开行动车组列车136对。由于列车开行密度的增加,京津城际铁路的噪声(Leq)增量约为1.5~3.5 dB(A)。

    1)我国目前针对高速铁路噪声评价还没有相关专门的规范或者标准出台,所以目前对其内容的评价大多是依照铁路边界噪声的相关规定进行判定,相应规定的判定标准一般不考虑最大声级Lmax,而只是将等效声级Leq看做最主要判定标准。但研究结果显示,高速铁路上产生的噪声中对居民产生最大影响的主要是来自最大声级Lmax。因此建议在修订铁路噪声标准时,将高速列车通过时间的Leq(td)和Lp(max)作为评价量。

    2)制修订铁路噪声标准应按不同运行时速考虑不同的噪声限值,体现差异化管理。高速铁路应制定专门的标准体系来进行管理,并考虑现有高速铁路和新建高速铁路。

    3)标准限值应考虑高架高速铁路问题,建议30 m水平距离控制的同时,考虑一定距离内如60 m内的最大值控制。

    4)高速铁路环境噪声预测研究是国际学术界和各国政府关心的一项重要课题。在欧美国家,高速铁路噪声早已引起各国政府、铁路运输部门、研究机构的高度重视[11-13]。美、日、法、英、德等国都建立了适合本国情况的高速铁路环境噪声预测模型,并将模型应用于高速铁路既有线路的环境噪声评估和新建铁路设计中的环境噪声预测,取得了良好的社会经济效益。我国高速铁路发展很快,而相应专门的技术规范体系并未建立起来,因此,很有必要对我国的高速铁路噪声预测评估体系进行制修定。同时,高速铁路以高架方式建设为主,本次研究监测结果以及文献[7-9]均表明,其噪声分布呈现复杂性的特点,同时其噪声特点亦与运行速度关联很大,现有规范标准体系中的分析预测方法并不能完全适用。

    ①噪声评估中应考虑高架高速铁路对地面目标影响的修正参数。

    ②应考虑不同路基、不同运行速度列车的修正参数。

    ③对于高大建筑物,应考虑垂直方向的噪声影响预测。

    1)根据《声环境功能区划分技术规范(GB/T 15190—2014)》[14],铁路交通干线边界线外一定距离以内的区域划分为4b类声环境功能区。即:①相邻区域为1类声环境功能区,距离为50 m±5 m;②相邻区域为2类声环境功能区,距离为35 m±5 m;③相邻区域为3类声环境功能区,距离为20 m±5 m。

    北京至天津城际铁路客运专线在环境影响评价阶段,由环境影响报告书确定并经环境管理部门确认:“噪声执行标准—居民集中居住区60 m内执行4类标准、60 m外执行2类标准”;“铁路用地范围外一定距离以内的区域划为4类标准适用区域。当相邻区域为2类标准适用区时,铁路用地范围外30 m±5 m的区域执行4类标准”;“铁路用地范围外一定距离以内的区域执行4类标准;城市区域有声环境功能区划的、按功能区划执行;没有噪声功能区划的农村地区执行2类标准”;“验收调查中了解到,北京市各区的声环境功能区划各不相同,而且一般只对既有铁路划定相邻区域功能区”;“高铁的征地范围为铁路桥梁(宽21 m)的投影面积和路基的占地范围;沿线的拆迁补偿范围原则上是60 m(单侧30 m),但各段的地方政府最终完成拆迁的情况各异”。

    由相关内容可见,对于高速铁路两侧的声环境功能管理还没有统一的管理规定,京津城际铁路有关声环境管理也没有完全达成一致。而高速铁路又不同于一般铁路的声环境影响特征,建议有关部门制定适用于高速铁路声环境功能管理的规范或文件,应充分考虑相邻区域为1类声环境功能区无法适用高速铁路的实际情况。

    2)铁路两侧受铁路噪声影响区域的声环境功能区划分关系到铁路建设部门的责任和义务,关系到铁路两侧居民的权益保障,关系到铁路两侧区域土地的合理开发利用,关系到环保部门对铁路两侧的声环境质量管理[15]。调研过程中发现,在验收调查阶段,北京至天津城际铁路客运专线沿线很多规划发展区并未有成型的声环境功能区划分方案。因此,本研究认为在城市发展规划及高速铁路网建设规划制定同期即应考虑环境功能区划的制定,制定声环境保护的规划要求,以便项目建设时有所依据并提出有针对性的调整或保护措施。

    本研究通过对北京至天津城际铁路客运专线的噪声进行环境影响后评价,结合我国声环境标准体系以及声环境功能管理现状,得到如下结论。

    1)根据噪声后评价分析结果,在运行速度300~350 km/h区段,列车通过时,铁路两侧60 m内,可满足4类昼间标准70 dB(A)的要求、但不能满足4类夜间标准55 dB(A)的要求;铁路两侧60 m外(60~120 m),列车通过时,有声屏障,可满足2类昼间标准60 dB(A)的要求,不能满足2类夜间标准50 dB(A)的要求,无声屏障,不能满足2类标准的要求;高速铁路上产生的噪声中对居民产生最大影响的主要是来自最大声级Lmax,高速铁路的列车运行噪声随着距离而明显衰减的特征并不明显,由30~120 m过程中衰减不大,120 ~240 m衰减要大一些。

    2)建议完善我国现有的声环境标准体系,制定专门的高速铁路声环境标准并完善高速铁路噪声预测评估体系,将高速列车通过时间的Leq(td)和Lp(max)作为评价量,在标准限值上建议30 m水平距离控制的同时,考虑一定距离内如60 m内的最大值控制;同时建议制定适用于高速铁路声环境功能管理的规范或文件。

  • 图 1  系统框架图

    图 2  水环境治理网络结构图

    图 3  系统硬件结构基础配置

    图 4  网络节点拓扑结构示意图

    图 5  水环境质量信息采集管理结构

    图 6  小流域水环境治理信息互联处理结构示意图

    图 7  水环境质量信息反馈模块

    图 8  不同系统信息破损率对比结果

    表 1  不同系统信息反馈过程耗时情况统计结果 s

    迭代次数/次所提系统文献[3]系统文献[4]系统
    203.524.285.96
    403.674.645.38
    603.974.695.27
    803.935.176.18
    100 3.935.305.61
    迭代次数/次所提系统文献[3]系统文献[4]系统
    203.524.285.96
    403.674.645.38
    603.974.695.27
    803.935.176.18
    100 3.935.305.61
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-02
  • 刊出日期:  2020-08-20
刘雪洁, 胡玖坤, 孙麒, 任仁. 小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统设计[J]. 环境保护科学, 2020, 46(4): 62-66. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.04.010
引用本文: 刘雪洁, 胡玖坤, 孙麒, 任仁. 小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统设计[J]. 环境保护科学, 2020, 46(4): 62-66. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.04.010
LIU Xuejie, HU Jiukun, SUN Qi, REN Ren. Design of Information Interconnection and Feedback System for Small Watershed Water Environment Treatment Process[J]. Environmental Protection Science, 2020, 46(4): 62-66. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.04.010
Citation: LIU Xuejie, HU Jiukun, SUN Qi, REN Ren. Design of Information Interconnection and Feedback System for Small Watershed Water Environment Treatment Process[J]. Environmental Protection Science, 2020, 46(4): 62-66. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2020.04.010

小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统设计

    作者简介: 刘雪洁(1987 − ),女,硕士、工程师。研究方向:水污染治理。E-mail:liuxuejie87@aliyun.com
  • 江苏东恒环境控股有限公司,江苏 南京 210000
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07202003)

摘要: 为有效提高水环境质量信息的互联准确和反馈时效性,该研究设计了小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统。在硬件配置中,将MSP430F1611芯片作为控制主体,结合D/A信息转换处理器对小流域环境信息进行采集、传输和处理,并利用ZigBee局域网实现水环境治理数据的共享互联;在软件环境中,将“信息采集-信息互联传输-信息反馈”作为核心思想,构建节点神经层特征信号最佳拓扑结构,利用神经网络和ZigBee协议设计信息采集、无限互联通信和反馈结构,对采集到的信息特征属性进行关联处理,实现对水环境质量信息的采集、存储管理和反馈互联。结果表明,该系统的信息互联准确性较高,信息反馈过程可保持在4 s之内,充分说明了该系统的有效性。

English Abstract

  • 随着城市化与工业化进程的加快,资源经济也得以迅速发展。而在这一过程中,对资源的过度开发和利用也给自然环境造成了巨大的影响。其中,水资源短缺、污染问题尤为突出,严重干扰了现代化能源经济的发展[1]。因此,维护水资源的合理开发、防治水污染、改善水资源环境尤为重要。对小流域水环境的治理是水环境保护领域的一个重要分支,对其治理过程的信息进行有效互联与反馈,有助于提高对小流域水环境治理的成效[2]。传统的信息互联反馈系统,如方珍[3]提出的基于B/S的信息调查反馈系统和李涛等[4]提出的基于窄带物联网的水上环境监控反馈系统,虽具有运行简易的优点,但易受到地理环境等多方面因素的影响,导致信息互联效果和反馈时效相对较差,难以对水环境治理情况进行有效的监督和管理。

    为了解决以上问题,本研究设计了一种小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统,从技术上为提高小流域水环境治理效果提供了支持。

  • 在进行系统设计前,需明确系统的功能需求和目的。本研究所设计的系统旨在有效对小流域水环境治理过程信息进行采集、管理、传输和反馈,以进一步提升水环境治理效果。为此,本研究分别从硬件和软件部分入手,对系统进行分析和设计。系统整体框架图见图1

  • 为了实现信息互联反馈,需准备一台接有局域网的计算机,计算机要有自主IP,信息互联反馈中心通过局域网和无线管理网关进行信息通讯[5]。无线管理网关链接Zig Bee网络构建组织协调器,通过使用特定的具有Zig Bee频次的收发系统实现各信息监测点的数据共享互联[6]。小流域水环境治理网络结构见图2

    在此基础上,利用基于web平台的无线网关端口,套用无限检测传感器和SOCC-2520体系作为基础,对系统进行硬件设备的组建,以便对海量信息进行协调处理。同时,选择Windows 2007操作系统和MSP430F1611芯片作为控制器主体,实现对小流域环境治理过程中采集到的海量信息进行网络结构的联系处理[7]

    MSP430F1611芯片内部包括16位Timer_A (3个捕获/比较寄存器)和8通道12位A/D、16位D/A信息转换处理器、差异化信息通用传输端口等结构,可有效地实现数据存储和处理,D/A信息转换处理器和差异化信息通用传输端口可以有效地减少硬件设备操作复杂度[8]。另外,还在硬件环境中设定了3组16位数的定时互联管理模块,可有效地实现对8个通道的信息联通处理,保证对不同通道中的数据信息进行迅速逼近转换和反馈[9]。系统硬件设备基础配置结构见图3

    由于在对小流域水环境治理过程中的信息进行采集和管理时极易受到环境因素的影响,因此需根据水环境治理网络结构进一步优化系统硬件环境,改善结构层级。

    在MCU端完成Zig Bee协议运行过程中,海量治理数据会使MCU端出现负荷过大问题[10],因此,需结合SOCC-2520电子芯片和Zig Bee协议进行优化,即在SOCC-2520电子芯片中添加微型SPI通讯处理设备和7051单片模拟机,保持其电子芯片与微型处理器之间采用串口交流模式进行连接,提高系统硬件配置之间的严密性和时效性[11]

  • 传统的信息互联反馈系统通常缺少对相似性数值的简化分类处理步骤,极易导致对信息分类不准确的问题,造成互联反馈效率较低。为了保障水环境治理过程中信息互联反馈的有效性,所提的小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统以信息采集-信息互联传输-信息反馈为核心思想,结合神经网络原理对信息采集、互联和反馈节点进行设计。在这一过程中,利用最佳的拓扑结构保障节点安排的合理性。常见的神经网络节点拓扑结构见图4

    在上述常见的神经网络节点拓扑结构中,混合状拓扑结构是将两种单一的拓扑结构结合、保有两者优点而形成的网络拓扑结构,具有便于故障诊断和隔离、便于扩展和便于安装等优势。为此,本研究利用混合状网络拓扑结构进行水环境信息数据采集节点的有效分配,并实现各个采集和处理模块之间的信息实时传输[12-13]

    在此基础上,对信息采集、互联传输和反馈过程进行设计。

  • 通过Zig Bee协议和神经网络原理将采集到的特征信息传输至无限管理网关中进行存储和评估,根据评估结果实现反馈数据的TOP-N排序推荐。由于水环境质量信息复杂度较高,互联数据量巨大,在不同环境背景下对信息提取的需求也各不相同[14],因此,在信息反馈处理的过程中,需要结合物联技术对水环境质量信息管理结构进行优化。水环境质量信息采集管理结构见图5

    图5可见,通过河道口水质监控数据、流域设备监控数据和背景数据的收集,实现了对水环境质量信息的采集;利用移动网络设备端口将所采集的数值传输至智慧云系统,通过可视化、智能决策和管理过程实现了对数据的管理。

    水环境质量信息采集管理结构包括子局域内信息采集模块、无线共享管理网关、信息互联反馈中心等结构中的关键模块。其中,子局域内信息采集模块主要采用GPRS互联通讯监控节点自动对小流域水环境的pH值、溶解氧、气候信息等进行测算,完成对数据的采集任务[15]。无线管理网关的运行主要根据上位系统和信息管理网关传达的指令进行实时信息的采集、发送储存和共享。信息互联反馈中心经过基电站发送互联信息给上位系统进行信息分析处理和反馈。采用Arc GIS Serve设备进行互联信息的发布和链接,从而实现水环境治理信息的共享和归类。

    在上述分析的基础上,假设待采集的水环境治理信息链路分布数据集为X={x1,x2,,xn},其中,n表示数据流矢量长度,对其信息传输信道进行自适应跟踪,结合信息采样的时间序列t0+iΔt(其中i=0,1,,n),得到信息采集输出的状态矢量见式(1)。

    式(1)中:z为采集到的信息特征时域平均方值。结合过零率i和信息瞬时能量W,得到采集到的瞬时信息特征挖掘结果见式(2)。

    在此基础上,在神经网络结构中,对网络节点神经层特征信号最佳拓扑结构系数进行计算,其具体过程见式(3)。

    式(3)中:β为1~10之间的调节常数;p为神经网络隐层数。

  • 在完成信息采集之后,根据网络节点关联度进行信息互联传输处理。小流域水环境治理信息互联处理结构见图6

    图6可见,信息互联处理部分功分为3个层次,分别为表现层、服务层和数据层。数据层中的各类数据经过数据库引擎传输至服务层,再由服务层传送至表现层,由客户端接收并记录。

    假设互联信息的相似性为m,信息互联的幅度值为usgn为共性参数,则系统信息互联传输过程见式(4)。

    然后根据信息互联结果,实现小流域水环境治理过程信息的反馈处理。

  • 基于上述分析进行水环境治理信息的反馈处理。在无线管理网关中对采集到的特征信息进行协调处理,结合Zig Bee协调组织技术以及CPRS无线穿管网关对采集到的特征信息进行相关性分析。反馈模块可对不同层级信息进行反馈存储,并保障信息反馈的有效性和准确性。设计反馈模块见图7

    在信息反馈过程中,首先将互联信息保存至存储器中,并从中提取出水文数据、水质监测数据和敏感区数据等内容见式(5)。

    式(5)中:G为小流域水环境治理信息提取模型,t表示时间;vt时间内信息增长速度;g为信息类别数。在此基础上,结合不同类别数据的传输通道实现小流域水环境治理信息的反馈,见式(6)。

    式(6)中:y为不同类别数据的传输通道。

    综上所述,本设计实现了对小流域水环境质量过程中信息的有效互联和及时反馈。

  • 为了验证所提的小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统的有效性,进行了如下对比检测。为保证实验的可对比性,将文献[3]中的基于B/S的信息调查反馈系统和文献[4]中的基于窄带物联网的水上环境监控反馈系统作为对照。

  • 操作系统:Windows 10,内存:4 GB,硬盘4 000 GB以上,网卡:100 M/S带宽以太网卡,CPU:PIII 800以上,局域网络主要通过ADSL的链接方式实现接口端接入,空间信息存储引擎为Arc SDE,硬件处理平台为Arc GIS,嵌入式GIS控制体系为Arcgis Server,互联网技术数据系统平台为ArcI MS,实验数据来自于RESSET水资源数据库。

  • 信息互联的准确性可以通过互联过程的信息破损率来体现,信息破损率计算见式(7)。

    式(7)中:B为信息破损率;ri为ZigBee局域网中数据结构振型;n为数据结构振型阶数,n的取值大于等于3且为3的倍数;k为数据频率,即数据频数与总数的比值。测试不同系统信息互联反馈过程的信息破损率,结果见图8

    图8可见,随着实验迭代次数的不断增加,不同系统信息互联反馈过程的信息破损率也在随之变化,但所提的小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统的信息破损率始终在3种系统中保持最低,维持在3.5%~5%之间。这证明所提系统具有较高的信息互联的准确性,能实现小流域水环境治理信息的准确互联。

  • 信息反馈时效性能够反映系统反馈过程的耗时情况,从而体现系统的工作效率和时效性。反馈过程耗时结果由互联网技术数据系统平台ArcI MS自动统计。测试不同系统信息反馈过程的耗时情况,结果见表1

    表1可知,随着实验迭代次数的不断增加,不同系统信息反馈过程耗时情况也在随之变化。文献[3]和文献[4]系统的反馈过程耗时较接近,基本保持在4.2~6.2 s之间。相比之下,所提的小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统的反馈过程耗时最少,可保持在4 s之内,可以证明所提系统反馈过程时效性较高,具有很高的工作效率。

  • 观察以上实验检测结果可知,相对于传统系统而言,所提的小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统在实际操作过程中的互联信息破损率相对明显下降,且信息反馈过程耗时短,时效性高。综上所述,小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统具有很高的有效性,能够充分满足实际应用需求。

  • 由于传统的水环境质量信息互联过程存在准确性差、反馈时效性不佳的问题,本研究设计了一种小流域水环境治理过程信息互联与反馈系统,结合MSP430F1611芯片和Zig Bee协议、神经网络原理和物联网等技术对系统软件流程以及硬件配置进行设计,确保了系统的互联准确性和反馈时效性。

参考文献 (15)

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