基于優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的多傳感器水質(zhì)監(jiān)測研究

曾澤熠，陳姝予

(長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司，武漢 430062)

0 引言

水質(zhì)狀況對人們的生產(chǎn)、生活造成了很大的影響，近年來由于水污染而引發(fā)的社會問題也是屢見不鮮。水質(zhì)標(biāo)志著水體的物理、化學(xué)和生物的特性及其組成的狀況[1]。為了判定某地區(qū)的水是否滿足居民生活用水的要求，必須對該地區(qū)的水進行定期監(jiān)測。水質(zhì)監(jiān)測就是對水環(huán)境中各種污染物進行監(jiān)測，并對各種污染物的含量及其變化趨勢進行評估的過程。主要的監(jiān)測項目可以被劃分成兩大類：一類是反映水質(zhì)狀況的綜合指標(biāo)，第二類是有機殺蟲劑以及重金屬污染物。為了水環(huán)境質(zhì)量作出一個客觀的評估，還需要對流速和流量進行檢測。水質(zhì)監(jiān)測是水資源保護工作的一個組成部分，其重要性不言而喻，只要監(jiān)測到位，就可以在污染現(xiàn)象進一步惡化之前，及時制止，防止問題擴大，所以水質(zhì)監(jiān)測有很高的研究價值。

現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測方法的核心理念是把若干個傳感器采集到的信息進行融合，從而得出更全面的數(shù)據(jù)收集結(jié)果。從目前多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法的研究情況來看，文獻(xiàn)[2]提出的基于G-RepVGG和魚類運動行為的水質(zhì)監(jiān)測方法、文獻(xiàn)[3]提出的基于衛(wèi)星觀測及水質(zhì)動力模型的感潮河流水質(zhì)監(jiān)測方法以及文獻(xiàn)[4]提出的基于異構(gòu)網(wǎng)的野外池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖云端水質(zhì)監(jiān)控方法發(fā)展較為成熟，其中文獻(xiàn)[2]提出方法利用拍攝到的圖像數(shù)據(jù)，獲取水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，將RepVGGblock與GhostNet結(jié)合，建立了G-RepVGG模型，通過模型重參數(shù)化，將卷積層和批歸一化層合并，然后將3路卷積合并為1路，極大地減少了模型參數(shù)量，加快了水質(zhì)監(jiān)測的速度。文獻(xiàn)[3]提出的監(jiān)測方法基于Lansat8/OLI微型遙感資料，采用Delft3D水質(zhì)動力學(xué)模式，實現(xiàn)對水體中溶解氧、氨氮和高錳酸鉀等水質(zhì)參數(shù)的定量反演。而文獻(xiàn)[4]中提出方法使用傳感器和異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)來采集和傳輸數(shù)據(jù)，并使用云服務(wù)器平臺來完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的存儲，對其進行監(jiān)測。然而上述傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法在實際運行與應(yīng)用過程中存在明顯的監(jiān)測范圍小、監(jiān)測精度低等問題，為此引入優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)算法。

深度置信網(wǎng)絡(luò)是一類基于約束玻爾茲曼機器的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它采用多重性準(zhǔn)則，通過構(gòu)建一個在輸入數(shù)據(jù)和樣本間標(biāo)記間的聯(lián)合分布函數(shù)，使其在概率產(chǎn)生過程中發(fā)揮重要作用。利用優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)算法對多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法進行優(yōu)化設(shè)計，以期能夠在擴大水質(zhì)監(jiān)測范圍的前提下，保證水質(zhì)的監(jiān)測精度。

1 多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計的多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法以水溫、pH值、溶解氧、污染物濃度等作為監(jiān)測目標(biāo)，并對市場上的傳感器進行研究分析，選擇合適的傳感器進行監(jiān)測方法的設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法可以將計算機數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式數(shù)字信號處理技術(shù)等結(jié)合起來，對水質(zhì)展開監(jiān)測和分析。通過構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以對區(qū)域的水質(zhì)展開實時、全方位的監(jiān)測。水質(zhì)監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)采集來自于特種的數(shù)據(jù)傳感器，水質(zhì)傳感器在感知周圍的數(shù)據(jù)之后，再由ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng)，數(shù)據(jù)經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)后傳輸?shù)搅司奂行墓?jié)點[5]。聚集中心節(jié)點分布在各個監(jiān)控子站中，監(jiān)控子站的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到了遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。在上位機的監(jiān)控中心，設(shè)計了使用時序數(shù)據(jù)挖掘模塊，對水質(zhì)數(shù)據(jù)展開分析和分析，讓工作人員可以更好地對水質(zhì)進行管理。

1.1 設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項目的標(biāo)準(zhǔn)限制，可以將水環(huán)境質(zhì)量分為5個等級，從水溫、pH值、溶解氧等方面，確定不同水質(zhì)等級下相關(guān)參數(shù)的浮動范圍。部分水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的具體說明，如表1所示。

表1 水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)說明表

同理可以得出不同質(zhì)量等級下水體相關(guān)參數(shù)的取值區(qū)間，以此作為確定水質(zhì)監(jiān)測等級的比對標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 水質(zhì)傳感器設(shè)計

傳感器選擇與安裝的目的是為水體質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集提供硬件支持，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測目標(biāo)確定需要裝設(shè)的傳感器具體包括：溫度傳感器、pH值傳感器、溶解氧傳感器等。

1.2.1 水體溫度傳感器

一般來說，水環(huán)境中的溫度都是相對穩(wěn)定的，如果溫度驟然上升，就意味著有新的污染物在水中生成，所以人們經(jīng)常把溫度作為水質(zhì)監(jiān)測的一個重要指標(biāo)[3]。采用DS18B20型號的溫度傳感器，該傳感器由8比特CRC發(fā)生器、高速緩存區(qū)、存儲器及控制器、64比特只讀存儲器及單總線接口、電源檢測、非易失性溫度告警觸發(fā)器TH及TL、溫度敏感元件及配置寄存器等元件構(gòu)成。相對于傳統(tǒng)的熱敏電阻元件，占用的空間更小，可適應(yīng)的電壓范圍更廣，并可連接微處理接口[3]。優(yōu)化設(shè)計溫度傳感器在水體環(huán)境中的測溫工作原理如圖1所示。

圖1 水體溫度傳感器測溫原理圖

圖1表示的水體溫度傳感器中，低溫系數(shù)晶體振子按照一定的振子頻率發(fā)送減1；相反，對于高溫系數(shù)晶振而言，振蕩頻率受到溫度的影響比較大，它主要是通過減數(shù)計數(shù)器2來傳輸?shù)腫6]。當(dāng)由傳感器生成的脈沖信號循環(huán)至減法計數(shù)器由2至0的時候，溫度記錄就會終止。當(dāng)溫度傳感器DS18B20執(zhí)行寫入操作及溫度模數(shù)轉(zhuǎn)換時，總線必須被拉升到高電平，而將其拉升到高電平所需的最少時間是10微秒，所以CC2530的P0端口必須提供一個拉升電阻，該拉升電阻通常是4.7 k歐姆。DS18B20為芯片提供的動力有兩種，VDD與外部電源相連，GND與地線相連，DQ與單片機的輸入輸出接口相連。

1.2.2 水體PH值傳感器

水體的pH值與水的質(zhì)量密切相關(guān)，它是衡量水的污染程度的一個重要指標(biāo)。在對水體PH值進行測量的時候，一般都會使用電化學(xué)傳感器。將傳感器電極放入被測液體中，讓其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而得到電極之間產(chǎn)生的電勢差，電勢差的大小與被測液體中參與反應(yīng)的離子濃度有關(guān)系，在進行相關(guān)處理后，就可以獲得被測液體的PH值[7]。由于PH 電極輸出信號為毫伏電壓信號，且內(nèi)阻比較大。本文選用的米科MIK型傳感器具有高精度的特點，測量溫度使用范圍0～99°，重復(fù)性誤差在0.02以內(nèi)，輸入阻抗值≥10 Ω，為提升PH值傳感器的精度，還加設(shè)一個調(diào)理電路，如圖2所示。

圖2 PH值傳感器調(diào)理電路圖

圖2表示的傳感器調(diào)理電路采用三級放大電路結(jié)構(gòu)，分別為電壓跟蹤級、濾波級和放大級[4]。其中接口1為PH值感應(yīng)器的陽極地信號，為運放提供正、負(fù)5伏特的電源。

1.2.3 水體溶解氧傳感器

溶氧敏感應(yīng)器的工作原理是用一層透氣膜將被測溶液與外加電解質(zhì)隔開，透氣膜的滲透性決定了進入溶氧敏應(yīng)答的陰極氣體組成，也決定了溶氧敏應(yīng)答的性能。本文選用的傳感器為RY952型傳感器，在0.6～0.8 V電壓的環(huán)境下，所測溶液中的養(yǎng)份在陰極發(fā)生還原，這時，傳感器輸出電流強度與所測溶液中的氧活性程度正相關(guān)。溶解氧檢測電路需要激勵源的支持才能正常工作輸出電路信號，再將電路變換成電壓到單片機A/D采集口。

1.2.4 水體濁度傳感器

水體濁度傳感器的由光源、散射光接收器等部分組成，其基本傳感原理就是對比接收器實際接收光能與光源的發(fā)出光能之間的差距，從而反映出光線傳輸過程中因水體濁度而導(dǎo)致的散射情況，進而得出水體濁度的量化測試結(jié)果[8]。為保證對水體濁度數(shù)據(jù)的監(jiān)測精度，選擇激光二極管作為傳感器的光源器件，在光源驅(qū)動作用下，內(nèi)置的感光二極管是由一個放大器的輸入端與一個給半導(dǎo)體激光器提供電源的電源進行負(fù)反饋控制的，這樣就可以使半導(dǎo)體激光器的光強度自動平衡[9]。另外水體濁度傳感器中的散射光接收器件選擇光敏二極管，該器件能夠最大程度的減短光敏二極管與放大器之間的連接距離，由于原始的散射光信號在低濁度時變化非常微小，極容易被淹沒在噪聲之中，采用這樣的單片式設(shè)計極大程度的提高了原始信號的可靠性，在后期處理時實際上處理的是經(jīng)過第一級互阻抗放大器放大過的信號，使得電路設(shè)計難度降低，提高了設(shè)備測量可靠性。

1.2.5 氨氮傳感器

優(yōu)化設(shè)計氨氮傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氨氮傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從圖3中可以看出，氨氮傳感器的硬件電路由STM32芯片外圍電路、信號處理電路等部分組成。除了PT1000鉑熱阻器外，其他所有的電極都只有一年的壽命，超過了這個壽命，傳感器就無法工作了。針對這一問題，對該傳感器進行優(yōu)化設(shè)計，采用BNC聯(lián)接的電極，在其失效時，通過螺釘將其替換[10]。為了增強傳感器的防水性能，各電極與傳感器結(jié)構(gòu)之間都使用了螺紋連接。

除上述傳感器外，還需要優(yōu)化設(shè)計電導(dǎo)率傳感器，用來檢測水體中含有的無機鹽含量。為保證各傳感器之間的兼容性，按照圖4表示方式，對優(yōu)化設(shè)計的多個傳感器進行連接。

圖4 多傳感器連接示意圖

在供電組件的支持下，為傳感器的運行提供充足的電力支持。

1.3 利用優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)選擇多傳感器裝設(shè)位置

多傳感器選址必須確保傳感器能夠?qū)δ繕?biāo)水環(huán)境達(dá)到一定的覆蓋水平，從而保證監(jiān)測端能夠及時準(zhǔn)確的掌握與水環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的所有狀況數(shù)據(jù)。在選擇多傳感器裝設(shè)位置時，還需要考慮傳感器建設(shè)和維護的經(jīng)濟成本，在確保監(jiān)測性能的前提下，對傳感器的分布予以優(yōu)化。綜合考慮環(huán)境、人為因素、交通等影響條件的情況下，將多傳感器的選址問題以目標(biāo)函數(shù)的形式表示，對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

其中：變量φi表示第i個候選點被選為監(jiān)測點的幾率，N(P)代表發(fā)生污染事故的監(jiān)測點數(shù)量，ncandidate為初始選擇裝設(shè)位置的候選點數(shù)量。在優(yōu)化設(shè)計的多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法中，利用優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)對公式(1)表示的傳感器選址問題進行求解，優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)與傳播原理如圖5所示。

圖5 優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與傳播原理圖

優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)由無監(jiān)督的深度玻爾茲曼機和有監(jiān)督的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，其中無監(jiān)督的深度玻爾茲曼機可對數(shù)據(jù)進行特征抽取，通過堆疊任意層數(shù)的受限玻爾茲曼機得到[11]，并采用無監(jiān)督逐層訓(xùn)練的方式進行訓(xùn)練，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠完成數(shù)據(jù)的分類與預(yù)測[12]。在實際的傳感器選址過程中，假設(shè)深度置信網(wǎng)絡(luò)中包含L層節(jié)點，以傳感器運行工作數(shù)據(jù)作為輸入信息，經(jīng)過中間層處理后使輸出值幾何與理論值的偏差最低。在確定優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)輸入值的前提下，網(wǎng)絡(luò)的實時運行能量函數(shù)可以表示為：

(2)

式中，xi為網(wǎng)絡(luò)的初始輸入數(shù)據(jù)，?z、?in和?hide分別對應(yīng)的是輸入層與隱藏層連接矩陣中的權(quán)值、輸入層權(quán)值和隱藏層權(quán)值，zj代表隱藏層的狀態(tài)向量，nin和nhide分別為網(wǎng)絡(luò)中輸入層和隱藏層包含的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量。公式(2)中變量zj的求解公式如下：

(3)

將公式(3)的計算結(jié)果代入到公式(2)中，即可得出網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)的求解結(jié)果。由于優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點，當(dāng)輸入值確定時，根據(jù)公式(2)表示的能量函數(shù)求解結(jié)果，可以得出輸入層與隱藏層的條件概率以及兩者之間的聯(lián)合概率分布，求解結(jié)果可以表示為：

(4)

式中，H(x)代表分配函數(shù)。那么單個輸入值被激活的概率，即為對應(yīng)位置被選為裝設(shè)傳感器位置的概率，計算結(jié)果為：

(5)

經(jīng)過優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的多次反復(fù)訓(xùn)練，即可得出水體區(qū)域內(nèi)多個傳感器裝設(shè)位置的選擇結(jié)果。另外，還需要判斷優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)輸出的選址結(jié)果是否滿足傳感器的裝設(shè)條件，將任意兩個傳感器之間的距離條件設(shè)置為：

d(i，j)=ri+rj

(6)

式中，ri和rj分別對應(yīng)的是傳感器i和j的覆蓋半徑[14]。若優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果滿足公式(6)表示條件，則說明網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果即為傳感器的最終選址結(jié)果，否則需要對輸出結(jié)果進行過濾處理[13]，最終將設(shè)計的傳感器安裝在對應(yīng)位置上。

1.4 利用多傳感器采集水環(huán)境數(shù)據(jù)

利用裝設(shè)在制定位置上的傳感器，收集水環(huán)境實時數(shù)據(jù)，為水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的計算提供數(shù)據(jù)支持。圖6表示的是傳感器的數(shù)據(jù)采集流程。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖

在開始數(shù)據(jù)采集之前，首先需要對水環(huán)境中裝設(shè)的所有傳感器進行時間配準(zhǔn)，就是保證多傳感器測量數(shù)據(jù)同步，傳感器的時間配準(zhǔn)過程可以表示為：

(7)

式中，xA和xB分別為A、B兩個傳感器輸出的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，ndata-A和ndata-B對應(yīng)的是兩傳感器得出的數(shù)據(jù)采集量[15]。啟動配準(zhǔn)完成的傳感器，得出水環(huán)境的相關(guān)特性數(shù)據(jù)采集結(jié)果，以水體的pH值數(shù)據(jù)為例，采集結(jié)果可以表示為：

(8)

公式(8)中變量pH0為參比溶液的pH值，W和W0分別對應(yīng)的是當(dāng)前水體以及參比溶液的電動勢，T為水體溫度，κF代表法拉第常數(shù)[16]。另外溶解氧和濁度數(shù)據(jù)的采集結(jié)果如下：

(9)

式中，I為電流，h為溶解氧傳感器中內(nèi)置薄膜的厚度，nelectron為電子得失數(shù)，α和κt對應(yīng)的是隨機常數(shù)和透氧系數(shù)，S為陰極面積，另外變量σ、λmeasure和vWater分別對應(yīng)的是比例常數(shù)、參數(shù)測量值和水體流速[17]。按照上述方式，在固定采集頻率的驅(qū)動下，可以得出水體環(huán)境中所有傳感器的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

1.5 多傳感器水質(zhì)數(shù)據(jù)融合處理

在數(shù)據(jù)融合之前首先需要對初始采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，通過對初始采集數(shù)據(jù)的線性變換，將其等比例縮放到固定區(qū)間中，最終得出的初始采集數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果如下：

(10)

其中：fmax(x)和fmin(x)分別為初始采集數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，最終將數(shù)據(jù)的預(yù)處理結(jié)果賦值為初始采集數(shù)據(jù)。此次多傳感器水質(zhì)數(shù)據(jù)融合處理的目的，是對水環(huán)境區(qū)域內(nèi)的所有測點位置上的水質(zhì)進行統(tǒng)一監(jiān)測，減少監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)計算量[18]。多傳感器采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)采用同類型融合的方式，即將不用位置上相同類型的傳感器數(shù)據(jù)采集結(jié)果進行融合，因此首先需要對數(shù)據(jù)類型進行劃分，劃分過程可以表示為：

(11)

公式(11)中變量τi和τj分別表示的是傳感器數(shù)據(jù)i和j的特征值，若公式(11)的計算結(jié)果高于閾值γ0，說明數(shù)據(jù)i和j屬于相同類型，可以直接執(zhí)行融合處理，否則認(rèn)為兩者不為相同類型，不予執(zhí)行融合處理[19]。最終針對相同類型的數(shù)據(jù)，按照公式(12)表示原理進行融合。

(12)

其中：Xt為屬于同一類型的數(shù)據(jù)集合，nt為判定為同類型的數(shù)據(jù)量。重復(fù)上述操作可以得出所有數(shù)據(jù)類型的融合處理結(jié)果。

1.6 實現(xiàn)多傳感器水質(zhì)監(jiān)測

設(shè)置溫度、濁度、pH值、溶解氧以及水體中的污染物濃度作為監(jiān)測指標(biāo)，其中溫度、濁度、pH值等指標(biāo)均可通過傳感器設(shè)備直接得出，而在水體污染物濃度指標(biāo)的計算過程中，需要利用傳感器確定測點位置上污染物的含量，并結(jié)合測點位置上的監(jiān)測體積，得出水體環(huán)境中污染物濃度指標(biāo)的計算結(jié)果。以氨氮污染為例，其污染濃度監(jiān)測指標(biāo)的計算公式如下：

(13)

式中，mNH為水體測點位置上的污染物質(zhì)量，V0為污染物濃度測量中的目標(biāo)水體體積。同理可以得出水體環(huán)境中其他所有水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的設(shè)定與計算結(jié)果[20]。最終將實時監(jiān)測的水質(zhì)指標(biāo)與設(shè)置的水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)進行比對，得出多傳感器水質(zhì)等級的監(jiān)測結(jié)果。最終將監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)、監(jiān)測等級等結(jié)果，以可視化的形式輸出。

2 監(jiān)測性能測試實驗分析

為了驗證優(yōu)化設(shè)計的基于優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法的監(jiān)測性能，設(shè)計測試實驗，此次實驗的基本思路為：采用污染物定量排放、水流量控制等方式，實現(xiàn)對目標(biāo)環(huán)境中水質(zhì)情況的設(shè)定，并以此作為水質(zhì)監(jiān)測的理論數(shù)據(jù)。利用優(yōu)化設(shè)計監(jiān)測方法對目標(biāo)區(qū)域水質(zhì)進行監(jiān)測，對比各個測點位置上實際監(jiān)測結(jié)果與設(shè)置理論數(shù)據(jù)之間的差距，從而體現(xiàn)出設(shè)計方法在監(jiān)測精度性能方面的測試結(jié)果。通過計算水質(zhì)監(jiān)測中心與最遠(yuǎn)監(jiān)測邊界之間的距離，得出反映優(yōu)化設(shè)計方法監(jiān)測范圍的測試結(jié)果。最終通過與傳統(tǒng)方法的對比，體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計方法在精度和范圍兩個方面的性能優(yōu)勢。

2.1 選擇水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境

此次性能測試實驗以某城市水庫作為水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境，該水庫占地面積約為2 456.8平方千米，庫容量能夠達(dá)到35.75 m3，該水庫是城市用水的主要來源。配置氨氮、重金屬以及懸浮物等污染物，將其排放到選擇的監(jiān)測環(huán)境中，關(guān)閉水庫閘門，盡量保證水庫中的水環(huán)境處于靜止?fàn)顟B(tài)，由此完成對水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境的配置。在人為控制作用下，水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境的設(shè)計情況，如表2所示。

表2 水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境理論參數(shù)表

按照上述方式可以得出水環(huán)境中所有位置的水質(zhì)參數(shù)理論值，以此作為判斷水質(zhì)監(jiān)測方法輸出結(jié)果精度的比對標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 布設(shè)多傳感器設(shè)備

在水庫的地理空間內(nèi)，沿著經(jīng)緯度線(每隔5公里)形成網(wǎng)格點，各布置1個PH值傳感器，濁度傳感器和氨氮傳感器，每個傳感器節(jié)點可以定時向臨近的監(jiān)測節(jié)點傳遞實時的水質(zhì)信息，再由監(jiān)測節(jié)點定期將匯總信息傳遞到最近的監(jiān)測基站。而溶解氧傳感器需要單獨布置，實驗中選用RY952型號的溶解氧傳感器，該傳感器的測量范圍區(qū)間為[0 mg/L，20 mg/L]，最小分度值為0.01 mg/L，采用正負(fù)極連接線。選用溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自動溫度補償。按照上述方式可以得出水質(zhì)監(jiān)測中所有傳感器的型號基本物理性能，根據(jù)優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的選址結(jié)果，將上述傳感器設(shè)備安裝在測點位置上。其中溶解氧傳感器的布設(shè)情況如圖7所示。

圖7 溶解氧傳感器布設(shè)實景

監(jiān)測節(jié)點和數(shù)據(jù)基站的工作環(huán)境都是在水環(huán)境下或表面，且是以拋錨式的方式固定在一定的位置上，因此，需要采取一定的措施來進行保護，并且還要起到抗干擾的作用。使用PVC材質(zhì)制作的盒子對傳感器進行了防護，在放置監(jiān)測節(jié)點的盒子的右邊，需要打孔，這樣才能將傳感器及變送器的數(shù)據(jù)線和電源線導(dǎo)入盒子的內(nèi)部，再與監(jiān)測節(jié)點的核心板相連接，再用玻璃膠將這些孔密封起來，從而達(dá)到防水的效果。

當(dāng)全部傳感器布置完成后，按照如下步驟形成一個由多傳感器節(jié)點構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并測試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性。

1)先測試各節(jié)點的能耗狀態(tài)，通信狀態(tài)和整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

2)每隔5小時匯總各傳感器節(jié)點采集到的信息到監(jiān)測基站。

3)采集數(shù)據(jù)的同時也監(jiān)控各節(jié)點的實時通信狀態(tài)。

4)最后考察整個無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定，經(jīng)過測試無誤后，監(jiān)測系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。

2.3 輸入優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)算法運行參數(shù)

由于優(yōu)化設(shè)計方法以優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)算法作為支持，因此需要對網(wǎng)絡(luò)算法的相關(guān)運行參數(shù)進行設(shè)置。設(shè)置輸入層和隱藏層的節(jié)點數(shù)量均為20個，輸入層層數(shù)為1，隱藏層層數(shù)為5，初始學(xué)習(xí)率為0.1，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中的最大迭代次數(shù)為100次。將上述運行參數(shù)輸入到基于優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法對應(yīng)的運行程序中。

2.4 描述性能測試實驗過程

在選擇的水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境周圍安裝主測計算機，并通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多傳感器與主測計算機的連接。在主測計算機中，利用編程工具實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計方法的開發(fā)，在監(jiān)測程序的驅(qū)動下，同步啟動多傳感器，通過數(shù)據(jù)采集、指標(biāo)計算等步驟，得出水質(zhì)監(jiān)測方法的輸出結(jié)果，如圖8所示。

圖8 水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果界面

同理可以得出水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境中，所有測點在任意時刻的水質(zhì)監(jiān)測可視化輸出結(jié)果。

2.5 設(shè)置監(jiān)測性能量化測試指標(biāo)

根據(jù)實驗?zāi)康模謩e從水質(zhì)監(jiān)測精度和監(jiān)測范圍兩個方面設(shè)置性能量化測試指標(biāo)，其中水質(zhì)監(jiān)測精度的測試指標(biāo)具體包括濁度指標(biāo)監(jiān)測誤差、pH值監(jiān)測誤差、溶解氧監(jiān)測誤差以及氨氮濃度指標(biāo)監(jiān)測誤差，上述指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果如下：

(14)

式中，變量λmonitor、pHmonitor、δO-monitor和cNH-monitor分別表示水質(zhì)濁度、pH值、溶解氧和氨氮濃度的監(jiān)測結(jié)果，λtheory、pHtheory、δO-theory和cNH-theory對應(yīng)的是上述指標(biāo)的理論值。另外，監(jiān)測范圍的測試指標(biāo)為監(jiān)測面積，其測試結(jié)果為：

(15)

其中：(xcenter，ycenter)和(xfarthest，yfarthest)分別為監(jiān)測中心和最遠(yuǎn)監(jiān)測點的位置坐標(biāo)。為保證基于優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，要求水質(zhì)濁度監(jiān)測誤差不得高于0.05 FTU，pH值監(jiān)測誤差不得高于0.2，溶解氧和氨氮濃度監(jiān)測誤差均不得高于0.2 mg/L，同時監(jiān)測范圍不得小于水體總面積的80%，即1 965.44平方千米。

2.6 監(jiān)測性能測試實驗結(jié)果與分析

2.6.1 監(jiān)測精度測試結(jié)果

通過各測點輸出水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出反映優(yōu)化設(shè)計方法監(jiān)測精度性能的測試結(jié)果，如表3所示。

表3 優(yōu)化設(shè)計方法監(jiān)測精度性能測試數(shù)據(jù)表

將表2和表3中的數(shù)據(jù)代入到公式(14)中，計算得出水質(zhì)濁度、pH值、溶解氧和氨氮濃度的平均監(jiān)測誤差分別為0.005 FTU、0.07、0.05 mg/L和0.007 mg/L，均滿足預(yù)設(shè)要求。

2.6.2 監(jiān)測范圍測試結(jié)果

確定水質(zhì)監(jiān)測區(qū)域的中心位置和最遠(yuǎn)節(jié)點位置，通過公式(15)的計算得出水質(zhì)監(jiān)測范圍的測試結(jié)果，如圖9所示。

圖9 水質(zhì)監(jiān)測范圍測試結(jié)果

最終計算得出水質(zhì)監(jiān)測范圍為2 041.79平方千米，高于水體總面積的80%。

2.6.3 與傳統(tǒng)監(jiān)測方法的對比

為了體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計方法在監(jiān)測精度和監(jiān)測范圍兩方面的優(yōu)勢，設(shè)置傳統(tǒng)的基于G-RepVGG和魚類運動行為的水質(zhì)監(jiān)測方法和基于衛(wèi)星觀測及水質(zhì)動力模型的感潮河流水質(zhì)監(jiān)測方法作為實驗的對比方法，按照上述方式實現(xiàn)對比方法的開發(fā)與運行，并得出相應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果。最終通過公式(14)和公式(15)的計算，得出監(jiān)測精度和范圍的測試結(jié)果，最終得出的性能測試對比結(jié)果，其中水質(zhì)濁度監(jiān)測誤差和溶解氧監(jiān)測誤差的對比測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 水質(zhì)監(jiān)測精度性能測試對比結(jié)果

從圖10中可以看出，兩種傳統(tǒng)監(jiān)測方法的平均濁度監(jiān)測誤差分別為0.018 FTU和0.016 FTU，平均溶解氧監(jiān)測誤差分別為0.016 mg/L和0.013 mg/L，同理，通過公式(14)的計算，得出兩種傳統(tǒng)方法的平均pH值監(jiān)測誤差為0.13和0.09，平均氨氮濃度監(jiān)測誤差分別為0.015 mg/L和0.012 mg/L，均高于優(yōu)化設(shè)計方法。另外兩種對比方法的監(jiān)測范圍測試結(jié)果，如圖11所示。

圖11 對比方法監(jiān)測范圍測試結(jié)果

通過公式(15)的計算，得出兩種對比方法的監(jiān)測面積分別為1 575.53平方千米和1 748.85平方千米，均低于優(yōu)化設(shè)計方法的監(jiān)測范圍。由于布置的傳感器節(jié)點較多，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳遞效率也是一個重要的性能評價指標(biāo)，隨機選擇10個傳感器節(jié)點，統(tǒng)計各節(jié)點對PH值數(shù)據(jù)，濁度值和氨氮值的數(shù)據(jù)采集和傳遞時間(統(tǒng)計周期為10 min)，以驗證本文優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)監(jiān)測效率方面的優(yōu)勢，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)通信效率對比

數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示：在相同的節(jié)點通信距離和基站距離條件下，優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)算法在數(shù)據(jù)采集效率和數(shù)據(jù)傳輸效率更高，耗時更短。這與整個通信網(wǎng)絡(luò)的性能、通信布局和通信協(xié)議相關(guān)，同時也與深度置信網(wǎng)絡(luò)算法強大的數(shù)據(jù)整合能力和數(shù)據(jù)訓(xùn)練效率相關(guān)，能夠在相同的硬件條件下提升水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣效率。

3 結(jié)束語

水質(zhì)監(jiān)測對于水環(huán)境治理、污染控制等工作具有重要意義，通過基于優(yōu)化深度置信網(wǎng)絡(luò)的多傳感器水質(zhì)監(jiān)測方法的設(shè)計與開發(fā)，能夠同時實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量的大范圍、精準(zhǔn)監(jiān)測，對于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。從實驗結(jié)果中可以看出，優(yōu)化設(shè)計方法的具有良好的監(jiān)測精度和監(jiān)測廣度，達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果，在實驗測試工作中需要注意的是，在性能測試實驗結(jié)束后，需要對水庫環(huán)境進行污染治理與回收，最大程度的降低實驗對實際用水帶來的影響。