本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)的方法。

背景技術(shù)：

目前，我國對污水水質(zhì)cod(化學(xué)需氧量)指標(biāo)進(jìn)行在線自動監(jiān)測的儀器設(shè)備幾乎都采用傳統(tǒng)的重鉻酸鉀氧化法等實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析方法，測量周期達(dá)半小時(shí)以上，不能滿足對水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求，而且產(chǎn)生毒重金屬鉻、汞，重金屬銀和錳，以及含酸和強(qiáng)氧化性廢液等二次污染，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年水質(zhì)cod自動監(jiān)測儀產(chǎn)生的含毒重金屬和強(qiáng)氧化性試劑的廢液近十萬噸，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。

為克服傳統(tǒng)化學(xué)分析方法的缺點(diǎn)，上世紀(jì)六十年代發(fā)明的對水質(zhì)cod指標(biāo)實(shí)施監(jiān)測的紫外光譜法日益受到重視，特別是采用多波長乃至整個(gè)紫外可見光譜的cod測量技術(shù)近年來得到快速發(fā)展，該方法具有分析速度快的優(yōu)點(diǎn)，一般只需要十?dāng)?shù)秒；且無需任何有毒化學(xué)試劑，如重鉻酸鉀、硫酸汞、硫酸銀等，避免了二次污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。這給廣泛使用的cod化學(xué)分析方法提供了一種富有前景的替代方法，其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益十分誘人。

紫外可見光譜法cod監(jiān)測技術(shù)是將光束透過待測水樣獲取水樣的紫外可見吸收光譜，利用多個(gè)水樣的已知cod指標(biāo)和紫外可見吸收光譜數(shù)據(jù)，通過回歸算法獲得水樣cod指標(biāo)同光譜數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即cod測量數(shù)學(xué)模型；然后通過測量未知水樣的紫外可見光譜數(shù)據(jù)，由cod測量數(shù)學(xué)模型計(jì)算獲得待測水樣的cod指標(biāo)。但是，由于目前的監(jiān)測方法技術(shù)和儀器都基于單機(jī)的工作模式，且儀器中的cod計(jì)算(即預(yù)測)模型采用的水樣樣本類型和數(shù)量有限，當(dāng)水樣成分發(fā)生較大變化時(shí)，往往不能準(zhǔn)確給出cod測量值，這導(dǎo)致目前紫外可見光譜法cod測量儀器的應(yīng)用受到了極大的限制。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，人們在紫外可見光譜技術(shù)、cod測量數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化算法以及對樣本水樣分類等方面進(jìn)行著不懈的努力。但是，目前單機(jī)工作模式和有限的樣本水樣類型和數(shù)量的實(shí)際情況，使得紫外可見光譜法監(jiān)測cod存在的缺陷始終未能得到很好的解決，紫外可見光譜法cod監(jiān)測儀不能給出可靠的水質(zhì)cod監(jiān)測數(shù)據(jù)的問題時(shí)常發(fā)生。

同理，現(xiàn)有水質(zhì)其他指標(biāo)，如高錳酸鹽指標(biāo)、硝酸鹽指數(shù)及濁度等，也可基于光譜法監(jiān)測技術(shù)，而光譜法監(jiān)測技術(shù)還有利用水樣的拉曼光譜、熒光光譜、原子發(fā)射光譜及紅外光譜等光譜數(shù)據(jù)的其他光譜監(jiān)測技術(shù)，并非僅為紫外可見光譜法，但其均具有上述的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是克服目前光譜法監(jiān)測時(shí)均基于單機(jī)工作模式導(dǎo)致應(yīng)用受限的缺點(diǎn)，提供一種水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀、云數(shù)據(jù)中心及系統(tǒng)、預(yù)測方法和水樣識別方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，包括水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體，其特征在于，還包括無線通訊模塊一，所述無線通訊模塊一與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體連接，

所述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體用于同時(shí)獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜，采用水樣識別模型判定待測水樣的水樣類型，若為已存儲的具有水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型的水樣類型，則根據(jù)所存儲的對應(yīng)水樣類型的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型獲取待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值并顯示，否則將獲取的待測水樣的對應(yīng)光譜通過無線通訊模塊一發(fā)送出去，并接收且顯示從無線通訊模塊一發(fā)送來的水質(zhì)指標(biāo)值；

所述無線通訊模塊一用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心連接，進(jìn)行信息交互。

具體的，所述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體包括光譜儀、處理顯示模塊及存儲模塊，所述光譜儀與處理顯示模塊連接，處理顯示模塊與存儲模塊連接，處理顯示模塊與無線通訊模塊一連接，

所述光譜儀用于獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜發(fā)送給處理模塊；

所述存儲模塊用于存儲水樣識別模型及各水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型；

所述處理顯示模塊用于在接收到光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜后，根據(jù)存儲模塊中所存儲的水樣識別模型判定待測水樣的水樣類型，并根據(jù)所判定的水樣類型選擇存儲模塊中對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型進(jìn)行待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值的獲取，若存儲模塊中沒有對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型，則將獲取的光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜通過無線通訊模塊一發(fā)送出去，并接收且顯示從無線通訊模塊一發(fā)送來的水質(zhì)指標(biāo)值。

進(jìn)一步的，所述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體還能夠通過無線通訊模塊一發(fā)出請求，請求獲取水樣識別模型和/或某水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型，且接收并存儲無線通訊模塊一轉(zhuǎn)發(fā)來的水樣類型判定方式和/或某水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型。

再進(jìn)一步的，所述水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型為水質(zhì)cod預(yù)測模型，所述獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜中，光源的光譜為光源的紫外可見光譜，待測水樣的對應(yīng)光譜為待測水樣的紫外可見吸收光譜。

水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，其特征在于，由顯示模塊、光譜儀及無線通訊模塊一組成，所述顯示模塊、光譜儀分別與無線通訊模塊一連接，

所述光譜儀用于獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜發(fā)送給無線通訊模塊一，由無線通訊模塊一轉(zhuǎn)發(fā)給與其連接的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心；

所述顯示模塊用于顯示無線通訊模塊一接收到的水質(zhì)指標(biāo)值；

所述無線通訊模塊一用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心連接，進(jìn)行信息交互。

具體的，所述獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜中，光源的光譜為光源的紫外可見光譜，待測水樣的對應(yīng)光譜為待測水樣的紫外可見吸收光譜。

水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心，其特征在于，包括水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、水樣識別數(shù)據(jù)庫、控制中心及無線通訊模塊二，所述水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、水樣識別數(shù)據(jù)庫及無線通訊模塊二分別與控制中心連接，

所述水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫存儲有各種樣本水樣的水樣類型對應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)及各種樣本水樣的水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型；

所述水樣識別數(shù)據(jù)庫存儲有用于判定水樣類型的水樣識別模型；

所述無線通訊模塊二用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀連接，進(jìn)行信息交互；

所述控制中心用于通過無線通訊模塊二接收與其連接的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀發(fā)送來的光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜，采用存儲的水樣識別模型判定待測水樣的水樣類型，并根據(jù)所判定的水樣類型選擇水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型進(jìn)行待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值的獲取，并將獲取到的水質(zhì)指標(biāo)值通過無線通訊模塊二反饋給對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀。

進(jìn)一步的，所述控制中心還通過無線通訊模塊二接收與其連接的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀發(fā)出的請求，根據(jù)請求通過無線通訊模塊二向?qū)?yīng)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀發(fā)送所需的水樣識別模型和/或某水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型。

具體的，所述控制中心在判定待測水樣的水樣類型時(shí)，若判定失敗則通過無線通訊模塊二通知對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀顯示報(bào)警信息，并同時(shí)通知工作人員，由工作人員現(xiàn)場獲取該待測水樣的光譜數(shù)據(jù)并采用其他方式獲得該待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值，存入水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，并上傳給控制中心，或直接上傳給控制中心，控制中心根據(jù)接收到的該待測水樣的光譜數(shù)據(jù)及該待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值，將其作為樣本水樣更新所存儲的水樣識別模型及水樣指標(biāo)預(yù)測模型，且存儲該水樣的光譜數(shù)據(jù)。

再進(jìn)一步的，所述水樣識別模型的建立方式為：首先采集不同水樣類型的樣本水樣的若干個(gè)光譜數(shù)據(jù)，并賦予樣本水樣的水樣類型，采用主成分分析方法(pca)提取樣本水樣的光譜數(shù)據(jù)特征主成分，再通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法(svm)建立水樣類型與樣本水樣的光譜數(shù)據(jù)特征主成分之間的數(shù)學(xué)模型，作為水樣識別模型；

所述判定待測水樣的水樣類型時(shí)，將其代入水樣識別模型中，通過待測水樣的光譜數(shù)據(jù)特征主成分向量的空間位置與樣本水樣的光譜數(shù)據(jù)特征主成分向量的空間位置進(jìn)行比較，從而判斷待測水樣的水樣類型。

具體的，所述水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型為水質(zhì)cod預(yù)測模型，所述光源的光譜為光源的紫外可見光譜，所述待測水樣的對應(yīng)光譜為待測水樣的紫外可見吸收光譜。

水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括上述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心及至少一個(gè)上述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，每一個(gè)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀的無線通訊模塊一都分別與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心的無線通訊模塊二連接。

具體的，所述無線通訊模塊一和/或無線通訊模塊二還能夠與環(huán)保局監(jiān)控中心連接，將各水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀獲得的水質(zhì)指標(biāo)值發(fā)送至環(huán)保局監(jiān)控中心。

水樣識別方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、以不同類型及不同濃度的若干水樣作為樣本水樣并進(jìn)行測量，獲取各次測量時(shí)光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜；

步驟2、根據(jù)各光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜得到各水樣的吸光度譜；

步驟3、根據(jù)各水樣的吸光度譜構(gòu)建水樣識別模型；

步驟4、測試時(shí)，獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜；

步驟5、根據(jù)光源的光譜與待測水樣的對應(yīng)光譜構(gòu)建待測水樣的吸光度譜；

步驟6、將待測水樣的吸光度譜代入到水樣識別模型中得到水樣識別結(jié)果。

進(jìn)一步的，步驟2及步驟5中，所述待測水樣的吸光度譜與水樣的吸光度譜的獲取方法相同，其獲取方法為：

步驟201、將光源的光譜s和水樣的對應(yīng)光譜s’分別按照一定的波長間隔△λ分割，獲得波長和光強(qiáng)的數(shù)組和其中，λi為第i個(gè)波長，i為正整數(shù)，為光源的光譜s中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，為水樣的對應(yīng)光譜s’中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，n為吸光度譜中的波長個(gè)數(shù)，若構(gòu)建的是待測水樣的對應(yīng)度譜，則所述水樣的對應(yīng)光譜s’為待測水樣的對應(yīng)光譜，若構(gòu)建的是水樣的對應(yīng)度譜，則所述水樣的對應(yīng)光譜s’為樣本水樣的對應(yīng)光譜；

步驟202、根據(jù)比爾朗伯定律，逐個(gè)獲得波長λi處的吸光度數(shù)據(jù)其計(jì)算公式為：

步驟203、將所有波長λi對應(yīng)的吸光度數(shù)據(jù)集合，獲得水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)組從而得到水樣的吸光度譜，記為sa。

具體的，步驟3包括以下具體步驟：

步驟301、使用水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀以不同類型及不同濃度的若干水樣作為樣本水樣并進(jìn)行測量，獲得若干個(gè)樣本水樣的吸光度譜sa和吸光度譜數(shù)組a；

步驟302、將若干個(gè)吸光度譜數(shù)組集合到一起，獲得樣本水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a＝[a1,a2,…,ak]^t，其中am為樣本水樣m的吸光度譜數(shù)據(jù)，m＝1,2,…,k，k為樣本水樣總數(shù)量；每個(gè)吸光度譜包含了n個(gè)波長的水樣吸光度數(shù)據(jù)aλi，i＝1,2,…,n；

步驟303、給每個(gè)樣本水樣賦予相應(yīng)的水樣標(biāo)簽號lθ，θ＝1,2,…，每一個(gè)標(biāo)簽號對應(yīng)一種類型的水樣，該標(biāo)簽號lθ為正整數(shù)，構(gòu)建樣本水樣的標(biāo)簽號數(shù)據(jù)矩陣為l＝[l1,l2,…,lk]^t；

步驟304、提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)的特征成分，采用主成分分析方法提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a的特征主成分，獲得特征主成分的系數(shù)矩陣p＝[p1,p2,…,pj]^t，其中p為j×n的矩陣，pi為水樣吸光度譜第i個(gè)特征主成分的系數(shù)，pi為1×n的向量，j為水樣吸光度譜的特征主成分?jǐn)?shù)量；

步驟305、獲取水樣的特征主成份向量，將樣本水樣m的吸光度譜數(shù)據(jù)與特征主成分系數(shù)矩陣p相乘，得到該樣本水樣吸光度譜的特征主成分向量tm，即其中，tm1,tm2,…,tmj分別為樣本水樣m吸光度譜的第1,2,…,j個(gè)特征主成分，構(gòu)建樣本水樣的特征主成份數(shù)據(jù)矩陣t，即t＝[t1,t2,…,tm]^t，t為m×j的矩陣；

步驟306、通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立水樣類型識別數(shù)學(xué)模型，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法中的最小二乘支持向量機(jī)的方法，構(gòu)建水樣吸光度譜特征主成分向量tm與對應(yīng)的水樣類型標(biāo)簽號lm關(guān)系模型，將t作為輸入量，l作為輸出量，經(jīng)最小二乘支持向量機(jī)訓(xùn)練后即可獲得水樣識別模型lm＝fr(tm)。

再進(jìn)一步的，步驟6包括以下步驟：

步驟601、設(shè)標(biāo)簽號為lθ的樣本水樣特征主成分向量所在的空間是在以位置xθ＝[xθ1,xθ2,…,xθj]為中心，半徑為rθ的區(qū)域內(nèi)；

步驟602、當(dāng)獲取待測水樣x的吸光度譜ax后，將其同特征主成分系數(shù)p的轉(zhuǎn)置相乘便得到水樣吸光度譜的特征主成分向量tx＝[tx1,tx2,…,txj]，然后求解tx與xθ的空間距離d，當(dāng)d＞rθ時(shí)，就認(rèn)為該待測水樣不屬于該lθ樣本水樣類型，否則，當(dāng)d≤rθ時(shí)，就認(rèn)為該水樣同樣本水樣為同一類型。

水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

a、采集某一水樣類型的不同水質(zhì)指標(biāo)濃度的若干水樣作為樣本水樣進(jìn)行測量，獲取各次測量時(shí)光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜，同時(shí)采用化學(xué)方法獲得每一個(gè)樣本水樣的所需水質(zhì)指標(biāo)；

b、根據(jù)各光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜得到各水樣的吸光度譜；

c、根據(jù)各水樣的吸光度譜及對應(yīng)樣本水樣的所需水質(zhì)指標(biāo)構(gòu)建水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型；

d、預(yù)測時(shí)，獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜；

f、根據(jù)光源的光譜與待測水樣的對應(yīng)光譜構(gòu)建待測水樣的吸光度譜；

g、將待測水樣的吸光度譜代入到水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型中得到水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測結(jié)果。

具體的，步驟a中，所述樣本水樣的所需水質(zhì)指標(biāo)為樣本水樣的cod值；

步驟c中，所述水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型為某一水樣類型的水樣cod預(yù)測模型。

進(jìn)一步的，步驟b及步驟f中，所述待測水樣的吸光度譜與水樣的吸光度譜的獲取方法相同，其獲取方法為：

步驟b1、將光源的光譜s和水樣的對應(yīng)光譜s’分別按照一定的波長間隔△λ分割，獲得波長和光強(qiáng)的數(shù)組和其中，λi為第i個(gè)波長，i為正整數(shù)，為光源的光譜s中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，為水樣的對應(yīng)光譜s’中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，n為吸光度譜中的波長個(gè)數(shù)，若構(gòu)建的是待測水樣的對應(yīng)度譜，則所述水樣的對應(yīng)光譜s’為待測水樣的對應(yīng)光譜，若構(gòu)建的是水樣的對應(yīng)度譜，則所述水樣的對應(yīng)光譜s’為樣本水樣的對應(yīng)光譜；

步驟b2、根據(jù)比爾朗伯定律，逐個(gè)獲得波長λi處的吸光度數(shù)據(jù)其計(jì)算公式為：

步驟b3、將所有波長λi對應(yīng)的吸光度數(shù)據(jù)集合，獲得水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)組從而得到水樣的吸光度譜，記為sa。

具體的，步驟c包括以下步驟：

步驟c1、根據(jù)獲得的若干個(gè)樣本水樣的吸光度譜sa、吸光度譜數(shù)組a及對應(yīng)的cod值ci組成的數(shù)據(jù)矩陣c＝[c1,c2,…,ck]^t采用主成分分析方法提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a的特征主成分，獲得特征主成分的系數(shù)矩陣p；

步驟c2、將每一個(gè)樣本水樣的吸光度譜數(shù)組a同特征主成分的系數(shù)矩陣p相乘獲得其特征主元數(shù)組ty；

步驟c3、采用最小二乘支持向量機(jī)的方法，將ty＝[ty1,ty2,…,tyj]作為輸入量，cy作為輸出量，進(jìn)行多元非線性擬合，獲得水樣類型為lθ的水樣cod預(yù)測模型cm＝fθ(tm)。

再進(jìn)一步的，步驟a中，所述采集某一水樣類型的不同水質(zhì)指標(biāo)濃度的若干水樣作為樣本水樣中，所述樣本水樣的數(shù)量不低于5個(gè)。

本發(fā)明的有益效果是，上述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀、云數(shù)據(jù)中心及系統(tǒng)、預(yù)測方法和水樣識別方法，可將分布在不同地域、不同地理位置和不同污染企業(yè)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀鏈接起來，在水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)程支持下實(shí)現(xiàn)不同成份待測水樣光譜數(shù)據(jù)的共享，彌補(bǔ)了單臺水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀獨(dú)立工作時(shí)對水樣類型適應(yīng)性差，以及水樣成分明顯變化導(dǎo)致的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀不能準(zhǔn)確測量水質(zhì)指標(biāo)值的缺陷。同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明能使現(xiàn)場工作的單臺水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀分享豐富的水樣類型數(shù)據(jù)，使水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀在水質(zhì)成份明顯變化時(shí)對水質(zhì)指標(biāo)值實(shí)施可靠監(jiān)測。本發(fā)明還實(shí)現(xiàn)了水樣識別模型、水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型能夠自行升級，使得水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀對水質(zhì)的適應(yīng)性能明顯改善，基本彌補(bǔ)目前光譜法監(jiān)測技術(shù)存在的缺陷。本發(fā)明還可應(yīng)用于對水質(zhì)高錳酸鹽指標(biāo)、硝酸鹽指數(shù)、濁度等其他水質(zhì)指標(biāo)實(shí)施監(jiān)測。不僅如此，本發(fā)明還可以進(jìn)一步應(yīng)用于利用水樣的拉曼光譜、熒光光譜、原子發(fā)射光譜、紅外光譜等光譜數(shù)據(jù)，通過基于已知水樣樣本的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)和其光譜數(shù)據(jù)獲得水樣水質(zhì)指標(biāo)同其光譜數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)映射關(guān)系進(jìn)而對未知水樣的水質(zhì)指標(biāo)實(shí)施機(jī)器預(yù)測的水質(zhì)指標(biāo)的在線自動監(jiān)測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中另一種水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀的系統(tǒng)框圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)框圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明所述的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，包括水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體及無線通訊模塊一，無線通訊模塊一與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體連接，其中，水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體用于同時(shí)獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜，采用水樣識別模型判定待測水樣的水樣類型，若為已存儲的具有水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型的水樣類型，則根據(jù)所存儲的對應(yīng)水樣類型的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型獲取待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值并顯示，否則將獲取的待測水樣的對應(yīng)光譜通過無線通訊模塊一發(fā)送出去，并接收且顯示從無線通訊模塊一發(fā)送來的水質(zhì)指標(biāo)值；無線通訊模塊一用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心連接，進(jìn)行信息交互。

本發(fā)明所述的另一種水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，由顯示模塊、光譜儀及無線通訊模塊一組成，顯示模塊、光譜儀分別與無線通訊模塊一連接，其中，光譜儀用于獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜發(fā)送給無線通訊模塊一，由無線通訊模塊一轉(zhuǎn)發(fā)給與其連接的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心；顯示模塊用于顯示無線通訊模塊一接收到的水質(zhì)指標(biāo)值；無線通訊模塊一用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心連接，進(jìn)行信息交互。

本發(fā)明所述的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心，包括水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、水樣識別數(shù)據(jù)庫、控制中心及無線通訊模塊二，水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、水樣識別數(shù)據(jù)庫及無線通訊模塊二分別與控制中心連接，其中，水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫存儲有各種樣本水樣的水樣類型對應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)及各種樣本水樣的水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型；水樣識別數(shù)據(jù)庫存儲有用于判定水樣類型的水樣識別模型；無線通訊模塊二用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀連接，進(jìn)行信息交互；控制中心用于通過無線通訊模塊二接收與其連接的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀發(fā)送來的光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜，采用存儲的水樣識別模型判定待測水樣的水樣類型，并根據(jù)所判定的水樣類型選擇水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型進(jìn)行待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值的獲取，并將獲取到的水質(zhì)指標(biāo)值通過無線通訊模塊二反饋給對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀。

本發(fā)明所述的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，包括上述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心及至少一個(gè)上述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，每一個(gè)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀的無線通訊模塊一都分別與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心的無線通訊模塊二連接。

本發(fā)明所述的水樣識別方法為：首先以不同類型及不同濃度的若干水樣作為樣本水樣并進(jìn)行測量，獲取各次測量時(shí)光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜，再根據(jù)各光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜得到各水樣的吸光度譜，然后根據(jù)各水樣的吸光度譜構(gòu)建水樣識別模型，測試時(shí)，獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜，然后根據(jù)光源的光譜與待測水樣的對應(yīng)光譜構(gòu)建待測水樣的吸光度譜，最后將待測水樣的吸光度譜代入到水樣識別模型中得到水樣識別結(jié)果。

本發(fā)明所述的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測方法為：首先采集某一水樣類型的不同水質(zhì)指標(biāo)濃度的若干水樣作為樣本水樣進(jìn)行測量，獲取各次測量時(shí)光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜，同時(shí)采用化學(xué)方法獲得每一個(gè)樣本水樣的所需水質(zhì)指標(biāo)，再根據(jù)各光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜得到各水樣的吸光度譜，然后根據(jù)各水樣的吸光度譜及對應(yīng)樣本水樣的所需水質(zhì)指標(biāo)構(gòu)建水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型，預(yù)測時(shí)，獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜，然后根據(jù)光源的光譜與待測水樣的對應(yīng)光譜構(gòu)建待測水樣的吸光度譜，最后將待測水樣的吸光度譜代入到水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型中得到水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測結(jié)果。

實(shí)施例

本例中的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，其系統(tǒng)框圖參見圖1，包括水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體及無線通訊模塊一，無線通訊模塊一與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體連接。

其中，水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體用于同時(shí)獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜，采用水樣識別模型判定待測水樣的水樣類型，若為已存儲的具有水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型的水樣類型，則根據(jù)所存儲的對應(yīng)水樣類型的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型獲取待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值并顯示，否則將獲取的待測水樣的對應(yīng)光譜通過無線通訊模塊一發(fā)送出去，并接收且顯示從無線通訊模塊一發(fā)送來的水質(zhì)指標(biāo)值。

無線通訊模塊一用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心連接，進(jìn)行信息交互。

參見圖1，本例中的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體可以包括光譜儀、處理顯示模塊及存儲模塊，光譜儀與處理顯示模塊連接，處理顯示模塊與存儲模塊連接，處理顯示模塊與無線通訊模塊一連接。

光譜儀用于獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜發(fā)送給處理模塊。

存儲模塊用于存儲水樣識別模型及各水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型。

處理顯示模塊用于在接收到光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜后，根據(jù)存儲模塊中所存儲的水樣識別模型判定待測水樣的水樣類型，并根據(jù)所判定的水樣類型選擇存儲模塊中對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型進(jìn)行待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值的獲取，若存儲模塊中沒有對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型，則將獲取的光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜通過無線通訊模塊一發(fā)送出去，并接收且顯示從無線通訊模塊一發(fā)送來的水質(zhì)指標(biāo)值。

本例中，水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀本體還能夠通過無線通訊模塊一發(fā)出請求，請求獲取水樣識別模型和/或某水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型，且接收并存儲無線通訊模塊一轉(zhuǎn)發(fā)來的水樣類型判定方式和/或某水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型。

這里，水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型可以為水質(zhì)cod預(yù)測模型，獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜中，光源的光譜可以為光源的紫外可見光譜，待測水樣的對應(yīng)光譜可以為待測水樣的紫外可見吸收光譜。

本例中的另一種水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，其系統(tǒng)框圖如圖2所示，由顯示模塊、光譜儀及無線通訊模塊一組成，顯示模塊、光譜儀分別與無線通訊模塊一連接。

其中，光譜儀用于獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜發(fā)送給無線通訊模塊一，由無線通訊模塊一轉(zhuǎn)發(fā)給與其連接的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心。

顯示模塊用于顯示無線通訊模塊一接收到的水質(zhì)指標(biāo)值。

無線通訊模塊一用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心連接，進(jìn)行信息交互。

同理，獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜中，光源的光譜可以為光源的紫外可見光譜，待測水樣的對應(yīng)光譜可以為待測水樣的紫外可見吸收光譜。

本例中的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心，其系統(tǒng)框圖參見圖3，包括水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、水樣識別數(shù)據(jù)庫、控制中心及無線通訊模塊二，水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、水樣識別數(shù)據(jù)庫及無線通訊模塊二分別與控制中心連接。

其中，水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫存儲有各種樣本水樣的水樣類型對應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)及各種樣本水樣的水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型。

水樣識別數(shù)據(jù)庫存儲有用于判定水樣類型的水樣識別模型。

無線通訊模塊二用于與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀連接，進(jìn)行信息交互。

控制中心用于通過無線通訊模塊二接收與其連接的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀發(fā)送來的光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜，采用存儲的水樣識別模型判定待測水樣的水樣類型，并根據(jù)所判定的水樣類型選擇水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型進(jìn)行待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值的獲取，并將獲取到的水質(zhì)指標(biāo)值通過無線通訊模塊二反饋給對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀。

本例中，控制中心還可以通過無線通訊模塊二接收與其連接的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀發(fā)出的請求，根據(jù)請求通過無線通訊模塊二向?qū)?yīng)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀發(fā)送所需的水樣識別模型和/或某水樣類型對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型。

控制中心在判定待測水樣的水樣類型時(shí)，若判定失敗則可以通過無線通訊模塊二通知對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀顯示報(bào)警信息，并同時(shí)通知工作人員，由工作人員現(xiàn)場獲取該待測水樣的光譜數(shù)據(jù)并采用其他方式獲得該待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值，存入水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，并上傳給控制中心，或直接上傳給控制中心，控制中心根據(jù)接收到的該待測水樣的光譜數(shù)據(jù)及該待測水樣的水質(zhì)指標(biāo)值，將其作為樣本水樣更新所存儲的水樣識別模型及水樣指標(biāo)預(yù)測模型，且存儲該水樣的光譜數(shù)據(jù)。

本例中，水樣識別模型的建立方式為：首先采集不同水樣類型的樣本水樣的若干個(gè)光譜數(shù)據(jù)，并賦予樣本水樣的水樣類型，采用主成分分析方法(pca)提取樣本水樣的光譜數(shù)據(jù)特征主成分，再通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法(svm)建立水樣類型與樣本水樣的光譜數(shù)據(jù)特征主成分之間的數(shù)學(xué)模型，作為水樣識別模型。水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀中的水樣識別模型，也采用上述方式進(jìn)行建立。

則判定待測水樣的水樣類型時(shí)，將其代入水樣識別模型中，通過待測水樣的光譜數(shù)據(jù)特征主成分向量的空間位置與樣本水樣的光譜數(shù)據(jù)特征主成分向量的空間位置進(jìn)行比較，從而判斷待測水樣的水樣類型。

同樣的，水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型可以為水質(zhì)cod預(yù)測模型，而光源的光譜可以為光源的紫外可見光譜，待測水樣的對應(yīng)光譜可以為待測水樣的紫外可見吸收光譜。

本例中的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖參見圖4，包括上述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心及至少一個(gè)上述水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀，每一個(gè)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀的無線通訊模塊一都分別與水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心的無線通訊模塊二連接。

這里，無線通訊模塊一和/或無線通訊模塊二還能夠與環(huán)保局監(jiān)控中心連接，將各水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀獲得的水質(zhì)指標(biāo)值發(fā)送至環(huán)保局監(jiān)控中心。

本例的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀、云數(shù)據(jù)中心及系統(tǒng)中，所采用的水樣識別方法為：

步驟1、以不同類型及不同濃度的若干水樣作為樣本水樣并進(jìn)行測量，獲取各次測量時(shí)光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜。

步驟2、根據(jù)各光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜得到各水樣的吸光度譜。

步驟3、根據(jù)各水樣的吸光度譜構(gòu)建水樣識別模型。

步驟4、測試時(shí)，獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜。

步驟5、根據(jù)光源的光譜與待測水樣的對應(yīng)光譜構(gòu)建待測水樣的吸光度譜。

步驟6、將待測水樣的吸光度譜代入到水樣識別模型中得到水樣識別結(jié)果。

在上述步驟2及步驟5中，待測水樣的吸光度譜與水樣的吸光度譜的獲取方法相同，其獲取方法可以為：

步驟201、將光源的光譜s和水樣的對應(yīng)光譜s’分別按照一定的波長間隔△λ分割，獲得波長和光強(qiáng)的數(shù)組和其中，λi為第i個(gè)波長，i為正整數(shù)，為光源的光譜s中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，為水樣的對應(yīng)光譜s’中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，n為吸光度譜中的波長個(gè)數(shù)，若構(gòu)建的是待測水樣的對應(yīng)度譜，則所述水樣的對應(yīng)光譜s’為待測水樣的對應(yīng)光譜，若構(gòu)建的是水樣的對應(yīng)度譜，則所述水樣的對應(yīng)光譜s’為樣本水樣的對應(yīng)光譜；

步驟202、根據(jù)比爾朗伯定律，逐個(gè)獲得波長λi處的吸光度數(shù)據(jù)其計(jì)算公式為：

步驟203、將所有波長λi對應(yīng)的吸光度數(shù)據(jù)集合，獲得水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)組從而得到水樣的吸光度譜，記為sa。

當(dāng)獲取到水樣的吸光度譜后，步驟3可以包括以下具體步驟：

步驟301、使用水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀以不同類型及不同濃度的若干水樣作為樣本水樣并進(jìn)行測量，獲得若干個(gè)樣本水樣的吸光度譜sa和吸光度譜數(shù)組a；

步驟302、將若干個(gè)吸光度譜數(shù)組集合到一起，獲得樣本水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a＝[a1,a2,…,ak]^t，其中am為樣本水樣m的吸光度譜數(shù)據(jù)，m＝1,2,…,k，k為樣本水樣總數(shù)量；每個(gè)吸光度譜包含了n個(gè)波長的水樣吸光度數(shù)據(jù)i＝1,2,…,n；

步驟303、給每個(gè)樣本水樣賦予相應(yīng)的水樣標(biāo)簽號lθ，θ＝1,2,…，每一個(gè)標(biāo)簽號對應(yīng)一種類型的水樣，該標(biāo)簽號lθ為正整數(shù)，構(gòu)建樣本水樣的標(biāo)簽號數(shù)據(jù)矩陣為l＝[l1,l2,…,lk]^t；

步驟304、提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)的特征成分，采用主成分分析方法提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a的特征主成分，獲得特征主成分的系數(shù)矩陣p＝[p1,p2,…,pj]^t，其中p為j×n的矩陣，pi為水樣吸光度譜第i個(gè)特征主成分的系數(shù)，pi為1×n的向量，j為水樣吸光度譜的特征主成分?jǐn)?shù)量；

步驟305、獲取水樣的特征主成份向量，將樣本水樣m的吸光度譜數(shù)據(jù)與特征主成分系數(shù)矩陣p相乘，得到該樣本水樣吸光度譜的特征主成分向量tm，即其中，tm1,tm2,…,tmj分別為樣本水樣m吸光度譜的第1,2,…,j個(gè)特征主成分，構(gòu)建樣本水樣的特征主成份數(shù)據(jù)矩陣t，即t＝[t1,t2,…,tm]^t，t為m×j的矩陣；

步驟306、通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立水樣類型識別數(shù)學(xué)模型，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法中的最小二乘支持向量機(jī)的方法，構(gòu)建水樣吸光度譜特征主成分向量tm與對應(yīng)的水樣類型標(biāo)簽號lm關(guān)系模型，將t作為輸入量，l作為輸出量，經(jīng)最小二乘支持向量機(jī)訓(xùn)練后即可獲得水樣識別模型lm＝fr(tm)。

由此，步驟6可以包括以下步驟：

步驟601、設(shè)標(biāo)簽號為lθ的樣本水樣特征主成分向量所在的空間是在以位置xθ＝[xθ1,xθ2,…,xθj]為中心，半徑為rθ的區(qū)域內(nèi)；

步驟602、當(dāng)獲取待測水樣x的吸光度譜ax后，將其同特征主成分系數(shù)p的轉(zhuǎn)置相乘便得到水樣吸光度譜的特征主成分向量tx＝[tx1,tx2,…,txj]，然后求解tx與xθ的空間距離d，當(dāng)d＞rθ時(shí)，就認(rèn)為該待測水樣不屬于該lθ樣本水樣類型，否則，當(dāng)d≤rθ時(shí)，就認(rèn)為該水樣同樣本水樣為同一類型。

本例的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀、云數(shù)據(jù)中心及系統(tǒng)中，所采用的水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測方法為：

a、采集某一水樣類型的不同水質(zhì)指標(biāo)濃度的若干水樣作為樣本水樣進(jìn)行測量，獲取各次測量時(shí)光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜，同時(shí)采用化學(xué)方法獲得每一個(gè)樣本水樣的所需水質(zhì)指標(biāo)；這里，采集某一水樣類型的不同水質(zhì)指標(biāo)濃度的若干水樣作為樣本水樣中，樣本水樣的數(shù)量一般不低于5個(gè)；

b、根據(jù)各光源的光譜及各樣本水樣的對應(yīng)光譜得到各水樣的吸光度譜；

c、根據(jù)各水樣的吸光度譜及對應(yīng)樣本水樣的所需水質(zhì)指標(biāo)構(gòu)建水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型；

d、預(yù)測時(shí)，獲取光源的光譜及待測水樣的對應(yīng)光譜；

f、根據(jù)光源的光譜與待測水樣的對應(yīng)光譜構(gòu)建待測水樣的吸光度譜；

g、將待測水樣的吸光度譜代入到水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型中得到水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測結(jié)果。

這里，步驟a中，若樣本水樣的所需水質(zhì)指標(biāo)為樣本水樣的cod值，則步驟c中，水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型為某一水樣類型的水樣cod預(yù)測模型。

由此，在步驟b及步驟f中，待測水樣的吸光度譜與水樣的吸光度譜的獲取方法相同，其獲取方法可以與上述水樣識別方法中相同，以減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，則可同樣為：

步驟b1、將光源的光譜s和水樣的對應(yīng)光譜s’分別按照一定的波長間隔△λ分割，獲得波長和光強(qiáng)的數(shù)組和其中，λi為第i個(gè)波長，i為正整數(shù)，為光源的光譜s中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，為水樣的對應(yīng)光譜s’中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，n為吸光度譜中的波長個(gè)數(shù)，若構(gòu)建的是待測水樣的對應(yīng)度譜，則所述水樣的對應(yīng)光譜s’為待測水樣的對應(yīng)光譜，若構(gòu)建的是水樣的對應(yīng)度譜，則所述水樣的對應(yīng)光譜s’為樣本水樣的對應(yīng)光譜；

步驟b2、根據(jù)比爾朗伯定律，逐個(gè)獲得波長λi處的吸光度數(shù)據(jù)其計(jì)算公式為：

步驟b3、將所有波長λi對應(yīng)的吸光度數(shù)據(jù)集合，獲得水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)組從而得到水樣的吸光度譜，記為sa。

而步驟c則可以包括以下步驟：

步驟c1、根據(jù)獲得的若干個(gè)樣本水樣的吸光度譜sa、吸光度譜數(shù)組a及對應(yīng)的cod值ci組成的數(shù)據(jù)矩陣c＝[c1,c2,…,ck]^t采用主成分分析方法提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a的特征主成分，獲得特征主成分的系數(shù)矩陣p；

步驟c2、將每一個(gè)樣本水樣的吸光度譜數(shù)組a同特征主成分的系數(shù)矩陣p相乘獲得其特征主元數(shù)組ty；

步驟c3、采用最小二乘支持向量機(jī)的方法，將ty＝[ty1,ty2,…,tyj]作為輸入量，cy作為輸出量，進(jìn)行多元非線性擬合，獲得水樣類型為lθ的水樣cod預(yù)測模型cm＝fθ(tm)。

下面以監(jiān)測水質(zhì)化學(xué)需氧量(cod)指標(biāo)為例，進(jìn)行詳細(xì)說明：

第一步，構(gòu)建光譜cod監(jiān)測儀(水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測儀)，它由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)主要包括紫外可見光譜儀(光譜儀)，以及水樣采集、電路系統(tǒng)、工業(yè)平板電腦(處理顯示模塊)與4g信號收發(fā)模塊(無線通訊模塊一)等硬件組成，用于獲取測量待測水樣的紫外可見光譜數(shù)據(jù)；軟件系統(tǒng)是基于vc++平臺開發(fā)的mfc應(yīng)用程序，主要由儀控軟件、光譜數(shù)據(jù)處理軟件、水樣識別模型軟件、cod機(jī)器預(yù)測模型軟件等組成。軟件系統(tǒng)與sql數(shù)據(jù)庫連接，構(gòu)建儀器光譜庫(存儲模塊)。軟件系統(tǒng)用于對儀器運(yùn)行的自動控制，用于對硬件獲取的水樣光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲。光譜cod監(jiān)測儀測量得到的cod值可通過4g通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)直接發(fā)送到環(huán)保局監(jiān)控中心的web服務(wù)器中，或?qū)od值及相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至云cod數(shù)據(jù)中心。

第二步，組建云cod數(shù)據(jù)中心(水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心)。它包括水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫、水樣識別數(shù)據(jù)庫、控制中心及無線通訊模塊二等，具體為計(jì)算機(jī)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如網(wǎng)絡(luò)光纖、交換機(jī)等硬件組成。云cod數(shù)據(jù)中心的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫及水樣識別數(shù)據(jù)庫用于存儲海量的水樣光譜數(shù)據(jù)、水樣類型標(biāo)簽數(shù)據(jù)(對應(yīng)水樣類型)和水樣cod值等數(shù)據(jù)。云cod數(shù)據(jù)中心的軟件系統(tǒng)是基于unix操作系統(tǒng)的vc++語言編寫，并利用sql數(shù)據(jù)庫平臺構(gòu)建水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫及水樣識別數(shù)據(jù)庫。

第三步，組建基于光譜cod監(jiān)測儀與云cod數(shù)據(jù)中心的水質(zhì)cod在線自動監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)。從組成和結(jié)構(gòu)上分為三個(gè)層次，即設(shè)備層、數(shù)據(jù)傳輸層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層。其中，設(shè)備層由分別安裝在不同監(jiān)測地點(diǎn)的若干光譜cod監(jiān)測儀組成，用于獲取水樣的紫外可見光譜數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸層主要負(fù)責(zé)光譜cod監(jiān)測儀與遠(yuǎn)程監(jiān)控層的服務(wù)器通信。本實(shí)施例中數(shù)據(jù)傳輸層可采用4g無線網(wǎng)絡(luò)與internet，按照tcp/ip協(xié)議傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)光譜cod監(jiān)測儀與遠(yuǎn)程監(jiān)控層服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互；遠(yuǎn)程監(jiān)控層的服務(wù)器為云cod數(shù)據(jù)中心。

第一步中的光譜cod監(jiān)測儀，除了直接采集水樣的吸收光譜s’，同時(shí)還采集光源光譜s，通過光源光譜s與水樣的吸收光譜s’構(gòu)建水樣的吸光度譜。水樣吸光度譜的構(gòu)建方法為：

步驟1：首先，將光源光譜s和水樣的透射光譜s’分別按照一定的波長間隔△λ分割，獲得波長和光強(qiáng)的數(shù)組和其中，λi為第i個(gè)波長，i為正整數(shù)，為光源的光譜s中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，為水樣的對應(yīng)光譜s’中λi對應(yīng)的光強(qiáng)，n為吸光度譜中的波長個(gè)數(shù)；

步驟2：然后，根據(jù)比爾朗伯定律，逐個(gè)獲得波長λi處的吸光度數(shù)據(jù)

步驟3：將所有波長λi對應(yīng)的吸光度數(shù)據(jù)集合，即可獲得待測水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)組從而得到水樣的吸光度譜sa，這里，吸光度譜數(shù)據(jù)組a是一組同波長對應(yīng)的吸光度數(shù)據(jù)構(gòu)成的，而吸光度譜sa一般為一條曲線。

水樣的吸光度與水樣的摩爾吸光系數(shù)、光程以及溶液的吸光物質(zhì)濃度有關(guān)，但與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。由于采用實(shí)時(shí)監(jiān)測的光源光譜作為入射光譜，可減小光源的不穩(wěn)定性所造成的測量誤差。另外，采用吸光度譜構(gòu)建cod的預(yù)測模型(水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型)，可消除不同儀器光源光強(qiáng)不一致和光源穩(wěn)定性差異引起的測量誤差。另外，輔以對光譜儀波長的標(biāo)定、對測量池光程的精確控制，可實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，即任意兩臺光譜儀對同一水樣測量獲得的吸光度譜是一致的。

第一步中的水樣識別模型軟件用于判斷待測水樣的水樣類型，它是這樣建立和工作的：

步驟1：首先，使用光譜cod監(jiān)測儀以不同類型、不同濃度的若干水樣作為樣本水樣并進(jìn)行測量。如選用e地f城市生活污水處理廠不同時(shí)段排放的污水，g地h廠不同時(shí)段排放的電鍍廢水為樣本水樣，同一類型水樣的樣本水樣數(shù)量一般不少于5個(gè)。這樣可以獲得若干個(gè)水樣的吸光度譜sa和吸光度譜數(shù)組a；

步驟2：將若干個(gè)吸光度譜數(shù)組集合到一起，獲得樣本水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a＝[a1,a2,…,ak]^t，其中am為水樣m的吸光度譜數(shù)據(jù)，m＝1,2,…,k，k為樣本水樣總數(shù)量；每個(gè)吸光度譜包含了n個(gè)波長的水樣吸光度i＝1,2,…,n；

步驟3：給每個(gè)樣本水樣賦予相應(yīng)的水樣標(biāo)簽號lθ，θ＝1,2,…，每一個(gè)標(biāo)簽號對應(yīng)一種類型的水樣，該標(biāo)簽號lθ為1至若干的任意阿拉伯?dāng)?shù)字，其含義可人為定義。如e地f廠的城市生活污水賦予標(biāo)簽號1、g地h廠的電鍍廢水賦予標(biāo)簽號1280等，這樣就可以構(gòu)建樣本水樣的標(biāo)簽號數(shù)據(jù)矩陣為l＝[l1,l2,…,lk]^t；

步驟4：然后，提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)的特征成分。

采用主成分分析方法(pca)提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a的特征主成分，獲得特征主成分的系數(shù)矩陣p＝[p1,p2,…,pj]^t，其中p為j×n的矩陣，pi為水樣吸光度譜第i個(gè)特征主成分的系數(shù)，pi為1×n的向量。j為水樣吸光度譜的特征主成分?jǐn)?shù)量；

步驟5：獲取水樣的特征主成份向量。

將樣本水樣m的吸光度譜數(shù)據(jù)與特征主成分系數(shù)矩陣p相乘，則可得到該樣本水樣吸光度譜的特征主成分向量tm，即其中，tm1,tm2,…,tmj分別為樣本水樣m吸光度譜的第1,2,…,j個(gè)特征主成分。依此，可構(gòu)建樣本水樣的特征主成份數(shù)據(jù)矩陣t，即t＝[t1,t2,…,tm]^t，t為m×j的矩陣；

步驟6：通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立水樣類型識別數(shù)學(xué)模型。

采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法(svm)中的最小二乘支持向量機(jī)(ls-svm)的方法，構(gòu)建水樣吸光度譜特征主成分向量tm與對應(yīng)的水樣類型標(biāo)簽號lm關(guān)系模型。將t作為輸入量，l作為輸出量，經(jīng)ls-svm訓(xùn)練后即可獲得水樣識別模型lm＝fr(tm)；

步驟7：水樣類型識別

本實(shí)施例中，標(biāo)簽號為lθ的樣本水樣特征主成分向量所在的空間是在以位置xθ＝[xθ1,xθ2,…,xθj]為中心，半徑為rθ的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)光譜cod監(jiān)測儀獲取待測未知水樣x的吸光度譜ax后，將其同特征主成分系數(shù)p的轉(zhuǎn)置相乘便得到水樣吸光度譜的特征主成分向量tx＝[tx1,tx2,…,txj]，然后求解tx與xθ的空間距離d，當(dāng)d＞rθ時(shí)，就認(rèn)為該待測水樣不屬于該lθ樣本水樣類型，否則，當(dāng)d≤rθ時(shí)，就認(rèn)為該水樣同樣本水樣為同一類型。當(dāng)然，rθ的值往往需要根據(jù)實(shí)際水樣類型的判別結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，以獲得最佳的水樣類型判別效果。

水樣類型的識別由水樣識別模型軟件承擔(dān)。

第一步中的cod機(jī)器預(yù)測模型用于預(yù)測待測水樣的cod值，它是這樣建立的：

步驟1：首先，使用光譜cod監(jiān)測儀獲取e地f城市生活污水處理廠lθ類型污水(即某一水樣類型)的不同濃度的若干水樣作為樣本水樣并進(jìn)行測量，樣本水樣數(shù)量不低于5個(gè)；然后，通過重鉻酸鉀氧化法獲得每一個(gè)水樣的cod值。這樣可以獲得若干個(gè)樣本水樣的吸光度譜sa、吸光度譜數(shù)組a，以及對應(yīng)的cod值ci組成的數(shù)據(jù)矩陣c＝[c1,c2,…,ck]^t；

步驟2：然后采用主成分分析方法(pca)提取水樣吸光度譜數(shù)據(jù)矩陣a的特征主成分，獲得特征主成分的系數(shù)矩陣p。

步驟3：將每一個(gè)樣本水樣的吸光度譜數(shù)組a同特征主成分的系數(shù)矩陣p相乘獲得其特征主元數(shù)組ty；

步驟4：采用ls-svm的方法，將ty＝[ty1,ty2,…,tyj]作為輸入量，cy作為輸出量，進(jìn)行多元非線性擬合，獲得水樣類型為lθ的水樣cod預(yù)測模型cy＝fθ(ty)，即是光譜cod監(jiān)測儀在e地f城市生活污水處理廠cod機(jī)器預(yù)測模型(水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型)。

依據(jù)水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)預(yù)測水樣cod測量值，以及水樣cod測量值機(jī)器預(yù)測模型的自動建立由cod機(jī)器預(yù)測模型軟件承擔(dān)。

第一步中的光譜cod監(jiān)測儀，它采用如下步驟實(shí)施對水樣cod指標(biāo)的在線自動監(jiān)測：

步驟1：首先測量待測水樣，同時(shí)獲取其光源光譜s和水樣的透射光譜s’；

步驟2：然后，由光譜數(shù)據(jù)處理軟件處理光源光譜s和水樣的吸收光譜s’獲得該待測水樣的吸光度譜sa；

步驟4：再將待測水樣的吸光度譜sa輸入水樣識別模型lm＝fr(tm)識別待測水樣類型；

步驟5：當(dāng)待測水樣類型是光譜cod監(jiān)測儀已知水樣類型時(shí)，則由光譜cod監(jiān)測儀中的cod預(yù)測模型cy＝fθ(ty)預(yù)測待測水樣的cod值；

步驟6：當(dāng)待測水樣類型不是光譜cod監(jiān)測儀已知水樣類型時(shí)，則將待測水樣的吸光度譜傳送至云cod數(shù)據(jù)中心，交由云cod數(shù)據(jù)中心處理。

第二步中的云cod數(shù)據(jù)中心在接收到監(jiān)測現(xiàn)場光譜cod監(jiān)測儀傳送來的待測水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)后，按下列步驟實(shí)施cod監(jiān)測：

步驟1：先由水樣識別模型軟件中的lm＝fr(tm)確定待測水樣類型lθ；

步驟2：依據(jù)獲得的水樣類型lθ，在水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫搜索獲得相應(yīng)的cod機(jī)器預(yù)測模型cy＝fθ(ty)，然后由該cy＝fθ(ty)預(yù)測待測水樣的cod測量值；

步驟3：將待測水樣的cod測量值數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測現(xiàn)場的光譜cod監(jiān)測儀；

步驟4：當(dāng)水樣識別模型識別該待測水樣為陌生類型(即識別失敗)時(shí)，云cod數(shù)據(jù)中心立即通知現(xiàn)場光譜cod監(jiān)測儀報(bào)警，并通知工作人員趕赴監(jiān)測現(xiàn)場；

步驟6：工作人員在監(jiān)測現(xiàn)場獲取類似水樣的吸光度譜數(shù)據(jù)和采用重鉻酸鉀氧化法測量獲得該水樣的cod值，并存入監(jiān)測現(xiàn)場的光譜cod監(jiān)測儀和傳送至遠(yuǎn)端的云cod數(shù)據(jù)中心；

步驟7：然后，光譜cod監(jiān)測儀和云cod數(shù)據(jù)中心自動優(yōu)化其水樣識別模型和cod機(jī)器預(yù)測模型，繼續(xù)開展cod在線自動監(jiān)測。

除了所述的現(xiàn)場光譜cod監(jiān)測儀、工作人員在監(jiān)測現(xiàn)場給云cod數(shù)據(jù)中心補(bǔ)充水樣光譜數(shù)據(jù)外，也可以依需要，采取其他方式主動給云cod數(shù)據(jù)中心補(bǔ)充水樣光譜和cod數(shù)據(jù)，以豐富云cod數(shù)據(jù)中心的水樣光譜數(shù)據(jù)，更好地滿足光譜cod監(jiān)測儀現(xiàn)場監(jiān)測的需要。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選的實(shí)施方案作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述介紹不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。當(dāng)具有專業(yè)知識和技能的人員在閱讀了上述內(nèi)容后，對本發(fā)明的多種修改、代替和規(guī)避都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。