本文關(guān)鍵詞：基于數(shù)據(jù)挖掘方法通過簡約參數(shù)建立水質(zhì)異常檢測及污染物識別系統(tǒng)的研究

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【摘要】：從水資源總量的上來看,我國的水資源總量排名居世界第6位,雖然水資源的總量排名是比較靠前的,但我國人口數(shù)量較大,這使得中國的人均水資源量遠(yuǎn)不及世界的平均水平,使得中國的水資源依然處于嚴(yán)重短缺的狀態(tài)。同時,我國工業(yè)化的持續(xù)發(fā)展,眾多的水體污染也在這個過程中發(fā)生。水體的污染對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞,人類的生命健康也受了到較大的威脅。另外水污染使水資源短缺的問題更加嚴(yán)重。如果能在水污染事故發(fā)生擴(kuò)大之前,有效地發(fā)現(xiàn)并提供預(yù)警信息和進(jìn)行污染物的識別分類,利于做出快速的應(yīng)對措施和保護(hù)水資源。因此,建立水質(zhì)異常檢測及污染物分類識別系統(tǒng)是一個迫切的問題且具有十分重要的意義。對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測,通常是借助于離線或在線的水質(zhì)傳感器。用于水質(zhì)監(jiān)測的水質(zhì)傳感器多種多樣,總體來說可分為兩類：一類是檢測特定污染物或一類污染物的傳感器,雖然檢測特定污染物的傳感器可以定量測定低濃度的特定污染物,但是同時也存在一些缺點(diǎn),如抗干擾性差、價格較貴、壽命短等�；谶@些原因,此類傳感器一般難以推廣應(yīng)用。另外一類傳感器與檢測特定污染物的傳感器不同,它不是具體檢測某種特定或者某一類污染物的傳感器,它反映的是水質(zhì)的綜合狀況,如pH、電導(dǎo)率、溫度等水質(zhì)傳感器,我們稱之為常規(guī)簡約水質(zhì)傳感器。污染水體的污染物種類數(shù)目繁多,現(xiàn)有的檢測儀器也很難實現(xiàn)對每種污染物都進(jìn)行檢測,正在研究中的用于檢測特定種類污染物的儀器價格比較昂貴。而用于檢測常規(guī)簡約水質(zhì)參數(shù)的傳感器設(shè)備價格較為便宜、檢測技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定,且常規(guī)簡約水質(zhì)參數(shù)與特定種類的污染物之間存在一定的關(guān)系,表征污染的能力可通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)一步提高。這些體現(xiàn)了常規(guī)簡約水質(zhì)參數(shù)傳感器的優(yōu)勢所在,也說明了常規(guī)簡約水質(zhì)參數(shù)用于水質(zhì)檢測及污染物分類的可行性。常規(guī)簡約水質(zhì)傳感器用于水質(zhì)監(jiān)測具有一系列優(yōu)勢,這也使得常規(guī)簡約水質(zhì)傳感器在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用越來越為廣泛�；谒|(zhì)異常檢測的重要性和常規(guī)簡約水質(zhì)傳感器在水質(zhì)監(jiān)測中的優(yōu)勢,本文對利用常規(guī)簡約水質(zhì)傳感器進(jìn)行水質(zhì)異常檢測進(jìn)行了研究。論文中運(yùn)用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,消除水質(zhì)參數(shù)背景波動的影響。采用了多邊形面積法融合多個水質(zhì)指標(biāo)信息,提高了異常檢測性能。基于X-控制圖原理,設(shè)定了多邊形面積閾值,實驗中將由水體樣本的水質(zhì)參數(shù)計算得到多邊形面積與設(shè)定的面積閾值相比較進(jìn)行水質(zhì)異常判斷。選取了重金屬類、苯酚苯胺類和農(nóng)藥類三類代表性的污染物進(jìn)行水質(zhì)異常檢測的實驗,獲得了較好的異常檢測效果。在水質(zhì)異常的情況檢測到之后,緊接著需要面對的問題是盡快對污染物的種類進(jìn)行識別,以便為水污染事故做出應(yīng)急措施提供決策支持。常規(guī)的污染物種類識別方法是基于實驗室分析。雖然可以準(zhǔn)確定性和定量污染物,但在實際檢測中耗費(fèi)的時間相對較長,在快速應(yīng)急方面存在弊端。而在線水質(zhì)傳感器測量水質(zhì)參數(shù)具有實時在線、簡單快速等優(yōu)勢,且水質(zhì)傳感器對不同污染物的響應(yīng)不同,同一水質(zhì)傳感器對一類污染物響應(yīng)特征相似,對不同種類的污染物響應(yīng)特征存在差異。因此,水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)與污染物的種類存在著一定的相關(guān)性。因此,可運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對常規(guī)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析進(jìn)而實現(xiàn)對污染物種類的識別分類。本文在水質(zhì)異常檢測積累了大量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立水體污染物分類識別系統(tǒng)。本文選取的六個水質(zhì)參數(shù)具有檢測快速簡便,最可代表水體質(zhì)量的特點(diǎn)。該水質(zhì)六參數(shù)檢測技術(shù)成熟、儀器簡單,可實現(xiàn)檢測儀器一體化,與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)用,可實現(xiàn)對不同水體、不同地點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)實時在線監(jiān)測,為預(yù)防和處理水體突發(fā)事故,提供及時有效的信息預(yù)報和決策支持。論文主要分為三章：第一章：緒論針對我國水資源狀況及水體污染情況做總體介紹；敘述了本文的研究背景及意義；基于相關(guān)文獻(xiàn),介紹了國內(nèi)國外關(guān)于水質(zhì)異常檢測的研究現(xiàn)狀、水質(zhì)參數(shù)檢測方法、水質(zhì)異常檢測算法；本章通過對水質(zhì)異常檢測及污染物識別分類的方法介紹、總結(jié),詳細(xì)說明了本論文研究的理論基礎(chǔ)、研究目的和創(chuàng)新之處。第二章：基于常規(guī)簡約水質(zhì)六參數(shù)的水質(zhì)異常檢測的研究對水質(zhì)異常進(jìn)行檢測是水質(zhì)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),為及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)水體污染,提供了早期預(yù)警,對提高處理突發(fā)水污染事故的應(yīng)對措施能力、防止水污染及水資源保護(hù)具有十分重要的意義。通過對常規(guī)簡約水質(zhì)六參數(shù)(溫度、pH、DO、電導(dǎo)率、UVP、UV254)和污染物之間的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)了水質(zhì)六參數(shù)對各污染物都有不同程度的響應(yīng),為基于常規(guī)簡約水質(zhì)參數(shù)的水質(zhì)異常檢測提供了研究基礎(chǔ)。本章建立了一種基于常規(guī)簡約水質(zhì)六參數(shù)對水質(zhì)異常進(jìn)行檢測的方法；運(yùn)用一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,消除了水質(zhì)背景數(shù)據(jù)波動的影響；運(yùn)用一種可以融合多水質(zhì)指標(biāo)信息的異常檢測算法-多邊形面積法,提高異常檢測性能；基于X-控制圖原理設(shè)置多邊形面積法的閾值,用于水質(zhì)異常檢測。本章基于常規(guī)簡約水質(zhì)六參數(shù),采用多邊形面積法對選取的重金屬類、苯酚苯胺、農(nóng)藥類三種類型污染物進(jìn)行了水質(zhì)異常檢測實驗,獲得了較好的異常檢測效果。第三章：基于常規(guī)簡約水質(zhì)六參數(shù)的水體污染物分類識別的研究本章以測量的常規(guī)簡約水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘中的聚類分析方法對水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,進(jìn)而對污染物類別進(jìn)行分類。具體采用了余弦距離作為相似性測度對水體污染物類型進(jìn)行分類識別。論文基于余弦距離作為相似性測度,采取數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并對水質(zhì)指標(biāo)組合進(jìn)行優(yōu)化；基于余弦距離用于某些污染物分類時差異較小,提出了用余弦區(qū)分度作為相似性測度用于污染物分類;最后對苯酚苯胺類、重金屬類、農(nóng)藥類污染物進(jìn)行分類識別實驗,表現(xiàn)出了良好的分類性能。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X832

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本文編號：1213825