一种同类有机污染物对环境危害性的预测方法及系统与流程
本发明涉及环境治理领域，尤指一种同类有机污染物对环境危害性的预测方法及系统。
背景技术
环境中已有的有机污染物的种类众多，尤其以持久性有机污染物对环境所产生的的环境危害性更为显著，这主要体现在生物毒性、环境持久性、生物富集性、长距离迁移性这四个方面。存在于环境中的有机污染物往往以类别存在，利用多氯联苯、多溴联苯醚、多氯萘、氟喹诺酮类药物等，每类中的部分有机污染物同系物对环境或人体所产生的危害性较为显著从而属于受控药物。因此，对每一种同系物都开展生物毒性、环境持久性等物理化学性质的实验检测既费事费力又不现实，并且已有研究内容不仅缺乏足够的各种有机污染物的各项理化性质实验数据，也缺少对各种有机污染物所产生的环境影响进行整体性的评价研究，更加缺少一个快速有效的评价方法或手段。
目前对于有机污染物的红外光谱检测多局限在检测待测样品中是否含有待检有机污染物，检测得到的红外光谱信息也只是单纯用来定量定性检测有机物种类及浓度，尚没有开展与待测有机物自身理化性质间的内在相关性分析。如何有效区分开红外振动光谱相近的有机污染物，以及提取影响有机污染物环境行为或理化性质的特征红外光谱信息，从而通过红外光谱检测快速评价待测有机污染物的环境行为及危害具有现实研究意义。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种构建可量化的环境危害性评价指标，定量地评价同一类有机污染物所产生的的环境危害性程度的预测方法及系统。
为达上述目的，本发明具体提供一种同类有机污染物对环境危害性的预测方法，所述预测方法包含：获取复数个同一类别的有机污染物，根据所述有机污染物的各同系物获得预定检测指标项；通过均方差法分别计算获得所述预定检测指标项中各项指标的权重值，以及根据各项指标中环境危害最大的同系物的指标值获得各项指标的标准值；根据所述各项指标的权重值和所述各项指标的标准值计算获得环境危害性综合评价值；获得所述有机污染物的红外振动光谱，根据所述红外振动光谱和所述环境危害性综合评价值获得环境危害性预测模型；根据所述环境危害性预测模型及待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱，计算获得待检测的同一类别的有机污染物对环境的危害情况。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，所述复数个同一类别的有机污染物为具有相同的原子个数和母体结构的有机污染物，或具有相同的结构母体但母体上链接不同的取代基的有机污染物。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，根据所述有机污染物类别获得预定检测指标项包含：获取所述有机污染物的各同系物的预定检测项的指标值；根据预定检测项的指标值与环境危害性的对应关系对预定检测项的的指标值分别进行排序预定检测项的评价数值；通过极差法对所述评价数值做标准化处理，获得预定检测指标项。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，通过极差法对所述评价数值做标准化处理，获得预定检测指标项包含：通过以下公式对所述评价数值做标准化处理：yij＝(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)；
在上式中，xij和yij分别为第j个指标在第i种同系物中的原始数据及标准化后数据；xjmin与xjmax分别为第j个指标的最大评价数值与最小评价数值；j为1，2，3，4…，m；i＝1，2，3，…，n。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，通过均方差法分别计算获得所述预定检测指标项中各项指标的权重值包含：通过以下公式计算获得所述预定检测指标项中各项指标的权重值：
在上式中，ωj为第j个指标的权重值；ej为第j个指标的平均值；σj为第j个指标的标准偏差值；j为1，2，3，4…，m。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，所述预定检测指标项中各项指标的平均值及标准偏差值通过以下公式计算获得：
在上式中，yij为第j个指标在第i种同系物中的标准化后数据；ej为第j个指标的平均值；σj为第j个指标的标准偏差值；j为1，2，3，4…，m；i＝1，2，3，…，n。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，根据各项指标中环境危害最大的同系物的指标值获得各项指标的标准值包含：通过以下公式获得各项指标的标准值：
在上式中，xij为第j个指标在第i种同系物中的原始数据；dij为第i个同系物的第j个指标相较标准值后的指标值；xj是第j个指标的标准值；j为1，2，3，4…，m；i＝1，2，3，…，n。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，根据所述各项指标的权重值和所述各项指标的标准值计算获得环境危害性综合评价值包含：通过以下公式计算获得环境危害性综合评价值：
在上式中，ai是第i个同系物的环境危害性综合评价指标值；dij为第i个同系物的第j个指标相较标准值后的指标值；ωj为第j个指标的权重值；j为1，2，3，4…，m；i＝1，2，3，…，n。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，获得所述有机污染物的红外振动光谱，根据所述红外振动光谱和所述环境危害性综合评价值获得环境危害性预测模型包含：通过gaussian软件对同一类别有机污染物的各同系物红外振动光谱的各红外振动形式进行振动归属计算和研究，获得红外振动归属结果；根据红外振动归属结果进行红外光谱依据不同振动形式的谱区分区，获得红外光谱振动谱区；根据各同系物的振动谱区光谱信息和预定阈值，通过主成分分析方法提取出对应同系物环境危害性评价指标值相关联的红外光谱振动谱区，根据所述红外光谱振动谱区与所述环境危害性综合评价值获得环境危害性预测模型。
在上述同类有机污染物对环境危害性的预测方法中，优选的，根据所述环境危害性预测模型及待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱，计算获得待检测的同一类别的有机污染物对环境的危害情况还包含：通过欧式适用性域计算所述环境危害性预测模型使用的同系物的种类和类别；根据所述同系物的种类和类别获取待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱；根据所述环境危害性预测模型及待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱，计算获得待检测的同一类别的有机污染物对环境的危害情况。
本发明还提供一种同类有机污染物对环境危害性的预测系统，所述预测系统包含预处理模块、计算模块、分析模块、建模模块和检测模块；所述预处理模块用于获取复数个同一类别的有机污染物，根据所述有机污染物的各同系物获得预定检测指标项；所述计算模块用于通过均方差法分别计算获得所述预定检测指标项中各项指标的权重值，以及根据各项指标中环境危害最大的同系物的指标值获得各项指标的标准值；所述分析模块用于根据所述各项指标的权重值和所述各项指标的标准值计算获得环境危害性综合评价值；所述建模模块用于获得所述有机污染物的红外振动光谱，根据所述红外振动光谱和所述环境危害性综合评价值获得环境危害性预测模型；所述检测模块用于根据所述环境危害性预测模型及待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱，计算获得待检测的同一类别的有机污染物对环境的危害情况。
本发明的有益技术效果在于：本发明基于同一类有机污染物有着相似的红外光谱特征，提取出对该类污染物环境危害性评价指标相关联的红外光谱特征信息，并构建一种通过检测红外光谱快速预测该类污染物的环境危害性评价指标的预测评价方法，从而代替已有需要通过开展的多种环境指标实验，同时，引入应用域计算，对预测模型的适用范围进行评估，从而更加针对性地开展新合成的或已有的该类污染物环境危害性的预测及评价。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明所提供的同类有机污染物对环境危害性的预测方法的流程示意图；
图2为本发明所提供的同类有机污染物对环境危害性的预测方法一实施例的流程示意图；
图3为本发明所提供的同类有机污染物对环境危害性的预测系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
每种物质的红外振动数量为6n-3，其中n为该分子所含原子个数。本发明主要通过选取同一类别有机污染物同系物作为研究对象。该类物质或者具有相同的原子个数和母体结构(例如多氯联苯、多溴炼苯醚)，这类同系物不仅具有相同的红外振动个数，也具有相似的振动情况；或者有相同的结构母体但母体上链接不同的取代基(例如氟喹诺酮类药物)，这类同系物的红外振动数量相近，并且具有相似的振动情况。以此，构建可量化的环境危害性评价指标，定量地评价同一类有机污染物所产生的的环境危害性程度；从而代替已有需要通过开展的多种环境指标实验，同时引入应用域计算，对预测模型的适用范围进行评估，从而更加针对性地开展新合成的或已有的该类污染物环境危害性的预测及评价。
基于上述情况，请参考图1所示，本发明具体提供一种同类有机污染物对环境危害性的预测方法，所述预测方法包含：s101获取复数个同一类别的有机污染物，根据所述有机污染物的各同系物获得预定检测指标项；s102通过均方差法分别计算获得所述预定检测指标项中各项指标的权重值，以及根据各项指标中环境危害最大的同系物的指标值获得各项指标的标准值；s103根据所述各项指标的权重值和所述各项指标的标准值计算获得环境危害性综合评价值；s104获得所述有机污染物的红外振动光谱，根据所述红外振动光谱和所述环境危害性综合评价值获得环境危害性预测模型；s105根据所述环境危害性预测模型及待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱，计算获得待检测的同一类别的有机污染物对环境的危害情况。在上述实施例中，所述预定检测指标项可包含生物毒性、长距离迁移性、生物富集性与环境持久性等评价数据，当然实际工作中，因检测目的及目标不同，也可采用其他适应的检测指标项，本发明在此并不做限制。在上述实施例中，所述复数个同一类别的有机污染物为具有相同的原子个数和母体结构的有机污染物，或具有相同的结构母体但母体上链接不同的取代基的有机污染物。
再请结合图1参考图2所示，选取同一类别有机污染物各同系物的生物毒性、长距离迁移性、生物富集性与环境持久性的评价数据作为各指标的指标值，均先转化为数值越大对环境产生的危害性越大的数值形式，再经过极差法进行标准化处理以消除不同量级数据对评价指标的影响。具体的，在本发明一实施例中，上述步骤s101中根据所述有机污染物类别获得预定检测指标项包含：获取所述有机污染物的各同系物的预定检测项的指标值；根据预定检测项的指标值与环境危害性的对应关系对预定检测项的的指标值分别进行排序预定检测项的评价数值；通过极差法对所述评价数值做标准化处理，获得预定检测指标项。在该实施例中，通过极差法对所述评价数值做标准化处理，获得预定检测指标项包含：通过以下公式对所述评价数值做标准化处理：
yij＝(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)；
在上式中，xij和yij分别为第j个指标在第i种同系物中的原始数据及标准化后数据；xjmin与xjmax分别为第j个指标的最大评价数值与最小评价数值；j为1，2，3，4…，m；i＝1，2，3，…，n。
环境危害性综合评价指标值的大小最终是由各指标的权重值与各指标值的标准评价值制约的，其中权重越高的指标对最终的综合性环境危害性评价指标值的贡献越大。运用均方差方法进行各指标权重的计算，均方差越大，权重越高。为此，在本发明一实施例中，步骤s102中所述通过均方差法分别计算获得所述预定检测指标项中各项指标的权重值包含：通过以下公式计算获得所述预定检测指标项中各项指标的权重值：
在上式中，ωj为第j个指标的权重值；ej为第j个指标的平均值；σj为第j个指标的标准偏差值；j为1，2，3，4…，m。
在上述实施例中，所述预定检测指标项中各项指标的平均值及标准偏差值通过以下公式计算获得：
在上式中，yij为第j个指标在第i种同系物中的标准化后数据；ej为第j个指标的平均值；σj为第j个指标的标准偏差值；j为1，2，3，4…，m；i＝1，2，3，…，n。
在确定了各指标的权重数值后，各指标的标准评价值则对最终的评价指标有着至关重要的影响；以各项指标中对环境危害性最大的同系物的该项指标值作为各项指标值的标准值。在本发明一实施例中，步骤s102中根据各项指标中环境危害最大的同系物的指标值获得各项指标的标准值包含：通过以下公式获得各项指标的标准值：
在上式中，xij为第j个指标在第i种同系物中的原始数据；dij为第i个同系物的第j个指标相较标准值后的指标值；xj是第j个指标的标准值；j为1，2，3，4…，m；i＝1，2，3，…，n。
其后，在本发明一实施例中，步骤s103中根据所述各项指标的权重值和所述各项指标的标准值计算获得环境危害性综合评价值包含：通过以下公式计算获得环境危害性综合评价值：
在上式中，ai是第i个同系物的环境危害性综合评价指标值；dij为第i个同系物的第j个指标相较标准值后的指标值；ωj为第j个指标的权重值；j为1，2，3，4…，m；i＝1，2，3，…，n。
在本发明一实施例中，步骤s104中获得所述有机污染物的红外振动光谱，根据所述红外振动光谱和所述环境危害性综合评价值获得环境危害性预测模型包含：通过gaussian软件对同一类别有机污染物的各同系物红外振动光谱的各红外振动形式进行振动归属计算和研究，获得红外振动归属结果；根据红外振动归属结果进行红外光谱依据不同振动形式的谱区分区，获得红外光谱振动谱区；根据各同系物的振动谱区光谱信息和预定阈值，通过主成分分析方法提取出对应同系物环境危害性评价指标值相关联的红外光谱振动谱区，根据所述红外光谱振动谱区与所述环境危害性综合评价值获得环境危害性预测模型。其中，为提高所述环境危害性预测模型的准确性，后续还可进一步对该环境危害性预测模型进行验证，具体验证方式将在后续实施例中进一步说明，本发明在此就不再详述。
在本发明一实施例中，步骤s105中根据所述环境危害性预测模型及待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱，计算获得待检测的同一类别的有机污染物对环境的危害情况还包含：通过欧式适用性域计算所述环境危害性预测模型使用的同系物的种类和类别；根据所述同系物的种类和类别获取待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱；根据所述环境危害性预测模型及待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱，计算获得待检测的同一类别的有机污染物对环境的危害情况。
在实际工作中，上述实施例主要利用gaussian软件对同一类别有机污染物的各同系物红外振动光谱的各红外振动形式进行振动归属计算和研究(gaussian软件计算任务关键词设定为freq＝intmode)，依据红外振动归属结果进行红外光谱依据不同振动形式的谱区分区。对所研究的同系物按照环境危害性综合评价大小值进行排序，再利用interval-samping方法将同系物分为建模组与验证组，其中建模组与验证组所包含样本数据比介于4:1—5:1。以建模组各同系物的振动谱区光谱信息(峰频、峰强)为自变量，以0.85作为主成分的初始设定累计解释率，利用主成分分析方法提取出对该类同系物环境危害性评价指标值具有显著关联性及调控性的红外光谱振动谱区，并得到该类同系物环境危害性评价指标值的预测方程；对所得预测方程分别从拟合性、稳健性、预测性三方面进行模型性能的评价。
拟合性评价指标：r2>0.90；
稳健性评价指标：q2>0.50；
预测性评价指标：
其中：i为不同同系物；n为同系物数量；yi为各同系物的环境危害性评价指标值；
值得说明的是，因红外振动光谱都是利用gaussian软件计算得到，在振动归属的基础上将红外光谱进行分区，各类物质由于分子结构及取代基类型不同，因此光谱分区结果不同。为此，基于分区的结果，将每个光谱区都当做一个自变量，通过主成分分析方法进行与环境危害性评价指标值的显著性谱区的提取：主成分分析中会存在一个特征值的评价值，一个谱区的特征值越大，表明这个谱区内的光谱信息与环境危害性，因此判断是否显著即通过判断特征值的大小即可。
请参考图3所示，本发明还提供一种同类有机污染物对环境危害性的预测系统，所述预测系统包含预处理模块、计算模块、分析模块、建模模块和检测模块；所述预处理模块用于获取复数个同一类别的有机污染物，根据所述有机污染物的各同系物获得预定检测指标项；所述计算模块用于通过均方差法分别计算获得所述预定检测指标项中各项指标的权重值，以及根据各项指标中环境危害最大的同系物的指标值获得各项指标的标准值；所述分析模块用于根据所述各项指标的权重值和所述各项指标的标准值计算获得环境危害性综合评价值；所述建模模块用于获得所述有机污染物的红外振动光谱，根据所述红外振动光谱和所述环境危害性综合评价值获得环境危害性预测模型；所述检测模块用于根据所述环境危害性预测模型及待检测的同一类别的有机污染物的红外振动光谱，计算获得待检测的同一类别的有机污染物对环境的危害情况。
本发明的有益技术效果在于：本发明基于同一类有机污染物有着相似的红外光谱特征，提取出对该类污染物环境危害性评价指标相关联的红外光谱特征信息，并构建一种通过检测红外光谱快速预测该类污染物的环境危害性评价指标的预测评价方法，从而代替已有需要通过开展的多种环境指标实验，同时，引入应用域计算，对预测模型的适用范围进行评估，从而更加针对性地开展新合成的或已有的该类污染物环境危害性的预测及评价。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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