基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统和方法

专利名称：基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统和方法
技术领域：
本发明属于水质监测及突发性水污染事件应急处理领域，涉及一种水环境突发事件应急处置系统和方法，具体的说是一种基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统和方法。
背景技术：
近年来我国水污染事故频繁发生，重大突发性水污染事件时有发生，给人民生活、生态环境和经济建设带来了极大危害。工业发展过程产生的结构性污染问题，使全国各地流域环境遭受不同程度污染，特别是由于这类事故的突发性和破坏性，严重地威胁着人民群众生命和国家财产安全，使人们赖以生存的生态环境遭到严重破坏。因而，如何完善突发水污染应急响应系统以应对大型水域水污染突发事故，避免造成重大灾害就显得十分紧迫。如何实时、远程、全方位的获取水污染信息，准确即时做出应对措施，并将水污染信息即时传递，使整个过程网络化、系统化成为现在库区突发性水污染急需解决的问题。目前国内外普遍采用的库区突发性水污染事件处理方法是应急监测预案，如文章“突发性水污染事故应急处理”所述，即针对可能发生的突发性水环境污染事件，为迅速、有效、有序地开展应急行动而预先制定的方案。虽然能够及时处理突发性水污染事件，但是处理方案针对性不强，不能实时解决水污染问题，况且对于比较特殊的突发性水污染不能及时作出决策，延误了处理时间，使污染扩散。近年来，已出现借助3S、数据库和网络通信等先进技术，按照水污染事故应急管理体系的业务要求，将基础地理、水文、生态环境和社会经济等各类本底信息和监测信息有机整合，同时在数据库的支持下，建立二、三维无缝结合的交互式虚拟可视化平台，并结合模型库模拟水污染扩散状况的新技术，如文章“三峡水库突发性水污染事件应急系统的开发”所述，但整个过程的预测灵敏度不高，且不具备较好的突发水污染处理时效性。另外申请号为201210141601.5的专利“一种突发性水质污染事故模拟仿真及可视化服务系统”所建立的系统具备污染处理实时性，但是针对性不强，即对所有突发水质事故都进行这样的模拟和处理，没有充分利用相应水域历史水污染事故及处理经验，因而在某些情况下增加了事故响应及处理工作的繁琐性。

发明内容
本发明的目的在于提出一种基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统和方法，既保证信息传递快捷性，又保证污染处理实时性，还能充分利用历史污染事故资料，以简化某些相似污染事故处理工作。本发明实现以上发明目的的技术方案是:基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，包括突发水污染信息采集及传输模块、实时数据集成转化模块、历史水污染事故快速查询模块、突发水污染扩散模拟模块、突发水污染事故预警模块、历史水污染事故方案执行模块、模拟图像信息实时转化及传输模块，专家实 时决策及信息发布平台、突发水污染事故实时处理终端和突发水污染事故及处理信息汇总归纳模块；突发水污染信息采集及传输模块，包括无线传感器和突发性水污染信息采集船，用于采集突发水污染相关信息，并把采集的信息传输至实时数据集成转化模块；实时数据集成转化模块，用于将采集的水污染信息转化成需要的数据形式，包括用于历史水污染查询分析的数据形式和污染扩散模拟的数据形式；历史水污染事故快速查询模块，用于在历史水污染信息数据库中快速查询分析与突发水污染相一致的结果；突发水污染扩散模拟模块，用于对突发水污染进行扩散模拟，并在3维GIS中可视化显示出来；突发水污染事故预警模块，用于对污染可能影响范围水域内居民、工厂主取水口进行预警，避免突发水污染事故对相关居民造成危害，促使相关工厂和部门及时采取预防措施，避免污染进一步扩大；历史水污染事故方案执行模块，用于经过历史水污染事故查询分析得到与突发水污染事故相一致的结果进，执行该历史水污染处理方案；模拟图像信息实时转化及传输模块，用于经过历史水污染事故查询分析得到与突发水污染事故不一致的结果时，将经过3维GIS显示的水污染实时扩散图像信息转化并传递给专家实时决策及信息发布平台；专家实时决策及信息发布平台，包括三维可视化的显示器终端、模拟图像信息接收设备、有线及无线信号传输终端，用于接收水污染扩散实时信息，经过专家实时分析做出决策，并通过有线及无线信号传输终端将实时决策信息发布出去；突发水污染事故实时处理终端，包括无线信号接收及传输终端、GPS设备和PDA设备，用于相关部门和污染处理人员接收专家决策信息，及时快速采取相应的应急处理措施，并实时传递处理信息至专家实时决策及信息发布平台；突发水污染事故及处理信息汇总归纳模块，用于将水污染信息包括水域水污染监测信息、专家部门关于水污染决策信息和事故处理终端的发送的处理完成信息，分类归纳并存储到数据库构成预案。基于物联网的大型水域突发水污染应急处置方法，按以下步骤进行:(-)突发水污染信息获取、传输及转化:在大型水域中布设传感器，通过传感器监控获取水域突发污染信息，并由GPS设备获取污染地理位置信息，突发水污染信息采集船获取信息并进行信息集成与转化；(:=)进行历史水污染事故快速查询和突发水污染扩散模拟:①进行历史水污染事故快速查询:历史水污染事故快速查询模块获取突发水污染相关信息，查询其历史水污染信息数据库中对应类型水污染信息，并结合专家处理意见库中专家分析结论，快速判断突发水污染是否与某一历史对应类型水污染相似；②进行突发水污染扩散模拟:在进行历史水污染事故快速查询的同时，突发水污染扩散模拟模块根据接收的水污染信息，调用其水域水质扩散模型库中相对应的扩散模拟模型进行突发水污染扩散模拟，模拟图像信息通过VB程序进行传递和转化，并在3维GIS数字模型中显示出来；

㈢执行突发水污染预警和处理:
①执行突发水污染预警:突发水污染预警模块在3维GIS模拟水污染扩散的基础上，对污染可能影响范围水域内居民、工厂和取水口进行预警；②执行突发水污染处理:在突发水污染预警的同时，进行突发水污染处理，根据步骤㈡查询结果，若查询到相似的某一次历史水污染事故，则调用历史水污染事故处理预案数据库中对应的该次水污染处理预案快速进行突发水污染处理，若没有查询到相似的历史水污染事故，则进行基于3维GIS的突发水污染实时可视化处理；㈣进行突发水污染事故及处理信息汇总归纳:突发水污染处理结束之后，对该次污染事故及处理信息进行归纳、分类编排成可查询、可组合的计算机语言信息，并分别存储于历史水污染信息数据库、历史水污染事故处理预案数据库中，供未来突发水污染事故查询使用。这样，本发明通过安装在水域中的不同类型的传感器与水污染信息采集船，并结合3S技术对现场突发事件进行监测，获取的监测信息通过物联网传输，水污染信息一方面进行水污染扩散模拟和预警；另一方面与历史水污染事故进行对比，若水污染与历史事件相似，则直接调用历史事件处理方案进行处理，否则专家通过接受模拟图像信息进行实时决策及信息发布，进行水污染处理，最后将水污染信息归档存储，为大型水域突发性事件从预警、处理到信息反馈，提供一种可实时、远程、全方位的预警应急处理模式。本发明进一步限定的技术方案是:
前述的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，突发水污染信息采集船包括船体、监控中心以及安装在船体上的控制计算机、步进电机、方向舵、变频器、推进单元、水体检测单元、无线通信网络、卫星定位装置、电子罗经盘、直流电磁铁、摄像头和雷达；控制计算机为一台装有串口扩展卡、IO扩展卡和图像采集卡的工控计算机；控制计算机通过串口连接变频器，变频器连接所述推进单元，用以控制变频器进而控制推进单元；控制计算机通过IO扩展卡连接所述步进电机,步进电机连接所述方向舵,用以控制步进电机进而控制方向舵；控制计算机通过串口连接卫星定位装置、电子罗经盘和雷达，用以读取卫星定位装置、电子罗经盘和雷达的数据；控制计算机通过串口连接所述水体检测单元，用以控制水体检测单元工作；控制计算机通过图像采集卡连接摄像头，用以采集摄像头的图像；控制计算机通过IO扩展卡连接继电器，继电器连接直流电磁铁，用以控制直流电磁铁工作；控制计算机根据所需检测的区域划分网格，根据卫星定位装置测量船的位置，并根据海图生成巡航路线，船体根据当前的位置确定航向，并控制方向舵工作，使船按事先指定的路线行驶；监控中心包含一个模拟驾驶台，模拟驾驶台包含控制按钮、方向盘、档位、计算机和无线网络；方向盘内部有角度传感器，计算机通过AD卡连接监督传感器；计算机通过I/O卡连接档位；计算机的网口连无线网络。前述的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，述历史水污染事故快速查询模块包括相关专家处理决策意见库、历史水污染信息数据库和历史水污染事故处理预案数据库；所述历史水污染信息数据库包括历史各次水污染发生时间、地点、污染种类、污染物数量和案情简要描述信息；所述历史水污染事故处理预案数据库包括历史各次水污染处理方案流程和各相关部门联系方式信息。前述的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，突发水污染扩散模拟模块包括水域空间数据库、水域属性数据库和水域水质扩散模型库；所述水域空间和属性数据库，用于建立基于3维GIS的水域3维可视化模型；所述水域水质扩散模型库，用于对突发水污染事故进行污染扩散模拟，并通过VB程序进行数据传递和转换，在3维GIS中可视化显示出来。前述的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置方法，步骤(-)中，突发水污染信息采集船获取信息具体按以下步骤进行:⑴监控中心确定所需检测的区域的坐标和检测粒度，并通过无线网络发送至检测船的控制计算机；⑵计算机在GIS软件的基础上将所要检测的区域根据粒度分割成网格，网格粒度的大小分为三等:小、中、大；当网格粒度为小时，网格大小为10米*10米；当网格粒度为中时，网格大小为15米*15米；当网格粒度为大时，网格大小为20米*20米；⑶船只根据网格的划分，根据卫星定位系统的定位信息确定当前船所在的位置，采用遍历的方法，初步巡检网格的先后顺序，确保以最短路径覆盖这些所需检测的网格；⑷确定所需监测网格的先后顺序后，船只根据卫星定位系统的定位信息和电子罗经盘确定船的姿态，根据海图确定驶向下一网格的中心点的最短路径，控制步进电机调整方向舵和控制变频器调整推进系统的功率，使船只驶向下一网格的中心点；(5)在船只行驶到检测网格中心点时，控制计算机控制变频器使推进器停止工作，检测单元采集水样，对水质进行检测，检测的结果保存在控制计算机并通过无线网络发送到监控中心；(6)船只在行驶过程中，将自身的船速、方向、位置通过无线网络发送至监控中心，此外摄像头拍摄视频图像通 过视频编码器压缩成数字视频流，通过无线网络发送至监控中心;(7)行驶过程中，雷达子系统实时检测行驶方向前方，当行驶前方有障碍物时，控制计算机控制推进器停止工作，并通过无线网络通知监控中心；(8)监控中心设有模拟驾驶台，当按下控制按钮，监控中心的计算机通过无线网络发送控制命令至检测船，模拟驾驶台可以接管对检测船的控制；模拟驾驶台计算机显示海图、船所在的位置和航向和雷达反馈的信息，此外还显示船只摄像机拍摄的图像，模拟驾驶台包含驾驶方向盘和档位；当模拟驾驶台的方向盘被转动后，方向盘连接的角度传感器跟着转动，模拟驾驶台的计算机的AD采集卡检测角度传感器的输出值，并将方向盘的动作通过无线网络发送至检测船只的控制计算机，控制计算机根据方向盘的动作，控制船只的方向舵，最终控制船只的前进方向；模拟驾驶台的档位分为5挡:高速、中速、低速、停止和后退；控制台计算机检测到当前档位后，将档位信息发送给检测船只；检测船根据档位信息控制船只的推进器的速度；(9)在船只电力不足时，船只根据事先设在数据库中的信息，自动驶向充电点，充电点的充电泊位有一浮筒装置，可随水位上下变化，在浮筒上包含充电电极的簧片和一不锈钢片，船只在停靠充电泊位时，浮筒的充电簧片与船只的充电电极相连，给船只充电，船只控制计算机通过吸合I/O上继电器给直流电磁铁的线圈供电，电磁铁吸合浮筒的不锈钢片，确保浮筒的充电簧片与船只的充电电极之间的可靠连接。本发明的有益效果是:
⑴针对大型水域突发性水污染事件的突发性特点，本系统利用利用无线传感器结合无人驾驶的突发水污染信息采集船在大型水域动态采集突发水污染相关信息，监控中心可接管对检测船的航行控制，控制船在复杂环境下航行和测量工作。船可实现24小时的巡航对水质进行取样和调查，及时的获取突发性水污染事件污染源信息，确定污染源类型和数量，为突发性水污染事件预警和处理提供相关的资料，避免了大型水域突发性水污染事件由于发现的不及时，导致污染扩散而引起更大的危害。⑵通过增加的历史水污染查询分析功能，将获取的水污染信息在历史水污染信息数据库中快速查询分析，若与数据库里面的突发水污染相一致，可直接调用历史的处理方案；增加的历史水污染查询，相对于原始的制定预案更加准确，针对性强，极大的提高了突发水污染事件处理的时效性。⑶三维GIS应用于突发水污染进行扩散模拟，将采集船获取的水污染信息模拟成可视化的扩散图像，并通过物联网传递给移动终端；整个过程构成整体的分析决策，即使专家不在现场也能及时作出决定，也避免了由于个别专家的由于客观原因导致的事物，提高处理的正确性。⑷增加预警功能有针对性的进行水污染预警，通过三维动态模拟水污染扩散，实时的对污染可能涉及的范围进行预警，避免了由于处理不及时造成的污染灾害，相对于以前的预警方法针对性更强，减小了由于水污染扩散导致的水域周围用水工程的经济损失和人员伤害。(5)通过水污染事故及处理信息汇总归纳，在突发水污染处理结束之后，对污染事故及处理信息进行处理， 并分别存储于历史水污染信息数据库、历史水污染事故处理预案数据库中，可供未来突发水污染事故查询使用；信息汇总归纳完善了大型水域突发性水污染事件的档案，有利于水污染事件的分析，减少以后发生水污染事件的同时，节省发生类似水污染事件处理的时间。(6)整个系统构成完整的大型水域突发性水污染应急处理系统，从监测、预警、决策到备案形成整体模块，既保证信息传递快捷性，又保证污染处理实时性；提高大型水污染事件的监测力度的同时，增加了处理水污染事件决策的正确性，整个系统大大提高了大型水域突发性水污染处理的时效性，避免了避免水污染扩散导致的危害，节约了人力物力资源。


图1为本发明基于物联网的大型水域突发水污染应急处置方法的流程图。图2是本发明的突发水污染信息采集船的模块连接示意图。图3是本发明的突发水污染信息采集船监控中心的模块连接示意图。图4是本发明实施例1的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置方法的流程图。图5为采用本系统对某流域突发油污染某时刻扩散模拟示意图。图6为采用本系统对某流域实施突发放射性物质水污染监测的站点布设图。图7为采用本系统对某流域突发油污染某时刻扩散模拟示意图。图8为采用本系统对某流域实施突发有害化学物质水污染监测的站点布设图。
具体实施例方式实施例1本实施例是一种基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，包括突发水污染信息采集及传输模块、实时数据集成转化模块、历史水污染事故快速查询模块、突发水污染扩散模拟模块、突发水污染事故预警模块、历史水污染事故方案执行模块、模拟图像信息实时转化及传输模块，专家实时决策及信息发布平台、突发水污染事故实时处理终端和突发水污染事故及处理信息汇总归纳模块；各模块具体为:⑴突发水污染信息采集及传输模块提供突发性水污染信息采集和传输，包括各类污染智能监测传感器、无线传输设备和水污染信息采集船等。通过传感器监测水污染信息，RS和GPS定位，并结合水污染信息采集船采集分析水污染信息，将水污染信息通过无线传输设备传输。⑵实时数据集成转化模块提供将采集的水污染信息转化成需要的数据形式，包括用于历史水污染查询分析的数据形式和污染扩散模拟的数据形式。⑶突发水污染扩散模拟模块提供水污染扩散的模拟，包括建立有水域本底数据库的3维GIS，通过接收实时数据集成转化的数据，并在3维GIS进行水污染扩散模拟。突发水污染扩散模拟模块包括水域空间数据库、水域属性数据库和水域水质扩散模型库；所述水域空间和属性数据库，用于建立基于3维GIS的水域3维可视化模型；所述水域水质扩散模型库，用于对突发水污染事故进行污染扩散模拟，并通过VB程序进行数据传递和转换，在3维GIS中可视化显示出来。⑷突发水污染事故预警模块提供水污染发生后对周边涉及的工厂、水利部门等的预警，包括无线通讯设备，通过3维GIS模拟水污染的扩散，通过无线设备对涉及到的部门、工厂发布水污染信息预警。(5)历史水污染事故 快速查询模块提供在历史水污染信息数据库中快速查询分析与突发水污染相一致的结果，包括与查询结果一致和不一致两种情况。历史水污染事故快速查询模块包括相关专家处理决策意见库、历史水污染信息数据库和历史水污染事故处理预案数据库；所述历史水污染信息数据库包括历史各次水污染发生时间、地点、污染种类、污染物数量和案情简要描述信息；所述历史水污染事故处理预案数据库包括历史各次水污染处理方案流程和各相关部门联系方式信息。(6)历史水污染事故方案执行模块提供历史方案的调用，主要是当查询结果与历史方案相一致时，则直接调用历史水污染处理方案，并由突发水污染处理信息发布模块通过互联网发布给相关执行部门。(7)模拟图像信息实时转化及传输模块提供3维GIS模拟水污染扩散信息的转化，并通过3G网络传输。(8)专家实时决策及信息发布平台提供专家决策针对水污染扩散的信息进行决策，包括三维可视化的显示器终端、模拟图像信息接收设备、有线及无线信号传输终端等，专家通过接收水污染扩散 模拟的信息，并分析决策，接触信息通过物联网传输给相关的处理部门。⑶突发水污染事故实时处理终端提供水污染处理，包括无线信号接收及传输终端、GPS设备、PDA (Personal Digital Assistant)设备,水污染扩散处理涉及的相关的部门根据专家决策采取相应的措施。(W)突发水污染事故及处理信息汇总归纳模块提供水污染信息数据库，包括水污染信息和相应的处理措施。突发水污染信息采集船如图2所示，包括船体、监控中心以及安装在船体上的控制计算机、步进电机、方向舵、变频器、推进单元、水体检测单元、无线通信网络、卫星定位装置、电子罗经盘、直流电磁铁、摄像头和雷达；控制计算机为一台装有串口扩展卡、IO扩展卡和图像采集卡的工控计算机；控制计算机通过串口连接变频器，变频器连接推进单元，用以控制变频器进而控制推进单元；控制计算机通过IO扩展卡连接步进电机,步进电机连接方向舵，用以控制步进电机进而控制方向舵；控制计算机通过串口连接卫星定位装置、电子罗经盘和雷达，用以读取 卫星定位装置、电子罗经盘和雷达的数据；控制计算机通过串口连接水体检测单元，用以控制水体检测单元工作；控制计算机通过图像采集卡连接摄像头，用以采集摄像头的图像；控制计算机通过IO扩展卡连接继电器，继电器连接直流电磁铁，用以控制直流电磁铁工作；控制计算机根据所需检测的区域划分网格，根据卫星定位装置测量船的位置，并根据海图生成巡航路线，船体根据当前的位置确定航向，并控制方向舵工作，使船按事先指定的路线行驶。监控中心如图3所示，包含一个模拟驾驶台，所述模拟驾驶台包含控制按钮、方向盘、档位、计算机和无线网络；所述方向盘内部有角度传感器，所述计算机通过AD卡连接监督传感器；所述计算机通过I/O卡连接档位；所述计算机的网口连无线网络。本实施例的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置方法，流程如图1所示，按以下步骤进行:(-)突发水污染信息获取、传输及转化:在大型水域中布设传感器，通过传感器监控获取水域突发污染信息，并由GPS设备获取污染地理位置信息，突发水污染信息采集船获取信息并进行信息集成与转化；(:=)进行历史水污染事故快速查询和突发水污染扩散模拟:①进行历史水污染事故快速查询:历史水污染事故快速查询模块获取突发水污染相关信息，查询其历史水污染信息数据库中对应类型水污染信息，并结合专家处理意见库中专家分析结论，快速判断突发水污染是否与某一历史对应类型水污染相似；②进行突发水污染扩散模拟:在进行历史水污染事故快速查询的同时，突发水污染扩散模拟模块根据接收的水污染信息，调用其水域水质扩散模型库中相对应的扩散模拟模型进行突发水污染扩散模拟，模拟图像信息通过VB程序进行传递和转化，并在3维GIS数字模型中显示出来；㈢执行突发水污染预警和处理:①执行突发水污染预警:突发水污染预警模块在水污染模拟分析结论基础上，对污染可能影响范围水域内居民、工厂和取水口进行预警；②执行突发水污染处理:在突发水污染预警的同时，进行突发水污染处理，根据步骤㈡查询结果，若查询到相似的某一次历史水污染事故，则调用历史水污染事故处理预案数据库中对应的该次水污染处理预案快速进行突发水污染处理，若没有查询到相似的历史水污染事故，则进行基于3维GIS的突发水污染实时可视化处理；㈣进行突发水污染事故及处理信息汇总归纳:突发水污染处理结束之后，对该次污染事故及处理信息进行归纳、分类编排成可查询、可组合的计算机语言信息，并分别存储于历史水污染信息数据库、历史水污染事故处理预案数据库中，供未来突发水污染事故查询使用。步骤(-)中，突发水污染信息采集船获取信息具体按以下步骤进行:⑴监控中心确定所需检测的区域的坐标和检测粒度，并通过无线网络发送至检测船的控制计算机；⑵计算机在GIS软件的基础上将所要检测的区域根据粒度分割成网格，网格粒度的大小分为三等:小、中、大；当网格粒度为小时，网格大小为10米*10米；当网格粒度为中时，网格大小为15米*15米；当网格粒度为大时，网格大小为20米*20米；⑶船只根据网格的划分，根据卫星定位系统的定位信息确定当前船所在的位置，采用遍历的方法，初步巡检网格的先后顺序，确保以最短路径覆盖这些所需检测的网格；⑷确定所需监测网格的先后顺序后，船只根据卫星定位系统的定位信息和电子罗经盘确定船的姿态，根据海图确定驶向下一网格的中心点的最短路径，控制步进电机调整方向舵和控制变频器调整推进系统的功率，使船只驶向下一网格的中心点；(5)在船只行驶到检测网格中心点时，控制计算机控制变频器使推进器停止工作，检测单元采集水样，对水质进行检测，检测的结果保存在控制计算机并通过无线网络发送到监控中心；(6)船只在行驶过程中，将自身的船速、方向、位置通过无线网络发送至监控中心，此外摄像头拍摄视频图像通过视频编码器压缩成数字视频流，通过无线网络发送至监控中心；(7)行驶过程中，雷达子系统实时检测行驶方向前方，当行驶前方有障碍物时，控制计算机控制推进器停止工作， 并通过无线网络通知监控中心；(8)监控中心设有模拟驾驶台，当按下控制按钮，监控中心的计算机通过无线网络发送控制命令至检测船，模拟驾驶台可以接管对检测船的控制；模拟驾驶台计算机显示海图、船所在的位置和航向和雷达反馈的信息，此外还显示船只摄像机拍摄的图像，模拟驾驶台包含驾驶方向盘和档位；当模拟驾驶台的方向盘被转动后，方向盘连接的角度传感器跟着转动，模拟驾驶台的计算机的AD采集卡检测角度传感器的输出值，并将方向盘的动作通过无线网络发送至检测船只的控制计算机，控制计算机根据方向盘的动作，控制船只的方向舵，最终控制船只的前进方向；模拟驾驶台的档位分为5挡:高速、中速、低速、停止和后退；控制台计算机检测到当前档位后，将档位信息发送给检测船只；检测船根据档位信息控制船只的推进器的速度；(9)在船只电力不足时，船只根据事先设在数据库中的信息，自动驶向充电点，充电点的充电泊位有一浮筒装置，可随水位上下变化，在浮筒上包含充电电极的簧片和一不锈钢片，船只在停靠充电泊位时，浮筒的充电簧片与船只的充电电极相连，给船只充电，船只控制计算机通过吸合I/O上继电器给直流电磁铁的线圈供电，电磁铁吸合浮筒的不锈钢片，确保浮筒的充电簧片与船只的充电电极之间的可靠连接；突发水污染信息采集船通过在水域的特定区域设置自动充电站，在船电力不足时，船只可到最近的充电站进行充电，确保船只在对大流域长距离流域的水质进行调查有足够的电力。实际实施时，本实施例的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置方法，流程如图4所示，包括以下步骤:㈠建立大型水域本底数据库包括:基础的地理信息、居民取水口、水域周围的工厂、水利部门等，为以下步骤中所涉及的监测、水污染扩散模拟提供相应的数据，并建立历史水污染事件数据库，为水污染的对比提供依据；㈡基于物联网技术，通过安装在水域中固定监测点的不同类型的传感器和RS实现突发性水污染的实时监测状况，并结合GPS定位水污染的地理信息；曰监测的水污染信息通过实时转化存储到实时信息数据库；(四)存储到实时信息数据库一方面通过三维GIS模拟水污染的扩散情况，对水污染所影响的区域或工厂进行预警； 存储到实时信息数据库另一方面进行历史水污染事故快速查询分析，查询的数据；(六)步骤五的查询结果与历史水污染事故相似，就直接调用历史时间的处理方案进行处理；⑴步骤五中的查询结果与历史水污染事故不相似，则将步骤四中的水污染扩散信息进行模拟图像信息的实时转化；(A)将步骤七中的水污染信息传递给专家部门，进行突发水污染的实时分析并作出实时的决策；(九)处理部门物联网接受专家的决策信息，相关的部门作出相应的应急处理；(十)将步骤二的水污染信息和步骤八中水污染的应急处理信息进行汇总、归纳及存储。实施例2针对长江某大型水域突发溢油事故，具体情势如图5所示，具体按以下步骤进行:⑴突发溢油信息获取、传输及转化:由布置在该水域监测站的红外传感器监控获取水域突发溢油信息，所获取的信息主要包括溢油类型、数量、浓度等，并由GPS设备获取溢油事故地理位置信息，获取的信息以无线信号形式传递给实时信息集成转化模块，进行信息集成与转化；⑵进行历史溢油事故快速查询和突发溢油扩散模拟:①进行历史溢油事故快速查询:历史水污染事故快速查询模块获取信息集成转化模块提供的突发溢油相关信息，查询其历史水污染信息数据库中对应类型溢油事故信息，并结合专家处理意见库中专家对该次溢油事故初步分析结论，快速判断突发溢油事故是否与某一历史对应类型溢油事故相似；②进行突发溢油扩散模拟:在进行历史溢油事故快速查询的同时，突发水污染扩散模拟模块根据信息集成转化模块提供的溢油量信息，调用其水域水质扩散模型库中相对应的扩散模拟模型进行突发溢油扩散模拟，模拟图像信息通过VB程序进行传递和转化，并在3维GIS数字模型(DTM)中显示出来。如图3为该水域油污染某时刻模拟扩散示意图，其中:A部分从里到外由黑色到褐色为油层污染中心，B部分从里到外由褐色到为黄色为扩散较厚的油层，C部分从里到外由黄色到为透明为较薄的薄膜油层，有示意图可以较直观看出油污染的扩散情况。⑶执行突发溢油预警 和处理:
①执行突发溢油事故预警:突发水污染预警模块在溢油模拟分析结论基础上，对溢油事故可能影响范围水域内居民、工厂、取水口等进行预警，预警信息以有线或无线信号形式传输给相关部门人员，相关人员根据获取的信息进行相应的应急操作；②执行突发溢油处理:在突发溢油预警的同时，进行突发溢油事故处理，根据步骤
(2)查询结果，查询到相似的某一次历史溢油事故，则调用历史水污染事故处理预案数据库中对应的该次溢油处理预案快速进行突发溢油事故处理；⑷进行突发溢油事故及处理信息汇总归纳:突发溢油处理结束之后,对该次污染事故及处理信息进行归纳、分类编排成可查询、可组合的计算机语言信息，并分别存储于历史水污染信息数据库、历史水污染事故处理预案数据库中，供未来突发水污染事故查询使用。实施例3长江中上游某大型水域，在流域周围有很多用取用水工厂。本例主要针对放射性废料渗出事故，对于放射性物质排放在水中，如果不及时处理将会产生很严重的，尤其影响周围工厂的取水用水。水域监测点主要布置在水域中心，共布置11个监测站点，其布置如图6所示，具体按以下步骤进行:⑴信息采集:由布置在该水域中的核辐射传感器，通过水污染信息采集船采集获取水域放射性物质包括放射性物质类型、数量信息等，并由GPS设备获取发射性事故地理位置信息，并进行信息集成与转化；⑵发射型物质扩散模拟和预警:通过信息集成转化后的放射性污染的信息在3维GIS中进行污染扩散模拟，由于放射性物质的危害很大，所以根据模拟的信息，应对水污染涉及的取水用水部门进行水污染预警；⑶历史放射性物·质事故快速查询和处理:查询其历史水污染信息数据库中对应类型放射性事故信息，未查询到与相似的历史污染事件，则进行基于(2)中3维GIS的模拟信息的实时可视化处理，通过互联网将信息传给专家实时决策及信息发布平台，接收该放射性物质扩散模拟图像信息，并在三维显示器终端上实时显示放射性图像实时信息，相关专家根据图像信息实时分析做出决策，并通过有线及无线信号传输终端将实时决策信息发布给突发水污染事故实时处理终端，相关部门和污染处理人员接收专家决策信息，及时快速采取相应的应急处理措施；⑷放射性事故信息存储:放射性污染处理结束之后，将放射性污染的信息和决策信息并分别存储于历史水污染信息数据库、历史水污染事故处理预案数据库中，供未来突发水污染事故查询使用。实施例4针对大型水域城市污水排放，如图7所示:将PH值传感器、溶解氧传感器和重金属传感器主要设置在水域周围易排放污水的工厂，当污水排放的污水水质超标时，通过传感器和水污染信息采集船获取污水排放量的信息，并由GPS设备获取发射性事故地理位置信息，并进行信息集成与转化。转化后的污水信息在3维GIS中进行污染扩散模拟，根据模拟的信息对取水用水部门进行水污染预警。同时，查询其历史水污染信息数据库中对应类型放射性事故信息，查询到与历史事件相似，直接调用历史事件的处理方案。污染处理结束之后，将水污染的信息存储于历史水污染信息数据库，完善突发性水污染信息库。如图7为该水域生活污水排放某时刻模拟扩散示意图，由模拟图可以清晰看到污水扩散的情况。实施例5针对大型水域有害化学物质泄漏，如图8所示:通常在大型水域中经常发生剧毒农药和有毒有害化学物质泄漏事故，其中氰化钾、硫砷化物等超标排放会造成很严重的后果。将化学传感器设置在水域水质监测站点，由于该水域周围有一些工厂，所以在水域周围应设置传感器监测点，并在水域中央设置传感器监测站点，如图8所示，其中水域周围的传感器站点有10个，水域中央有传感器站点17个监测站点。通过传感器获取有害化学物质排放的信息，结合水污染信息采集船采集分析有害化学物质的种类和数量，并由GPS设备获取事故地理位置信息，并进行信息集成与转化。转化后的水污染信息在3维GIS中进行污染扩散模拟，根据模拟的信息对取水用水部门进行水污染预警。同时，查询其历史水污染信息数据库中对应类型放射性事故信息，查询到与历史事件不相似，水污染扩散模拟信息进行实时可视化处理，并通过互联网将信息传给专家部门，相关专家根据图像信息实时分析做出决策，并通过有线及无线信号传输终端将实时决策信息发布给突发水污染事故实时处理终端，相关部门和污染处理人员接收专家决策信息，及时快速采取相应的应急处理措施。污染处理结束之后，将水污染信息和决策信息并分别存储于历史水污染信息数据库、历史水污染事故处理预案数据库中，供未来突发水污染事故查询使用。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，其特征在于:包括突发水污染信息采集及传输模块、实时数据集成转化模块、历史水污染事故快速查询模块、突发水污染扩散模拟模块、突发水污染事故预警模块、历史水污染事故方案执行模块、模拟图像信息实时转化及传输模块，专家实时决策及信息发布平台、突发水污染事故实时处理终端和突发水污染事故及处理信息汇总归纳模块； 所述突发水污染信息采集及传输模块，包括无线传感器和突发性水污染信息采集船，用于动态采集突发水污染相关信息，并把采集的信息传输至实时数据集成转化模块； 所述实时数据集成转化模块，用于将采集的水污染信息转化成需要的数据形式，包括用于历史水污染查询分析的数据形式和污染扩散模拟的数据形式； 所述历史水污染事故快速查询模块，用于在历史水污染信息数据库中快速查询分析与突发水污染相一致的结果； 所述突发水污染扩散模拟模块，用于对突发水污染进行扩散模拟，并在3维GIS中可视化显示出来； 所述突发水污染事故预警模块，用于对污染可能影响范围水域内居民、工厂主取水口进行预警，避免突发水污染事故对相关居民造成危害，促使相关工厂和部门及时采取预防措施，避免污染进一步·扩大； 所述历史水污染事故方案执行模块，用于经过历史水污染事故查询分析得到与突发水污染事故相一致的结果进，执行该历史水污染处理方案； 所述模拟图像信息实时转化及传输模块，用于经过历史水污染事故查询分析得到与突发水污染事故不一致的结果时，将经过3维GIS显示的水污染实时扩散图像信息转化并传递给专家实时决策及信息发布平台； 所述专家实时决策及信息发布平台，包括三维可视化的显示器终端、模拟图像信息接收设备、有线及无线信号传输终端，用于接收水污染扩散实时信息，经过专家实时分析做出决策，并通过有线及无线信号传输终端将实时决策信息发布出去； 所述突发水污染事故实时处理终端，包括无线信号接收及传输终端、GPS设备和PDA设备，用于相关部门和污染处理人员接收专家决策信息，及时快速采取相应的应急处理措施，并实时传递处理信息至专家实时决策及信息发布平台； 所述突发水污染事故及处理信息汇总归纳模块，用于将水污染信息包括水域水污染监测信息、专家部门关于水污染决策信息和事故处理终端的发送的处理完成信息，分类归纳并存储到数据库构成预案。
2.如权利要求1所述的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，其特征在于:所述突发水污染信息采集船包括船体、监控中心以及安装在船体上的控制计算机、步进电机、方向舵、变频器、推进单元、水体检测单元、无线通信网络、卫星定位装置、电子罗经盘、直流电磁铁、摄像头和雷达；所述控制计算机为一台装有串口扩展卡、IO扩展卡和图像采集卡的工控计算机；所述控制计算机通过串口连接变频器，所述变频器连接所述推进单元，用以控制变频器进而控制推进单元；所述控制计算机通过IO扩展卡连接所述步进电机，所述步进电机连接所述方向舵，用以控制步进电机进而控制方向舵；所述控制计算机通过串口连接卫星定位装置、电子罗经盘和雷达，用以读取卫星定位装置、电子罗经盘和雷达的数据；所述控制计算机通过串口连接所述水体检测单元，用以控制所述水体检测单元工作；所述控制计算机通过图像采集卡连接所述摄像头，用以采集所述摄像头的图像；所述控制计算机通过IO扩展卡连接继电器，所述继电器连接所述直流电磁铁，用以控制直流电磁铁工作； 所述控制计算机根据所需检测的区域划分网格，根据卫星定位装置测量船的位置，并根据海图生成巡航路线，船体根据当前的位置确定航向，并控制方向舵工作，使船按事先指定的路线行驶； 所述监控中心包含一个模拟驾驶台，所述模拟驾驶台包含控制按钮、方向盘、档位、计算机和无线网络；所述方向盘内部有角度传感器，所述计算机通过AD卡连接监督传感器；所述计算机通过I/O卡连接档位；所述计算机的网口连无线网络。
3.如权利要求1所述的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，其特征在于:所述历史水污染事故快速查询模块包括相关专家处理决策意见库、历史水污染信息数据库和历史水污染事故处理预案数据库；所述历史水污染信息数据库包括历史各次水污染发生时间、地点、污染种类、污染物数量和案情简要描述信息；所述历史水污染事故处理预案数据库包括历史各次水污染处理方案流程和各相关部门联系方式信息。
4.如权利要求1所述的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统，其特征在于:所述突发水污染扩散模拟模块包括水域空间数据库、水域属性数据库和水域水质扩散模型库；所述水域空间和属性数据库，用于建立基于3维GIS的水域3维可视化模型；所述水域水质扩散模型库，用于对突发水污染事故进行污染扩散模拟，并通过VB程序进行数据传递和转换，在3维GI S中可视化显示出来。
5.基于物联网的大型水域突发水污染应急处置方法，其特征在于:按以下步骤进行: (-)突发水污染信息获取、传输及转化:在大型水域中布设传感器，通过传感器监控获取水域突发污染信息，并由GPS设备获取污染地理位置信息，突发水污染信息采集船获取信息并进行信息集成与转化； (二)进行历史水污染事故快速查询和突发水污染扩散模拟: ①进行历史水污染事故快速查询:历史水污染事故快速查询模块获取突发水污染相关信息，查询其历史水污染信息数据库中对应类型水污染信息，并结合专家处理意见库中专家分析结论，快速判断突发水污染是否与某一历史对应类型水污染相似； ②进行突发水污染扩散模拟:在进行历史水污染事故快速查询的同时，突发水污染扩散模拟模块根据接收的水污染信息，调用其水域水质扩散模型库中相对应的扩散模拟模型进行突发水污染扩散模拟，模拟图像信息通过VB程序进行传递和转化，并在3维GIS数字模型中显示出来； ㈢执行突发水污染预警和处理: ①执行突发水污染预警:突发水污染预警模块在3维GIS模拟水污染扩散的基础上，对污染可能影响范围水域内居民、工厂和取水口进行预警； ②执行突发水污染处理:在突发水污染预警的同时，进行突发水污染处理，根据步骤(二)查询结果，若查询到相似的某一次历史水污染事故，则调用历史水污染事故处理预案数据库中对应的该次水污染处理预案快速进行突发水污染处理，若没有查询到相似的历史水污染事故，则进行基于3维GIS的突发水污染实时可视化处理； (四)进行突发水污染事故及处理信息汇总归纳:突发水污染处理结束之后，对该次污染事故及处理信息进行归纳、分类编排成可查询、可组合的计算机语言信息，并分别存储于历史水污染信息数据库、历史水污染事故处理预案数据库中，供未来突发水污染事故查询使用。
6.如权利要求5所述的基于物联网的大型水域突发水污染应急处置方法，其特征在于:所述步骤(-)中，突发水污染信息采集船获取信息具体按以下步骤进行: ⑴监控中心确定所需检测的区域的坐标和检测粒度，并通过无线网络发送至检测船的控制计算机； ⑵计算机在GIS软件的基础上将所要检测的区域根据粒度分割成网格，网格粒度的大小分为三等:小、中、大；当网格粒度为小时，网格大小为10米*10米；当网格粒度为中时，网格大小为15米*15米；当网格粒度为大时，网格大小为20米*20米； ⑶船只根据网格的划分，根据卫星定位系统的定位信息确定当前船所在的位置，采用遍历的方法，初步巡检网格的先后顺序，确保以最短路径覆盖这些所需检测的网格； ⑷确定所需监测网格的先后顺序后，船只根据卫星定位系统的定位信息和电子罗经盘确定船的姿态，根据海图确定驶向下一网格的中心点的最短路径，控制步进电机调整方向舵和控制变频器调整推进系统的功率，使船只驶向下一网格的中心点； (5)在船只行驶到检测网格中心点时，控制计算机控制变频器使推进器停止工作，检测单元采集水样，对水质进行检测，检测的结果保存在控制计算机并通过无线网络发送到监控中心； (6)船只在行驶过程中，将自身的船速、方向、位置通过无线网络发送至监控中心，此外摄像头拍摄视频图像通过视频编码器压缩成数字视频流，通过无线网络发送至监控中心； (7)行驶过程中，雷达子系统实时检测行驶方向前方，当行驶前方有障碍物时，控制计算机控制推进器停止工作，并通过无线网络通知监控中心； (8)监控中心设有模拟驾驶台，当按下控制按钮，监控中心的计算机通过无线网络发送控制命令至检测船，模拟驾驶台可以接管对检测船的控制；模拟驾驶台计算机显示海图、船所在的位置和航向和雷达反馈的信息，此外还显示船只摄像机拍摄的图像，模拟驾驶台包含驾驶方向盘和档位；当模拟驾驶台的方向盘被转动后，方向盘连接的角度传感器跟着转动，模拟驾驶台的计算机的AD采集卡检测角度传感器的输出值，并将方向盘的动作通过无线网络发送至检测船只的控制计算机，控制计算机根据方向盘的动作，控制船只的方向舵，最终控制船只的前进方向；模拟驾驶台的档位分为5挡:高速、中速、低速、停止和后退；控制台计算机检测到当前档位后，将档位信息发送给检测船只；检测船根据档位信息控制船只的推进器的速度； ⑶在船只电力不足时，船只根据 事先设在数据库中的信息，自动驶向充电点，充电点的充电泊位有一浮筒装置，可随水位上下变化，在浮筒上包含充电电极的簧片和一不锈钢片，船只在停靠充电泊位时，浮筒的充电簧片与船只的充电电极相连，给船只充电，船只控制计算机通过吸合I/O上继电器给直流电磁铁的线圈供电，电磁铁吸合浮筒的不锈钢片，确保浮筒的充电簧片与船只的充电电极之间的可靠连接。
全文摘要
本发明是一种基于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统和方法，包括突发水污染信息采集及传输模块，实时数据集成转化模块，历史水污染事故快速查询模块，突发水污染扩散模拟模块，突发水污染事故预警模块，突发水污染处理信息发布模块，历史水污染事故方案执行模块，模拟图像信息实时转化及传输模块，专家实时决策及信息发布平台，突发水污染事故实时处理终端，和突发水污染事故及处理信息汇总归纳模块。本发明在物联网的基础上结合3S技术形成一套完整的大型水域突发水污染应急处置系统，从监测、预警、决策到信息反馈，提供一种可实时、远程、全方位的突发性水污染处理系统。
文档编号H04L29/08GK103236020SQ201310124980
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月11日 优先权日2013年4月11日
发明者戴会超, 吴丹凤, 柯云, 毛劲乔, 戴凌全, 张鸿清, 何铁军, 吴建华 申请人:戴会超