一 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
根據(jù)各地多年的監(jiān)測(cè)資料，近年來(lái)我國(guó)多數(shù)城市湖泊水體呈嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)⋯。2007年，28個(gè)國(guó)控重點(diǎn)湖(庫(kù))中，V類的5個(gè)，占17．9％，劣V類的11個(gè)，占39．3％。水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要特征就是發(fā)生水華。水華是當(dāng)水體中出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)狀況并具備適宜的溫度、光照、氣候及合適的水文條件等有利于藻類生長(zhǎng)或聚集的環(huán)境條件時(shí)，水體藻類大量生長(zhǎng)繁殖或聚集并達(dá)到一定濃度的現(xiàn)象。水華一旦發(fā)生，就會(huì)使水體透明度下降，溶解氧降低，水體出現(xiàn)黑臭等現(xiàn)象，而有些類型的水華還會(huì)產(chǎn)生藻毒素，給人類居住環(huán)境和人體健康造成損害。水華的發(fā)生是突發(fā)性的，而水華一旦發(fā)生，控制難度就會(huì)加大，治理成本成倍提高，因此如果能夠預(yù)見(jiàn)到水華的發(fā)生并及時(shí)采取相應(yīng)措施會(huì)取得事半功倍的效果。水華預(yù)警是水質(zhì)預(yù)警中的一種突發(fā)型預(yù)警類別，是指在一定范圍內(nèi)，對(duì)藻類生長(zhǎng)狀況進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，對(duì)其未來(lái)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)測(cè)。水華預(yù)警系統(tǒng)具有超前性預(yù)報(bào)的功能，能夠提前預(yù)測(cè)出水質(zhì)演化趨勢(shì)、方向、速度和后果，在發(fā)生水華之前及早發(fā)出警報(bào)，為水華控制提供科學(xué)依據(jù)。
國(guó)內(nèi)外對(duì)水華預(yù)警的研究主要圍繞三個(gè)方面展開(kāi)：(1)利用單變量或多變量營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)程度進(jìn)行預(yù)測(cè)；(2)利用水質(zhì)模型對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)；(3)利用地理信息系統(tǒng)或遙感系統(tǒng)對(duì)水華的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)。水華預(yù)警的方法有模糊評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、支持向量機(jī)(support vector machines，SVM)等。本系統(tǒng)的建立是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的湖庫(kù)藻類水華短期智能預(yù)測(cè)模型，提高藻類水華預(yù)測(cè)的精度，對(duì)藻類水華的短期預(yù)警提供有效的方法； 而在中期預(yù)警上則建立基于支持向量機(jī)的湖庫(kù)藻類水華中期智能預(yù)測(cè)模型。

二 項(xiàng)目概況
城市湖庫(kù)藻類水華實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能化預(yù)警系統(tǒng)項(xiàng)目是北京安恒公司承擔(dān)的海淀區(qū)科委和海淀區(qū)*的科技項(xiàng)目，項(xiàng)目起至?xí)r間為2008年1月至2009年12月，主要是為了解決目前湖庫(kù)藻類水華實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警困難等問(wèn)題，建立基于多尺度數(shù)據(jù)源的水質(zhì)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究引起藻類水華暴發(fā)的關(guān)鍵性作用因子，建立基于智能信息處理技術(shù)的城市湖庫(kù)藻類水華預(yù)警模型，并根據(jù)藻類水華暴發(fā)程度給與相應(yīng)的控制策略，終開(kāi)發(fā)一套實(shí)用的水華實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警系統(tǒng)，為城市湖庫(kù)藻類水華的進(jìn)一步治理提供重要的參考依據(jù)。

三 系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容
1. 我們采用了多尺度數(shù)據(jù)源的水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立基于對(duì)多尺度水質(zhì)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、GPRS無(wú)線通訊系統(tǒng)的集成，研制開(kāi)發(fā)具有多尺度數(shù)據(jù)源的水質(zhì)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2. 研究藻類水華的關(guān)鍵作用因子，確定藻類水華的預(yù)測(cè)指標(biāo)。針對(duì)城市湖庫(kù)藻類水華產(chǎn)生的特點(diǎn)，通過(guò)整理和分析近幾年湖庫(kù)大量的水文數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)化工正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)合智能信息處理技術(shù)中的粗糙集理論對(duì)藻類水華的成因做主因素分析，在眾多的水體理化指標(biāo)和環(huán)境因素中求解出湖庫(kù)藻類水華的關(guān)鍵作用因子，確定藻類水華的預(yù)測(cè)指標(biāo)。
3. 我們基于智能信息處理技術(shù)的湖庫(kù)藻類水華預(yù)測(cè)方法，解決由于藻類水華產(chǎn)生過(guò)程存在復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性等因素，用傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得精確數(shù)學(xué)模型的難題。包括兩方面：研究基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)的適合于湖庫(kù)藻類水華發(fā)生的預(yù)測(cè)理論和方法，提高湖庫(kù)藻類水華預(yù)測(cè)方法的魯棒性及精度。
4. 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)城市湖庫(kù)藻類水華預(yù)警與控制應(yīng)用系統(tǒng)。對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的現(xiàn)場(chǎng)水域多尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合，提取用于藻類水華預(yù)測(cè)模型的有效數(shù)據(jù)，對(duì)藻類水華變化進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，并提出相應(yīng)的控制策略。

四 系統(tǒng)研發(fā)的主要過(guò)程
（1）監(jiān)測(cè)水域情況介紹和分析
圓明園遺址公園地勢(shì)呈北高南低、西高東低的局勢(shì)，高程差約為1米。圓明園總共水域面積達(dá)125萬(wàn)平方米，主要由三大水域構(gòu)成，分別為九州、福海和長(zhǎng)春園三個(gè)部分，水域相通，但是的水不能互相流通，基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，平均水深大約為0.8-1米。平均每日耗水量為5000立方米左右，主要原因是蒸發(fā)和滲漏。除大氣降水和圓明園區(qū)域內(nèi)地表徑流補(bǔ)充水源外，圓明園主要補(bǔ)充水源自2007年10月以后，主要水源來(lái)源于清河污水處理廠的中水，供水方式為直徑800mm的管涵從清河污水廠泵入，每年平均500萬(wàn)立方米。其次，還有非常少的地表水補(bǔ)充，來(lái)源是京密水渠。第三個(gè)補(bǔ)充水的途徑是，汛期萬(wàn)泉河泄洪補(bǔ)水，但量同樣非常少。圓明園的水質(zhì)控制按照功能區(qū)劃分為重要旅游地景觀水，水質(zhì)控制指標(biāo)為地表水III類標(biāo)準(zhǔn)，每年都有局部水域發(fā)生水華爆發(fā)情況。

（2）監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的要求和選擇
由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的選擇對(duì)數(shù)據(jù)是否有代表性、儀器的安裝及后系統(tǒng)能否成功都有直接的關(guān)系，安恒公司邀請(qǐng)了并北京工商大學(xué)環(huán)境*與信息工程學(xué)院的教授共同探討此方案，一致認(rèn)為監(jiān)測(cè)站點(diǎn)應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求
1、這個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要在圓明園具有代表性。
2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水流量必須相對(duì)平穩(wěn)、水流動(dòng)比較小的、水深屬于整個(gè)湖泊的平均水深、植物不是很密集的地區(qū)，確保取得的數(shù)據(jù)有效，固定，平穩(wěn)。
3、采集的數(shù)據(jù)有幾個(gè)數(shù)需要手工測(cè)量：碳、氮、磷、葉綠素A、濁度、溶解氧、PH值。取得這些數(shù)據(jù)，并且保證這些數(shù)據(jù)的有效性與環(huán)境指標(biāo)也是息息相關(guān)的，例如：水溫、紫外線光照強(qiáng)度、風(fēng)力。
經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，終決定選擇長(zhǎng)春園中的海岳開(kāi)襟作為我們的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（3）、確定水華預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)
水華的發(fā)生是由于許多因素如營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光照、pH值、生物因素等共同作用的結(jié)果，發(fā)生時(shí)又有多種水質(zhì)指針如pH值、溶解氧、氧化還原電位、氮磷濃度等同時(shí)發(fā)生變化，因此在水質(zhì)預(yù)警模型中參數(shù)較多，在模型設(shè)計(jì)時(shí)需要在這些影響因素中篩選出合適的因素作為預(yù)警因子。一般選擇那些受周圍環(huán)境影響小的、適合于所選擇的模型的、監(jiān)測(cè)方便并且與藻類生長(zhǎng)密切相關(guān)的這些因素作為預(yù)警因子。安恒公司針對(duì)城市湖庫(kù)藻類水華產(chǎn)生的特點(diǎn)，通過(guò)整理和分析近幾年湖庫(kù)大量的水文數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)化工正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)合智能信息處理技術(shù)中的粗糙集理論對(duì)藻類水華的成因做主因素分析，在眾多的水體理化指標(biāo)和環(huán)境因素中求解出湖庫(kù)藻類水華的關(guān)鍵作用因子，確定藻類水華的預(yù)測(cè)指標(biāo)。
通過(guò)對(duì)水華預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行論證分析，根據(jù)圓明園遺址公園的實(shí)際情況，初步考慮利用水體的三類指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：
1. 基本指標(biāo)，是碳（COD表示）、氮(TN或NH3-N表示)、磷（TP表示），代表了藻類生長(zhǎng)所必須的碳源、磷源和氮源；
2. 表征指標(biāo)，葉綠素a、溶解氧、pH、氧化還原電位、水溫，表征了水華發(fā)生時(shí)造成的藻類生長(zhǎng)和水體混濁的幅度、理化指標(biāo)變化；
3. 環(huán)境指標(biāo)，光照強(qiáng)度、氣溫、風(fēng)力和氣壓，這是藻類細(xì)胞生長(zhǎng)密切相關(guān)的環(huán)境指標(biāo)
通過(guò)對(duì)這三類指標(biāo)的時(shí)變規(guī)律的綜合分析研究，以提高對(duì)對(duì)水華暴發(fā)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)時(shí)準(zhǔn)確度。

（4）、研發(fā)中心的實(shí)驗(yàn)室模擬仿真研究
針對(duì)圓明園歷史數(shù)據(jù)稀缺的問(wèn)題，在前期研發(fā)中利用安恒水環(huán)境監(jiān)測(cè)研發(fā)中心陽(yáng)光房實(shí)驗(yàn)基地見(jiàn)圖2，圖3，采集圓明園水體，調(diào)整不同的氮磷比，對(duì)水華發(fā)生過(guò)程進(jìn)行模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，具體模擬實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)在4－8月進(jìn)行，每次實(shí)驗(yàn)周期約15天，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和頻率與圓明園監(jiān)測(cè)子站相同。

（5）、圓明園監(jiān)測(cè)子站的建立
1.智能氣象監(jiān)測(cè)站，可在線測(cè)定光照強(qiáng)度、紫外線強(qiáng)度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)力、氣壓等。(不在本次系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容之內(nèi)，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于位于北京工商大學(xué)的研發(fā)中心智能氣象站)
2. 多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀，安裝在得勝蓋無(wú)人小島的監(jiān)測(cè)水域，可測(cè)葉綠素a、NH3-N、濁度、溶解氧、pH、氧化還原電位、水溫。監(jiān)測(cè)子站在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)常規(guī)每小時(shí)采集、存儲(chǔ)和發(fā)送一次，在水華爆發(fā)期間可以實(shí)施加密監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。
3.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建：對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，*步的工作是將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)智能RTU綁定在現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器上，RTU軟件集成在GPRS模塊FLUSH中，軟件主要包括三方面：與監(jiān)控中心交互信息、水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢查及異常處理等。其中交互信息的主要功能是接受監(jiān)控中心下達(dá)命令和數(shù)據(jù)并作相應(yīng)處理，根據(jù)監(jiān)控中心命令要求數(shù)據(jù)的類型和格式上傳RTU采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集可以是對(duì)某一水質(zhì)參數(shù)單采集或是按照預(yù)先設(shè)定時(shí)間間隔對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集；查詢和異常處理負(fù)責(zé)不間斷地監(jiān)控RTU的運(yùn)行情況，并立即上報(bào)監(jiān)控中心。全部數(shù)據(jù)在 GPRS VPN網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行，GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、GPRS傳輸模塊、SIM 卡等組成；要求所有 GPRS 終端之間可以直接通訊，主服務(wù)中心的數(shù)據(jù)中心由具有固定IP 地址計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)通訊軟件等組成，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)。該遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括中心監(jiān)測(cè)模塊、分中心監(jiān)測(cè)模塊1、分中心監(jiān)測(cè)模塊2、次級(jí)分中心監(jiān)測(cè)模塊1、次級(jí)分中心監(jiān)測(cè)模塊2、終端采集處理模塊1、終端采集處理模塊2、終端采集處理模塊3、終端采集處理模塊4，中心監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)的主服務(wù)器與鏡像服務(wù)器通過(guò)兩個(gè)固定的公網(wǎng)IP之間的虛擬網(wǎng)絡(luò)(VPN)相連，中心監(jiān)測(cè)模塊、分中心監(jiān)測(cè)模塊1、分中心監(jiān)測(cè)模塊2、次級(jí)分中心監(jiān)測(cè)模塊1、次級(jí)分中心監(jiān)測(cè)模塊2、終端采集處理模塊1、終端采集處理模塊2、終端采集處理模塊3、終端采集處理模塊4均以寬帶的接入方式接入Internet并建立虛擬網(wǎng)絡(luò)(VPN)。分中心監(jiān)測(cè)模塊1得到中心監(jiān)測(cè)模塊的*，可對(duì)次級(jí)分中心監(jiān)測(cè)模塊1傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息和設(shè)備進(jìn)行處理和控制；分中心監(jiān)測(cè)模塊2得到中心監(jiān)測(cè)模塊的*，對(duì)次級(jí)分中心監(jiān)測(cè)模塊2傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息和設(shè)備進(jìn)行處理和控制；次級(jí)分中心監(jiān)測(cè)模塊1得到中心監(jiān)測(cè)模塊的*，對(duì)終端采集處理模塊1、2傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息和設(shè)備進(jìn)行處理和控制；次級(jí)分中心監(jiān)測(cè)模塊2得到中心監(jiān)測(cè)模塊的*，對(duì)終端采集處理模塊3、4傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息和設(shè)備進(jìn)行處理和控制。需要精細(xì)化監(jiān)測(cè)時(shí)，可以設(shè)置更復(fù)雜的分級(jí)監(jiān)測(cè)。終端采集處理模塊包括智能終端器、數(shù)據(jù)采集器，智能終端器通過(guò)繼電器（于本實(shí)施例中以繼電器連接為例，也可采用其他連接方式）與數(shù)據(jù)采集器以電路相連，該智能終端器為含有嵌入式Linux開(kāi)源系統(tǒng)腳本的智能型遠(yuǎn)程測(cè)控單元裝置(RTU)，其內(nèi)部設(shè)置有龍芯芯片，并且使用基于嵌入式Linux系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，使用LAMP(Linux-Apache-Mysql- PHP ) Web為開(kāi)發(fā)構(gòu)架，并包含一通信處理器模塊(Communications Processor Module,CPM)，并且該終端采集處理模塊借助該通信處理器模塊以無(wú)線方式(如GPRS、CDMA、3G、CITYWIFI等)或者有線方式(如ADSL、寬帶等)接入互聯(lián)網(wǎng)(Internet)，構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)(VPN) 。當(dāng)具有上述結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于水網(wǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備先收集各個(gè)終端的水的具體數(shù)據(jù)，之后通過(guò)繼電器傳輸?shù)街悄芙K端器，智能終端器內(nèi)的程序開(kāi)始運(yùn)行，處理收集到的數(shù)據(jù)，之后發(fā)給通信處理器模塊(CPM)，再通過(guò)無(wú)線方式或者有線方式接入互聯(lián)網(wǎng)(Internet)，水的數(shù)據(jù)信息通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)(VPN)逐層傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心的中心監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)，中心監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)的主服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存，完成水?dāng)?shù)據(jù)采集過(guò)程。如果主服務(wù)器受到攻擊或者出現(xiàn)其他情況而出現(xiàn)故障時(shí)，采集和處理的水?dāng)?shù)據(jù)信息就會(huì)優(yōu)先選擇鏡像服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，則鏡像服務(wù)器成為主服務(wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存，而此時(shí)原主服務(wù)器通過(guò)修復(fù)故障之后接收到的數(shù)據(jù)來(lái)修補(bǔ)故障時(shí)期內(nèi)的數(shù)據(jù)損失。
4.太陽(yáng)能供電電源系統(tǒng)隨水質(zhì)分析儀器安裝在監(jiān)測(cè)水域岸上，由太陽(yáng)能板、12-24VDC太陽(yáng)能電池組、電源轉(zhuǎn)換設(shè)備等組成。電源系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)子站提供24小時(shí)供電。
5．圓明園監(jiān)測(cè)中心現(xiàn)場(chǎng)工作站內(nèi)放置于科技辦公室，通過(guò)工作終端計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（包括常常規(guī)五參數(shù)、葉綠素、藍(lán)綠藻）、已經(jīng)自動(dòng)入庫(kù)的協(xié)作實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)（COD、N、P）、智能化預(yù)警結(jié)果（歷史數(shù)據(jù)+預(yù)測(cè)曲線）表現(xiàn)在地理屬性的地圖上，將來(lái)還可以開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)測(cè)。
6．COD、TN、TP隔日測(cè)定一次，由實(shí)施方組織進(jìn)行，圓明園協(xié)調(diào)配合?，F(xiàn)已委托清華大學(xué)環(huán)境工程系實(shí)驗(yàn)室作為協(xié)作實(shí)驗(yàn)室，由清華方面負(fù)責(zé)采樣、分析和通過(guò)協(xié)作實(shí)驗(yàn)室終端，數(shù)據(jù)人工錄入后自動(dòng)向主數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)入庫(kù)。
為圓明園遺址公園建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，我們必須把環(huán)境友好放到重要的位置。城市湖庫(kù)藻類水華實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能化預(yù)警系統(tǒng)主要具備以下環(huán)境友好的條件：
1、該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器非常緊湊、小巧，僅需要簡(jiǎn)單位置固定，無(wú)需施工工程，且監(jiān)測(cè)的方法均為物理方法，儀器本身不使用、不消耗、不產(chǎn)生任何有毒有害的試劑和廢棄產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境非常安全，原來(lái)是設(shè)計(jì)應(yīng)用于城市供水水源地自來(lái)水凈水廠取水口進(jìn)行的水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。
2、該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀器供電采用太陽(yáng)能供電，配有一個(gè)普通鉛酸蓄電池組用于在陰雨氣象條件下供電，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)市電供應(yīng)，幾乎沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)的施工工程，對(duì)環(huán)境景觀不會(huì)造成負(fù)面影響。
3、該系統(tǒng)采用公用GSM網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，沒(méi)有通信干擾，也無(wú)需申請(qǐng)無(wú)線通信頻點(diǎn)，也不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的集群通訊指揮調(diào)度系統(tǒng)造成影響。

（6）、 研發(fā)服務(wù)中心的建設(shè)
1．中心應(yīng)用軟件運(yùn)行在位于北京工商大學(xué)信息工程學(xué)院的研發(fā)服務(wù)中心的服務(wù)器上，包括數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)、水質(zhì)評(píng)價(jià)、水華預(yù)測(cè)算法等應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行程序兩大部分。
2．?dāng)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)
通過(guò)水體采樣實(shí)驗(yàn)室分析、現(xiàn)場(chǎng)在線采集數(shù)據(jù)和模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等大量的水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)場(chǎng)、模擬和歷史數(shù)據(jù), 對(duì)圓明園遺址公園水域監(jiān)測(cè)地區(qū)的水華產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行深入的機(jī)理分析，研究、改進(jìn)適用于本水域的水華形成特點(diǎn)的過(guò)程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 解決復(fù)雜的非線性生化過(guò)程的數(shù)學(xué)建模問(wèn)題。將過(guò)程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與進(jìn)化算法結(jié)合，使之在運(yùn)行過(guò)程中能夠感知其環(huán)境的變化，能以進(jìn)化的方式相應(yīng)地改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，自動(dòng)地調(diào)整學(xué)習(xí)算法，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)或結(jié)構(gòu)。提高處理復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)建模能力、提高數(shù)學(xué)模型和軟測(cè)量的適用范圍。
3．與研究
研究采用過(guò)程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法，過(guò)程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)用于研究輸入/輸出為時(shí)間函數(shù)的泛函的逼近問(wèn)題，利用過(guò)程神經(jīng)元所具有的對(duì)時(shí)間變量的非線性映射能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入、輸出之間的連續(xù)映射關(guān)系。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由加權(quán)、聚合和激勵(lì)運(yùn)算三部分組成，可建立具有多隱層的復(fù)雜過(guò)程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)神經(jīng)元不同之處在于過(guò)程神經(jīng)元的輸入和權(quán)值可以是時(shí)變的，其聚合運(yùn)算既有對(duì)空間的多輸入?yún)R聚，也有對(duì)時(shí)間過(guò)程的積累，具體表現(xiàn)在過(guò)程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)引入了權(quán)值基函數(shù)和積分運(yùn)算。
對(duì)系統(tǒng)的軟測(cè)量模型在計(jì)算機(jī)用MATLAB進(jìn)行數(shù)字仿真，分析結(jié)果，研究系統(tǒng)預(yù)警的方法。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法采用Visual Basic編程實(shí)現(xiàn)，利用MATLAB提供的引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)MATLAB軟預(yù)測(cè)器集成到Visual Basic開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)程序中。提供易操作的友好界面。
由此建立的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有檢測(cè)數(shù)據(jù)的整理與分析、數(shù)學(xué)模型建立、模型自校正、水體富營(yíng)養(yǎng)化軟測(cè)量、水華預(yù)測(cè)預(yù)警、水華預(yù)防和治理方案優(yōu)化比較等實(shí)用性功能。
（7）、系統(tǒng)軟件的構(gòu)建
系統(tǒng)采用VB語(yǔ)言、MATLAB語(yǔ)言及SQL Server2000數(shù)據(jù)庫(kù)，建立水質(zhì)監(jiān)控與分析、水華預(yù)測(cè)系統(tǒng)。
系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為以下三部分：前臺(tái)的應(yīng)用程序、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)及仿真程序。本應(yīng)用程序在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用SQL Server2000創(chuàng)建后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)期水質(zhì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，以保證數(shù)據(jù)的安全，供分析及參考使用；系統(tǒng)采用MATLAB程序完成水質(zhì)分析與水華預(yù)測(cè)的相關(guān)算法，與前臺(tái)應(yīng)用程序通過(guò)COM技術(shù)建立聯(lián)系；前臺(tái)應(yīng)用程序是在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)友好的用戶操作界面并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)方法的處理，以圖形和數(shù)據(jù)結(jié)合方式，通過(guò)可視化界面隨時(shí)動(dòng)態(tài)顯示水質(zhì)監(jiān)控與分析、水華預(yù)測(cè)結(jié)果。同時(shí)該應(yīng)用程序還具有報(bào)表顯示、打印、存儲(chǔ)等功能。
五 系統(tǒng)研發(fā)的主要難點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新
（1） 系統(tǒng)研發(fā)主要難點(diǎn)
1. 水華發(fā)生還有一些機(jī)理不清楚，系統(tǒng)研制需要面對(duì)各種外生和內(nèi)生的不確定性因素，造成預(yù)測(cè)精度不高的問(wèn)題，需要通過(guò)智能理論優(yōu)化模型算法來(lái)解決。
2. 水華形成過(guò)程中的非線性、復(fù)雜性和多因素相互作用，水華爆發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)或稱臨界點(diǎn)的復(fù)合多相性，直接造成建立機(jī)理評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)模型的困難，需要通過(guò)粗糙集、主成因分析等模糊評(píng)價(jià)方法詮釋。
3. 使用相對(duì)稀疏的數(shù)據(jù)，難以建立的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，做到實(shí)時(shí)對(duì)比、動(dòng)態(tài)擬合困難，解決這些問(wèn)題，需要通過(guò)建立集成的、多源的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)水華預(yù)測(cè)功能。
4. 水華爆發(fā)是眾多因素共同作用的產(chǎn)物，系統(tǒng)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)就包括了三大類的指標(biāo)，在眾多水華影響因素的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息的融合基礎(chǔ)上，尋求水華爆發(fā)與這些影響因素間的影射關(guān)系。
5.藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)涉及環(huán)境、生物、化學(xué)、物理、氣象、水文等多個(gè)學(xué)科，對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的要求也較高，不僅要求有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)跨學(xué)科知識(shí)背景和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)同樣非常的重要。
（2） 系統(tǒng)研發(fā)主要技術(shù)創(chuàng)新
1. 運(yùn)用基于龍芯和LINUX的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成定點(diǎn)和移動(dòng)式的水質(zhì)參數(shù)采集和無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲得在線監(jiān)測(cè)引發(fā)水華暴發(fā)的水質(zhì)參數(shù)變化趨勢(shì)。
2． 多源信息融合技術(shù)在水華預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用。所謂信息融合是針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中使用多種傳感器這一特定問(wèn)題而開(kāi)展的一種全新的信息處理方法。它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的若干傳感器的觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則下，加以自動(dòng)分析與整合，以完成所需要的決策和估計(jì)任務(wù)。其中融合是一種形式框架，在這一框架下，可以融合來(lái)自不同來(lái)源、不同模式、不同媒質(zhì)、不同時(shí)間地點(diǎn)、不同表現(xiàn)形式的信息，目的是為了得到對(duì)感知對(duì)象(諸如河湖水華)更為精確的表述。信息融合的過(guò)程是用數(shù)學(xué)方法和技術(shù)工具綜合不同信息源，目的是得到高品質(zhì)的、反映被感知對(duì)象的有價(jià)值信息。
信息融合技術(shù)還可提高水華預(yù)警信息的時(shí)間與空間分辨率，擴(kuò)展水華預(yù)警信息的時(shí)空監(jiān)測(cè)范圍；可以增加水華目標(biāo)特征矢量的維數(shù)，降低水華預(yù)警信息的不確定性與預(yù)警推理的模糊程度；同時(shí)，可以增強(qiáng)水華預(yù)警決策支持系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和自適應(yīng)能力，提高系統(tǒng)的可靠性與魯棒性(robustness)。
3. 對(duì)于湖庫(kù)藻類水華智能階段性預(yù)測(cè)模型采用了藻類水華短期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型和中期支持向量機(jī)(support vector machines，SVM)的預(yù)測(cè)模型相結(jié)合的方式。
4. 城市湖庫(kù)藻類水華智能預(yù)警與控制系統(tǒng)：開(kāi)發(fā)用于湖庫(kù)藻類水華預(yù)警與控制系統(tǒng)，對(duì)水華發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，為水環(huán)境治理提供控制策略。
5. 環(huán)境友好：該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器非常緊湊、小巧，僅需要簡(jiǎn)單位置固定，無(wú)需施工工程，且監(jiān)測(cè)的方法均為物理方法，儀器本身不使用、不消耗、不產(chǎn)生任何有毒有害的試劑和廢棄產(chǎn)物，現(xiàn)場(chǎng)儀器供電采用太陽(yáng)能供電，系統(tǒng)通信采用公用GSM網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，不會(huì)產(chǎn)生任何通信干擾。
6. 針對(duì)系統(tǒng)的野外應(yīng)用，*使用而很少有機(jī)會(huì)維護(hù)，從而在系統(tǒng)在傳輸可靠性和功耗上提出了較高的要求，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用龍芯芯片，它采用*的四發(fā)射超標(biāo)量超流水結(jié)構(gòu)，片內(nèi)一級(jí)指令和數(shù)據(jù)高速緩存各64KB，片外二級(jí)高速緩存多可達(dá)8MB.頻率為1000MHz，功耗為3-5瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外同類芯片。大大降低了系統(tǒng)運(yùn)作的能耗。
7. 系統(tǒng)使用的虛擬網(wǎng)絡(luò)(VPN)建立在互聯(lián)網(wǎng)(Internet)上并以超文本傳輸協(xié)議(HTTP)相連接。使得數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)傳輸安全性得到了很大的提高。
8. 系統(tǒng)使用了Linux操作系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸，大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。
六、總結(jié)
城市湖庫(kù)藻類水華實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能化預(yù)警系統(tǒng)是安恒公司歷時(shí)多年，進(jìn)行大量的理論研究和實(shí)踐活動(dòng)，協(xié)調(diào)多方面資源而研發(fā)成功、擁有國(guó)家軟件著作權(quán)的產(chǎn)品，該系統(tǒng)在大量水文數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)水華發(fā)生機(jī)理進(jìn)行深入分析和研究，探索并建立城市湖庫(kù)藻類水華預(yù)測(cè)的智能模型，同時(shí)，通過(guò)安恒公司“基于龍芯LINUX系統(tǒng)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”在水華預(yù)警技術(shù)上的集成應(yīng)用，解決了多源信息融合技術(shù)在湖庫(kù)水華預(yù)警中應(yīng)用的一系列難題，實(shí)現(xiàn)了湖庫(kù)水華自動(dòng)化預(yù)警與多尺度、多方法水體富營(yíng)養(yǎng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的無(wú)縫結(jié)合，探索一條用軟測(cè)量的方法，解決復(fù)雜的藻類水華監(jiān)測(cè)問(wèn)題，為保障城市河湖水系的復(fù)合功能，特別是保障城市供水水源的水質(zhì)安全提供技術(shù)支撐。
城市湖庫(kù)藻類水華實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能化預(yù)警系統(tǒng)作為上級(jí)主管部門的一項(xiàng)重要處理依據(jù)，有效提高管理安全系數(shù)，大限度地保護(hù)和利用城市的環(huán)境用水、減少水環(huán)境治理周期、減低能源消耗、提高治理效果，對(duì)城區(qū)湖庫(kù)乃至全國(guó)湖庫(kù)水華的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)與控制具有重要意義，可有效地緩解城市水資源緊缺的壓力，系統(tǒng)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，其推廣應(yīng)用可為社會(huì)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于促進(jìn)我市及我國(guó)水資源保護(hù)具有很大的推動(dòng)作用，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)節(jié)約型社會(huì)建設(shè)的具體工作和實(shí)際行動(dòng)。