面向应急监测的河道污染源追踪定位方法研究

摘要

水体污染源的追踪与定位是水质监测的重要手段，快速、可靠的污染源定位方法结合便捷、高效的移动水质监测设备能够在常规排污控制、突发性水体污染事故治理中起到关键性作用，可作为有关部门整治污染来源、提升受污水质、改善水体环境的重要手段。
　　本文设计开发移动水质监测平台，提出一种河道污染源追踪定位方法，重点研究追踪定位过程中的方向策略、步长策略以及每个步长的运动路径规划方法。方法的整体性能分别在仿真环境和实验环境中得到验证。
　　论文主要工作和创新点为:
　　(1)结合自然河道污染物扩散模型特点提出一种边界约束条件下的河道污染源追踪定位方法。方法在行为规划法和浓度梯度法的基础上，做改进和完善，并加入边界处理方法以适应实际河道的复杂环境。在河道污染物二维扩散仿真环境中，对所提方法进行验证，同时与现有的两种经典方法作对比分析。结果表明，所提方法在适用性、定位效率、定位精度等方面都有较优的性能。
　　(2)针对实际河道存在边界且可能存在障碍物的特点，提出污染源追踪定位过程中解决避障问题的运动路径规划方法。方法以标准遗传算法为基础，改进编码方式、初始种群产生方式、评价函数选择、交叉和变异方式，并加入了插入算子和路径平滑优化方法。将运动路径规划方法和污染源追踪定位方法在带有障碍物的河道污染物二维扩散仿真环境中做验证，结果表明，过程中的每个步长都能找到避开障碍物的安全最短运动路径。
　　(3)结合移动水质监测技术，设计开发了河道水质扩散模拟系统实验平台。该平台可以模拟污染物的不同排放位置、不同排放量、环境中有无障碍物等多种实验场景。论文设计实验方案验证本文所提方法，通过对实验过程和结果的分析指出所提方法的性能优势和待改进之处，也提出了后续工作的开展方向。
　　(4)设计开发了面向应急监测的移动水质监测平台作为河道污染源追踪定位的执行载体，包含移动水质监测船、远程监控中心、手持遥控器三部分。平台具有实时定位监控（差分GPS定位）、自主航行、立体采取水样、水质参数在线测量、无线控制与数据传输五大基本功能。平台在钱塘江进行了多次试运行并开展了初步的应急监测实验。

目录

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致谢

摘要

插图与附表清单

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 污染源追踪定位方法研究现状

1．2．2 移动水质监测研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 课题的提出

1．3．2 研究内容与技术路线

1．3．3 章节内容安排

1．4 本章小结

第2章 边界约束条件下的河道污染源追踪定位方法

2．1 河道污染源追踪定位概述

2．1．1 污染源追踪定位基本概念

2．1．2 河道污染物扩散

2．2 现有水体污染源追踪定位方法

2．2．1 基于行为规划的污染源追踪定位方法

2．2．2 基于浓度梯度的污染源追踪定位方法

2．3 边界约束条件下的河道污染源追踪定位方法

2．3．1 追踪定位预处理

2．3．2 污染带搜寻

2．3．3 污染源跟踪

2．3．4 污染带偏离

2．3．5 污染源确认

2．3．6 河道污染源追踪定位过程中的边界处理方法

2．4 边界约束条件下的河道污染源追踪定位方法仿真实现

2．4．1 河道污染物二维扩散模型介绍及仿真

2．4．2 污染源追踪定位方法实现

2．5 本章小结

第3章 移动水质监测船运动避障路径规划方法

3．1 水体污染源追踪定位过程中的避障问题

3．2 现有路径规划方法

3．2．1 传统方法

3．2．2 智能方法

3．3 基于改进遗传算法的移动水质监测船运动路径规划方法

3．3．1 个体编码

3．3．2 初始种群产生

3．3．3 评价函数的选择

3．3．4 遗传算子

3．3．5 遗传参数设计

3．3．6 终止条件

3．3．7 路径优化

3．4 基于改进遗传算法的移动水质监测船运动路径规划方法仿真实现

3．5 本章小结

第4章 面向应急监测的河道污染源追踪定位实验研究

4．1 实验目的

4．2 实验方案介绍

4．2．1 实验设计与可行性分析

4．2．2 实验平台介绍

4．2．3 实验步骤介绍

4．3 实验结果与分析

4．4 本章小结

第5章 面向应急监测的移动水质监测平台设计开发

5．1 移动水质监测平台框架与组成

5．1．1 移动水质监测船

5．1．2 远程监控中心

5．1．3 手持遥控器

5．2 移动水质监测平台功能介绍

5．3 其他关键技术

5．3．1 远程监控中心辅助功能

5．3．2 差分GPS定位

5．4 移动水质监测平台应用试验

5．4．1 自主航行测试

5．4．2 立体采样测试

5．4．3 水质参数在线测量与污染带循迹测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 工作展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间的研究成果

作者简介