无线传感器网络下水污染源定位技术研究

The research of water pollution source localization has important significance to the timely control of water pollution and water environmental protection. The sensor networks is based on a large number of low-cost nodes, can monitor large-scale areas without being restricted by geographical environment. The present water pollution monitoring works using wireless sensor networks mostly stay in the primary stage, which is the "water quality monitoring". In these works, the pollution source localization problem in specific water scene did not been discussed. This project studyies water pollution source localization based on water pollution diffusion theory, including pollution source detection and pollution source localization algorithms. The main research problems: (1) the localization of a offshore pollution source in a lake, a reservoir or a river; (2) the localization of a mobile pollution source in static water. The team has rich accumulation of related research. The research questions with strong innovative blend multidisciplinary technologies such as parameter estimation, mathematical statistics, state filtering, have a certain scientific significance and a broad application prospect.

水污染源定位对及时治理水污染，保护水环境有重要意义。无线传感器网络具有成本相对低廉、监测范围广、不受地理位置限制等诸多优点。目前应用无线传感器网络进行水污染监测的工作大多停留在"水质监测"这一初级阶段,并未在具体水体场景下深入探讨水污染源定位问题。本项目将基于水污染扩散理论研究不同水体中的污染源定位问题，包括污染源探测与具体的污染源定位算法两方面，重点解决：(1)湖泊、水库、河流中的近岸污染源定位问题；(2)静态水体中移动的污染源定位问题。项目课题组已有丰富的相关研究积累，拟研究问题实用性强，融合了参数估计、数理统计、状态滤波等多领域交叉技术，既有一定的科学意义，也有广泛的应用前景。

水污染源定位对及时治理水污染，保护水环境有重要意义。无线传感器网络具有成本低廉、监测范围广、不受地理位置限制等诸多优点。本项目主要内容为基于水污染扩散理论，利用无线传感器网络技术进行不同水体中的污染源定位，包括污染源探测问题与污染源定位问题两方面。项目研究结果可为提高大面积水域污染监测的准确性和实时性以及定位水污染源并及时处理污染提供理论指导和技术支持。具体研究内容和结果如下：..研究了水污染探测问题,针对静态污染源探测与动态污染源探测中的各类探测问题，分别在正态样本分布和非正态样本分布情况下进行讨论，采用假设检验方法求解，给出了相关二值假设、检验统计量与检验方法。 ..研究了静态水体中的污染源定位问题。在静态二维水污染扩散模型下，减小参数估计问题中质量流量和初始扩散时间参数对污染源位置估计的影响，提出了仅包括污染源位置的水污染源定位问题，并采用了无迹卡尔曼滤波方法求解该定位问题；水体中污染物浓度场等位线存在着对称性，根据此特征定位水体中的污染源,提出了基于浓度场等位线形态的水污染源定位算法以及一种水污染源质心定位算法。在二维水污染源定位研究的基础上，探讨了三维水污染扩散模型下的水污染源定位问题，基于时空采样数据，利用无迹卡尔曼方法进行了求解。..研究了河流动态水体中污染源定位问题，分析了河流污染扩散模型，给出了一种处理完全吸收边界，不完全反射边界以及完全反射边界的通用河流污染源稳态扩散模型。提出了一种改进型最小二乘污染源定位算法。..研究了移动污染源追踪问题，对比了四种追踪算法，即基于最小二乘的实时解析定位算法、基于最接近点(CPA) 的粗略实时定位算法、基于质心算法的粗略实时定位算法以及基于粒子滤波的追踪算法的性能，指出了不同算法的适应性。..实验室环境下搭建了一套基于无线传感器网络的水污染监测原型系统。总结了传感器网络下各类水污染(源)探测和污染源定位方法，指出了各种方法的优缺点和环境适应性，并提出了该研究主题中一些尚需解决的问题。