（机械电子工程专业论文）基于spc的近海水体环境参数监控系统的研究与开发.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于s p c 的近海水体环境参数监控系统的研究与开发 摘要 近海水体环境参数的监控与预测技术是发展海洋经济的有力技术支撑，对开发海洋 资源、有效保护海洋环境和提高海洋综合管理能力有着举足轻重的作用。为满足近海水 体环境参数长期、实时监控的需求，针对近海水体环境参数数据量小、不易精确监控和 预警等问题，提出了一种面向近海海洋环境的结合水体环境参数聚类分析的统计过程控 制( s p c ) 方法，并根据该方法设计了一套基于s p c 的近海水体环境参数监控系统进行 研究和论证。本文完成的主要研究工作如下： 1 分析近海水体环境参数的数据特征，比较常用水体环境参数监控方法，建立近 海水体环境参数s p c 动态模型，以能检测微小波动的e w m a 控制图实现水体环境参数 的过程监控。 2 针对近海水体环境参数数据量小、不易精确监控的问题，提出一种面向近海海 洋环境的结合水体环境参数聚类分析的s p c 监控方法，并采用多属性决策( m ) 方法解决水体环境参数e w m a 控制图的聚类问题。 3 阐述基于s p c 的近海水体环境参数监控系统的设计目标、设计要求和设计思路， 并根据系统的总体设计确立各个模块功能和实现方法。根据目前已有的判别准则，结合 近海水体环境的实际情况设计相应的e w m a 控制图失控模式判别准则。 4 采用d e l p h i 开发平台开发一套基于s p c 的近海水体环境参数监控系统，验证基 于s p c 的近海水体环境参数监控方法的正确性，该系统实验结果表明该系统具有很强的 实用性，具备一定的应用价值。 本文通过对结合水体环境参数聚类分析的s p c 监控方法的研究，为近海水体环境参 数监控系统的实现和良好运行打下了扎实的基础，同时为水体环境参数监控方法的发展 做出了贡献。 关键词：水体环境参数，s p c ，聚类分析，判别准则，监控系统 摘要 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v o l p t m e n to n e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a l 後t e r m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ns p c a b s t r a c t t h em o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n gt e c h n o l o g yo fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e r i st h es t r o n gt e c h n i c a ls u p p o r tf o rd e v e l o p m e n to f m a r i n ee c o n o m y i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e o nt h ed e v e l o p m e n to fm a r i n er e s o u r c e s ，e f f e c t i v ep r o t e c t i o no ft h em a r i n ee n v i r o n m e n ta n d t oi m p r o v ei n t e g r a t e do c e a nm a n a g e m e n t t om e e tt h ed e m a n do ft h el o n g - t e r m ，r e a l t i m e m o n i t o r i n go fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s o fc o a s t a l w a t e r , f o rt h e d a t av o l u m eo f e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e ri ss m a l l a n dd i 伍c u l tt oa c c u r a t e l ym o n i t o ra n d e a r l yw a r n i n g ，t h ep a p e rp r o p o s e sas t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ( s p c ) m e t h o df o rt h ec o a s t a l m a r i n ee n v i r o n m e n t ，w h i c hc o m b i n e do fc l u s t e ra n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d , d e s i g n e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e rm o n i t o r i n gs y s t e mf o rr e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a t ao fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e r , c o m p a r ec o m m o nm o n i t o t i n gm e t h o d so fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fw a t e r , e s t a b l i s ht h e s p cd y n a m i cm o d e lo fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e r , a c h i e v et h ep r o c e s s m o n i t o r i n go fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e rt h r o u g ht h ee w 队c o n t r o lc h a r t w h i c hb ea b l et od e t e c tt i n yf l u c t u a t i o n s 2 t ot h ep r o b l e mo ft h es m a l la m o u n to fd a ma n dn o te a s yt op r e c i s e l yc o n t r o l ，p r o p o s e as p cm e t h o df o rt h ec o a s t a lm a r i n ee n v i r o n m e n t 。w h i c hc o m b i n e do fc l u s t e ra n a l y s i sa w a t e r - b a s e dc l u s t e ra n a l y s i s ，a n dm a k em u l t i a a f i b u t ed e c i s i o nm e t h o d ( m a d m ) t os o l v et h e p r o b l e mo fc l u s t e r i n go fe n v i l o n m e n t a lp a r a m e t e r so f w a t e r 3 d e s c r i b e dt h ed e s i g ng o a l s ，d e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g ni d e a so fe n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n da c c o r d i n g t ot h eo v e r a l ld e s i g no fs y s t e m ， e s t a b l i s ht h ef e a t u r e sa n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sf o re a c hm o d u l e a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n g c r i t e r i o n , c o m b i n ew i t ha c t u a ls i t u a t i o no fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e r , d e s i g n a p p r o p r i a t ec o n t r o lm o d e c r i t e r i o nf o re w m ac o n t r o lc h a r t 4 d e l p h ii su s e dt od e v e l o pa ne n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e rm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do ns p c w h i c ht ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a l w a t e rm o n i t o r i n gm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sas t r o n gp r a c t i c a la p p l i c a b i l i t y 1 1 i a b s i r a c r a n dac e r t a i nv a l u e t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h es t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ( s p c ) m e t h o d ，w h i c hc o m b i n e do f c l u s t e r a n a l y s i s ，l a y s as o l i df o u n d a t i o nf o rt 1 1 e r e a l i z a t i o na n dw e l l o p e r a t i o no f e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n da l s oc o n t r i b u t e st ot h e d e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fc o a s t a lw a t e rm o n i t o r i n gm e t h o d k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fw a t e r ，s p c ，c l u s t e ra n a l y s i s ，c r i t e r i o n ， m o n i t o r i n gs y s t e m i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 本课题是以国家科技支撑项目计划支柱项目“近海底和水体剖面生态与环境监测平 台及监测技术 ( 项目编号：2 0 0 8 b a c 4 2 8 0 1 ) 为基础展开的研究。在对近海水体环境参 数特性分析的基础上，结合s p c 方法在质量监控领域中取得的成果，展开对近海生态环 境参数的监控与预测，对近海资源可持续利用提供支持。 1 2 课题研究的背景及意义 近海是与人类活动相关最密切的海域，既是海洋渔业和养殖业等海洋经济产业开发 的优先区域，同时也是受到陆上倾倒、排污影响最直接的区岸海域【1 】。水文条件与近岸 以外海域相比存在一定差异，环境承受能力非常脆弱【2 】。2 0 1 0 年中国海洋环境状况公报 监测结果表明：我国近岸局部海域水质污染仍非常严重，劣四类严重污染海域面积约4 8 万平方公里，比2 0 0 9 年增加1 8 万平方公里。全海域水质污染面积的增加与2 0 1 0 年江 河入海径流量大幅增加，导致河流携带的污染物入海量大幅增加有关。劣四类海域主要 分布于大中型河口、部分海湾和大中城市近岸海域。海水中的主要超标物质是无机氮、 活性磷酸盐和石油类。此外，2 0 1 0 年全海域共发现赤潮6 9 次，累计面积1 0 8 9 2 平方公 里，与近1 0 年赤潮发生情况相比，2 0 1 0 年赤潮相对较少，但仍维持在较高水平【3 】。 由于强台风、大暴雨、大气中n o 。溶解、微生物分解等自然条件以及含氮、磷、c o d 的废水、生活污水等随径流入海等人为因素均会形成赤潮灾害。针对海洋赤潮灾害的特 点和规律，必须不断地加大赤潮灾害监测力度，提高赤潮灾害预警水平，完善应对赤潮 灾害的技术措施和管理对策【3 】。为了改善人为破坏以及自然灾害的双重影响，有效地保 护人类赖以生存的海洋水环境、推进海洋经济的可持续发展，发展海洋环境监测与预报 技术，建设近海环境参数监控系统，及时、准确地监测近海水体环境参数的变化趋势， 预测和控制近海水体污染，加强海水资源的统一管理等，都是目前迫切需要解决的重要 课题【蛔。 目前，国内外都已在积极研究和发展近海水体环境和生态监测技术，以求做到全面 第1 章绪论 地了解和掌握近海水体环境参数质量状况及其变化规律，为海洋经济的发展和海洋资源 的开发利用提供更为及时、有效的信息。这对提高近海水体环境的监测和实时水体数据 的获取能力，及时、准确地掌握我国近海水体环境变化情况，增强近海水体灾害预警能 力，最大程度地降低近海水体灾害造成的生命、财产的损失以及近海水体环境污染预防、 海洋生态环境的保护等都具有重要的理论意义及实用价值 4 1 。 随着信息化技术的发展，迫切需要改变传统的近海水体环境监测技术，改变过去人 工采集、人工检测的方法，因为其周期长、效率低，已无法满足现代管理背景的需求的 状况【7 1 ，所以研制一套由现场数据采集，并将采集的数据按照拟定的数据格式存放在开 辟的缓存区中，通过铱星s b d 透明数传电台发送至地面监控中心，进行数据管理分析 的近海水体环境参数监控系统，来监管污染物的排放以及监测赤潮等自然灾害的发生就 显得尤为重要。而赤潮等水体污染现象可从溶解氧、叶绿素a 、水温、盐度等参数的变 化中获得其可能产生的预报信息。随着各种水质传感器的逐渐成熟，以现代控制技术、 现代检测技术、无线通讯技术等现代高科技技术作为技术支撑，将这些参数作为主要的 监测对象达到对水体环境监控的目的。将采集到的近海水体环境参数实行实时管理，进 而进行海洋现况分析、海洋预警和预报等【8 】。 在获取准确的近海水体环境参数的基础上，运用合理有效的方法监控也非常重要。 目前，已有许多国内外学者采用数理统计法、灰色系统理论法、人工神经网络法等监测 并分析水体数据，也都取得一定的成果。s p c ( 统计过程控制) 在工业生产加工中，利 用小样本数据对生产过程进行精确控制已拥有了一定的理论基础并获得了很好的实际 应用。对近海水体环境参数进行统计特性分析可知，其数据变化情况与被加工零件的尺 寸波动情况具有一定的相似性，且由水质传感器采集获得的近海水体环境参数数据量相 对较小，仍属于小样本数据，而小样本数据在水质预测中无法获得较高预测精度，如何 提高小样本数据测量对水质的预测精度，使其能够达到大样本数据测量相同或者更好的 精度具有一定的研究价值。故将s p c 应用于海洋监控系统中，利用采集到的水体参数， 结合现有的计算机技术和通信技术，研究开发一套基于s p c 近海水体环境参数监控系 统，可加强对海洋水质的监控从而达到提前预警，防止水污染现象发生的目的，对今后 进一步的研究和开发近海水体环境监控系统有着重要的借鉴和理论指导意义。 1 3s p c 技术在工业控制领域的研究与应用 随着工业生产管理的发展，过程的预防与控制变得越来越重要。统计过程控制 浙江工业大学硕士学位论文 ( s p c s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 作为一种借助于数理统计方法的过程控制工具，近年 来获得广泛应用。s p c 技术在统计、分析质量数据后，通过辨别生产过程中的异常数据 波动，进而及时发出失控预警，提示管理者采取相应补救措施，从而更快地恢复产品的 稳定生产，提高生产产品的质型9 1 。 近年来，s p c 的研究已取得了很多新的进展，如基于过程建模的s p c 方法 1 0 - 1 1 】、基 于模糊理论的统计过程控制【1 2 - 1 3 、多元质量控制的s p c 方法【1 纠6 】、综合控制图方法 1 7 - 1 8 】、 面向小批量制造环境的s p c 方澍1 9 】。当缺乏足够数据时，传统的s p c 方法无法精确估 计过程参数f 2 0 】。不同类型的参数，其数据来源于不同的总体，且都涵盖了各不相同的过 程分布规律信息，如何把这些相异的信息融合成为有规律的分布信息，专家纷纷提出了 许多不同的处理方法。一是获取尽可能多的具有相似工序的质量数据，从而直接运用经 典的s p c 方法实现质量过程控制。二是采用基于b a y e s 预测的s p c 方法，设法将历史 数据与当前的小样本容量数据结合，同时考虑人的主观评价与判断，获得质量特性值的 优良估计，进而建立过程控制的动态模型，预测过程的变化，实现对小样本数据的质量 控制。三是利用基于过程建模的s p c 方法。基于过程建模的s p c 方法对质量变化的波 动具有较高的灵敏度，可专门针对小批量制造过程中样本数据缺乏进行研究，其常用的 控制图有c u s u m 和e w m a 两种。以上三种方法均有一定的局限性，因此在应用过程 中，通常以过程相似为出发点，采用控制图构建参数模型，结合数据变换、过程相似以 及过程控制图进行综合研究分析。 s p c 是为了制造加工环境下对工件质量进行监控预报，提前预测质量的变化，避免 出现工件废品。而研究开发海洋水体环境参数监控系统的目的就是对海洋水体环境参数 的监控预报，对水体环境参数的变化提前预警，防止出现赤潮等水体污染现象。海洋水 体环境参数为小样本数据，直接对其小样本数据进行质量监控，无法做到质量的精确监 控，借鉴小样本数据制造力n - r _ 过程中s p c 加工过程监控的良好应用，采用基于过程建模 的s p c 方法，将小样本数据与历史数据进行统计聚类分析，扩大样本容量，起到对水体 环境参数的精确监控和预测的作用。 1 4 近海水体环境参数监控预报的国内外研究现状 1 4 1 国外研究现状 近年来，随着传感器技术与网络化技术的快速发展，近海水质网络化监测技术受到 国内外学术界的高度重视，已取得大量的研究成果，并应用于各种海洋环境监控中。 第1 章绪论 比较典型的海洋环境数据监控信息平台有国际海洋监测g o o s 项目、美国海洋监测 i o o s 项目及东南大西洋近海监测信息系统s e a c o o s 2 。 由i o c ( i n t e r g o v e m m e n t a lo c e a n o g r a p h i cc o m m i s s i o n ) 于19 8 9 年提出的g o o s 计划， 旨在以目前现存的6 个全球系统为基础，建立一个包含全球海洋数据采集、传输、处理、 数值模拟以及数据产品服务的综合性业务系统。系统为海洋预报及研究、控制海洋污染、 海洋资源保护并合理开发等提供全面和系统的资料【2 2 】。该系统建立一个综合的、可持续 的监控平台，该平台能将测量和数据管理与分析有效地结合起来，从而实现海洋环境的 监测和预测。 2 0 0 4 年，在美国政府公布的美国海洋行动计划中宣布正式设立i o o s 项目工作 组。该项目组联合美国海洋与大气管理局、美国海军、国家科学基金会、美国环境保护 局等8 个部门和机构共同建立包括公海监测、沿岸监测在内的全方位的海洋监测系统。 该计划的目标是建立一个对生态系统和气候有自适应能力的、能在最大限度上减少自然 灾害和环境变化对人类影响的、拥有强大海上商业和运输能力的综合系统【2 3 1 。 东南大西洋沿海监测信息系统s e a - c o o s ( t h es o u t h e a s ta t l a n t i cc o a s t a lo c e a n o b s e r v i n gs y s t e m ) 是一个基于g i s 为基本框架的空间信息和非空间信息融合而成的区域 性海洋环境监测信息系统。该系统由数据采集、存储、处理和分析等几个模块组成，与 现有的其他监测系统不同之处在于该系统侧重海洋数据监控和海洋数据预测模型的建 立【2 4 1 。 综合海洋观测体系( i m o s ) 聚焦于海洋气候系统、大陆架边界流、生态系统以及 生物多样性的影响等问题，其在澳大利亚建立的最新海洋观察技术平台可用于持续的海 洋观测，该平台包括a r g o 断面浮标，自主滑翔机，采集船，搁板以及深水系泊设备， 沿海雷达系统，传感器网络，水声标记以及鱼类和哺乳类监控系统，遥感卫星，自主水 下工具等【2 5 1 。 s u n d a r a m b a lp a l a n i 等将人工神经网络( a n n s ) 应用于定量地预测海水质量，并且 在实际的应用中发挥了重要作用。这种方法的优势在于其既能描述线性和非线性的关 系，同时也能从这些被模拟的数据中直接地找出其关系。a n n 模型建立了快速评价和 预测领域的海水变量，此项研究在新加坡沿海水域的水质监测中已经被广泛应用【2 6 】。 r a jm o h a ns i n g h 和b i t h i nd a t t a 利用地下水径流的数值模拟模型形成a n n 地下水 污染源预测模型。其性能评价结果表明，基于a n n 模型的反向传播网络能获得隐藏的 当前测量值及相应的因果关系之前的联系，从而识别未知的地下水污染源【2 7 1 。 4 浙江工业大学硕士学位论文 s a d e l l a n a 和d w e s t 通过模拟污水的过程变量、流域变量以及2 类工作数据集， 比较了线性a r i m a 模型和非线性延时类神经网络模型两者在水质预测中的精确性。表 明延时类神经网络模型在应用2 类工作数据集时较a r i m a 模型具有更为精确的预测能 力1 2 8 1 。 h a r r i e tb l a c kn e m b h a r d 和m i n gs h u k a o 针对现有应用于稳定过程情况较好而由于 某些转变因子会导致出现假报警情况的控制图的问题，提出了一种涉及信号统计追踪的 e w m a 预测方法来描述其过程转变。仿真结果表明该方法具有较好的控制雌e 2 9 。 h a t z i k o s e 等尝试采用自适应滤波器预测海水参数，如水温、p h 以及溶解氧等的一 些数据指标，并与投影算法和最t j x - - 乘法这两种常用的预测方法进行比较。结果表明， 在相对静止的状态下，该方法比常用预测方法能提前一天预测海水参数【3 0 1 。 由此可见，目前国外监测预报水平已相对达到较高水平，在成功应用水体预测方法 的基础上，建立了相对成熟的监测一预测一预警为一体的立体式水体环境参数监控体 系。 1 4 2 国内研究现状 相比国外已经建立的大型海洋环境监控系统不同的是，目前国内这方面研究主要基 于常用的水质预测方法对海洋环境参数数据进行监控和预测，监控系统的建立相对不完 善【3 l 】。目前常用的水质预测方法主要包括数理统计预测法、灰色系统理论法、人工神经 网络预测法、水质模拟模型法、混沌预测法和投影寻踪回归法等。这些方法从不同的角 度在海洋环境监测方面取得大量的研究成果，并应用于很多实际的海洋环境监控中。 国家海洋环境监测中心设计的海洋环境监测数据远程编报系统是根据目前海洋环境 监测需求和发展趋势，研发制成的功能实用、监测效果良好的计算机软件系统。该系统 最为突出的特点是数据录入和校验自动化，相比于以前人为的录入和校验，该系统具备 了效率高、错误率低、操作方便等特点。该系统在实际的应用中表现出很不错的实用价 值【3 2 1 。 针对目前海洋监测需求，广东海洋大学提出了建立基于无线传感器网络的海洋生态 环境监测系统。该系统主要是应用无线传感器网络技术、嵌入式系统技术、现代网络、 无线通信技术和分布式智能信息处理技术，将所有的监测传感器通过无线网络技术组成 一个智能化的传感器监测网络，这样就能最大程度地提高传感器的监测能力。在实际的 应用中，该系统对海洋生态环境监测、海洋复杂气象与突发海洋灾害的预报预测、海洋 第1 章绪论 水质各类指标监测控制起到了很大的作用，体现了该系统的有效性和良好的稳定性【3 3 1 。 天津大学针对目前国内近海水质呈现出年周期性和相似性等特点，提出了一种全新 的基于近海水质污染监测数据变化的分形预测方法。该方法基于分形拼贴原理，通过仿 射变换的分形捅值方法计算出各个历史时间段水质变化的迭代函数系，同时根据近海水 质变化具备的年周期性的特点，对上述计算出的迭代函数系求和，这样就得到统计意义 上预测年份水质变化的迭代函数系。最后通过建立预测模型并且应用随机迭代算法求得 预测年份水质变化曲线的吸引子，从而得到对该年份的近海水质预测。该方法在实际的 应用中预测精度高、操作相对简单、实用性较强，为近海水质监测和管理提供了有力的 决策支持【3 4 1 。 中国水产科学研究院对基于g i s 技术进行海洋环境质量评价的研究是在应用g i s 技 术的基础上，对我国专属经济区生物资源进行调查，同时建立海洋生物资源栖息环境质 量评价的基本模型。该模型提出了相关的评价属性的数据库建立要点，同时将指标体系 的选取和评价模式作为重点，并且应用目前较为先进的分析算法进行优化改良。实际的 应用结果表明g i s 与评价模型的结合能有效地提高对海洋生物栖息环境监控的快速性 和准确性【3 5 】。 上海水资源开发利用国家工程中心建立的黄浦江在线水质监控和预警系统不同于普 通的水质监控系统，预警平台分系统的加入使得水质监控领域的发展又开辟了新的方 向。预警平台分系统作为整个水质监控系统的一部分，主要的作用是接收监测数据，并 对收到数据进行详细的分析、评估、判断。在监测区域水质发生异常状况和污染时发出 警报，同时也需要具备水质监测数据实时显示、查询、保存等功能。该系统三级联动的 监测体系，能有效地对水质和水质污染进行多级的监测和预警，从而大大提高对突发水 源水质污染事故的预警能力【3 6 | 。 中国环境科学研究院针对由于目前国内水环境监控技术上的不足而影响了监测的效 率和应用效果的问题，提出了水质监测的一致性原则。在总结发达国家水质监控技术方 面先进经验的基础上，同时根据国内的环境现状和技术特点，提出了水质监测的一致性 设计原则：监控目标水质和流域生态功能的一致性、监测水质的指标与目标区域污染特 征一致性、监测方法和质量控制一致性。该原则的提出在理论上填补了国内在该领域的 空白，同时也为未来国内水质监控发展具有中国特色的水质监控系统指明了方向3 7 1 。 中国农业大学朱秀娜等研究并开发了一个中国渔业在线水质监测系统，该系统结合 嵌入式网络伺服技术以及移动无线通讯技术，采用人工神经网络( a n n s ) 模型预测水 6 浙江工业大学硕士学位论文 质情况，结果表明多参数、长距离在线水质监测信息能够通过使用已建立的监测系统实 时、精确地获得并预测【3 8 】； 国家海洋局北海环境监测中心应用模糊综合评价方法对渤海湾生态监控区的水质 进行监控评价，构建的模糊综合评价模型，具有较好的精确性和可对比性，相比于单因 子指数法无法分析两种及两种以上因子对海水的综合影响，其对海水的总体状况及变化 趋势的评价具有综合性，同时应用效果良好【3 9 1 。 同济大学应用遥感技术监测水质在时间和空间尺度上的变化情况，监测到常规监测 方法无法获得的污染物迁移特征，并很大程度上提高了海洋环境参数的遥感估算精度， 其监测范围广，便于长期动态监控。但由于模型通用性不强，且对实际数据的依赖性强， 仍值得进一步的探讨研烈删。 分析国内对水体环境参数监控的研究现状，可见国内对水体环境参数监控的理论研 究相对成熟，提出了许多方法。但由于数据量的缺乏，使得在实际应用中存在一定的不 足，无法达到理论研究所预期的效果。 1 5 近海水体环境参数监控系统存在的问题 通过文献的查阅和研究，得知我国海洋环境参数监控系统的建设起步较晚，发展较 慢，海洋环境参数的信息处理及分析相对落后，在区域化海洋环境参数监控系统网络平 台的建设更是基本空白，这大大增加了构建国家海洋环境参数监控系统网络平台的难 度。而目前研究的展开，主要受到以下几个重要因素的影响和制约 2 1 4 1 】： ( 1 ) 缺乏对所监测参数实时的质量控制； ( 2 ) 不能及时、准确地发布报警提示，从而做出正确的响应行为。 ( 3 ) 区域性和局部地区海洋环境参数连续监测的缺乏； ( 4 ) 目前现存的各个监控系统无法实现数据共享； 针对( 1 ) 、( 2 ) 这两个影响因素，本文提出面向近海海洋环境的基于s p c 的近海水 体环境参数监控方法，建立相应的监控平台，尝试解决目前所面临的问题，希望能在一 定程度上提高近海水体环境参数监控的能力。 1 6 主要内容和论文结构 鉴于水体环境参数监控对近海环境监测的重要性以及海洋环境的特殊性，本文在分 析了水体参数特征的基础上，主要探讨了s p c 技术在近海水体环境参数监控领域的应 7 第1 章绪论 用。该技术已在零件加工中被广泛使用，将其应用于海洋水体这一特殊环境是一种全新 的尝试。以将不同空间尺度的水体参数统计聚类后建立的e w m a 控制图模型为理论基 础，采用d e l p h i 技术开发平台设计一套地面中心监控系统来完成数据的接收、管理、实 时监控及预警等功能，解决了由于水体环境参数数据量小而使得预测精度受限的问题， 使其能够达到与大样本数据测量相同或者更好的精度。 本文的主要研究内容安排如下： 第1 章介绍了课题的研究背景及意义，归纳、分析了国内外海洋环境监控系统的研 究现状。进而针对目前海洋环境监控面临的问题和制约因素，提出了基于s p c 的近海水 体环境参数监控系统的研究课题。 第2 章探讨了目前常用的水体环境参数监控模型，分析了近海水体环境参数的数据 特征。进而建立了近海水体环境参数s p c 动态模型，采用e w m a 控制图实现参数监控， 结合近海水体环境特征进行参数估计。 第3 章阐述了统计过程聚类的基本思想，在此基础上探究了聚类混合样本的e w m a 控制图的平均运行链长a r l 的计算方法，并采用多属性决策( m a d m ) 方法解决水体 环境参数e w m a 控制图的聚类问题。最后应用m a t l a b 平台对水体环境参数的a r l 进行模拟研究分析。 第4 章阐述了近海水体环境参数监控平台设计的总体目标及设计思路。分析了数据 的获取方式，管理水体环境参数数据库，介绍了近海水体环境参数e w m a 控制图的建 立，并设置了失控模式的判别准则。 第5 章介绍了基于d e l p h i 开发平台的近海水体环境参数数据监控系统的各个功能模 块，分别对数据库、数据接收、数据处理、数据预测等模块进行分析和设计，根据最后 实验结果进行分析，并对水体参数的失控模式做出预警处理。 第6 章总结了论文所完成的工作及取得的研究成果，并提出了一些仍可以完善的问 题，为进一步研究指明方向。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章近海水体环境参数特征及s p c 监控方法研究 2 1 引言 由于近海这一特殊环境，导致其水体环境参数也具有一定的独特性。因此，需要通 过分析水体参数的特性，比较现已存在的常用水体环境参数监控预测方法的优劣，进而 提出一种更有效、更可靠、更稳定且更适合近海水体环境的基于统计过程控制方法来实 现对水体环境参数的监控及趋势预测。 2 2 水体环境参数特征分析 2 2 1 近海水体环境参数特征的定性分析 在实际近海水体环境监测过程中，采集的水体参数有很多种，主要包括温度、盐度、 溶解氧、p h 、叶绿素a 及硝酸盐等，其中溶解氧d o 是海洋水体环境监测的重要参到4 2 1 。 此处以溶解氧数据为例进行数据的初步分析。 ij i