（模式识别与智能系统专业论文）一种环境水质的格子boltzmann建模和水质评价研究.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的快速发展，我国环境水污染状况日趋严重，使得水污染控 制规划越来越受到重视。水污控制染规划不是一般意义上的水污染治理，而是 运用系统工程的思想和方法，协调环境、经济和社会所构成的多变量、多目标、 多层次的复杂系统的寻优过程。本文以水质监测系统为基础，着重研究了水污 染规划的关键技术：水质建模和评价。论文的主要工作包括： 1 ) 在已有工作的基础上，对嵌入式水质监控系统进行了改进，加入了太阳能 蓄电池模块，以实现无人值守下的连续工作；加入了g p r s 模块，实现了数据的 远程传输；利用v c 。n e t 构建了能够进行多点数据采集的上位机软件，可以实现 中央监控中心对多个水质监测节点采样数据的存储、显示、处理，为水质模型 和评价提供基础数据： 2 ) 基于l b m ( 格子b 0 1 t z m a n n 方法) 进行水质建模，描述和深入分析了l b m 的 原理，着重推导了二维九点( d 2 0 9 ) 模型，并进行了实验分析； 3 ) 基于s 的水质评价，利用s v m 优秀的分类能力构建了基于支持向量机 的分类器，根据国家环境水质量标准，对环境水质进行评价，并与传统的评价 方法进行了比较，验证了本文方法更加符合实际情况。 关键词：水质控制规划水质模型水质评价水质监测节点格子b 0 1 t z j l l 8 n n 方 法支持向量机 本文受安徽省“十一五”科技攻关重点项目( 项目号：0 7 0 1 0 2 0 0 0 9 3 ) 和安徽省 教育厅重点自然科学基金的资助( 项目号：2 0 0 6 k j 0 2 8 a ) a b s t r a c t a b s t r a c t w i 也幽ef 缸td e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m i c s ，m ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n s t a t u sl l a sb e c o m em o r ea n di n o r es e r i o u smo l l rc o u 嘶，w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lp l a l l l l a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ei nr c c e n ty e 盯s w 如rp o i l 砸o nc o n 昀1 p l a l li sn o ta n c o n v e m i o n a lm e 撕n go f 血ew a t e rp o l i u t i o nc o m r o l ，i ti sao p t i m a lp r o c e s s 、油i c h c o o r d i n a t e sc o m p l e xs y s t e mc o l l s i s to fm l l l t i v a r i a b l e s ，m u l t i o b j e c t i v e s 甜l dm u l t i l e v e l s t h i s s y s t e mi n c l u d e sm u l t i p l ef a c t o r sf 如me n v i r o n m e n t ，e c o n o m i c s如d s o c i e t y o nt h eb a s i so ft h ew a t e rq u a l i 母m o n i t o r i n gs y s t e m ，t l l i sd i s s e r t a t i o n f o c i i s e so nt 、v oa s p e c t so f w a t e r p o p u l a t i o nc o n 仃0 1p l a n ：w a t e rq u a l 时m o d e l l i n ga n d w a t e r q u a l i t ya s s e s s m e 呲 t h em a j o rc o m n b m i o n sa n di n n o v a t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r e f 0 1 l o w s ： 1 b a s e do n0 u r e a r l ys t a g ew o r k ，i nt 1 1 ee m b e d d e dw a c e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ， t h eb a t t e r ym o d u l ei sa d d e dt oa c h i “em eg o a lo fu n m 跏e do nd u t yw o r k ；g p r s m o d u l ei sd e s i g n e df o ri o n g d i s t a t l c ed a t am m s m i s s i o n ；t h es o n w a r ei sd e v e l o p e dt o a c q u i r em u l t i - p o i n t 蜘au s i n gv c n e t n ed a t a 舶man 哪b e rn o d e so fw a t e r q u a 工i t ym o n i t o ri ss t o r e d ，d i s p l a y e da 1 1 dp r o c e s s e dt 0o f r c rn e c e s s a r yd a l af i o rw a t e r q u a l i 锣m o d e l i n ga r l dw a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t ； 2 a s t u d yo fw a t e rq u a l i t ym o d e l i n gw i t hl b m ( 1 a t t i c eb o i t z r i l a n nm e t h o d ) t h e p r i n c i p l eo fl b m i sa n a l y z e di nd e p 也，a 1 1 dt 、o - d i m e i l s i o n a jn i n e - b i t ( d 2 q 9 ) m o d di sd e d u c e d t l l r o u g ht h c o r ya i l a l ”i s ，l b mc a l l 印p r o x i m a t et oc o n v e c t i o n d i 抒l l s i o ne q u a t i o nw i t hc e 嘲na c c u r a c y t h et w o _ d i m e l l s i o n a ls i m u l a t i o nr e s u n so f s t e a d y - s t a t ep o i n ts o u r c ep o l l u t a i l t se m i n e di nr i v c ra r eg i v c n 觚dd i s c u s s e d ； 3 s t i l d yo f w a t e rq u a l i t y 韶s e s s m e m 埘t hs v m d u et o9 0 0 dc l a s s i f i c a t i o np r o p e r t y s v mi se m p l o y e dt oc o n s t m c tt h ec i a s s i f i e rf o r w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t i ti sc o m p a r e d 谢t ht h co m e re x i s t i n gm e 出o d s a c c o r d i n g t 0 廿1 en a t i o n a le n v i m i l i l l e m a lw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s ，t h ew a t e rq u a l i t yi se v a l u a t e d a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tm i sm e t h o di se f r e c t i v ea 1 1 dp r a c t i c a i k e yw o r d s ：w 撕p i l l l a t i o np l a i l ，w 砒盯q l l l i t ym o d e l ，w a t e rq u a l i t ) ，a s s e s 锄c n t ， i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：堕鳢 ，f 年月汐日 第1 章绪论 1 2 2 水污染控制规划内容与过程 由水污染控制规划基本特征不难看出，水污染控制规划是一个反复协调决 策的过程，直接对象是整个水体，牵涉到整个流域。水污染控制规划就是在基 本查清污染物排放、水质现状和水文水力学特性的条件下，通过试验获得相关 参数，并通过水质数学模型预测规划水平年的水体水质，在保证水质达到规划 水质级别的前提下，合理安排各污染源污染物的排放，并对污染控制方案进行 研究，提出技术经济可行的最佳实用方案，为相关部门的决策提供科学依据。 总体说来，它分为四个阶段，即规划目标、建立模型、模拟优化、评价决策。 每个阶段有它各自相应的规划工作和规划准备工作。 l 、规划目标 整个规划工作要先从“明确问题”和“提出目标”开始。“明确问题”除 了要明确规划的范围，还要指出水污染控制的方向和要求。每一种水体的保护 耳标是由它的特定用途来决定的。在很多情况下。我们所研究的水体都已受到 不同程度的污染，不同的区段污染情况也各不相同。因此，必须从当地的社会、 经济和技术条件出发，对不同的地区、不同的河流或水体，以及同一水体的不 同区段分别提出不同的保护目标及相应的水质控制标准。这里就涉及到应该选 用什么样水质标准或规定来作为评比和治理的目标 习题，而这个目标的真正确 定又与一系列技术经济相联系以及水质预测评价相关联，这也是整个规划的最 后成果之一。因此，可以说确定目标是规划过程的起始与终结，而水质评价则 始终是水污染控制规划过程的基础。 2 、建立模型 在规划水污染控制系统过程中，需要知道对各种规划方案给受纳水体会造 成什么样的水质状况，以便对规划方案做出评价和选择。还需要知道为了改善 水质的污染现状，如果以某种水质标准为约束条件，各个排污口的最大允许排 放量是多少，应当削减多少? 这些预测和计算都需要一个能定量描述污染源排污 状况( 排放位置、数量、方式) 与水质状况( 随位置与时间的变化状况) 关系的数 学模型。建立水厦模型是进行水污染控制系统规划的基础。建立水质模型一般 需经过确立概念化模型、识别模型结构、识别参数、检验和应用等步骤。其中 识别结构和参数是其关键步骤，它们的基础是大量可靠的水文、水质监测数据 和污染源排放负荷与浓度数据。除水质模型外，建立适当的费用模型也是重要 3 第1 章绪论 1 3 1 水质建模的研究现状 水质模型是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程， 即描述水体中污染物与时间、空间的定量关系。它通常涉及到解基本方程的技 术，而其结果的可靠性不会超过所使用的方程的可靠性。在一个较综合的河流 水质模型中，有许多影响河流水质的因素，如物理的、化学的、水力学的、生 物学以及气象学的因素。 水质模型的形成和发展已经历了半个多世纪，大致可分为以不几个发展阶 段。1 9 2 5 1 9 6 0 年为水质模型发展的第一阶段( 基础阶段) 。在这一阶段中，水 质模型的研究处于最初时期，s t r e e t e r 和p h e l p s 共同研究并提出了第一个水质 模型。从1 9 6 0 1 9 6 5 年，在s p 模型的基础上有了耨的发展。将其用于比较复 杂的系统。引进了空间变量、物理的、动力学系数。温度作为状态变量也引入 到一维河流和水库模型，水库( 湖泊) 模型同时考虑了空气和水表面的热交换。 水力学方程、平流扩散方程作为水质迁移过程的基本描述而被用于水质模型。 第一个简单的模型( 一维的稳态模型) 开始在水质管理中应用。不连续的一维模 型扩展到包括其他来源和丢失源是在第三阶段即1 9 6 昏一1 9 7 0 年期间进行研究。 计算机的成功应用使水质数学模型的研究有了突破性的发展。在1 9 7 0 1 9 7 5 年 期间，水质数学模型己发展变成相互作用的线性体系。有限元模型用于两维体 系，有限差分技术亦应用于水质模型的计算，更高维数的模型不断地被发展， 关键问题是在进行水质模型研究中需要足够的数据。 在最近2 0 年中，科学家的注意力逐渐地移到改善模型的可靠性和评价能力 的研究。随着改进的二维、三维河流、河口和湖泊( 水库) 模型的发展，水力学 和水质问的耦合越来越引起科学研究工作者的重视。目前，包括各种变量的更 综合的水质模型正在研究中，三维的和二维的水质模型仍处于发展阶段。因此， 这个课题仍是今后几十年科学家所关心的重要问题。 任何水质模型都是依据物质质量守恒和能量守恒原理，通过流体力学中的 连续方程、运动方程、能量方程推导得出；如考虑水质组分间的相互作用及其 自身生化作用影响，可以得出更加全面、综合的水质模型。以下分体系对且前 比较流行的水质模型作一介绍。s t r e e t e r p h e l p s 模型是最早的水质模型，主要 研究的是d o - b d 0 ：q u a l 模型，可按用户所希望的任意组合方式模拟1 5 种水质成 分；w a s p 水质模型系统。可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质迸行 5 第1 章绪论 模拟；b a s i n s 模型体系，基于g i s 环境，可对水系和水质进行模拟；o t i s 模型体 系，可用于对河流中溶解物质的转移进行模拟的一维水质模型；m i k e 模型体系， 能用于模拟河网、河口、滩涂等多种地区的情况，研究的变量包括水温、细菌、 氮、磷、d 0 、b o d 、藻类、水生动物、岩屑、底泥、金属以及用户自定义物质： 等。 但是我国环境水质的复杂性，且环境水污染指标与国外存在较大差异，难 以直接应用于国内的环境水质建模。 1 3 2 水质评价的研究现状 随着社会和经济的发展，我国的环境水污染状况日趋严重，环境监测和治 理受到了广泛关注，水质综合评价是环境水污染管理和控制的重要环节。水环 境质量评价简称水质评价，是对水品质优劣进行定性或定量的描述，以准确地 反映目前的水体质量和污染状况，弄清水体质量变化发展的规律，找出受评价 区域的主要污染问题，为水污染治理、水功能区划、水环境规划以及水环境管 理提供依据。 水质综合评价是以定量的方式直观表现地表水环境质量的总体状况，是进 行水环境容量计算及实施水污染控制的重要基础( 郭劲松，2 0 0 0 ) 。国内外学 术界对此展开了深入的研究，提出了了很多评价方法( 刘硕，1 9 9 9 静平，2 0 0 2 艳君，2 0 0 7 ) ，其中等标污染负荷法( 亦称等标排放量法) ( 中国环境科学学会 环境质量评价专业委员会编，1 9 8 2 ) 和三参量综合评价指数法( 重庆市环境科 学研究院，1 9 9 2 ) 用得较多。其他的包括单指数法、分级评分法、函数评价法、 概率统计法、模糊数学、人工神经网络、灰度理论及其它方法。 国内目前对这类模式研究较多，主要包括模糊数学法、人工神经网络方法、 灰色聚类法、信息论法等几类。这类方法推导严谨，计算较复杂，评价结果更 接近实际。由于水环境污染程度与水质分级相互联系并存在模糊性，而且水质 变化是连续的，模糊数学法在理论上可行，弥补了前述模式的不足。模糊数学 法的关键是构造隶属函数或矩阵以及权重矩阵。其典型代表有：模糊综合评判 法( 劳期团，1 9 8 9 ) 、h a m m i n g 贴近度法( 李振良，1 9 8 9 ) 、模糊概率法( 马建 华，1 9 9 4 ) 等。模糊综合评判法是根据各污染物的超标情况进行加权，但污染 物毒性与浓度不成简单的比例关系，这种加权方法不一定符合实际；隶属函数 6 第1 章绪论 究对象是污染物的传输和扩散，并和传统水力学的方法进行了对比，说明了在 计算量和精度上的优越性。进而利用s v m 良好的分类决策能力，对水质评价进 行了研究，同时和传统的评价方法进行了对比，以获得更符合实际情况的评价 结果。 1 6 论文结构 本文主要内容是围绕水污染控制规划的水质建模和水质评价展开研究。 本论文其他部分组织如下： 第二章：相关理论。概述了本文所应用到的理论基础，包括：格子b o l t z 憾n n 方法和支持向量机等。 第三章：对基于a r m + u c l i n u x + g p r s 的环境水质数据采集节点软硬件实现进 行了介绍。扩充了太阳能蓄电池模块，介绍了运行在嵌入式节点上的软件和中 央监控软件的实现。 第四章：基于格子b o l t z m a n n 的水质建模。对常用的水质建模方法进行了 介绍和分析，描述了利用格子b 0 1 t z 舱n n 方法进行流体模拟，对河流中的污染 物的传输和扩散进行了建模研究，并对环境水中的污染物的传输和扩散进行了 实验分析。 第五章：基于s v m 的水质评价方法的研究。对常见的水质评价方法进行了 介绍和分析，并进行了相应的数据分析。 第六章：总结与展望。总结本文的研究结论，给出了结论，并探讨下一步 研究方向。 8 第2 章相关理论基础 子本身的尺度，每个分子作无规则的运动，分子之间通过频繁的碰撞交换动量 和能量。因此，流体的微观结构和运动在时间和空间上都非常复杂，导致流体 在微观角度上的不均匀性、离散性和随机性。另一方面，流体的宏观运动和其 它性质是流体分子微观运动的整体平均的结果，具有一定的均匀性、连续性和 稳定性。因此可以从宏观层次的连续统方法和微观层次的分子动力学方法两个 角度来研究流体的运动规律。连续统方法是基于连续介质假设将流体看成连续 介质，流体的宏观运动可以用一系列的关于流体物理量，如密度、速度、温度 等在时间和空间上的连续函数的偏微分方程( 如n a v i e r s t o k e 方程) 来描述， 它们反映流体的质量、动量和能量守恒。一般来说，用n s 方程描述流体运动 是很方便的，但是对一些复杂流体，如多相流( 如水和水蒸气) 、多介质流( 如 水和石油) 、颗粒流等流体，在某些情况下我们很难求得其方程的解，尤其是颗 粒状流场下，根本就没办法用方程来表述，更不用说数值模拟了对于这些用宏 观方程难以描述的系统，或要获取流体的细观信息的问题，我们就需使用微观 的或介观的模型进行描述。但是分子动力学模拟需要跟踪多个粒子的运动，计 算量非常大，对计算机的存储量和计算速度都有很高的要求。基于动力学理论 的b 0 1 t z m a n n 方程是联系微观与宏观的桥梁，对流体在介观层次上的描述，可 用于从自由分子流到连续流的跨尺度流动，但它是一个比n s 方程更复杂的积 分微分方程，对它的完全求解也是不现实的。这样就发展了后面的介观方法格 子气方法和格子b 0 1 t z m a n n 方法( l b m ) 。它们基于原始的物理背景，作为一种全 离散并行运行的局部动力学模型，不需要建立和求解复杂的偏微分方程。 2 2 3 格子b o i t z 咐n n 方法的特点 从历史发展上看，格子b o l t z m a n n 方法可以看作是l g a 方法的继承和发展。 首先它基于l g a ，它沿用l g a 的格子和碰撞规则。但它的对象是粒子连续的分布 函数，这些连续的分布函数只在局部作用。l 8 m 发展的下一个阶段是碰撞算子的 简化和选取不同的分布函数，可得到无时间尺度的宏观方程的g a l i l e i 不变性， 允许调整粘性，这些都给了l b m 发展的更多的灵活性。 我们知道，流体的宏观力学性质由微观的粒子运动所决定，但具体的微观 运动无关紧要，并不影响流体的质量、动量和能量守恒性。不同的微观相互作 用能得到相同的宏观方程，这一事实正是l g a 发展的出发点。按照分子运动论的 第2 章相关理论基础 一个离散的微观动力模型，通过这些模型可以构造得到所需要的宏观守恒量如 密度、速度和压力。对特定的宏观方程用l b m 要构造恰当的微观动力模型这非 常重要，这样才能用多尺度分析从微观动力模型恢复出我们所要求解的宏观方 程由于它具有几何灵活、并行本性、易于编程、精度较高等特点，从它诞生之 日起，就倍受物理学家、数学家、计算机专家和其它领域的科学家的关注。在这 十几年里，它得到了充分的发展和广泛的应用( l l u o ，2 0 0 0 r b e n z i ，1 9 9 2 。 y q i a n ， 1 9 9 5 s c h e n ，1 9 9 8 ) 。 尤其在复杂边界和复杂流场的模拟中取得巨大成功，如：湍流流过复杂几 何结构的流场( g s t r u m o l o ，1 9 9 7 ) ，两种不同流体之间r a y l e i g h t a y l o r 的了 不稳定现象( x h e ，1 9 9 9 ) ，多孔多介质流( j b u c k l e s ，1 9 9 4 n s m a r t y s ，1 9 9 6 ) ， 悬浮颗粒在流场中的运动( d q i ，1 9 9 8 z u j i ax u ，2 0 0 3 z u j i ax u ，1 9 9 9 ) ， 化学反应流( s c h e n ，1 9 9 5 ) ，燃烧模拟( 0 f i l i p p o v a ，2 0 0 0 ) ，磁流体( s c h e n ， 1 9 9 1 ) ，结晶过程( w m i l e r ，2 0 0 1 ) 等等。 格子b o l t z m a n n 方法正处在不断发展之中，主要有基本理论和基本模型的 研究，及其在其它领域的应用。我们可以基于不同的思想提出各种不同的格子 b 1 0 t z 腑n n 模型，如有限体积思想( g o n g w e np e n g ，1 9 9 8 g o n gw e np e n g ，1 9 9 9 h a ow e nx i ，1 9 9 9 ) ，l e v e l s e t 思想，隐式l b m ( j t o l k e ，1 9 9 8 ) 及用多重网 格方法( r v e r b e r g ，1 9 9 9 ) ，投影方法( t i n 锄u r o ，2 0 0 4 ) 的l b m 等等。从而 使格子b 0 1 t z i i l a n n 方法成为计算流体动力学的高效的数值工具。另外如 l a l l e m a n d 和l u o 研究了多松弛模型( p l a l l e m a n d ，2 0 0 0 d d h u i 6 r e s ，2 0 0 2 ) ， 从矩空间出发构造了新的格子b o l t z m a n n 方程，并系统研究了模型的一般理论， 如色散、耗散、各向同性性和g a l i l e i 不变性等。格子b 0 1 t z m a n n 方法在应用 方面的研究也非常活跃，它目前的应用研究已经涉及到生物流体、交通流、微 尺度流、量子力学、纳米流体以及光学、声学等众多领域，并且这种向其它领域 渗透的趋势越来越快。 2 2 支持向量机 支持向量机是建立在统计学习理论的v c 维理论和结构风险最小原理基础上 的，它根据有限的样本信息在模型的复杂性和学习能力之间寻求最佳折中，以 获得最好的推广能力。它已经被广泛的应用于人脸识别、建立软测量模块、入 1 3 第2 章相关理论基础 验风险( 训练误差) ，另一部分称作置信范围，它和学习机器的v c 维及训练样本 数有关。它表明，在有限训练样本下，学习机器的v c 维越高( 复杂性越高) 则 置信范围越大，导致真实风险与经验风险之间可能的差别越大。机器学习过程 不但要使经验风险最小，还要使v c 维尽量小以缩小置信范围，才能取得较小的 实际风险，即对未来样本有较好的推广性。 2 2 2 结构风险最小化原则 根据风险估计公式，如果训练样本数目，不变，则控制风险r ( w 1 的变量有 两个：r c 妒( w ) 与疗。其中经验风险r c 弦l p ( w ) 依赖于学习机器所选定的函数 日= ，( z ，w ) ，可以通过控制广义参数w 来控制经验风险。v c 维厅依赖于学习 机器所工作的函数集合。为了获得对厅的控制，可以将函数集合结构化，建立 与各函数子结构之间的关系，控制函数结构的选择以实现对矗的控制。 一般的学习方法( 如神经网络) 是基于r e 开妒( w ) 最小，满足对已有训练数 据的最佳拟和，在理论上可以通过增加算法的规模使得r e 妒( w ) 不断降低以至 为o 。但是，这样使得算法的复杂度增加，v c 维 增加，从而庐( ，) 增大，导 致实际风险月( w ) 增加，对测试集的预测能力下降，这是此类学习算法产生过学 习现象的原因。因此，经验风险最小化原则在样本有限时，需要同时最小化经 验风险和置信范围，这样就造成对先验知识和经验的过分依赖。 把函数集构造为一个函数子集序列，使各个子集按照v c 维的大小( 亦即m 的 大小) 排列：在每个子集中寻找最小经验风险，在子集间折衷考虑经验风险和置 信范围，取得实际风险的最小，如图2 1 所示。这种思想称作结构风险最小化 ( s t r u c t u r a lr i s km i n i m i z a t i o n ) 即s r m 准则。 第2 章相关理论基础 芩么二习乏：1 。 图2 1 结构风险最小化示意图 在每一个子集中寻找最小经验风险，通常它随着子集复杂度的增加而减小。 如果要求风险最小，就需要不等式2 1 中的两项相互权衡，选择最小经验风险与 置信范围之和最小的子集，就可以在获得的学习模型经验风险最小的同时，置 信风险尽可能小，学习模型的推广能力尽可能大，最终希望达到期望风险的最 小，这个子集中使经验风险最小的函数就是要求的最优函数，这种思想称作结 构风险最小化。 2 2 3 支持向量机 支持向量机是v a p n i k 提出的基于结构风险最小化原理的统计学习理论。结 构风险最小化使v c 维数( 泛化误差) 的上限最小化，而经验风险最小化使相当 训练数据的误差最小化，这使得s v m 比基于经验风险最小化的神经网络方法有 更好的泛化能力。 支持向量机适用于有限样本情况，得到现有信息下的最优解而不是样本趋 于无穷大时的最优解；算法最终转化成一个二次型寻优问题，得到的全局最优， 而不是局部最优。 1 6 第2 章相关理论基础 w + b ；l 0 图2 2 支持向量分类 w l + b = 0 1 ) 支持向量分类机 s v m 是从线性可分中的最优分类面发展来的。假设有线性可分样本集 “，卫) ，f = 1 ，玎，x ，j ， + 1 ，一1 ) ，为了将咒= 1 和只= 一1 两类点尽可能正确 地区分，可以构造出分割超平面，如图2 2 所示，定义分类间隔最大分类线性 方程为：彬7 工十6 = o ，使得 w 。薯+ 6 l ，一一 ( 2 2 ) w 一6 一1 ，只= 一l 归一化得咒 ( w 薯) + 明一1 o ，f = 1 ，玎 ( 2 3 ) 间隔等于南，间隔最大等价硎1 w 最小满足公式( 2 3 ) 且使狮1 2 最小的分类平面就叫做最优分类平面。问题转化为 扣抑1 2 汜。， 【j ，幽 w 葺+ 6 卜1 o ，f = 1 ，栉 这个二次规划问题有唯一的极小点，利用拉格朗日优化方法把优化问题转 换为相应的对偶问题，即 1 7 第2 章相关理论基础 与最优分类面中最大化分类间隔相似。这里控制函数集复杂性的方法是使 回归函数最平坦，它等价于最小化扣叫| 2 。考虑到允许拟合误差的情况，引入松 弛因子剑和铷舢式变成 ：冀i 篙m ，地 c z i _ h ，置+ d 一”s + 己 优化目标变成最小化三。叫1 2 + c 喜毒+ 等常数c 。控制对超出误差f 的样本 的惩罚程度，采用l 司样的优化方法可以得到其对偶问题。在条件 r ” f ( 嘶一茸) 【o 呸，口? c ，f = l ，露 下对拉格朗日因子q 彳最大化目标函数 ( 口，口) = 一f ( + 啦) + 儿( z q ) 一去( 一q ) ( z 一呸) ( 鼍o ) ( 2 1 1 ) f = l，一lo i ，一i 得回归函数为，( 工) = ( w 功+ 6 = ( 彰一q ) 瓴工) + 6 。 ( 2 1 2 ) ，= l 与分类中的s v m 一样，这里的呸，彰也只有小部分不为o ，它们对应的样本 就是支持向量，一般是在函数变化比较剧烈的位置上的样本，而且这里也是只 涉及内积运算，只要用核函数k ( ，t ) 代替式中的内积运算就可以实现非线性函 数的拟合。 1 9 第3 章环境水质监测的嵌入式节点设计 第3 章环境水质监测的嵌入式节点设计 3 1 系统架构 水质监测系统包括中央监控中心和水质监测节点组成( 见图3 1 ) 。它们是 一种c 如架构，其中中央监控中心作为服务器，而水质监测节点作为客户端， 它们之间的通信，依靠水质监测节点上的g p r s 模块完成。中央监控中心器接收 到数据后，存入数据库中，并且对数据进行分析、处理、决策，掌握当前的水 质状况，为水污染控制提供决策和依据。 3 2 嵌入式系统 图3 1 系统框图 水质监测节点基于a r m 7 + u c l i n u x 的环境水质多参数智能速测仪，在此基础 上增加了g p r s 模块，使之具有无线通信，实现数据的远距离采集的功能。水质 监测节点的硬件设计如下图3 2 所示。 第3 章环境水质监测的嵌入式节点设计 并不是一个实时操作系统( r t o s ) ，本系统中采用中断的方式来对键盘和a d 转换 提供实时响应，增强u c li n u x 的实时性，使u c l i n u x 可以应用于工业控制、进程 控制等领域，满足了系统的实时性要求。 a p p l i c a t i o np r o c e s s s 蚰s o ra g c n ti n t e r f a c ea g e n l d 蛔g n o s ba g 亡n t b 0 c o m m u n i c 埘 a 帖e s 5 m c n ta g e 毗 p r o c e s sp r o c e 锚 w e 蛔e r v e rp r o c c 站 p r o c 鹤s 、 j c i i b ，i o s k e m e l s y s t e mc a h h a n d k r j p r o c c s ss c h e d u i e f i l es y s t e m ； d r i v e r o t h e r s v s t e m d r i v e 惜 5 篙r i v e r n l jdnver，j f j 絮v c r i d r i v c rd r i v c r 彳 之乡 p h y s i c a lh a r d w a r ef a c 订姆 图3 4 嵌入式u c l i n u x 软件系统框图 u c l i n u x 中系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动是操 作系统内核与硬件之间的接口。设备驱动为应用程序屏蔽了硬件的细节，应用 程序可以像操作普通文件一样操作硬件设备。在水质监测系统的嵌入式软件系 统中，驱动部分，移植了1 6 色的3 2 0 2 4 0 的f r a m b u f f e r 驱动用来进行l c d 显示； 移植j f f s 2 文件系统的用来进行n a n df l a s h 的文件管理；a d 转换l a x l 9 7 驱动完 成的控制字设置和读取模数转换值；z l g 7 2 8 9 键盘芯片驱动完成键盘的中断响应 第3 章环境水质监铡的嵌入式节点设计 和按键值的识别；i i c 总线驱动用来对e e p r o m 存储器的存取进行操作；串口驱动 用来进行串口通信；s o c k e t 驱动用来进行t c p i p 通信。在前人工作的基础上， 实现了嵌入式系统的字库的移植、实时参数的l c d 的显示、r t c 的应用和离子传 感器的在线标定。 首先由于系统采用了2 m 的f l a s h ，常用的汉子库通常都有3 0 0 k 左右，而一般 加上汉字库后，编译完成之后的烧写文件有2 m 左右，而标准汉字库中大部分都 是没有使用的，因此可以重新再做一个汉字库，里面只包含有现在使用的汉字， 约有l o o o 个左右，这样就可以大大减少了编译文件的大小。方法是建立个查 找表，当需要显示汉字的时候，就去查找表中查询。 实时的曲线显示，方法是使用一个循环队列，共有2 5 6 个元素( 像素) ，当 有新数据时，改变队列中的指针，删除首元素，将新数据添加到队尾。而之前 的方法是采用数组的方法，虽然所用代码空间比较少，但是效率太低，经常会 导致死机。 r t c 是一种能提供日历时钟、数据存储等功能的集成电路，常用作各种计 算机系统的时钟信号源和参数设置存储电路。r t c 具有计时准确，耗电低和体积 小等特点，特别适用于在各种嵌入式系统中记录事件发生的时间和相关信息。 由于节点在野外工作，虽然可以和中心节点进行g p r s 通信，但是当g p r s 损坏 或其他原因导致通信不畅的时候，我们需要将数据存八n a n df l a s h ，这时我们 必须记录下当前时间。 由于离子传感器的本身固有的温漂，零漂等问题，因此标定问题，亟待解 决，标定之后，问题在于参数的存储问题。使用系统自带的i i c 模块，计算出参 数后，将参数写入a t 2 4 c 6 4 中，在数据采集的时候，自动读出参数，计算出响应 值。 由于本系统用于野外作业，因此供电问题是首当其冲的问题。为此我们采 用太阳能供电方式，蓄电池选型：蓄电池容量选配的依据有：( 1 ) 设计中考虑 没有光照时连续工作的时间；( 2 ) 每2 4 h 耗电量。值得注意的是蓄电池的容量会 第3 章环境水质监测的嵌入式节点设计 的数据，c t r l + z ( o x l a ) 启动发送。固定长度的数据发送用a t + c i p s e n d ：l e n g t h 命令，返回“) ”后输入发送的数据，当输入的数据长度等于l e n g t h 的时候自 动发送，不需结束符。还有一种自动发送方式，先用a t + c i p a t s = ， 命令设定自动发送的时间，然后用a t + c i p s e n d 返回“”输入要发送的数据， 等定时到了之后自动发送输入的数据。发送完成之后返回s e n do k 。此时处于命 令态，若有数据发送再重复以上的步骤就可以了。 注意：每次发送的数据长度应小于1 0 2 4 b y t e s 3 、接收数据为自动接收，若有远端数据则自动接收。可以用a t + c i p h e a d = 1 在接受的数据前面自动加标志。 3 4 环境水质远程采集系统的软件实现 本系统用v i s u a lc + + n e t2 0 0 3 和m i r c o s o f ta c c e s s 2 0 0 3 开发，水质信息 管理系统采用模块化编程，主要实现的功能有：数据通信、水质自动监测、数 据显示、水质预测、水质评价。 水质监测节点和中央监控中心的工作流程图，如图3 4 和3 5 所示。 系统采用i n s o c k 进行实现t c p i p 通信，实现了数据采集的i n t e r n e t 客 户端软件。如前所述，中央监测系统做为服务器，在编写了时候采用多线程编 程，每一个节点在向服务器发送连接请求的时候，服务器将相应开辟一个线程， 用于节点的服务。采集数据时，上位机定时向所有处于t c p i p 连接的线程发送 命令，各个节点收到命令后，将数据连同自己的i d ，一共4 4 个字节，发送回上 位机，上位机利用o d b c ，存入到a c c e s s 数据库中。 采用d a t a l i s t 控件进行实时数据的显示，有指标名、采样原始值、对应浓 度值、温度值、采样时问、传感器的工作状态。并可以通过按钮来切换显示不 同水质监测节点的采集数据和时间。用格子b o l t z m a n 模型进行水质模拟的研究。 2 7 第3 章环境水质监测的嵌入式节点设计 本章主要介绍了环境水质监测节点的设计和中央监测中心的软件的设计。 水质监测节点中，采用三星的a 肼7 处理器4 4 b o 作为中央处理器嵌入式u c l i 叫x 作为操作系统。本身对外提供了串口、阻太网通信的服务。为了实现多点采集， 系统配有g p r s 模块s 【惦0 0 ，实现了远程的数据传输：为了适应野外环境下的工 作，为系统配备了电源系统，包括大容量蓄电池和太阳能电池板。 中央监控中心的软件是基于v c n e t 编写的，通过g p r s ，上位机软件实现了 对多个节点的数据采集。实现了数据的采集，实时数据显示、数据库存储、报 表打印等。实现了系统对不同地理位置的水质的实时监控。为迸一步的水质分 析提供了平台，为水质建模和水质评价研究提供依据。 第4 章基于格子b o l t z m a n n 的水质建模的研究 力”称为非平衡分布函数，写成 矗= 力”+ 占乃2 + d ( s 2 ) 并且满足约束条件( 其中k = 1 ，2 ) ： = o ，俨巳= o 将式( 4 7 ) 代入式( 4 5 ) 中，得到分布函数五的多尺度表达式： 五= 0 ”+ s 乃+ 占2 2 2 + d ( ，) “7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) q ( ) ：q ( 厂”，) + 。曼曼k ! 乒竺乃u c 等铲爱乌铲聊h “1 0 ) 第4 章基于格子b o lt z m a n n 的水质建模的研究 式中，f 为松弛时间；巧为单位张量( k r o n e c k e rd e l t a ) 将式( 4 1 4 ) 代入式( 4 1 1 ) 中，得到：q ( ，) = 一( 五一剐) ( 4 1 5 ) 式( 4 1 5 ) 即为b g k 碰撞式，把式( 4 1 5 ) 代入式( 4 1 ) 中，则得到常用的l b g k 方 程，即： 五扛+ 田，+ 西) 一无也f ) = 一；( 正 ，f ) 一以” ，) ) ，口= o ，l ，6 ( 4 1 6 ) 4 2 平衡分布函数一般形式 统计力学中m a x w e l l 一b 0 1 t z 慨n n 平衡分布函数为： ，刚2 磊蕊未币 “- 1 7 e x p ( + b v 材+ c l v i ) 式中，v 表示微观粒子运动速度；“表示宏观流速；一、鼠c 是l a g r a n g e 待定乘 子，是密度和温度的函数。 在低m a c h 数的条件下，川很小，将a 鼠c 展开为川2 的幂级数，并对式 ( 4 1 7 ) 用t a y l o r 级数展开，得到统计力学中平衡分布函数的基本形式： ，w ( v ) = c j + c j v “+ c 2 ( v 雒) 2 + c j f “f 2 + c j ( v “广+ c ：( v 村) “1 2 + ( 4 ，1 8 ) 式中，c ( k = l ，2 ) 为待定常数。与式( 4 1 8 ) 类似，l b 方法的平衡分布函数可 取如下一般形式： 矗”= e 。+ e ( “) + q 2 ( 。“) 2 “1 9 ) + c ：，“2 + 乞4 ( 气“) 3 + 巴，0 。“) n 2 + 式中，c 口。、q 。、乞：、c ，、q 、巳，为待定常数。 q i a n 等人于1 9 9 2 年提出的d n o m ( n 维空间，m 各离散速度) 系列是应用最广 泛的模型。在实际中最常用的模型为d 1 q 1 3 、d 1 q 5 、d 2 日7 、d 2 q 9 、d 3 q 1 5 、d 3 q 1 9 。 下面我们列出几种模型的离散速度方向、权函数、声速及主要结构。 4 3 二维九点( d 2 q 9 ) 模型 第4 章基于格子b 0 1 t z m a n n 的水质建模的研究 l b 方法建立模型的核心问题是根据网格形式确定与之对应的平衡分布函数 表达式( 程永光，1 9 9 8 ) 。只有平衡分布函数己知的条件下才能进一步演进l b 方法的动力方程，按照它的计算过程使整个流场达到平衡状态。一般情况下， l b 方法各种模型所剖分的网格具有物理对称性( c a on ，1 9 9 7 ) ，其中包含了平 衡分布函数中权重组合的对称和各个参数的