城市供水水質(zhì)異常檢測與異常特征分析研究.pdf

1、城市供水安全關系到社會生產(chǎn)與居民生活的方方面面。水質(zhì)預警技術是保障供水安全的重要手段，它是一門由化學、流體力學、環(huán)境科學以及計算機技術等多方面相互交叉的學科。隨著傳感器技術、通信技術與計算機技術的進步，水質(zhì)預警技術取得了快速的發(fā)展，在原水突發(fā)事故預警、管網(wǎng)水水質(zhì)預警以及污染影響分析等方面都受到了國內(nèi)外研究人員的高度關注。
　　水質(zhì)異常檢測問題是水質(zhì)預警中的核心問題之一，其主要任務是利用數(shù)據(jù)挖掘、模式分析等方法探究、發(fā)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

2、中潛在的偏離穩(wěn)定狀態(tài)或模式的波動信息。如何利用復雜多變的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行及時、有效的水質(zhì)異常檢測是實現(xiàn)水質(zhì)有效預警的關鍵所在。目前，國內(nèi)外基于水質(zhì)數(shù)據(jù)內(nèi)在特征進行異常檢測與利用常規(guī)水質(zhì)參數(shù)進行污染物辨識的研究方興未艾。
　　本文結合國家水體污染控制與治理科技重大專項課題等項目，主要針對水質(zhì)數(shù)據(jù)中存在的周期性與一般性交化特征、水質(zhì)時間序列模式分析和提取、異常判斷與檢測性能評價與污染物辨識及異常特征分析等若干水質(zhì)異常檢測相關的理論和方法展

3、開研究。全文主要工作包括:
　　(1)針對城市供水原水與管網(wǎng)水水質(zhì)普遍存在的周期性波動現(xiàn)象，研究了因季節(jié)性、用水模式等因素導致的水質(zhì)波動變化規(guī)律，并以管網(wǎng)水中的消毒劑余氯為具體指標，建立了一種基于周期模式提取的水質(zhì)異常在線檢測方法。該方法主要應用奇異值分解理論識別并提取水質(zhì)正常波動的周期模式，然后利用待測數(shù)據(jù)與正常周期模式之間的偏差判斷水質(zhì)的異常狀態(tài)，并利用檢出率與誤警率進行了異常檢測性能評價。
　　(2)針對一般非周期性水

4、質(zhì)參數(shù)變化無明顯規(guī)律的特點，在研究水質(zhì)時間序列數(shù)據(jù)表達和相似度分析、模式提取等方法的基礎上，建立了一種基于局部密度分析的非周期水質(zhì)異常檢測方法。該方法主要利用水質(zhì)時序數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)模式的空間關系進行局部密度分析，應用最近鄰及二次最近鄰準則判斷測試數(shù)據(jù)模式與正常數(shù)據(jù)模式的空間關系，來判斷被測數(shù)據(jù)是否存在異常。論文借助在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采集得到的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)序列進行了實例研究，并與基于周期模式提取的異常檢測方法進行了檢測性能對比分析，在平均檢出率

5、、誤警率與計算時間的復雜度等方面，兩種方法各有適用性。
　　(3)在異常檢測的基礎上，研究分析了典型常規(guī)水質(zhì)參數(shù)在不同污染物入侵時的變化模式。論文結合管網(wǎng)實驗系統(tǒng)的污染物加藥實驗，研究分析了氧化物、強還原性物質(zhì)、弱還原性物質(zhì)等污染物入侵時多種常規(guī)水質(zhì)參數(shù)的的不同變化模式，重點分析了余氯值在不同類型的污染物作用下的典型變化規(guī)律，為利用常規(guī)水質(zhì)參數(shù)進行污染物辨識提供了實驗依據(jù)。
　　(4)研究了利用水質(zhì)參數(shù)變化模式對污染物特性和

6、類別進行初步判斷的問題。論文結合在線分析的需求，提出了基于時序特征提取的水質(zhì)異常特征在線分析方法;面向污染事件事后分析的需求，提出了基于小波多分辨分析的水質(zhì)異常特征離線分析方法。分別用于水質(zhì)時間序列異常特征在線分類和離線聚類與判斷，前者旨在實現(xiàn)水質(zhì)異常的實時在線分析，后者用于歷史異常特征庫的整理分析。最后應用實測數(shù)據(jù)和事件疊加數(shù)據(jù)進行了方法驗證。
　　此外，論文作者在開展城市供水水質(zhì)異常檢測與異常特征分析研究的同時，參與了國家重大