[发明专利]一种河湖水环境健康智能评估预警系统及方法

权利要求书

1.一种河湖水环境健康智能评估预警系统，其特征在于，包括：

数据采集系统，所述数据采集系统包括：

若干组传感器，若干组所述传感器分别设置于待检测河湖水中；

传输装置，所述传输装置通过485总线与所述传感器相连接；

供电系统，与所述数据采集系统相连接；

数据传输系统，与所述数据采集系统相连接；

数据管理系统，通过所述数据传输系统与所述数据采集系统相连接；

模拟仿真系统，与所述数据传输系统相连接，用于分析所述数据采集系统采集到的数据；

评估预警系统，利用LSTM模型对数据进行预测分析、对问题进行报警；

数据结果展示系统，用于展示原始数据和所述模拟仿真系统的评估结果；

自动建议报告生成系统，与所述模拟仿真系统以及数据管理系统相连接，根据所述模拟仿真系统的分析结果自动生成河湖健康评估报告。

2.如权利要求1所述的河湖水环境健康智能评估预警系统，其特征在于：所述多探头传感器包括水温多探头传感器，溶氧量多探头传感器，化学需氧量多探头传感器，五日生化需氧量多探头传感器，氨氮多探头传感器。

3.如权利要求1所述的河湖水环境健康智能评估预警系统，其特征在于：还包括后台管理系统，用于管理，发布，维护系统的内容。

4.如权利要求2或3所述的河湖水环境健康智能评估预警系统，其特征在于：所述供电系统采用风能和太阳能发电。

5.一种基于如权利要求1-4所述的河湖水环境健康智能评估预警系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

指标的选择，包括水文方面以及水质方面两方面的指标，水文方面选取的指标为天然月径流量、日径流量，水质方面选取的指标为水温变异状况、DO水质状况、耗氧有机污染状况、重金属污染状况；

河段的划分，根据河流的特点和监控的需要把河流分成待评估的多段；

多探头传感器的布设，将多探头传感器布设在待评估河段的相应位置；

供电设施的施工，采用风能、太阳能双重供电；

传输装置的安装，采用4G/5G网络传输；

模拟预警系统的搭建：采用LSTM深度学习模型进行模拟预警系统的搭建；

模型结果展示：将上述所述模拟预警系统模拟分析结果和评估预测的健康状况运用二维、三维图形和GIS地图上进行展示；

建议报告的生成：自动生成月报、季报和年报，可以直接打印装订发表。

6.一种基于如权利要求5所述的河湖水环境健康智能评估预警系统的方法，其特征在于，多探头传感器的布设方法如下：

(1)离支流入河口1-5m处；

(2)点源排放口处附件；

(3)面源污染集中的河边；

(4)水土流失严重的河边；

(5)不同行政区划的边界处，要求到较小的单位如自然村之间，以便明确责任、更好的解决纠纷；

(6)不同的水功能区按实际情况确定，如水库等饮用水源地至少在入水口、库中和取水口附件等处；

(7)大河主干考虑现有水文站基础上，设立1-2km部署一组多探头传感器；

(8)采用样点一般设置于水面下0.5m处，水深不足0.5m时，应设置在水深的1/2处；

(9)深水处，每个监测断面按上中下、左中右部署9组多探头传感器。

7.如权利要求5或6所述的河湖水环境健康智能评估预警系统的方法，所述模拟预警系统的搭建具体包括以下步骤：

(a)数据规划阶段：利用以下公式将传输至模拟仿真系统的数据归一化到[0，1]之间；

其中x_t表示当前实时输入数据，min(x)表示原始数据最小值，max(x)表示原始数据最大值。

(b)忘记阶段：此阶段是对上一循环节点得到的状态参数h_t-1，进行有选择性忘记，忘记不重要的，记住重要的，通过实时数据计算得到f_t来作为遗忘门控制。

f_t＝σ(X_tW_xf+h_t-1W_hf+b_f)

其中sigmoid函数的计算方式如下：

其中，W_xf表示遗忘门输入权重，W_hf表示遗忘门隐藏状态权重，b_f表示遗忘门偏置。

(c)选择记忆阶段：主要是将此阶段的输入X_t有选择性地进行记忆，重要的需要重记录，不重要的则记录少一些，具体通过数据规划阶段以及忘记阶段计算得到的参数通过以下计算公式得到i_t作为输入门控制。

i_t＝σ(X_tW_xi+h_t-1W_hi+b_i)

其中，W_xi表示输入门输入权重，W_hi表示输入门隐藏状态权重，b_i表示输入偏置。

将忘记阶段得到的参数f_t与选择记忆阶段得到的参数i_t通过以下公式进行相加运算，即得到了传输给下一个状态的c_t。

c_t＝c_t-1f_t+i_t tanh(X_tW_xc+h_t-1W_hc+b_c)

其中，tanh函数计算的方式如下：

其中，c_t-1表示上一节点得到的激活状态参数，h_t-1上一节点得到的隐藏状态参数，W_xc表示当前细胞状态的输入权重，W_hc表示当前细胞状态隐藏权重，b_c表示状态偏置。

(d)输出阶段：通过以下公式计算o_t作为输出门控制，决定哪些被作为当前状态的输出。

o_t＝σ(X_tW_xo+h_t-1W_ho+b_o)

其中，W_xo表示输出门输出偏置，W_ho表示输出门隐藏状态权重，b_o表示输出偏置。

通过输出步骤得到传输给下一个节点的激活状态参数c_t值以及输出门控制o_t后，通过以下公式计算得到传输给下一节点的隐藏状态参数h_t，具体计算如下：

h_t＝o_t tanh(c_t)

通过上述计算过程得到传输给下一节点的隐藏状态参数h_t后，即可得到该模拟系统的输出状态参数y_t，进行结果的显示。

y_t＝σtanh(W_yh_t)

其中，W_y表示输入权重。