低成本小型化水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀
作者：陳道想 水利水電工程系
指導(dǎo)老師：林鵬 水利水電工程系
關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測(cè) 算法開法 信號(hào)處理
摘要
我國(guó)的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)重，水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)眾多，現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器在面向諸多重要水質(zhì)參數(shù)（如化學(xué)需氧量，總有機(jī)碳和生化需氧量等用常規(guī)檢測(cè)方法耗時(shí)耗能、檢測(cè)步驟繁瑣復(fù)雜的水質(zhì)參數(shù)）的實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)（測(cè)量周期應(yīng)小于1min）時(shí)都不適用，無法實(shí)時(shí)快速的得出水體變化整體信息，也無法滿足目前“智慧水務(wù)、水利”等領(lǐng)域?qū)λ|(zhì)監(jiān)測(cè)儀器提出的“綠色、智能、宏觀快速分析” 等新功能的要求。因此基于微型光譜儀連續(xù)光譜分析的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警儀器開始展露鋒芒。本研究對(duì)現(xiàn)有的光譜法進(jìn)行了總結(jié)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，并提出了一種新的光譜法水質(zhì)監(jiān)測(cè)模型。先給出了當(dāng)下水質(zhì)監(jiān)測(cè)的總體現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)做了比較分析，介紹了光譜法的現(xiàn)狀?？偨Y(jié)了光譜監(jiān)測(cè)理論的研究歷程和進(jìn)展。進(jìn)行了光譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法的總結(jié)和對(duì)比，分為數(shù)據(jù)降噪方法、數(shù)據(jù)建模方法和數(shù)據(jù)干擾補(bǔ)償分別進(jìn)行闡述。重點(diǎn)提出了基于主成分分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的紫外-可見光全光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法模型，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型。
標(biāo)準(zhǔn)試液全光譜掃描實(shí)驗(yàn)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要大量的數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，因此需要精心的設(shè)計(jì)試驗(yàn)。為了快速的進(jìn)行試驗(yàn)，獲取大量數(shù)據(jù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的試驗(yàn)流程。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)試液全光譜掃描試驗(yàn)流程
數(shù)據(jù)型式
我們的光譜數(shù)據(jù)波長(zhǎng)范圍190nm-900nm，波長(zhǎng)分辨度為1nm。大量的樣本，每個(gè)樣本都含有711個(gè)波段的吸光度值和1個(gè)濃度值。
圖2 數(shù)據(jù)樣本
數(shù)據(jù)處理模型
模型利用主成分分析（PCA）+全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。將數(shù)據(jù)劃分訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，訓(xùn)練集用于訓(xùn)練模型，驗(yàn)證集用于選取模型，測(cè)試集用于評(píng)價(jià)模型。損失函數(shù)采用均方誤差函數(shù)（Mean Squared error，MSE），模型訓(xùn)練的目標(biāo)是最小化模型在測(cè)試集上的均方誤差。選取超參數(shù)（PCA降維后的維數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)和隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)）；基于梯度下降和后向傳播算法迭代進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，并計(jì)算訓(xùn)練完成后的模型在測(cè)試集上預(yù)測(cè)結(jié)果的均方誤差；按照模型復(fù)雜度從小到大的原則，不斷調(diào)整超參數(shù)，并選取最優(yōu)選取超參數(shù)。
圖3 基于PCA和DNN的紫外-可見光全光譜數(shù)據(jù)處理模型
