无线传感器网络的突发性环境污染实时监控系统的研究

付炳炳，张俊涛，赵文博

（郑州大学水利与环境学院，河南 郑州 450000）

0 引言

（1）研究目的。我国的经济形势在近些年都保持着良好的发展势头，随着工业化的快速发展，资源环境的保护和经济发展产生的冲突加剧，环境保护工作面临着更多的挑战，一些影响比较大的环境污染公共事件更是频繁发生，对环境造成的损失是无法估量的，对生态造成的破坏更是难以恢复的。

一旦发生污染事故，就要求环保部门能迅速进入应急状态，启动应急监测处置系统，快速判断污染物种类、浓度、污染范围及可能造成的危害，妥善处理污染事故。这些都需要做出一套应急系统来实时监控突发性的环境污染。

（2）研究意义。目前，国内监测突发性环境事故的技术普遍比较落后，大多数监测单位主要使用实验室仪器或进口检测管进行应急检测，或是使用一些小型化的单项快速测定仪进行现场应急分析检测。传统的应急测试方法为单点测量，如果要长时间进行监测工作，设备需要外接电源，使用不方便，影响监测数据的精确度。本文“基于无线传感器网络的突发性环境污染实时监测系统的研究”的意义可以从多个方面体现出来：从科学贡献角度来讲，将会在各种存在污染物泄漏隐患的企业里布置实际无线传感器网络进行研究，基于这些企业特有工作环境对现场的无线传感器网络的影响，本文将会研究更加具有挑战性的实际问题，并提出解决方案。从直接的经济效益来讲，设计实现的监控系统达到预期效果的情况下，每一次提前预警污染物泄漏和迅速精确排查泄露点都会减少或者缩短企业的停产维修的时间，这无疑可以大大地减少损失。从生态环境和职工身体健康来讲，减少污染物的排放会对企业周边的生态保护起到积极作用，并且可以有效地降低企业职工的身体健康受到的危害。

1 研究现状分析

1.1 国内外关于应急无线传感网络相关工作的研究现状

目前，国内的大型石化企业里基本上还没有开始运用无线传感网络技术。在2010 年举办的第21 届国际会议仪表与绿色经济高峰论坛上，中石化自控中心站技术委员会副主任委员黄步余做了“石油化工工业集成自动化系统的现状与发展”的主题报告，分析了石油化工工业面临的挑战。报告中反映出：与国外领先的石化企业相比，中国石化企业还处在信息化建设的初期阶段。因此，我们必须积极运用先进的无线传感器网络信息技术来打造“智能石化工厂”（见图1）。

图1 基于无线传感器网络的“智能石化工厂”的示例图

在无线传感器网络的目标探测跟踪研究中，有2 个主要组成部分：①协同的数据处理；②对象位置报告。前者旨在让传感器合作确定一个简明摘要对象的位置信息（即检测存在的对象的这些传感器的位置信息），而后者的目的是准确、及时地将这简明摘要信息传输给汇集点。要跟踪的对象，可以分为2 大类别：连续的和单个的。连续对象（Continuous Object）通常分布在一个非常大的区域，可能会扩散，体积增大，或分割成多个连续的对象，如有毒气体，牛群移动和军队的前进。现在有许多研究是关于检测并跟踪定位一个或多个个体目标的，例如［1］。近来，受到重视的还有对连续目标如毒气的研究，例如［2］。

2 污染物监测定位分析

2.1 对污染物源点定位的研究现状

多数研究者采用的方法按照定位移动代理的机动程度以及定位模型的复杂程度可以划分为以下3 类：

（1）传统的环境监控系统，主要采用高分辨率的传感器装置，将监控数据传回处理中心进行分析。

（2）利用机动性很强的大型移动机器人搜索定位，通过机器人的移动实现污染物源点定位。

（3）采用无线传感网络技术定位污染物源点。

国内外在实现污染物源点定位的研究工作中采用无线传感网络技术的有：Lino Marques 等人采用一种连续的浓度扩散衰减模型来为源点定位构建一个反演问题，通过求解该问题来定位出污染物源点［3］。匡兴红等人则采用极大似然估计法、直接三边法实现污染源点定位［4，5］。朱勇等人则提出一种基于WSN 的加权组合三边算法对污染源点进行定位［6］。

2.2 对污染物边界定位的研究现状

在对污染物的边界进行定位方面的研究现在还比较少，不过随着人们对安全的重视，也有越来越多的研究者加入了这个行列。许多研究者在这个领域提出了各具特色的方案。在文献［2］中，研究者提出了一个有损坏传感器节点的无线传感器网络中的数据处理方案。在文献［7］和［8］中，研究者们则提出了无线传感器网络的边界上节点的分布式算法。

3 污染物边界定位及源点定位方面的研究

3.1 基于集群归类的动态集群法（DCSODT）

在文献［9］中，研究者们提出了一个基于集群的方法，称为DCSODT。在DCSODT 中有2 个非常重要的阶段：协作数据处理和报告对象的位置。为了完成这个目标，他们定义了报告者为含有一个或多个（单跳）相邻的正常节点的事件节点。根据对象的位置，所有的报告者以一个分布式的方式被组织成集群。簇头会收集汇总它所在群集中的节点的信息，然后利用一个地理路由方法把汇总后的信息发给基站，再由基站估算出目标的边界。

3.2 一个可扩展的，基于拓扑控制协议（SCOOT）

上面所提到的DCSODT 并不是一个完善的方案，它还有众多的缺点有待改进。此协议的主要缺点是缺乏可扩展性，而且在该协议中，报告者的数量随着节点度（邻居节点的数目）增加而增加。于是，Shin-Chih Tu 等人在2009 年在DCSODT 的基础上提出了一个名称为：“Scalable continuous object detection and tracking（SCOOT）”的方案。在这个方案中的协同数据处理阶段，引入了2 个步骤以确定一个事件节点是否有利于确定对象的位置。若是一个事件节点的本地信息对确定对象位置没有作用，则不将其选作报告者。不过SCOOT 也有自己的不足，它只是给出了污染物边界上的节点，却没能给出污染物的边界，而且在睡眠调度上也不算完善。

3.3 连续目标的检测和跟踪机制（CODA）

该机制允许每个传感器节点在感测范围内探测和跟踪移动中的对象。监测连续的对象，而不会产生过多的通信费用，需要一个有效的目标检测机制。在发展CODA 机制中，在刚开始的网络部署阶段就指定了一个数目构成静态骨干集群。在每个静态集群中，任何传感器在检测到对象在其附近时直接发送检测到的信息到Cluster Head（CH）。收到此信息后，CH 执行本地边界的估算函数来确定连续对象的边界范围内的集群。在这些传感器组成动态群集后，动态群集会把连续目标的边界信息发送到指定的基站。

4 结语

综上所述，在今后的污染物边界定位及源点定位方面的研究，更大的可能是趋向于更紧密且节能的协作处理，更智能的动态集群方式。而且，随着对绿色节能的更加重视，低功耗的算法更容易受到人们的青睐。这就需要合适的睡眠调度算法及合理的能够适应高干扰环境的地理路由算法。

［1］R.Brooks，C.Griffin，D.S.Friedlander.Self-organized distributed sensor network entity Tracking［J］.International Journal of High Performance Computing Applications，2002（3）：207-219.

［2］M.Ding，D.Chen，K.Xing，X.Cheng.Localized fault-tolerant event boundary detection in sensor Networks［J］.In Proceedings of IEEE Conference on Computer Communications，2005（5）：902-913.

［3］L.Marques，T.Anibal，D.Almeida.Electronic nose-based odour source localization［J］.IEEE AMC2000-NAGOYA，2000（9）：36-40.

［4］匡兴红，邵惠鹤.基于WSN 的两种气体源定位算法研究［J］.仪器仪表学报，2007（2）：298-302.

［5］匡兴红，邵惠鹤.基于传感器网络的气体源定位算法研究［J］.系统仿真学报，2007（7）：1464-1465.

［6］朱勇，王萍，张昕明.基于WSN 的加权组合三边气体源定位算法研究［J］.电子测量技术，2009（8）：12-15.

［7］李培江.无线传感网络的自供电技术的研究［J］.科技信息，2012（35）：25，37.

［8］孟庆春，陈光柱.自供电无线传感网络节点设计［J］.仪表技术与传感器，2012（7）：102-104.

［9］X.Ji，H.Zha，J.J.Metzner，G.Kesidis.Dynamic cluster structure for object detection and tracking in wireless ad -hoc sensor networks［J］.Proceedings of the IEEE International Conference on Communications，2004（10）：3807-3811.