极寒高海拔水质数据冰冻补偿方法及系统与流程

本发明属于极寒高海拔环境水质在线监测与传感器测量补偿，具体涉及极寒高海拔水质数据冰冻补偿方法及系统。

背景技术：

1、现有在线水质监测系统通常采用溶解氧传感器、电导率传感器及其他水质传感器获得水质测量数据，并根据温度或者环境气压对部分水质测量数据进行校正。

2、在极寒高海拔环境中，水质传感器周围水体可能由液态状态进入冰水混合状态直至完全冻结状态。水体相态变化会改变液相体积、溶质分布以及水质传感器敏感区域的接触条件，使溶解氧测量数据和电导率测量数据偏离正常液态测量条件；完全冻结后，即使水质传感器仍存在数值输出，也不能据此确认水质测量数据具有有效液态水体测量基础。

3、低环境气压和低温还会分别影响部分水质传感器的测量结果和动态响应。若冰冻影响、气压影响和低温响应变化采用彼此独立的数据基准处理，容易导致不同校正环节之间的数据关系不一致。设备加热或者除冰又会改变水质传感器周围的热状态，因此保护动作后需要重新根据现场数据判断水体冰冻状态及水质数据有效性。

4、此外，在冰水混合状态下，溶解氧测量数据、电导率测量数据与液态水体积比例之间的局部变化程度并非恒定。固定标定节点密度和单一插值方式难以同时兼顾非线性剧烈相变区域和相对平稳区域；液态水体积比例继续下降至标定有效域下边界后，还会导致冰冻补偿失去标定依据。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供极寒高海拔水质数据冰冻补偿方法及系统，解决了极寒高海拔环境下水质传感器周围水体由液态状态进入冰水混合状态直至完全冻结状态时，现有水质监测数据处理缺乏连续冰冻补偿路径、环境气压影响校正和低温响应特性补偿与冰冻补偿数据基准不一致、以及设备保护动作完成后水体冰冻状态未重新识别导致无法连续生成有效水质数据的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、极寒高海拔水质数据冰冻补偿方法，包括：

4、步骤1：采集水质监测位置的环境温度数据、水体温度数据、溶解氧测量数据和电导率测量数据，按照采样时间形成多维度环境监测数据；

5、步骤2：对所述多维度环境监测数据执行量程检查、时间连续性检查和时序滤波，根据所述环境温度数据、所述水体温度数据以及所述溶解氧测量数据与所述电导率测量数据在连续采样窗口内的变化关系识别水体冰冻状态，所述水体冰冻状态包括液态状态、冰水混合状态和完全冻结状态；

6、步骤3：根据所述水体冰冻状态选择数据处理路径，在所述液态状态下保留经过量程检查、时间连续性检查和时序滤波的水质测量数据，在所述冰水混合状态下根据所述溶解氧测量数据和所述电导率测量数据对应的冰水混合状态标定关系，在标定有效域内确定液态水体积比例，并根据所述液态水体积比例生成冰冻补偿水质数据；在所述完全冻结状态、当前溶解氧测量数据或者当前电导率测量数据超出所述标定有效域对应的数据范围、或者所述液态水体积比例超出所述标定有效域对应的液态水体积比例范围时停止生成所述冰冻补偿水质数据并设置不可用标记。

7、作为本发明的一个优选技术方案，所述步骤2中，所述时间连续性检查用于确认所述连续采样窗口内相邻采样记录的时间间隔符合设定采样周期，存在超出所述设定采样周期允许偏差的时间缺口时，所述时间缺口两侧的采样记录不用于同一连续采样窗口的变化关系计算；所述时序滤波采用滑动窗口中值处理去除孤立异常采样记录，形成用于所述水体冰冻状态识别的环境温度数据序列、水体温度数据序列、溶解氧测量数据序列和电导率测量数据序列。

8、作为本发明的一个优选技术方案，所述步骤2中，所述水体冰冻状态识别包括：根据所述环境温度数据和所述水体温度数据与冰冻触发阈值的比较结果形成冰冻触发条件；在满足所述冰冻触发条件后，分别确定所述连续采样窗口内所述溶解氧测量数据的下降变化量和所述电导率测量数据的变化量；所述溶解氧测量数据的下降变化量达到溶解氧冰水混合状态判定阈值，并且所述电导率测量数据的变化量达到电导率冰水混合状态判定阈值时确认所述冰水混合状态；在确认所述冰水混合状态后，所述溶解氧测量数据的下降变化量进一步达到溶解氧完全冻结状态判定阈值，并且所述电导率测量数据的变化量进一步达到电导率完全冻结状态判定阈值，且对应判定条件连续保持达到完全冻结确认时间时确认所述完全冻结状态；其中，所述冰冻触发阈值、所述溶解氧冰水混合状态判定阈值、所述电导率冰水混合状态判定阈值、所述溶解氧完全冻结状态判定阈值、所述电导率完全冻结状态判定阈值和所述完全冻结确认时间由受控冻结标定数据确定。

9、作为本发明的一个优选技术方案，所述步骤3中，所述冰水混合状态标定关系通过受控冻结标定建立，所述受控冻结标定包括在多个具有独立液态水体积比例参考值的冰水混合状态下同步取得所述溶解氧测量数据和所述电导率测量数据，并取得水体温度数据，将所述溶解氧测量数据、所述电导率测量数据、所述水体温度数据和对应的独立液态水体积比例参考值形成标定数据集，并按照所述溶解氧测量数据和所述电导率测量数据建立二维查找表；当前溶解氧测量数据和当前电导率测量数据位于相邻标定节点之间时，通过二维插值确定所述液态水体积比例。

10、例如：在溶解氧测量数据为6.5 mg/l～9.2 mg/l、电导率测量数据为150 μs/cm～800 μs/cm范围内，选取液态水体积比例参考值分别为0.95、0.80、0.60、0.40、0.20的五个冰水混合状态标定点，对应溶解氧测量数据与液态纯水饱和溶解氧参考值之间的测量偏差依次为+0.3 mg/l、-0.5 mg/l、-1.8 mg/l、-3.2 mg/l、-4.5 mg/l，电导率测量数据与对应液态参考电导率之间的测量偏差依次为+2%、-8%、-25%、-45%、-62%，上述数值仅为示例性说明，具体标定节点以实际受控冻结标定实验记录为准。

11、作为本发明的一个优选技术方案，所述标定有效域由所述冰水混合状态标定关系中的溶解氧测量数据范围、电导率测量数据范围以及液态水体积比例范围共同限定；针对所述溶解氧测量数据和所述电导率测量数据分别建立所述液态水体积比例与测量偏差之间的冰冻补偿标定关系，根据所述液态水体积比例查询对应冰冻补偿标定关系生成所述冰冻补偿水质数据；当前溶解氧测量数据或者当前电导率测量数据超出所述标定有效域对应的数据范围时停止二维插值并设置所述不可用标记，通过二维插值得到的所述液态水体积比例超出所述标定有效域对应的液态水体积比例范围时停止冰冻补偿并设置所述不可用标记。

12、作为本发明的一个优选技术方案，还包括采集所述水质监测位置的环境气压数据；将所述液态状态下保留的水质测量数据或者所述冰水混合状态下生成的冰冻补偿水质数据作为待校正水质数据，并将所述待校正水质数据与所述环境气压数据输入气压影响校正处理；所述气压影响校正处理通过与对应水质传感器和对应水质参数匹配的气压影响校正标定关系实施，所述气压影响校正标定关系由不同环境气压条件下的水质传感器测量结果和对应参考测量结果建立；当目标环境气压范围内的气压影响未达到对应水质参数的允许测量误差时，使对应待校正水质数据保持原数值并生成气压影响校正数据，当所述气压影响达到对应水质参数的允许测量误差时，根据所述环境气压数据和所述待校正水质数据查询所述气压影响校正标定关系生成所述气压影响校正数据。

13、作为本发明的一个优选技术方案，低温响应标定参数通过水质传感器在多个低温条件下的阶跃响应标定获得，每个低温条件对应响应时滞参数和灵敏度校正关系；低温响应特性补偿处理根据所述环境温度数据选择对应响应时滞参数和灵敏度校正关系，按照所述响应时滞参数调整所述气压影响校正数据与采样时间的对应关系，将当前采样时刻t的气压影响校正数据对齐至传感器实际响应时刻t+τ，再根据所述灵敏度校正关系处理完成时间对应关系调整的所述气压影响校正数据，生成有效水质数据。

14、作为本发明的一个优选技术方案，还包括采集水质传感器物理状态参数，所述水质传感器物理状态参数包括水质传感器外壳温度、供电电压和信号输出稳定性；所述水质传感器外壳温度达到设备保护条件时启动与所述水质传感器热耦合的保护执行机构，所述供电电压或者所述信号输出稳定性不满足有效测量条件时禁止当前水质数据形成有效水质数据；所述设备保护条件和所述有效测量条件分别根据所述水质传感器允许工作条件、所述保护执行机构工作条件和稳定液态标定数据确定。

15、作为本发明的一个优选技术方案，还采集ph测量数据和浊度测量数据，并将所述ph测量数据和所述浊度测量数据加入所述多维度环境监测数据；在未建立与所述ph测量数据或者所述浊度测量数据对应的冰水混合状态标定关系时，所述冰水混合状态下，保留对应原始测量数据并附加水体冰冻状态标记，而不执行冰冻数值补偿；所述完全冻结状态下，对对应水质参数设置所述不可用标记；所述水体冰冻状态标记用于记录对应采样时间的所述水体冰冻状态。

16、作为本发明的一个优选技术方案，设备保护与恢复控制包括：在执行设备保护、除冰或者参数复位后，重新采集所述多维度环境监测数据并重新识别所述水体冰冻状态；以重新识别得到所述液态状态或者位于所述标定有效域内的所述冰水混合状态并生成有效水质数据作为保护恢复循环的正常终止条件，以达到所述保护执行机构允许的连续工作条件、达到预设保护执行次数或者检测到水质传感器故障作为所述保护恢复循环的异常终止条件；达到所述保护恢复循环的异常终止条件时停止继续执行以恢复有效水质数据为目的的保护恢复循环，保持所述不可用标记并生成维护告警。

17、作为本发明的一个优选技术方案，在所述水体冰冻状态为所述冰水混合状态，且当前溶解氧测量数据、当前电导率测量数据和所述液态水体积比例均位于所述标定有效域对应范围内，并且所述水质传感器物理状态参数满足所述有效测量条件时，所述设备保护与恢复控制还包括微相变热平衡控制过程；在所述微相变热平衡控制过程中建立热平衡控制观察窗口，根据所述热平衡控制观察窗口内连续获得且通过所述标定有效域检查的所述液态水体积比例确定液态水体积比例实际下降速率；在所述液态水体积比例实际下降速率大于0时，根据当前液态水体积比例、所述标定有效域的液态水体积比例下边界以及所述液态水体积比例实际下降速率确定边界逼近剩余时间；当所述边界逼近剩余时间低于微相变控制触发时间阈值时，根据所述环境温度数据、所述水体温度数据以及热传递标定参数确定环境热流散失率，并根据所述环境热流散失率、所述受控水体区域的有效参考体积、液态水密度、冰的凝固潜热、液态水体积比例目标下降速率以及热耦合功率转换系数确定目标补偿功率，所述液态水体积比例目标下降速率为预先标定存储的控制参数；所述目标补偿功率大于0且位于所述保护执行机构允许功率范围内时，根据所述目标补偿功率驱动所述保护执行机构向水质传感器热耦合区域输入热量，并根据后续连续采样得到的所述液态水体积比例实际下降速率与所述液态水体积比例目标下降速率之间的偏差对所述目标补偿功率进行限幅调整；所述目标补偿功率不大于0时停止所述微相变热平衡控制对应的热量输入；当所述目标补偿功率超过所述保护执行机构允许功率范围、所述供电电压不满足安全供电条件、当前溶解氧测量数据或者当前电导率测量数据超出所述标定有效域对应的数据范围、所述液态水体积比例超出所述标定有效域对应的液态水体积比例范围、或者所述水体冰冻状态不再为所述冰水混合状态时退出所述微相变热平衡控制过程。

18、作为本发明的一个优选技术方案，所述二维查找表的建立以及基于所述二维查找表确定所述液态水体积比例包括：根据所述受控冻结标定过程中的水体温度数据和具有独立液态水体积比例参考值的连续标定记录确定相变潜热释放时间区间，并根据所述相变潜热释放时间区间内所述溶解氧测量数据和所述电导率测量数据的1阶变化率以及相邻1阶变化率之间的变化程度确定非线性剧烈相变区间；从所述受控冻结标定数据中选取位于所述非线性剧烈相变区间且具有独立液态水体积比例参考值的实际标定记录形成密集标定网格，并在所述非线性剧烈相变区间之外形成平稳变化标定网格，在具有相同溶解氧测量数据跨度和相同电导率测量数据跨度的参数窗口内，所述密集标定网格包含的实际标定节点数量高于所述平稳变化标定网格包含的实际标定节点数量；例如，在溶解氧测量数据跨度为2.0 mg/l、电导率测量数据跨度为100 μs/cm的同一参数窗口内，密集标定网格包含16个实际标定节点，平稳变化标定网格包含4个实际标定节点，具体节点数量以实际受控冻结标定实验记录的节点密度配置为准，为所述密集标定网格和所述平稳变化标定网格分别存储节点密度标识；在所述冰水混合状态下，根据当前溶解氧测量数据和当前电导率测量数据形成当前输入坐标，根据所述当前输入坐标确定对应标定网格并读取所述节点密度标识；所述当前输入坐标位于所述密集标定网格内部并能够取得由4个溶解氧测量数据节点和4个电导率测量数据节点交叉形成的16个实际标定节点时，采用双三次多项式插值确定所述液态水体积比例；所述当前输入坐标位于所述平稳变化标定网格、所述密集标定网格边界或者不能取得所述16个实际标定节点时，采用双线性插值确定所述液态水体积比例；所述双三次多项式插值结果超出参与当前双三次多项式插值的实际标定节点对应的液态水体积比例范围或者所述标定有效域时，舍弃所述双三次多项式插值结果并采用所述双线性插值重新确定所述液态水体积比例，再对重新确定的所述液态水体积比例进行所述标定有效域检查。

19、另外，本发明还包括极寒高海拔水质数据冰冻补偿系统，用于执行如上所述的极寒高海拔水质数据冰冻补偿方法，包括水质监测站、边缘处理器、存储器、环境温度传感器、气压传感器、水体温度传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、ph传感器、浊度传感器、水质传感器物理状态监测单元以及保护执行机构；

20、所述环境温度传感器、所述气压传感器、所述水体温度传感器、所述溶解氧传感器、所述电导率传感器和所述水质传感器物理状态监测单元分别连接所述边缘处理器的数据输入端，所述存储器连接所述边缘处理器并存储冰冻状态判定参数、冰水混合状态标定关系、冰冻补偿标定关系、气压影响校正标定关系和低温响应标定参数；

21、所述存储器中的程序指令被所述边缘处理器执行时，所述边缘处理器实现数据预处理单元、水体冰冻状态识别单元、冰冻补偿单元、气压影响校正单元、低温响应特性补偿单元以及设备保护与恢复控制单元；

22、所述数据预处理单元输出经过量程检查、时间连续性检查和时序滤波的数据至所述水体冰冻状态识别单元，所述水体冰冻状态识别单元输出的水体冰冻状态作为所述冰冻补偿单元的数据处理路径控制输入；所述冰冻补偿单元根据所述水体冰冻状态输出液态状态下保留的水质测量数据或者冰水混合状态下生成的冰冻补偿水质数据作为待校正水质数据，所述待校正水质数据输出至所述气压影响校正单元，所述气压影响校正单元生成的气压影响校正数据输出至所述低温响应特性补偿单元；所述设备保护与恢复控制单元接收所述水质传感器物理状态监测单元输出的水质传感器物理状态参数并控制所述保护执行机构，所述保护执行机构完成设备保护或者除冰后触发所述边缘处理器重新读取现场传感器数据并重新执行数据预处理和水体冰冻状态识别。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明通过将水体冰冻状态直接作为水质数据处理路径控制量，使液态状态、冰水混合状态和完全冻结状态对应不同的水质数据处理结果，避免完全冻结状态下水质传感器仍有数值输出时继续形成有效水质数据，从源头提升有效水质数据的可靠性。冰水混合状态下，本发明采用受控冻结标定形成的冰水混合状态标定关系确定液态水体积比例，并以溶解氧测量数据范围、电导率测量数据范围和液态水体积比例范围共同限定标定有效域，使冰冻补偿始终限定在实际标定数据支持范围内，避免无标定依据的外推处理。冰冻补偿水质数据、气压影响校正数据和有效水质数据依次形成前后级数据依赖关系，使相变影响、环境气压影响和低温响应变化按照确定顺序处理，统一数据处理基准，降低不同误差因素采用不同数据基准带来的耦合偏差。

25、本发明配置变密度二维查找表，使非线性剧烈相变区间利用更多实际标定节点，并在具备完整局部实际标定节点阵列时执行双三次多项式插值，提高局部非线性区域的液态水体积比例确定精度；对于边界区域、节点不足区域以及双三次多项式插值越界结果执行双线性插值回退，保证局部描述能力提升的同时不扩大实际标定有效域，兼顾插值精度与数据处理量。

26、本发明还将液态水体积比例从冰冻补偿中间结果进一步用于边界逼近判断和微相变热平衡控制，根据液态水体积比例实际下降速率与液态水体积比例目标下降速率之间的偏差反馈调整目标补偿功率，使保护执行机构的热量输入与冰水混合状态的实际相变演进形成闭环，延长标定有效域内的可用处理时间，提升连续监测能力。设备保护、除冰或者参数复位完成后重新采集多维度环境监测数据并重新识别水体冰冻状态，使设备保护造成的物理状态变化重新进入数据有效性判断，增强极寒高海拔水质监测系统的自恢复能力和运行稳定性。