Äîñòîâ³ðí³ñòü êîìïëåêñíîãî îö³íþâàííÿ ÿêîñò³ âîäîïðîâ³äíî¿ âîäè â ðåàëüíîìó ÷àñ³ âèçíà÷àºòüñÿ ÿê³ñòþ ïåðâèííèõ äàíèõ áàãàòîïàðàìåòðè÷íîãî ñåíñîðíîãî âóçëà. Êîìïàêòí³ IoT-ñåíñîðè ó ïîáóòîâ³é òðóáîïðîâ³äí³é ë³í³¿ çàçíàþòü âïëèâó çì³í òåìïåðàòóðè é òèñêó, åëåêòðîìàãí³òíèõ çàâàä òà äåãðàäàö³¿ ÷óòëèâèõ åëåìåíò³â [1; 2]. Îñê³ëüêè ³íòåãðàëüíèé ³íäåêñ ÿêîñò³ âîäè X(t) ôîðìóºòüñÿ ÿê ôóíêö³ÿ âåêòîðà ïàðàìåòð³â X(t)={T(t),pH(t),ORP(t),Cl(t),PPM(t) }, íåâðàõîâàí³ ïîõèáêè âèì³ðþâàíü ïåðåíîñÿòüñÿ íà ï³äñóìêîâó îö³íêó òà ìîæóòü ñïðè÷èíÿòè õèáí³ ñïðàöþâàííÿ ñèñòåìè ïîïåðåäæåííÿ àáî ïðîïóñê ðåàëüíèõ ïîä³é ïîã³ðøåííÿ ÿêîñò³ âîäè. Òîìó ô³ëüòðàö³ÿ ñåíñîðíèõ äàíèõ òà ìåòðîëîã³÷íå îá´ðóíòóâàííÿ âèì³ðþâàëüíîãî òðàêòó º îäí³ºþ ç êëþ÷îâèõ çàäà÷ äîñë³äæåííÿ, ïðèñâÿ÷åíîãî êîìïëåêñíîìó îö³íþâàííþ ÿêîñò³ âîäè â ðåàëüíîìó ÷àñ³ íà îñíîâ³ áàãàòîïàðàìåòðè÷íèõ Big Data-ìîäåëåé.
Îñíîâíèìè äæåðåëàìè ñïîòâîðåíü âèì³ðþâàëüíî¿ ³íôîðìàö³¿ º: ñòîõàñòè÷í³ øóìè åëåêòðîííèõ êîìïîíåíò³â; äðåéô õàðàêòåðèñòèê ñåíñîð³â (êðèòè÷íèé äëÿ pH-åëåêòðîä³â òà äàò÷èê³â õëîðó); ïåðåõðåñíèé âïëèâ òåìïåðàòóðè; ïîõèáêè êâàíòóâàííÿ ÀÖÏ; âòðàòè ïàêåò³â òåëåìåòð³¿. Âèì³ðþâàëüíèé ïðîöåñ îïèñóºòüñÿ ë³í³éíîþ ñòîõàñòè÷íîþ ìîäåëëþ ó ïðîñòîð³ ñòàí³â: x(k)=F*x(k-1)+w(k),z(k)=H*x(k)+v(k), äå x(k) – âåêòîð ³ñòèííèõ çíà÷åíü; z(k) – âåêòîð âèì³ðþâàíü; F, H – ìàòðèö³ ïåðåõîäó; w(k) ~ N(0,Q),v(k) ~ N(0,R) – øóìè ïðîöåñó òà âèì³ðþâàíü [3].
Ô³ëüòð Êàëìàíà îáðàíî ÿê îïòèìàëüíèé ë³í³éíèé îö³íþâà÷ ó ñåíñ³ ì³í³ìóìó ñåðåäíüîêâàäðàòè÷íî¿ ïîõèáêè äëÿ ñèñòåì ç ãàóñ³âñüêèì øóìîì, ùî ìຠðåêóðñèâíó ñòðóêòóðó òà íèçüêó îá÷èñëþâàëüíó ñêëàäí³ñòü, ïðèäàòíó äëÿ ì³êðîêîíòðîëåðíèõ ïëàòôîðì edge-ð³âíÿ [3; 4]. ϳñëÿ åòàïó ïðîãíîçó îö³íêà ñòàíó êîðèãóºòüñÿ çà îòðèìàíèì âèì³ðþâàííÿì:
äå x̂ – îö³íêà âåêòîðà ñòàíó; K(k) – êàëìàí³âñüêå ï³äñèëåííÿ, ùî áàëàíñóº äîâ³ðó ì³æ ïðîãíîçîì ìîäåë³ òà âèì³ðþâàííÿì. Íåâ'ÿçêà z(k)-H*x ̂(k|k-1) ñëóãóº òàêîæ ä³àãíîñòè÷íîþ îçíàêîþ: ¿¿ ñèñòåìàòè÷íå çðîñòàííÿ ñâ³ä÷èòü ïðî äåãðàäàö³þ ñåíñîðà ³ º ï³äñòàâîþ äëÿ ïåðåõîäó â ðåæèì ä³àãíîñòèêè ÷è êàë³áðóâàííÿ.
Åôåêòèâí³ñòü ô³ëüòðà çàëåæèòü â³ä êîðåêòíîñò³ çàäàííÿ ìàòðèöü Q òà R. Ìàòðèöÿ R îö³íþºòüñÿ çà ïàñïîðòíèìè õàðàêòåðèñòèêàìè ñåíñîð³â ³ ñòàòèñòèêîþ âèì³ðþâàíü ó ñòàö³îíàðíèõ óìîâàõ òà óòî÷íþºòüñÿ çà êîâçíîþ äèñïåðñ³ºþ íåâ'ÿçîê; ìàòðèöÿ Q íàëàøòîâóºòüñÿ çà ðåæèìîì ôóíêö³îíóâàííÿ: ó øòàòíîìó – ìàë³ çíà÷åííÿ (ñèëüíå çãëàäæóâàííÿ), ó ðåæèì³ ï³äâèùåíî¿ ÷óòëèâîñò³ – á³ëüø³, ùî ïðèñêîðþº ðåàêö³þ íà ðåàëüí³ øâèäê³ çì³íè ïàðàìåòð³â. Ïåðñïåêòèâíèì º çàñòîñóâàííÿ àíñàìáëåâîãî ô³ëüòðà Êàëìàíà (EnKF) äëÿ ñóì³ñíîãî îö³íþâàííÿ ñòàíó òà ïàðàìåòð³â ìîäåë³ ìåðåæ³ [4].
Ìåòðîëîã³÷íå çàáåçïå÷åííÿ áóäóºòüñÿ íà òðüîõ ð³âíÿõ: íà ð³âí³ ñåíñîðà ñòàíäàðòè IEEE 1451 ÷åðåç åëåêòðîíí³ ïàñïîðòè TEDS ôîðìàë³çóþòü òèï, ä³àïàçîí, ôóíêö³þ ïåðåòâîðåííÿ òà êàë³áðóâàëüí³ êîåô³ö³ºíòè äàò÷èêà [5]; íà ð³âí³ âèì³ðþâàëüíîãî ïðîöåñó âèìîãè äî êîíòðîëüîâàíîñò³ é â³äòâîðþâàíîñò³ ðåãëàìåíòóº ISO 10012:2003 [6]; íà ð³âí³ ï³äñóìêîâî¿ îö³íêè, çã³äíî ç íàñòàíîâîþ GUM [7], êîìá³íîâàíà ñòàíäàðòíà íåâèçíà÷åí³ñòü ³íäåêñó Q(t) âèçíà÷àºòüñÿ çà çàêîíîì ïîøèðåííÿ íåâèçíà÷åíîñòåé:
äå u(xi) – ñòàíäàðòíà íåâèçíà÷åí³ñòü i-ãî ïàðàìåòðà ï³ñëÿ ô³ëüòðàö³¿; ∂Q/∂xi – êîåô³ö³ºíòè ÷óòëèâîñò³. ijàãîíàëüí³ åëåìåíòè êîâàð³àö³éíî¿ ìàòðèö³ P(k|k) ô³ëüòðà Êàëìàíà õàðàêòåðèçóþòü äèñïåðñ³þ ïîõèáêè îö³íþâàííÿ êîæíîãî ïàðàìåòðà, òîáòî ô³ëüòð íå ëèøå çíèæóº íåâèçíà÷åí³ñòü âõ³äíèõ âåëè÷èí, à é íàäຠ¿¿ ê³ëüê³ñíó îö³íêó â ðåàëüíîìó ÷àñ³, ôîðìóþ÷è íàñêð³çíèé ìåòðîëîã³÷íèé ëàíöþã «ñåíñîð → ³íòåãðàëüíèé ³íäåêñ». ßêùî äîâ³ð÷èé ³íòåðâàë Q(t)±k*uc (Q) ïåðåòèíຠêëàñèô³êàö³éíèé ïîð³ã, ñòàí âîäè òðàêòóºòüñÿ ÿê íåâèçíà÷åíèé òà ³í³ö³þþòüñÿ äîäàòêîâ³ âèì³ðþâàííÿ. Íîðìàòèâíîþ îñíîâîþ äîïóñòèìèõ ä³àïàçîí³â ñëóãóþòü ÄÑàíÏ³Í 2.2.4-171-10 òà ðåêîìåíäàö³¿ ÂÎÎÇ [8].
Îòæå, ô³ëüòð Êàëìàíà íà edge-ð³âí³ ç àäàïòèâíèì íàëàøòóâàííÿì êîâàð³àö³éíèõ ìàòðèöü çàáåçïå÷óº îïòèìàëüíå îö³íþâàííÿ ïàðàìåòð³â âîäè òà ä³àãíîñòèêó äåãðàäàö³¿ ñåíñîð³â, à òðèð³âíåâå ìåòðîëîã³÷íå çàáåçïå÷åííÿ íà îñíîâ³ IEEE 1451, ISO 10012 òà GUM ãàðàíòóº îá´ðóíòîâàí³ñòü ³íòåãðàëüíî¿ îö³íêè Q(t) ³ ñòâîðþº îñíîâó äëÿ åêñïåðèìåíòàëüíî¿ âåðèô³êàö³¿ ìåòîäó íà ô³çè÷íîìó ïðîòîòèï³.
Ñïèñîê ë³òåðàòóðè:
1. Zulkifli S. N., Rahim H. A., Lau W. J. Detection of contaminants in water supply: A review on state-of-the-art monitoring technologies and their applications. Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. Vol. 255. P. 2657–2689.
2. Storey M. V., van der Gaag B., Burns B. P. Advances in on-line drinking water quality monitoring and early warning systems. Water Research. 2011. Vol. 45, ¹ 2. P. 741–747.
3. Welch G., Bishop G. An Introduction to the Kalman Filter. Chapel Hill : University of North Carolina, 2006. 16 p.
4. Rajakumar A. G. et al. Real-time water quality modeling with Ensemble Kalman Filter for state and parameter estimation. Journal of Water Resources Planning and Management. 2019. Vol. 145, ¹ 11.
5. IEEE 1451. Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators (TEDS).
6. ISO 10012:2003. Measurement management systems – Requirements for measurement processes and measuring equipment.
7. ISO/IEC Guide 98-3:2008. Uncertainty of measurement – Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995).
8. ó㳺í³÷í³ âèìîãè äî âîäè ïèòíî¿, ïðèçíà÷åíî¿ äëÿ ñïîæèâàííÿ ëþäèíîþ : ÄÑàíÏ³Í 2.2.4-171-10. Êè¿â, 2010.
_____________________________
Íàóêîâèé êåð³âíèê: Äóäàòüºâ ²ãîð Àíäð³éîâè÷, êàíäèäàò òåõí³÷íèõ íàóê, äîöåíò êàôåäðè ²ÐÒÑ, ³ííèöüêèé íàö³îíàëüíèé òåõí³÷íèé óí³âåðñèòåò
|
Ãîëîñóâàííÿ 
Öÿ ðîáîòà ë³öåíçóºòüñÿ â³äïîâ³äíî äî Creative Commons Attribution 4.0 International License
Çíàéøëè ïîìèëêó? Âèä³ë³òü ïîìèëêîâèé òåêñò ìèøêîþ ³ íàòèñí³òü Ctrl + Enter