基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)集散化監(jiān)測系統(tǒng)的研究

張澤鵬 張云 張志

摘? 要：隨著當(dāng)今科技的發(fā)展，很多“大數(shù)據(jù)”的產(chǎn)物應(yīng)運而生。在當(dāng)今注重環(huán)境保護(hù)的國策下，做好水質(zhì)監(jiān)測工作并對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)型顯得更加重要。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)向快捷且精準(zhǔn)的方向轉(zhuǎn)化，同時構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺，采用集散化監(jiān)測系統(tǒng)對不同地域的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，并將所捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行平臺化的管理和分析，以提高水質(zhì)監(jiān)測工作的精準(zhǔn)性和針對性。該文將對該裝置的組成、構(gòu)件特點、運行原理、實際應(yīng)用及預(yù)期成果進(jìn)行介紹，并從較為客觀的角度評價該項目方案的可行性。

關(guān)鍵詞：自主控制系統(tǒng)? 光線檢測? 實時監(jiān)測? 大數(shù)據(jù)管理? 集散化? 移動式

中圖分類號：X84? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0011-02

近幾年來，水環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，在國家加強(qiáng)環(huán)境治理的政策下，水環(huán)境的治理工作變得尤為重要，而水質(zhì)監(jiān)測在水環(huán)境治理的工作中有著直接且關(guān)鍵性的作用。只有水質(zhì)監(jiān)測工作高效率且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行，我國水環(huán)境治理才能有時間和數(shù)據(jù)上的保證，我們的健康也能得到一定程度的保證?！盎诖髷?shù)據(jù)的水質(zhì)集散化監(jiān)測系統(tǒng)”的想法便由此而來。

不同于傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，“基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)集散化監(jiān)測系統(tǒng)”利用了大數(shù)據(jù)技術(shù)和光線檢測的方法，一定程度上提高了監(jiān)測效率和精準(zhǔn)度，移動式監(jiān)測模式也減少了人力和時間的消耗，提高了系統(tǒng)的針對性。該文將就“基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)集散化監(jiān)測系統(tǒng)”的組成、工作原理、應(yīng)用和預(yù)期成果進(jìn)行簡要介紹，以供參考。

1? 系統(tǒng)的詳細(xì)介紹

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)由水漂浮平臺、水監(jiān)測支架兩大部分組成，其中內(nèi)部構(gòu)造還包括第一光線監(jiān)測模塊、第二光線監(jiān)測模塊、定位模塊、處理器模塊、無線通信模塊、抽水裝置、水質(zhì)監(jiān)測模塊部分。

1.2 系統(tǒng)的構(gòu)件及特點

1.2.1 水漂浮平臺

該平臺通過錨鏈連接有錨，所述錨鏈纏繞在水漂浮平臺上的卷筒上，其上還設(shè)置有卷筒轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置，以方便全方位移動進(jìn)行監(jiān)測。該平臺為其他構(gòu)件提供了在水上工作的漂浮條件和平臺，有利于其他構(gòu)件的固定和運作。

1.2.2 水質(zhì)監(jiān)測支架

水質(zhì)監(jiān)測支架包括支撐柱和旋轉(zhuǎn)桿，其中支撐柱豎直設(shè)置在水漂浮平臺上，旋轉(zhuǎn)桿的一端連接著支撐柱頂部，保證能夠繞連接點進(jìn)行萬向旋轉(zhuǎn)。其另一端設(shè)有第一光線檢測模塊，所述第一光線監(jiān)測模塊通過所述旋轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)進(jìn)出水體?？梢姡撍|(zhì)監(jiān)測支架在整個系統(tǒng)中主要起固定和連接各個部件的作用。

1.2.3 第一、第二光線監(jiān)測模塊

第一、第二光線監(jiān)測模塊運用了多通道數(shù)字光線傳感器的性質(zhì)，具有監(jiān)測紫外光、可見光、紅外光的能力，因此在直射陽光的監(jiān)測環(huán)境下性能尤為卓越。其中第一光線監(jiān)測模塊與水質(zhì)監(jiān)測支架上的旋轉(zhuǎn)桿相連，在旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)時對水體內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。第二光線監(jiān)測模塊則位于水漂浮臺上，設(shè)置于水體外，用于在外監(jiān)測數(shù)據(jù)。這種光線監(jiān)測模塊不僅可以利用光線傳播測量來提高監(jiān)測效率，還在光譜監(jiān)測范圍內(nèi)提高了測量的準(zhǔn)確性。

1.2.4 定位模塊

定位模塊主要運用了衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)，安裝在水漂浮平臺上，該模塊運用GPS系統(tǒng)對水漂浮平臺進(jìn)行實時定位，并將定位信息以數(shù)據(jù)形式傳送給操作人和處理器，以進(jìn)行后期控制其他裝置運行的操作。

1.2.5 處理器模塊

該處理模塊用于接收第一、第二光線監(jiān)測模塊、水質(zhì)檢測模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所接受數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和處理，并將所接收數(shù)據(jù)傳輸至其他裝置，進(jìn)行后期的控制和其他裝置的運行。信息處理完畢后，處理器將根據(jù)定位模塊的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行水區(qū)域的目標(biāo)鎖定，然后控制抽水裝置的進(jìn)行。該處理器模塊可對所接受數(shù)據(jù)進(jìn)行及時且針對性的反應(yīng)。

1.2.6 無線通信模塊

無線通信模塊主要利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的快捷性和共享性，將處理器中所接收數(shù)據(jù)無線傳輸至其他裝置中。一定程度上提高了信息傳遞的速度和便捷性。

1.2.7 抽水裝置和水質(zhì)監(jiān)測模塊

該抽水裝置設(shè)置在水漂浮平臺上，用于抽取鎖定區(qū)域內(nèi)的水樣，并將水體中的水注入水收集裝置中，所述水收集裝置內(nèi)設(shè)有水質(zhì)監(jiān)測模塊，將對水體中污染物的種類、各類污染物濃度及變化以及水質(zhì)狀況進(jìn)行及時的監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送至處理器中進(jìn)行處理和統(tǒng)計。

1.3 系統(tǒng)的工作原理

（1）可移動式監(jiān)測。

該系統(tǒng)設(shè)有水漂浮平臺，所述水漂浮平臺通過錨鏈連接有錨，所述錨鏈纏繞在所述水漂浮平臺上的卷筒上，可通過該平臺上所設(shè)置的卷筒轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置進(jìn)行系統(tǒng)位置的移動，使得監(jiān)測裝置系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)自由移動，進(jìn)行大范圍水域的水體監(jiān)測，省去了傳統(tǒng)人工水質(zhì)監(jiān)測工作因監(jiān)測環(huán)境受限而帶來的麻煩。

（2）可自主運行系統(tǒng)。

設(shè)置在旋轉(zhuǎn)桿進(jìn)行水體內(nèi)部數(shù)據(jù)監(jiān)測的第一光線模塊和水漂浮平臺上進(jìn)行水體外數(shù)據(jù)監(jiān)測的第二光線模塊，將自主進(jìn)行數(shù)據(jù)的捕捉，并通過水質(zhì)監(jiān)測模塊進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。隨后自主將所捕捉的數(shù)據(jù)傳送到處理器中，在處理器中運用大數(shù)據(jù)技術(shù)將所接受數(shù)據(jù)信息進(jìn)行平臺化的統(tǒng)一分析與整理后，將啟用定位模塊的定位系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域性水體范圍鎖定，并根據(jù)數(shù)據(jù)顯示控制抽水裝置的運行。其中，處理器模塊中所接受的數(shù)據(jù)也會自主通過無線通信模塊傳輸?shù)狡渌难b置中。

（3）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

監(jiān)測系統(tǒng)將分為各個單元，每一個監(jiān)測系統(tǒng)位于不同的水域，檢測完畢后，將會把各單元數(shù)據(jù)進(jìn)行平臺化整合。不同于傳統(tǒng)遙控數(shù)據(jù)處理的方式，大數(shù)據(jù)時代的遙測數(shù)據(jù)處理可在高效率的數(shù)據(jù)整合下一定程度地擴(kuò)大測量范圍。

1.4 系統(tǒng)的實際應(yīng)用

由于水資源關(guān)系到人類和生物的生存問題，又是環(huán)境改善的基礎(chǔ)，因此對于水質(zhì)的及時監(jiān)測和處理顯得非常重要且急迫。由此，“基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)集散化監(jiān)測系統(tǒng)”在現(xiàn)在和未來都有著很大的發(fā)展前景。

該系統(tǒng)可應(yīng)用于工廠排污渠道、水庫、公園、湖泊等地方進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。其中，可該本系統(tǒng)的各個單元分放在不同工廠的排污系統(tǒng)中，進(jìn)行實時性且精準(zhǔn)性的排污水質(zhì)的檢測與監(jiān)測，并能夠及時反映工廠的排污程度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，有利于管理工廠的排污系統(tǒng)。

分放在各大水庫的單元則可以對全國不同地域的居民飲用水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，此數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計有利于掌控居民飲用水的水質(zhì)狀況，還有利于對突發(fā)水質(zhì)變化進(jìn)行及時的發(fā)現(xiàn)和處理。

另外，分放在公園及湖泊中的監(jiān)測單元則可以對大面積的水域進(jìn)行監(jiān)測，合理利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)平臺，將數(shù)據(jù)集散化處理，有利于分析水質(zhì)變化及趨勢，方便對自然生態(tài)下的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)管和維護(hù)。

2? 設(shè)計研究方案

2.1 設(shè)計目標(biāo)

該文設(shè)計的系統(tǒng)主要用于對不同水域的水體進(jìn)行水質(zhì)檢測和監(jiān)測。以實現(xiàn)監(jiān)測工作的自動化，從監(jiān)測區(qū)域的自由化開始，再實現(xiàn)監(jiān)測工作的自主化，以及數(shù)據(jù)處理的智能化和系統(tǒng)化。利用現(xiàn)有技術(shù)，提高水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的水平。

2.2 研究方法

該項目先提出理論構(gòu)架和原理，再建立簡要模型進(jìn)行實際實驗。通過對該系統(tǒng)的不斷調(diào)試和更新，并與傳統(tǒng)監(jiān)測方式下的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，逐漸調(diào)整并完善該系統(tǒng)的監(jiān)測工作，并修正其工作的穩(wěn)定性。

2.3 實驗方案及其可行性

（1）實驗方案。

采用材質(zhì)較為輕便但穩(wěn)定的物質(zhì)作為水漂浮平臺，該平臺由錨鏈與錨連接，底部和側(cè)面設(shè)有卷筒驅(qū)動裝置保證系統(tǒng)的移動性。以上構(gòu)件由于需要長期處于水環(huán)境下，應(yīng)考慮使用壽命問題。第一第二光線監(jiān)測模塊則基于光線跟蹤原理，將其原理運用到現(xiàn)實中的碰撞監(jiān)測技術(shù)中，利用不同光線與水體中不同物質(zhì)的碰撞頻率不同，監(jiān)測水體中的各物質(zhì)及其濃度。將第一第二光線監(jiān)測模塊分別固定在水體內(nèi)外，將處理器和無線通信模塊固定水漂浮平臺上，其中，處理器與水漂浮平臺下的抽水裝置和水收集裝置相連接，以方便操控其運行。無線通信模塊位于頂部，以便與其他裝置進(jìn)行無障礙數(shù)據(jù)傳輸。

（2）方案可行性。

基于目前已有的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)，該方案可以通過計算機(jī)語言編輯一個算法，讓所構(gòu)建系統(tǒng)有一套基于傳統(tǒng)人工監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測方法，并可構(gòu)建一個平臺來統(tǒng)一顯示數(shù)據(jù)及其變化趨勢。在目前物理與化學(xué)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計的移動式監(jiān)測方法和光線監(jiān)測的方法有著理論知識的保障?？傮w而言，該系統(tǒng)可以高效、自主且較為穩(wěn)定地運行。

2.4 系統(tǒng)運行的預(yù)期成果

“基于大數(shù)據(jù)的空氣質(zhì)量集散化監(jiān)測系統(tǒng)”將廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域的水環(huán)境中，從人們的飲用水到生態(tài)水環(huán)境，對不同水質(zhì)進(jìn)行實時監(jiān)控，并反映給相關(guān)人員進(jìn)行水質(zhì)控制和調(diào)整，以及對突發(fā)情況的及時發(fā)現(xiàn)和處理。數(shù)據(jù)統(tǒng)計的顯示平臺將更直觀且客觀地向相關(guān)人員提供水質(zhì)信息和變化，方便使用人員獲取信息并采取及時反應(yīng)。并且該系統(tǒng)將大面積覆蓋水環(huán)境，減少傳統(tǒng)監(jiān)測方式的人力及時間的投入。

2.5 設(shè)計創(chuàng)新點

該系統(tǒng)的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在其可移動性、利用光線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測以及利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析管理幾方面。

其中，為達(dá)到可移動性，該裝置設(shè)有卷筒驅(qū)動裝置和定位系統(tǒng)，通過人工對于水域目標(biāo)的鎖定，控制該系統(tǒng)向目標(biāo)點位的移動來進(jìn)行針對性的水質(zhì)監(jiān)測。

光線監(jiān)測技術(shù)則基于當(dāng)今物理學(xué)中不同光線與水中不同物質(zhì)碰撞的頻率不同，來監(jiān)測水質(zhì)中存在的不同物質(zhì)及其含量。

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的平臺化分析和管理的創(chuàng)新點，充分將系統(tǒng)數(shù)據(jù)集散化，運用并行計算、分布式計算以及云計算相結(jié)合的方法，通過網(wǎng)絡(luò)連接各個分系統(tǒng)，運用多臺處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行并行運算和處理，提高信息處理的效率并平衡一臺處理器處理信息時的負(fù)荷。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析管理后，將其放入虛擬的云平臺上進(jìn)行統(tǒng)一的管理，具有一定的靈活性和可靠性。

3? 成果分析

該系統(tǒng)進(jìn)行試用測驗后，在短時間內(nèi)便得出了區(qū)域性水域的水質(zhì)情況及較短時間內(nèi)的變化及趨勢。測驗中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)測量方面也具有一定的穩(wěn)定性。測驗后，系統(tǒng)展示的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有比傳統(tǒng)人力監(jiān)測系統(tǒng)更強(qiáng)的可觀性和系統(tǒng)性，為使用者根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果采取相應(yīng)的應(yīng)對措施帶來便捷。

4? 結(jié)語

在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時代的不斷發(fā)展下，新型技術(shù)不斷衍生而出，望該文所介紹的實用新型系統(tǒng)能夠較好地利用當(dāng)今新型技術(shù)，對傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和轉(zhuǎn)型，高效且精準(zhǔn)地進(jìn)行水質(zhì)檢測與監(jiān)測工作。

參考文獻(xiàn)

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