無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

譚平玉

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長沙410007)

1 概述

20 世紀(jì)50、60 年代人們開始使用無人駕駛水面船只進(jìn)行一定的遙控范圍內(nèi)的簡單水面作業(yè),隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展,人們采用嘗試水上無人駕駛遙控船為載體,集成水質(zhì)監(jiān)測儀器,通過無線通信、自主導(dǎo)航及自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行水域水質(zhì)監(jiān)測。過去幾年內(nèi),歐盟投資數(shù)千萬美元由挪威科技工業(yè)研究院(SINTEF),通過其子公司(Marinitek)開發(fā)一個(gè)“海上智能航行”合作項(xiàng)目MUNIN,以驗(yàn)證無人船的可操作性[1]。國內(nèi)珠海云洲智能科技有限公司研制的小型自動(dòng)采樣船、中型自動(dòng)采樣船和在線監(jiān)測采樣船,可進(jìn)行全自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化水質(zhì)采樣和氣象水文參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。2016 年鎮(zhèn)江市環(huán)保部門利用采樣監(jiān)測船對市內(nèi)管轄的九條河流進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測,監(jiān)測項(xiàng)目包含氨氮、溶解氧等七個(gè)參數(shù),形成了九條河流監(jiān)測報(bào)告和水質(zhì)分布圖,掌握了市內(nèi)河流的水質(zhì)變化,實(shí)時(shí)監(jiān)管污染物排放企業(yè)[2]；武漢市環(huán)保局也使用采樣監(jiān)測無人船對市內(nèi)具有代表性的50 個(gè)湖泊及3 片濕地作為研究對象,通過對水體進(jìn)行采樣和在線監(jiān)測,形成采樣報(bào)告、監(jiān)測報(bào)告、每個(gè)參數(shù)的水質(zhì)分布圖[3]。無人船技術(shù)在以上領(lǐng)域的應(yīng)用中展現(xiàn)了較高的實(shí)用價(jià)值,水質(zhì)監(jiān)測調(diào)查工作效率得到提升,同時(shí)也幫助工作人員規(guī)避了在水面上工作時(shí)帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

本文介紹的無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、水質(zhì)分析評價(jià)、區(qū)域水質(zhì)分布圖繪制于一體的新型系統(tǒng),能夠?qū)诔羲w、地表水體分級(jí)、主要或特征污染物最大超標(biāo)倍數(shù)、斷面水質(zhì)超標(biāo)率等動(dòng)態(tài)展示、報(bào)告和實(shí)時(shí)預(yù)警等。為區(qū)域制定污染防控計(jì)劃提供依據(jù),以及能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染源,動(dòng)態(tài)的反映水質(zhì)的污染狀況,支撐構(gòu)建無人值守的環(huán)境污染聯(lián)控機(jī)制。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、用戶層組成(如圖1 所示)。其中基礎(chǔ)設(shè)施層主要是為系統(tǒng)提供了硬件支持環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境、基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)環(huán)境；數(shù)據(jù)源層包括支撐系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等信息；數(shù)據(jù)層是為系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支撐,是系統(tǒng)輔助決策的主要依據(jù),匯集了系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)源,通過共享交換綜合成系統(tǒng)自己的數(shù)據(jù)庫。業(yè)務(wù)應(yīng)用層是將無人船水質(zhì)監(jiān)測業(yè)務(wù)中所有環(huán)節(jié)、流程進(jìn)行抽象、封裝,再以restful 服務(wù)的方式提供接口調(diào)用,業(yè)務(wù)應(yīng)用層是該系統(tǒng)中核心所在。用戶層從系統(tǒng)使用的對象來分析用戶類型,根據(jù)用戶職能及需求分為環(huán)保管理人員、公司相關(guān)人員、項(xiàng)目設(shè)計(jì)/施工/監(jiān)理、實(shí)驗(yàn)室檢測人員、社會(huì)公眾用戶等。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足用戶業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上,同時(shí)兼顧系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和易接入性、跨平臺(tái)兼容性,為后期系統(tǒng)部署運(yùn)維提供便利。

圖1 無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)用于支撐對水質(zhì)采樣全過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控,提高水質(zhì)(采樣)監(jiān)測的準(zhǔn)確性、真實(shí)性,也有助于降低采樣風(fēng)險(xiǎn)和成本,功能模塊主要分為無人船水質(zhì)監(jiān)測信息采集及校驗(yàn)、無人船監(jiān)測軌跡及水質(zhì)分布圖展示、歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)查詢、水質(zhì)等級(jí)分析評價(jià)、人工檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入五大功能模塊。

3.1 無人船水質(zhì)監(jiān)測信息采集及校驗(yàn)

GPRS 作為2.5G 的無線通信技術(shù),采用分組通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)多用戶資源共享,繼而提升通信效率[4]。通過對無人船通信模塊改造實(shí)現(xiàn)通過GPRS 對無人船水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、傳輸,依據(jù)無人船水質(zhì)監(jiān)測操作規(guī)范對測點(diǎn)的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析,并進(jìn)行處理、計(jì)算出測點(diǎn)和斷面的水質(zhì)信息,同時(shí)將斷面、測點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。無人船監(jiān)測通信消息包主要包括時(shí)間戳、數(shù)據(jù)塊、幀校驗(yàn)等信息,其中數(shù)據(jù)塊按順序存放水溫、pH 值、濁度、電導(dǎo)率和溶解氧五項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)檢測結(jié)果。服務(wù)器端的通訊模塊監(jiān)聽特定端口,對滿足校驗(yàn)規(guī)則的消息包進(jìn)行原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ),剔除不滿足水質(zhì)參數(shù)物理意義有效性檢查的記錄后進(jìn)行算數(shù)平均,從而計(jì)算出監(jiān)測斷面的水質(zhì)濃度,圖2。

圖2 無人船數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)

3.2 無人船監(jiān)測軌跡及水質(zhì)分布圖展示

權(quán)重系數(shù)是影響克里格插值效果的關(guān)鍵因素,常規(guī)方法是通過計(jì)算所有實(shí)測點(diǎn)兩兩之間距離與半方差,在此基礎(chǔ)上擬合建立距離與半方差之間的函數(shù)關(guān)系,以便計(jì)算任意距離的半方差,再根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算最優(yōu)系數(shù),圖3。

圖3 水質(zhì)分布圖繪制流程圖

系統(tǒng)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測記錄進(jìn)行匯集,采用優(yōu)化后的克里格插值算法進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)分布圖實(shí)時(shí)繪制。根據(jù)測點(diǎn)檢測時(shí)間自動(dòng)生成無人船行駛軌跡,為保證監(jiān)測點(diǎn)之間的軌跡合理,前期人工預(yù)先無人船航行航道,船行軌跡沿航道行駛,靠近監(jiān)測點(diǎn)時(shí)移動(dòng)至監(jiān)測點(diǎn),并短時(shí)停靠后用顏色標(biāo)識(shí)該測點(diǎn)水質(zhì)情況,然后再離開移動(dòng)到航道上來。

3.3 水質(zhì)等級(jí)分析評價(jià)

水質(zhì)等級(jí)分析評價(jià)參考《城市黑臭水體整治指南》、《地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法》[6],進(jìn)行指定監(jiān)測區(qū)域黑臭水體(正常、輕度、重度黑臭)、地表水水質(zhì)(四類、五類、劣五類)等級(jí)評價(jià),并根據(jù)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行各類水質(zhì)占比、主要或特征污染物最大超標(biāo)倍數(shù)、斷面水質(zhì)超標(biāo)率等統(tǒng)計(jì)分析。單因子評價(jià)主要是根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行超標(biāo)項(xiàng)目和超標(biāo)倍數(shù)等指標(biāo)分析,并對月、季度、年度的單因子評價(jià)達(dá)標(biāo)率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,主要以趨勢圖、餅狀圖和表格顯示。《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[7]中包括水溫、總氮、糞大腸菌群等24 項(xiàng)指標(biāo),其中水溫、總氮、糞大腸菌群作為參考指標(biāo)單獨(dú)評價(jià)。經(jīng)過廣泛調(diào)研進(jìn)行綜合考慮,系統(tǒng)采用單因子評價(jià)法進(jìn)行河流斷面水質(zhì)類別評價(jià),即根據(jù)評價(jià)時(shí)段內(nèi)該斷面參評的指標(biāo)中類別最高的一項(xiàng)來確定。

黑臭水質(zhì)評價(jià)是根據(jù)透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮四個(gè)參數(shù)劃分為輕度黑臭和重度黑臭,地表水等級(jí)是則是對水溫、pH 值以外的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,系統(tǒng)采用restful 風(fēng)格接口提供服務(wù),如黑臭等級(jí)計(jì)算接口url 為http://localhost:8081/analysis/blackstink?turb=15 &dox=1.8&orp=-157&nh=4。水質(zhì)評價(jià)計(jì)算出結(jié)果后采用JSON 格式進(jìn)行規(guī)范化數(shù)據(jù)輸出,JSON 格式數(shù)據(jù)不僅比xml 等格式的數(shù)據(jù)更簡潔,而且對接前端JavaScript 語言可與直接轉(zhuǎn)換為Object 進(jìn)行屬性讀取。如果水質(zhì)等級(jí)評價(jià)發(fā)揮結(jié)果為{"grade":2,"detail":{"turb":2, "dox":2,"orp":2,"nh":1}}。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及分析

無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是針對突發(fā)污染事件的預(yù)警平臺(tái)、水質(zhì)信息發(fā)布平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對無人船監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、獲取、處理、展示、分析評價(jià)與預(yù)警一體化過程,快速、精確地獲得監(jiān)測區(qū)域水質(zhì)、時(shí)間和空間信息,提高水質(zhì)監(jiān)測過程真實(shí)性、及時(shí)性、智能性及監(jiān)測效率,使水質(zhì)監(jiān)測與管理過程信息化。本系統(tǒng)以茅洲河流域水系示范基地,通過使用無人船進(jìn)行不定期水質(zhì)、水文等環(huán)境等數(shù)據(jù)采集,并且及時(shí)上報(bào)流域水質(zhì)情況。具體包括:

基于無人船對河段開展連續(xù)移動(dòng)監(jiān)測,采用優(yōu)化克里格插值算法,快速繪制整個(gè)區(qū)域水質(zhì)分布圖,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測從單點(diǎn)固定監(jiān)測到斷面動(dòng)態(tài)監(jiān)測的突破,有效的支撐相關(guān)管理人員快速、掌握準(zhǔn)確河道水質(zhì)濃度情況。

建立了無人船水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、固定水質(zhì)監(jiān)測站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)展示、評價(jià)與分析、預(yù)警體系,將水質(zhì)監(jiān)測從采樣、檢測、處理與結(jié)果展示、分析預(yù)警全過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,不僅提高了水質(zhì)監(jiān)測與管理效率,也通過水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)面互補(bǔ)、動(dòng)靜結(jié)合,改善了水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量。

利用無人船對實(shí)施治理和運(yùn)維的水域斷面進(jìn)行水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測,掌握重點(diǎn)斷面水質(zhì)狀況,模擬參與河流水質(zhì)污染突發(fā)事件的采樣與水質(zhì)監(jiān)測,達(dá)到了快速掌握水質(zhì)數(shù)據(jù)變化特征,為制定污染防控方案提供有力支撐。

5 結(jié)論

本文針對無人船水質(zhì)監(jiān)測特點(diǎn)展開研究,設(shè)計(jì)適宜的無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu),完成了無人船水質(zhì)監(jiān)測信息采集和校驗(yàn),并在GIS 地圖上復(fù)現(xiàn)無人船水質(zhì)監(jiān)測軌跡,采用優(yōu)化克里格算法進(jìn)行區(qū)域水質(zhì)分布圖繪制,以更直觀的呈現(xiàn)河道水質(zhì)濃度情況。系統(tǒng)按照現(xiàn)行水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)辦法自動(dòng)進(jìn)行水質(zhì)等級(jí)、因子評價(jià)計(jì)算,根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)地圖+圖表等豐富形式的歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)查詢,設(shè)計(jì)了通用水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表,實(shí)現(xiàn)了人工檢測數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理,實(shí)現(xiàn)了樣本采集、水質(zhì)檢測、處理與結(jié)果展示、分析預(yù)警全過程數(shù)字化支撐。

無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)提高了水質(zhì)檢測、河道管理的工作效率,也從一定程度上改善了水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量,為水污染防控、治理提供了有力支撐。系統(tǒng)以茅洲河流域水系作為示范基地,已定期開展多次有效應(yīng)用,在茅洲河流域水環(huán)境綜合整治項(xiàng)目中取得了良好效果。