基于LabVIEW的污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)

劉景財(cái)，劉家琳，賴凱倫，劉國(guó)斌，張 弦，高碩陽(yáng)

（中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所，北京 100012）

0 引 言

土壤污染會(huì)對(duì)人類生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響，隨著降雨量的增加，土壤中的污染物質(zhì)會(huì)隨雨水從地表下滲，最終導(dǎo)致地下水污染。我國(guó)約70%的城鎮(zhèn)居民以地下水作為直接飲用水，地下水污染將使可飲用水儲(chǔ)量下降，對(duì)人體造成嚴(yán)重影響。治理地下水污染的前提是修復(fù)已經(jīng)被污染的土壤，因此急需解決土壤污染問(wèn)題。土壤污染在修復(fù)與治理之前，需要明確污染范圍、污染物擴(kuò)散深度以及被污染區(qū)域的地質(zhì)情況等。污染區(qū)域修復(fù)完成之后，還需要對(duì)修復(fù)完成的區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，包括對(duì)地下水和周邊土壤的檢測(cè)和評(píng)估，以驗(yàn)證污染區(qū)域修復(fù)效果。在土壤修復(fù)和治理的過(guò)程中，都需要快速高效的監(jiān)測(cè)方法和工具。傳統(tǒng)的鉆探取樣加化學(xué)分析的探測(cè)方法耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)成本高、空間分辨率低，而通過(guò)地球物理探測(cè)的方法建立的污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)具有時(shí)空分辨率高、無(wú)損、成本低的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污染場(chǎng)地長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)控，進(jìn)而為土壤的修復(fù)和治理工作提供重要的指導(dǎo)，有利于提升土壤修復(fù)和治理的有效性和完整性。

1 硬件結(jié)構(gòu)

污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用硬件電路和虛擬儀器共同開(kāi)發(fā)完成。硬件電路主要包括信號(hào)輸出模塊、信號(hào)采集模塊、電極轉(zhuǎn)換器。信號(hào)輸出模塊是由高壓信號(hào)源（由信號(hào)發(fā)生器和功率放大器組成）和供電電極組成，信號(hào)采集模塊是由信號(hào)采集裝置、采集線纜、濾波裝置和采樣電極組成。虛擬儀器主要包括串口的控制模塊、信號(hào)輸出模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)保存模塊等。整個(gè)三維監(jiān)控系統(tǒng)是由各個(gè)模塊分工完成各項(xiàng)功能的。系統(tǒng)功能主要包括信號(hào)輸出及數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)等，同時(shí)也兼顧著查詢歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化和污染場(chǎng)地預(yù)警等功能。

圖1 污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)框圖

高密度電阻率法與直流電阻率法檢測(cè)原理大致相同，區(qū)別在于測(cè)量裝置的排列是一種組合式的排列，就是多種溫納裝置的疊加和重復(fù)性的工作。溫納裝置的工作原理如圖2所示，A、B為供電電極，M、N為采樣電極，采樣為A、B所產(chǎn)生的電壓，是采樣電極M、N之間電勢(shì)變化的真實(shí)反映。高密度電阻率法的采樣深度是由采樣電極和供電電極之間的間距決定的。

圖2 溫納裝置測(cè)量方法

高密度電阻率法采集的數(shù)據(jù)僅能表示一個(gè)二維空間，因此本文采用基于正交對(duì)角線的溫納方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。如圖3所示，在地面布置多排電極，通過(guò)改變測(cè)量方向，測(cè)量更多的數(shù)據(jù)，對(duì)檢測(cè)區(qū)域的各個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域的三維勘探。

圖3 基于正交對(duì)角線的溫納方法

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是通過(guò)上位機(jī)軟件經(jīng)RS 485通信協(xié)議發(fā)送指令，控制高壓信號(hào)源的信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)功率放大器增加信號(hào)的強(qiáng)度，信號(hào)通過(guò)電極轉(zhuǎn)換器到達(dá)檢測(cè)區(qū)域。檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的電極由電極轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)供電和采集的功能，以提高電極的利用率和對(duì)檢測(cè)區(qū)域更加全面和細(xì)致的檢測(cè)。

2 開(kāi)發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

虛擬儀器（Virtual Instrument）是一種按照儀器的要求來(lái)組織需求、以計(jì)算機(jī)的軟件和硬件為依托實(shí)現(xiàn)各種儀器功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文采用LabVIEW進(jìn)行虛擬儀器的開(kāi)發(fā)。LabVIEW以高度集成化的程序框圖作為開(kāi)發(fā)形式。開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的信號(hào)輸出、采集、處理函數(shù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)函數(shù)、串口控制函數(shù)等被封裝成程序框圖。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

三維場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)軟件是在LabVIEW平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，軟件系統(tǒng)包括采集模塊、自動(dòng)檢測(cè)模塊、串口控制模塊和操作指令生成模塊。采集模塊主要負(fù)責(zé)控制硬件輸出和采集信號(hào)以及對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理。串口控制模塊主要是通過(guò)RS 485通信協(xié)議控制硬件（繼電器），實(shí)現(xiàn)電極轉(zhuǎn)換器的功能。自動(dòng)檢測(cè)模塊用來(lái)控制硬件的輸出和采集信號(hào)，檢驗(yàn)電極與檢測(cè)區(qū)域之間是否充分接觸。為了提高檢測(cè)的效率，在三維場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)工作之前，利用操作指令生成模塊對(duì)整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的供電和采樣電極進(jìn)行合理的劃分。

上述設(shè)計(jì)模式把程序執(zhí)行流程的各個(gè)過(guò)程作為各種狀態(tài)，依據(jù)程序執(zhí)行時(shí)的邏輯關(guān)系，確定狀態(tài)發(fā)生的先后順序，狀態(tài)與狀態(tài)之間相互獨(dú)立，不僅使軟件執(zhí)行時(shí)的邏輯更加清晰、子模塊的獨(dú)立性和復(fù)用率更高、狀態(tài)與狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性變?nèi)鹾酮?dú)立性變強(qiáng)，還使軟件開(kāi)發(fā)的工作更加高效。

（1）自動(dòng)檢測(cè)模塊

污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)模塊界面如圖4所示，其功能是檢測(cè)電極與檢測(cè)區(qū)域是否接觸完整。如圖5所示，若監(jiān)控區(qū)域的地質(zhì)比較松軟，在布置電極時(shí)會(huì)出現(xiàn)電極懸空的狀況，電極懸空使得電極與檢測(cè)區(qū)域接觸不完整，激勵(lì)信號(hào)不能輸送到檢測(cè)區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集之后得到的結(jié)果與場(chǎng)地真實(shí)信息存在較大誤差。因此在污染場(chǎng)地采集數(shù)據(jù)之前要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，確保電極與檢測(cè)區(qū)域完整接觸。自動(dòng)檢測(cè)模塊的工作原理是在測(cè)線上選取相鄰兩電極作為供電電極A、B，如圖6所示，通過(guò)供電電極向檢測(cè)區(qū)域輸入激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)測(cè)量圖6中電阻R的電壓值，通過(guò)電阻R的電壓值計(jì)算電路中的電流值，由供電電壓值和電路中電流值求出供電電極A、B之間的電阻，即：

圖5 電極布置

圖6 自動(dòng)檢測(cè)模塊電路

式中：是電阻R的測(cè)量電壓值；是電路中電流值；是電阻R的電阻值；是電路中的總電壓；是供電電極A、B之間的電阻。通過(guò)圖4中電阻值-電極編號(hào)圖依次顯示的相鄰電極之間的電阻，確定電極與檢測(cè)區(qū)域接觸的完整性。

圖4 污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)模塊界面

圖7為污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)模塊程序執(zhí)行流程，其中初始化的命令文件是利用不同電極作為供電電極A或B，執(zhí)行確定供電先后順序的功能。在布置電極時(shí)，給每個(gè)電極編號(hào)確定電極順序，依據(jù)電極編號(hào)的不同區(qū)分電極作為供電電極A或B時(shí)的位置。因此，文件中每一行記錄的是供電和采樣電極的編號(hào)。流程圖中初始化信號(hào)輸出參數(shù)通過(guò)圖8所示的信號(hào)輸出子程序?qū)崿F(xiàn)，程序執(zhí)行時(shí)讀取輸出信號(hào)參數(shù)文件，文件中包含的參數(shù)：信號(hào)輸出設(shè)備的物理地址和物理通道，輸出信號(hào)的波形、頻率和幅值，信號(hào)輸出模式、輸出周期等。圖9是信號(hào)采集的子程序，程序執(zhí)行時(shí)需要設(shè)置信號(hào)采集設(shè)備的物理地址和物理通道、采樣率、采樣模式等參數(shù)。圖10為串口通信子程序，上位機(jī)通過(guò)串口通信的方式向下位機(jī)繼電器組發(fā)送斷開(kāi)或閉合指令，程序執(zhí)行時(shí)配置通信的物理地址、波特率等參數(shù)，然后將通信地址和繼電器的開(kāi)關(guān)命令寫入到VISA函數(shù)（串口通信函數(shù)），等待200 ms硬件執(zhí)行命令，關(guān)閉串口，完成一次對(duì)繼電器的開(kāi)關(guān)控制。

圖7 自動(dòng)檢測(cè)模塊流程

圖8 信號(hào)輸出子程序

圖9 數(shù)據(jù)采集子程序

圖10 串口通信子程序

信號(hào)采集設(shè)備采集的是多通道混合動(dòng)態(tài)信號(hào)，需要使用信號(hào)拆分節(jié)點(diǎn)將多通道混合信號(hào)拆分成單通道獨(dú)立信號(hào)，并使用信號(hào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)將單通道的動(dòng)態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換成靜態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)通道的靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)圖11中的數(shù)據(jù)處理算法得到電壓信號(hào)中的有效值。

圖11 FFT子程序

（2）數(shù)據(jù)采集模塊

污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊采用電阻率法的溫納裝置對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，主界面如圖12所示。溫納裝置的工作原理是在檢測(cè)區(qū)域水平或垂直方向依次選取A、M、N、B這4個(gè)間距相等的電極點(diǎn)。如圖13所示，以電極點(diǎn)M和N為采樣電極，以電極點(diǎn)A和B為供電電極。通過(guò)供電電極A和B向檢測(cè)區(qū)域輸入激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)采樣電極M和N采集電壓數(shù)據(jù)，并且測(cè)量圖13中電阻R的電壓值。通過(guò)測(cè)量電阻R的電壓值來(lái)計(jì)算電路中的電流值。通過(guò)測(cè)量得到M、N之間的電壓值和電路中電流值，計(jì)算測(cè)量區(qū)域的電阻率。公式如下：

圖12 數(shù)據(jù)采集模塊主界面

圖13 數(shù)據(jù)采集模塊電路

其中：是電阻R的測(cè)量電壓值；是電阻R的電阻值；是電路中的電流值；為裝置系數(shù)，表示供電電極和采樣電極之間的關(guān)系；AM和AN分別表示電極A與電極M和N之間的水平距離；BM和BN分別表示電極B與電極M和N之間的水平距離；?是采樣電極M和N之間的測(cè)量電壓值；是采樣電極M與N之間的視電阻率值。

圖14為污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊程序執(zhí)行流程，其中信號(hào)輸出、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、繼電器控制與自動(dòng)檢測(cè)模塊的相關(guān)功能相同；不同的是數(shù)據(jù)采集模塊的命令文件和數(shù)據(jù)的最終處理方式。數(shù)據(jù)采集模塊的命令文件是供電和采樣電極的位置，文件中每一行都記錄了供電和采樣電極的編號(hào)，因此在選擇供電和采樣的位置時(shí)需要先后對(duì)4個(gè)繼電器進(jìn)行選通操作；數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)數(shù)據(jù)的最終處理方式是將采集數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便以后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)保存是通過(guò)建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表，把供電和采樣電極位置信息、采樣值等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖15是數(shù)據(jù)保存子程序。數(shù)據(jù)保存流程是：創(chuàng)建數(shù)據(jù)連接的通道，打開(kāi)數(shù)據(jù)連接通道，配置數(shù)據(jù)庫(kù)的名稱，向數(shù)據(jù)庫(kù)中插入數(shù)據(jù)，關(guān)閉通道、釋放資源，完成數(shù)據(jù)保存的流程。

圖14 數(shù)據(jù)采集模塊程序流程

圖15 數(shù)據(jù)保存子程序

（3）電阻率成像模塊

污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)電阻率成像模塊是通過(guò)布置在監(jiān)控區(qū)域的多個(gè)電極，采集監(jiān)控區(qū)域的電阻率數(shù)據(jù)，并采用正反演算法對(duì)電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到電阻率圖像。模塊界面如圖16所示。電阻率反演以圓滑約束最小二乘法為基礎(chǔ)，如式（6）所示，實(shí)時(shí)構(gòu)造實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與正演模型的目標(biāo)函數(shù)后使其達(dá)到最小值。

圖16 電阻率成像模塊界面

式中：Δ是數(shù)據(jù)殘差向量；是偏導(dǎo)數(shù)矩陣；是阻尼系數(shù)；是光滑矩陣；Δ是模型參數(shù)修正向量。計(jì)算式（6）中的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，得到模型參數(shù)修正向量Δ，將其代入式（7），得到新的預(yù)測(cè)模型參數(shù)向量，即：

迭代至實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)間平均均方誤差RMS（如式（8）所示）滿足要求，結(jié)束電阻率反演。

如圖17所示的污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)成像子程序，主要是使用ActiveX控件實(shí)現(xiàn)MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)成像算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)繪圖功能。

圖17 電阻率成像子程序

3 模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)采用圖18所示的沙槽物理仿真模型來(lái)模擬污染場(chǎng)地。首先在長(zhǎng)、寬、高分別為3 m、1.5 m、1.5 m的沙槽中鋪上塑料薄膜，然后填充細(xì)沙礫模擬大地。選用直徑為10 cm、厚度為5 cm的銅質(zhì)圓餅作為異物，模擬污染物。模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，首先對(duì)沙槽各個(gè)位置電阻率進(jìn)行測(cè)量，然后將異物放于沙槽，再次測(cè)量改變后沙槽的電阻率。

圖18 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

圖19、圖20為在實(shí)驗(yàn)沙槽中測(cè)得數(shù)據(jù)的三維成像，圖中橫軸表示測(cè)量長(zhǎng)度，縱軸表示測(cè)量寬度，豎軸表示測(cè)量深度，單位是cm。由于沙槽中填入沙礫比較干燥、導(dǎo)電性相對(duì)較差，所以測(cè)得電阻率比較高。圖19是第一次測(cè)量背景數(shù)據(jù)成像，得到=10 cm位置切片圖。圖20是第二次測(cè)量數(shù)據(jù)成像，得到=10 cm位置切片圖。通過(guò)比較可知，圖20中電阻率相對(duì)較低的中間區(qū)域，深度大約在15 cm到25 cm之間是異物。

圖19 第一次實(shí)驗(yàn)電阻率剖分圖

圖20 第二次實(shí)驗(yàn)電阻率剖分圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文使用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為軟件開(kāi)發(fā)提供了大量的函數(shù)庫(kù)，降低了污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。系統(tǒng)依據(jù)地球物理勘探的原理、方法以及不同物質(zhì)電阻率差異性對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)室內(nèi)沙槽模擬污染場(chǎng)地的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了污染場(chǎng)地監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和有效性。本文所采用的方法與傳統(tǒng)物理勘探、化學(xué)勘探方法相比，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)期的監(jiān)控，更不會(huì)對(duì)監(jiān)控區(qū)域造成二次污染。以期為土壤的修復(fù)和治理工作提供重要的指導(dǎo)，提升土壤修復(fù)和治理的有效性和完整性。