生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化研究與應(yīng)用

李 葉，譚 杰

（1.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

在快速發(fā)展的數(shù)字化技術(shù)支持下，生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)采樣的數(shù)字化探索開(kāi)始引起關(guān)注，這種探索需要關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)采樣涉及的各要素，包括材料、人員、設(shè)備、環(huán)境、方法等。但結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理相關(guān)問(wèn)題仍在業(yè)內(nèi)大量存在，為保證生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)字化探索取得預(yù)期效果，本文圍繞生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化開(kāi)展具體的研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化意義分析

為實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生，近年來(lái)我國(guó)各界高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量便屬于關(guān)注重點(diǎn)。為反映污染問(wèn)題治理效果并評(píng)估環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)，環(huán)境管理工作中生態(tài)環(huán)境檢測(cè)工作必須充分發(fā)揮作用，這一檢測(cè)需要得到質(zhì)量較高的現(xiàn)場(chǎng)采樣工作支持。對(duì)于生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，為保證環(huán)境檢測(cè)工作水平，必須重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量信息，進(jìn)而設(shè)法優(yōu)化管理，為打造集成監(jiān)管機(jī)制，實(shí)驗(yàn)室需結(jié)合行業(yè)中成熟、規(guī)范的管理方法，同時(shí)積極應(yīng)用最新數(shù)字化技術(shù)及平臺(tái)，做好測(cè)試、評(píng)估、數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)告編制等管理，全面提升自身管理水平。圍繞傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)多數(shù)屬于野外作業(yè)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)采樣來(lái)說(shuō)，采樣工作的時(shí)間跨度和地域跨度均較大，同時(shí)會(huì)受到復(fù)雜的污染源影響，這種情況下很容易限制采樣信息監(jiān)測(cè)及處理過(guò)程的可追溯性和真實(shí)性，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理不當(dāng)問(wèn)題。通過(guò)開(kāi)展生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化探索，生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室在維護(hù)檢測(cè)質(zhì)量、提升監(jiān)督效果等方面能夠取得顯著成果，這需要得到大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新型數(shù)字化技術(shù)支持，生態(tài)環(huán)境檢測(cè)工作基礎(chǔ)可由此全面夯實(shí)[1]。

2 現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方式

在生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣工作中，需要重點(diǎn)關(guān)注各類要素影響，包括“人機(jī)法料環(huán)”，現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化探索也需要充分關(guān)注這類要素，為保證采樣的隨機(jī)性和偶然性降到最低，必須設(shè)法實(shí)現(xiàn)整體流程自動(dòng)化，進(jìn)而開(kāi)展全面質(zhì)量管理，本文介紹的具體數(shù)字化方式包括數(shù)字化設(shè)備管理、數(shù)字化采樣記錄、數(shù)字化經(jīng)驗(yàn)積累、數(shù)字化展望分析。

2.1 數(shù)字化設(shè)備管理

生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣需要應(yīng)用多種采樣設(shè)備，這類設(shè)備會(huì)在運(yùn)行中形成數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)成為數(shù)字化管理重點(diǎn)。對(duì)于采樣設(shè)備應(yīng)用的各環(huán)節(jié)，需開(kāi)展全生命周期的信息化管理，具體涉及采購(gòu)、核查、校準(zhǔn)、保養(yǎng)、維修、使用等環(huán)節(jié)，如在日常核查和外部校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，基于數(shù)字化應(yīng)用角度，需設(shè)法保證不同采樣設(shè)備形成針對(duì)性的計(jì)量特征，通過(guò)數(shù)字化記錄采樣設(shè)備的計(jì)量畫像參數(shù)，形成支持定量化、數(shù)字化分析的采樣設(shè)備計(jì)量能力云端匹配庫(kù)，在云計(jì)算等技術(shù)支持下，通過(guò)匹配遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)集，采樣設(shè)備的校準(zhǔn)和計(jì)量能夠獲得充足依據(jù)，順利完成可追溯化的采樣設(shè)備計(jì)量，最終實(shí)現(xiàn)源頭層面的采樣設(shè)備質(zhì)量控制[2]。

2.2 數(shù)字化采樣記錄

生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣使用的設(shè)備擁有報(bào)表打印功能，但受到采樣對(duì)象差異及設(shè)備功能限制，仍大量存在手工抄錄現(xiàn)場(chǎng)采樣記錄的情況，這一現(xiàn)狀必須在數(shù)字化探索中設(shè)法改變。在具體的數(shù)字化采樣記錄探索中，應(yīng)聚焦以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：第一，下載任務(wù)。通過(guò)移動(dòng)終端下載管理系統(tǒng)中的采樣任務(wù)；第二，指派人員。結(jié)合采樣任務(wù)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)人員信息，針對(duì)性完成采樣人員指派，需同時(shí)結(jié)合任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣人員工作量考核；第三，設(shè)置采樣點(diǎn)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采樣點(diǎn)，需結(jié)合移動(dòng)終端開(kāi)展設(shè)置；第四，錄入采樣結(jié)果。通過(guò)移動(dòng)終端自動(dòng)采集和記錄數(shù)據(jù)，具體包括采樣人員、采樣設(shè)備、采樣參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等信息；第五，錄入表單。對(duì)于采樣環(huán)節(jié)形成的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工況記錄單、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意圖、現(xiàn)場(chǎng)原始記錄單，通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)行確認(rèn)，具體確認(rèn)結(jié)合電子簽名進(jìn)行；第六，樣品保存。完成采樣后，需要拍攝樣品保存情況，樣品交接單上必須同時(shí)明確記錄樣品保存措施；第七，交接樣品。完成采樣后，樣品交接單生成由移動(dòng)終端負(fù)責(zé)，該表單需要向樣品管理部門傳遞[3]。

通過(guò)上述七個(gè)環(huán)節(jié)，數(shù)字化采集措施能夠在生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣中得到全面應(yīng)用，采樣環(huán)節(jié)涉及的測(cè)量、過(guò)程、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)可由此形成對(duì)應(yīng)質(zhì)量控制點(diǎn)，進(jìn)而得到質(zhì)量控制數(shù)據(jù)集，通過(guò)重構(gòu)數(shù)字化的采樣過(guò)程，更為有效地統(tǒng)一采樣質(zhì)量控制方法和數(shù)據(jù)采集協(xié)議，進(jìn)而更好保障生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量。

2.3 數(shù)字化經(jīng)驗(yàn)積累

生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣應(yīng)通過(guò)數(shù)字化手段匯集相關(guān)質(zhì)量控制、采樣設(shè)備要素，結(jié)合收集的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，保證采樣記錄向生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)流轉(zhuǎn)過(guò)程質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)質(zhì)量問(wèn)題?；诓煌蓸迎h(huán)節(jié)要求，還應(yīng)重點(diǎn)回溯分析歷史數(shù)據(jù)，保證采樣環(huán)節(jié)存在的不足和問(wèn)題能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。在采樣數(shù)字化探索中，需要重視規(guī)則庫(kù)建設(shè)和發(fā)展，進(jìn)而開(kāi)展智能化、自動(dòng)化判別，輔以針對(duì)性建設(shè)的專業(yè)規(guī)則引擎，科學(xué)形成不同采樣活動(dòng)的評(píng)判規(guī)則。在專家經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累下，采樣規(guī)則可通過(guò)人工智能技術(shù)持續(xù)完善，進(jìn)而同時(shí)提升采樣自動(dòng)化水平和操作便捷性，最終順利實(shí)現(xiàn)規(guī)則化的采樣質(zhì)量控制[4]。

2.4 數(shù)字化展望分析

為更好實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理數(shù)字化還需要關(guān)注采樣智能化、質(zhì)量控制信息預(yù)測(cè)預(yù)警、不同場(chǎng)景靈活管理。采樣智能化需要得到各類新型智能化輔助技術(shù)支持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加全面、精確、自動(dòng)的采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)提升現(xiàn)場(chǎng)采樣的數(shù)字化重建和塑造能力，進(jìn)而縮小實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和采樣現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化管理差距；質(zhì)量控制信息預(yù)測(cè)預(yù)警需要聚焦現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量控制，充分應(yīng)用快速發(fā)展和完善的現(xiàn)場(chǎng)材料質(zhì)量控制數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)大力建設(shè)質(zhì)量控制規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)多樣化分析預(yù)測(cè)，進(jìn)而全面提升采樣質(zhì)量控制預(yù)警的自動(dòng)化水平[5]。

3 現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化的具體應(yīng)用

3.1 問(wèn)題分析

為更好實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化，必須明確相關(guān)環(huán)節(jié)的誤差來(lái)源，同時(shí)聚焦這類誤差帶來(lái)的影響，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)最大程度減少和規(guī)避相關(guān)誤差，這一過(guò)程需同時(shí)引入全過(guò)程理念，聚焦現(xiàn)場(chǎng)采樣的全環(huán)節(jié)。圍繞環(huán)境采樣誤差進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，采樣需要設(shè)法獲取適合分析的一定數(shù)量和形式的樣品，這種樣品需要具備較高的代表性，即研究整個(gè)實(shí)體與樣品間的相似性需要達(dá)到最大，這是現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理的重點(diǎn)所在。為保證數(shù)字化技術(shù)較好用于生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理，需要關(guān)注樣品代表性，且最小化控制樣品成分及性質(zhì)變化、損失及污染引發(fā)的誤差。對(duì)于在生理、生態(tài)、時(shí)間、地理意義上不具備代表性的樣本來(lái)說(shuō)，如采樣區(qū)域高度污染點(diǎn)停止取樣或測(cè)量，應(yīng)保證指示物種存在不同累積行為或采用適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行采樣。對(duì)于隨機(jī)誤差，需要重點(diǎn)做好對(duì)采樣、取樣、測(cè)量等步驟的檢驗(yàn)。考慮到采樣各環(huán)節(jié)均可能引發(fā)定性、絕對(duì)、系統(tǒng)誤差，且這類誤差無(wú)法通過(guò)隨機(jī)樣本數(shù)量的增加進(jìn)行改進(jìn)或糾正，基于誤差行為、性質(zhì)、風(fēng)險(xiǎn)、傳播、后果的差異，不應(yīng)簡(jiǎn)單開(kāi)展定量分析和比較。

3.2 數(shù)字化要點(diǎn)

對(duì)于環(huán)境采樣來(lái)說(shuō)，需要分析的總量多數(shù)情況下不存在有限數(shù)量和明確定義，小流域植被、池塘可食魚類種群等均可能成為需要進(jìn)行描述的親本種群，這會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題總量缺乏明確定義且無(wú)法直接獲取，缺乏嚴(yán)格限制的情況也很容易出現(xiàn)。為解決相關(guān)問(wèn)題，必須圍繞取樣的多樣性和異質(zhì)性開(kāi)展針對(duì)性分層，如對(duì)區(qū)域按照同質(zhì)亞區(qū)進(jìn)行明確界定，設(shè)法指定對(duì)應(yīng)的物種和大小等級(jí)，進(jìn)而明確總數(shù)量中地層相對(duì)豐度及相關(guān)參數(shù)。結(jié)合上述分析可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和環(huán)境研究目標(biāo)的準(zhǔn)確界定極為關(guān)鍵，質(zhì)量管理數(shù)字化技術(shù)在其中的應(yīng)用具備較高實(shí)用性，能夠較好控制質(zhì)量和規(guī)劃，具體需要關(guān)注合適樣本類型、采樣網(wǎng)格密度和形式、采樣周期及時(shí)間的選擇，項(xiàng)目費(fèi)用和努力需要基于所需精密度、準(zhǔn)確度及地區(qū)數(shù)量結(jié)構(gòu)和規(guī)模確定。為保證所需信息準(zhǔn)確、順利獲取，必須關(guān)注規(guī)劃優(yōu)化，嚴(yán)格開(kāi)展質(zhì)量評(píng)估。

在生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣中，樣品和區(qū)域類型定義很容易引發(fā)誤差，如從同一湖泊的不同部分進(jìn)行樣品采集，水、貽貝、沉淀物、植物等樣品的檢測(cè)結(jié)果將出現(xiàn)較大差異，在湖的最深處、不同污染程度溪流出口處進(jìn)行的采集同樣會(huì)導(dǎo)致不同檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)，環(huán)境采樣質(zhì)量受到的陸地地區(qū)污染物暴露程度、污染程度、土壤性質(zhì)等因素影響，這種情況在工業(yè)用地和城市、接近自然的偏遠(yuǎn)地區(qū)均存在。生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣很少涉及單個(gè)點(diǎn)屬性，更多關(guān)注區(qū)域的代表性點(diǎn)，因此獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)被隱式或顯式地從單個(gè)測(cè)量點(diǎn)外推、關(guān)聯(lián)及推廣至擴(kuò)展區(qū)域，由此引發(fā)的誤差同樣不容忽視。在對(duì)區(qū)域相關(guān)信息的收集過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)信息手段開(kāi)展早期調(diào)查并收集相關(guān)平面圖、地圖，之后開(kāi)展篩選工作，明確待尋找子體的空間分異、變異性及大小情況，這能夠?yàn)榭茖W(xué)地統(tǒng)計(jì)抽樣設(shè)計(jì)提供信息支持，保證特定抽樣計(jì)劃科學(xué)制定，該計(jì)劃需要具體提及待分析區(qū)域和具體問(wèn)題，同時(shí)作為調(diào)查人和委托人間的合同基礎(chǔ)。對(duì)于相關(guān)的有效數(shù)據(jù)表和文件，可通過(guò)輔助工具進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)記錄，如上文提及的移動(dòng)終端，但在應(yīng)用移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄前，必須在數(shù)據(jù)表中完成記錄，通過(guò)這種備份更好保證生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理可靠性。值得注意的是，數(shù)據(jù)表需要在生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣管理中作為抽樣樣本或抽樣指南，進(jìn)而嚴(yán)格記錄采樣過(guò)程出現(xiàn)的偏離取樣計(jì)劃及特殊事件，這關(guān)系著數(shù)字化探索能否取得預(yù)期效果。

4 結(jié)論

綜上所述，生態(tài)環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理技術(shù)數(shù)字化探索具備較高現(xiàn)實(shí)意義。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的數(shù)字化設(shè)備管理、數(shù)字化采樣記錄、數(shù)字化經(jīng)驗(yàn)積累、數(shù)字化展望分析等內(nèi)容，則直觀展示了數(shù)字化探索路徑。為更好開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)采樣質(zhì)量管理工作，還需要充分應(yīng)用智能化輔助手段、積極引入新型軟硬件、引進(jìn)和培養(yǎng)相關(guān)人才。