基于人工智能的農(nóng)村飲用水智慧監(jiān)測

譚振華,秦 成,蒙良慶

(1.力合科技(湖南)股份有限公司,湖南 長沙 410221;2.重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 重慶 401147)

1 引言

飲用水安全作為與人體健康息息相關(guān)的因素，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水利供水、衛(wèi)生健康預(yù)防等工作的重中之重[1]。而農(nóng)村飲用水是我國居民供水系統(tǒng)中的相對薄弱環(huán)節(jié)[2～5]，是當(dāng)前亟需關(guān)注的熱點，現(xiàn)階段已有大量的學(xué)者開展農(nóng)村飲用水水源地水質(zhì)狀況評價[6～8]、飲用水水源的安全及水處理工藝[9,10]、飲用水水質(zhì)監(jiān)測方法[11～14]、監(jiān)測傳感器技術(shù)[15～20]等方面的研究，上述研究成果有效的降低水源地污染所帶來的各種風(fēng)險。但目前的研究在2方面存在不足：①由于生態(tài)環(huán)境、水利、衛(wèi)生部門的職能職責(zé)的差異，目前的研究大多是將水源地水、水廠水、末梢水割裂開單獨監(jiān)測，缺少建立從水源到用戶的全過程農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)；②鑒于農(nóng)村飲用水具有分散廣、數(shù)量多的特點，導(dǎo)則目前尚無有力監(jiān)測技術(shù)支撐精細(xì)化管理和聯(lián)防聯(lián)控。

鑒于此，本文提出以水源水、出廠水和管網(wǎng)末梢水的采樣終端三重監(jiān)測+全自動中心實驗室特征參數(shù)監(jiān)測模式；實現(xiàn)源水預(yù)警，出廠水和網(wǎng)管末稍水三重安全保障,全自動中心實驗室精準(zhǔn)監(jiān)測的管理理念；整合現(xiàn)有的監(jiān)測大數(shù)據(jù)，解析當(dāng)前農(nóng)村飲用水污染物來源，進(jìn)行源解析或模型分析，科學(xué)揭示農(nóng)村飲用水污染的成因、影響程度，為管理部門制定治理決策提供依據(jù)。

2 基于人工智能的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)

2.1 總體概況

建立以全自動化中心實驗室為主體，智能采樣終端和可視化監(jiān)管平臺為兩翼的全方位聯(lián)動監(jiān)測體系。智能采樣終端設(shè)置于水源水、出廠水和管網(wǎng)末梢水處，由在線監(jiān)測和采樣送檢兩部分組成，其中采樣送檢兼顧在線采樣和手工采樣2種方式，采用APP對采樣環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一管理，采用靈活多樣的樣品運輸工具送樣至全自動化實驗室。交接雙方采用APP進(jìn)行面對面交接，二維碼傳遞樣品信息，信息在線流轉(zhuǎn)。全自動化實驗室儀器操作人員放置樣品，一鍵啟動檢測，水樣數(shù)據(jù)，質(zhì)控數(shù)據(jù)，測試流程日志實時上傳。全過程管理大數(shù)據(jù)平臺實時收集在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、采樣、運輸、交接、檢測各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量全方位智能化監(jiān)管?？傮w方案見圖1。

圖1 總體方案

2.2 技術(shù)流程

2.2.1 水質(zhì)采樣

以智能在線采樣為主，手工采樣為輔，在有必要且有條件安裝的污染源排放口統(tǒng)一安裝在線采樣設(shè)備，在一般的排放口采用手工采樣方式，在實際過程中，可根據(jù)具體問題靈活調(diào)整在線或手工采樣方式。

(1)智能管控終端。采用智能管控終端對水源水、出廠水、網(wǎng)管末稍水實現(xiàn)24 h在線采樣，內(nèi)置等時、等流量、即時采樣模式。能遠(yuǎn)程操作智能管控終端，修改自動采樣策略，靈活設(shè)置機器按監(jiān)管的需求進(jìn)行樣品采集。為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和水廠需要，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)配備必要的監(jiān)測設(shè)備、采樣設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，為農(nóng)飲水的監(jiān)測預(yù)警提供技術(shù)支持。設(shè)備配置見表1。

表1 智能管控終端在線設(shè)備配置

(2)手工采樣。在未設(shè)置在線采樣設(shè)備的點位，采用手工采樣方式，采樣人員持證上崗，采樣過程視頻跟蹤錄像，便于事后復(fù)查，確保采樣行為合規(guī)。在手工采樣的同時，配置便攜式儀器做好現(xiàn)場項目監(jiān)測。采樣人員使用采樣APP，規(guī)范管理采樣人員現(xiàn)場GPS簽到，采樣信息、現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果便捷填報，樣品交接信息化流轉(zhuǎn)，減少手工填報工作。

2.2.2 樣品保存運輸

樣品保存運輸采用水樣冷藏運輸箱、冷鏈運輸車或物流運輸；本環(huán)節(jié)關(guān)鍵在于冷藏運輸箱、冷鏈運輸車、采樣瓶具有GPS定位功能和防開啟功能，將定位軌跡和采樣瓶開啟情況上傳至大數(shù)據(jù)中心監(jiān)管端，使樣品運輸過程留痕可溯源。

2.2.3 自動化實驗室監(jiān)測

集中式自動化監(jiān)測實驗室的建設(shè)不單純是選配合理的儀器設(shè)備，還要綜合考慮實驗室的總體規(guī)劃，合理布局和平面設(shè)計，以及供電、供水、通風(fēng)、廢液處理、安全措施等基礎(chǔ)設(shè)施和基本條件。

全自動中心實驗室由多個檢測通道、多臺自動進(jìn)樣器和1套儀器操作終端軟件組成，實現(xiàn)進(jìn)樣、預(yù)處理、反應(yīng)分析、計算結(jié)果全過程自動化、批量化檢測。操作人員一鍵操作，全自動批量、高效完成水樣檢測，自動完成數(shù)據(jù)質(zhì)控，檢測數(shù)據(jù)及運行流程直傳大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)“準(zhǔn)、快”目標(biāo)。儀器布局示意如圖2所示，部分檢測通道監(jiān)測項目及分析方法見表2所示。

圖2 儀器布局示意

表2 分析儀部分檢測通道情況一覽

2.2.4 信息化管理

信息化軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)對采樣、送樣、實驗室檢測全過程進(jìn)行管理，監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中收集處理應(yīng)用。系統(tǒng)由現(xiàn)場采樣APP、自動檢測儀器軟件和數(shù)據(jù)中心監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采樣、運輸、自動監(jiān)測管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的對比研究

現(xiàn)將AI自動化實驗室和傳統(tǒng)手工實驗室從代表性、檢測效率、準(zhǔn)確性、成本、結(jié)果報出5個方面進(jìn)行對比，詳見表3。

表3 AI自動化實驗室和傳統(tǒng)手工實驗室對比

傳統(tǒng)監(jiān)測方式存在以下不足：①人工即時采樣不具有連續(xù)性、代表性，對超標(biāo)水樣超標(biāo)原因調(diào)查缺少有效手段；②監(jiān)測任務(wù)重，人力資源耗費多，分析效率不能長期維持，監(jiān)測質(zhì)量難以全程溯源，水質(zhì)情況不能及時體現(xiàn)；③監(jiān)測點位及數(shù)據(jù)不能直觀展示，超標(biāo)分布情況可視化程度待提升。

3 實例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

A縣位于三峽庫區(qū)腹心，是三峽庫區(qū)生態(tài)經(jīng)濟區(qū)沿江經(jīng)濟走廊承東啟西、南引北聯(lián)的重要樞紐。一方面，農(nóng)村飲用水水廠眾多，有60余個鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠，6000余個村級水廠，水質(zhì)監(jiān)測站儀器設(shè)備配備、人員編制難以滿足當(dāng)前的監(jiān)測需求，村級水廠成為監(jiān)測盲區(qū)，存在飲水安全風(fēng)險; 同時由于水廠自行監(jiān)測能力不足，基本未配置在線監(jiān)測，僅便攜式對余氯/濁度/色度/pH值進(jìn)行監(jiān)測。另一方面，現(xiàn)階段監(jiān)測頻次低，1000 t以上水廠一季度一次，其余半年一次;水廠自行監(jiān)測能力不足，監(jiān)測覆蓋不全，僅出廠水進(jìn)行一周3次的監(jiān)測；末梢水監(jiān)測頻次低于一周1次，甚至未進(jìn)行監(jiān)測；水源水基本未進(jìn)行監(jiān)測, 因此，不能及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)情況，存在飲水安全風(fēng)險,突發(fā)事故應(yīng)急能力薄弱, 供水應(yīng)急能力建設(shè)滯后。

3.2 研究區(qū)農(nóng)飲水智慧監(jiān)測方案

A縣農(nóng)飲水監(jiān)測現(xiàn)狀主要以人工監(jiān)測為主，特別在采樣和監(jiān)測方面占用了大量的人力資源和設(shè)備資源、人工檢測時間和精力有限檢測頻次低、監(jiān)測項目受限，人工采樣受時間、空間、成本限制、人工檢測成本較高，同時無法快速、批量性的出具監(jiān)測數(shù)據(jù)，對A縣農(nóng)飲水的監(jiān)管監(jiān)測力度不足。針對這一現(xiàn)狀，在2022年4月份，根據(jù)A縣農(nóng)飲水環(huán)境現(xiàn)狀和水廠分布實際情況，按照科學(xué)設(shè)計、合理布局原則，分別在9個水廠的水源水、出廠水、網(wǎng)末梢水布設(shè)共安裝了20個智能管控終端，建設(shè)了1座AI自動化實驗室，1個可視化監(jiān)管平臺，實現(xiàn)自動采樣、自動監(jiān)測、全過程溯源留痕的監(jiān)測體系。

3.3 智能檢測終端

水源水配置水溫、pH值、濁度在線監(jiān)測，地下水水源增加配置電導(dǎo)率在線監(jiān)測；出廠水、末梢水配置水溫、 pH值、濁度、余氯在線監(jiān)測。采樣使用等時等比例自動采集水樣，采樣的同時進(jìn)行在線參數(shù)的監(jiān)測，目前每4 h進(jìn)行1次監(jiān)測。

3.4 AI自動化實驗室

AI自動化實驗室具備28個指標(biāo)的全自動檢測能力，其中常規(guī)指標(biāo)25個：砷、鎘、鉻(六價)、鉛、汞、氰化物、氟化物、硝酸鹽(以N計)、色度(鉑鈷色度單位)、鋁、鐵、錳、銅、鋅、氯化物、硫酸鹽、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚類、陰離子合成洗滌劑、硫化物、氨氮、總磷、總氮、化學(xué)需氧量；微生物指標(biāo)3個：總大腸菌群、大腸埃希氏菌，并且預(yù)留了擴展空間。常規(guī)指標(biāo)日檢測量均能達(dá)50個樣，微生物指標(biāo)日檢測量均能達(dá)20個樣。

3.5 運行效果

3.5.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)A縣的實際情況，不同水源類型采用不同的評價標(biāo)準(zhǔn)。詳見表4評價標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)及指標(biāo)。

表4 評價標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)

3.5.2 檢測成果分析

A縣農(nóng)飲水AI自動化實驗室自2022年4～5月份，對9個水廠和7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)飲水鋁、鉻(六價)、汞、硝酸鹽、硫酸鹽、氨氮、色度、砷、鐵、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、錳、總硬度、氯化物、氟化物、氰化物16個指標(biāo)進(jìn)行檢測，共接收500余個水樣。

(1)水廠檢測分析成果。AI實驗室4～5月份接收9個水廠水源水、出廠水、末梢水共計400多個水樣，檢測5000余條數(shù)據(jù)。9個水廠出廠水，均出現(xiàn)超標(biāo)情況，超標(biāo)因子主要為：鋁、色度、錳。

水源水到出廠水鋁濃度由達(dá)標(biāo)變?yōu)槌瑯?biāo)，原因是水處理過程中，鋁鹽絮凝劑導(dǎo)致。建議：①鋁鹽絮凝效果和水源水pH值有密切關(guān)系，但pH值會有一定波動，目前智能管控終端已實時自動監(jiān)測pH值，水廠可根據(jù)pH值變化情況，改變鋁鹽絮凝劑的添加劑量，以改善絮凝效果，從而降低鋁濃度。②根據(jù)水源水智能管控終實時自動監(jiān)測的渾濁度，計算出最合理的鋁鹽加入量，避免過多加入，導(dǎo)致鋁濃度升高。

2個水廠錳超標(biāo)的原因一方面是水源水本身錳的含量就比較高，另一方是水廠的凈化錳的能力有待提升，雖經(jīng)過水廠處理后，錳含量有一定降低，但出廠水仍超標(biāo)，目前僅2個月數(shù)據(jù)，無法判定和季節(jié)性是否有關(guān)。建議一方面從水源水出發(fā)，找到影響水源水錳的因素，另一方面改良水廠工藝提升水廠對錳的凈化能力。

(2)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分析成果。AI實驗室4～5月份接收A縣共7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別對1000人以下121個飲水點檢測，檢測近2000條數(shù)據(jù)。達(dá)標(biāo)79個，達(dá)標(biāo)率65.3%；主要超標(biāo)色度、鐵、鋁。達(dá)標(biāo)率低的原因為這7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的集中供水點來水為井水、泉水、湖水等，未經(jīng)過處理且容易受到污染，建議應(yīng)加強鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水規(guī)范管理，排查并控制污染源，并加強集中式水廠供水。

4 結(jié)論

提出的基于人工智能的農(nóng)村飲用水水質(zhì)智慧監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)了一種新型的“采、運、測、管”模式，是一種多時空、高序列、全鏈條的水質(zhì)監(jiān)測模式。很好地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測中的痛點問題：大批量樣品，任務(wù)重，人力資源成本高；對檢測人員的化學(xué)專業(yè)技能要求高，人才難覓；檢測人員流動性大，新人培養(yǎng)成本高，且難以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；部分監(jiān)測項目人工分析流程復(fù)雜；部分監(jiān)測項目分析所需試劑劇毒，對檢測人員身體有害等具體問題。

基于人工智能的農(nóng)村飲用水水質(zhì)智慧監(jiān)測技術(shù)在三峽庫區(qū)A縣的實際應(yīng)用，對其農(nóng)飲水工程進(jìn)行全覆蓋檢測，摸清其農(nóng)飲水水質(zhì)情況，并深度分析，為提升A縣農(nóng)飲水質(zhì)量提供參考及方案，從而提升全縣農(nóng)村飲用水質(zhì)量。