基于機(jī)器視覺測(cè)試高錳酸鹽指數(shù)的方法研究

王延軍，陳亞男，姚志鵬

（1.江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 常州 213001；2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012）

0 引言

高錳酸鹽指數(shù)是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的必測(cè)項(xiàng)目，也是地表水環(huán)境質(zhì)量考核與評(píng)價(jià)的主要定類指標(biāo)之一[1]，其主要反映水體中可被氧化污染物質(zhì)（包括部分有機(jī)物，如酚、氰、醇酯和抗菌素等）及無機(jī)還原性物質(zhì)（如NO2-,S2-和Fe2+等）的含量[2]。高錳酸鹽指數(shù)水質(zhì)自動(dòng)分析儀測(cè)定方法主要包括高錳酸鉀氧化-ORP電極法、高錳酸鉀-氧化分光光度法和高錳酸鉀氧化-比色法等[3,4]。

傳統(tǒng)的高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定方法所得監(jiān)測(cè)結(jié)果易受樣品采集、樣品處理、濁度、反應(yīng)條件等因素影響[5-8]，特別是濁度對(duì)采用分光光度法和比色法進(jìn)行終點(diǎn)判定的儀器影響較大。目前，不同水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備抗?jié)岫饶芰Σ灰唬瑢?duì)水體的適應(yīng)性存在差異，常采用延長(zhǎng)沉降時(shí)間、多級(jí)沉降、旁路過濾系統(tǒng)等方式降低濁度干擾，這不僅增加了成本與現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的工作量，且會(huì)因過度預(yù)處理使水樣失去代表性，監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性難以有效保證。相比于傳統(tǒng)測(cè)試方法肉眼識(shí)別判定滴定終點(diǎn)，采用機(jī)器視覺和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“機(jī)器視覺技術(shù)”）進(jìn)行滴定終點(diǎn)顏色判定的儀器設(shè)備其優(yōu)勢(shì)則十分明顯，具有更好的靈敏性、一致性與穩(wěn)定性[8]。該技術(shù)為實(shí)現(xiàn)更高抗干擾能力的在線監(jiān)測(cè)儀器研制提供了可能和方向。

本文主要利用全自動(dòng)分析儀探討機(jī)器視覺技術(shù)在不同濁度環(huán)境下測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與精密性，驗(yàn)證儀器在高濁度情況下準(zhǔn)確測(cè)定水樣高錳酸鉀指數(shù)的可行性，為后續(xù)開發(fā)更加穩(wěn)定、可靠且高效的在線監(jiān)測(cè)儀器提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器

全自動(dòng)高錳酸鹽指數(shù)分析儀：CGM 201W（上海北裕）；便攜式微機(jī)型濁度儀（北京順科達(dá)）；電熱恒溫水浴鍋：HWS-24（上?；厶﹥x器制造有限公司）。

1.2 試劑

高錳酸鉀貯備液（上海沃凱生物技術(shù)有限公司，分析純，濃度為0.10 mol/L）；高錳酸鉀使用液（濃度為0.01 mol/L）；草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)貯備液（天津市化學(xué)試劑研究所，基準(zhǔn)，濃度為0.100 0 mol/L）；草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)使用液（濃度為0.010 0 mol/L）；硫酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純）；葡萄糖（山東西亞化學(xué)股份有限公司，優(yōu)級(jí)純）；有證高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)控樣（生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所）。

1.3 方法原理

1.3.1 高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定

參照酸性高錳酸鹽指數(shù)法國(guó)標(biāo)方法GB 11892—1989《水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》，在水樣中加入H2SO4使溶液呈酸性后，加入過量的KMnO4溶液，并在沸水浴中加熱反應(yīng)30 min，剩余KMnO4用Na2C2O4還原并加入過量，再用KMnO4回滴過量的Na2C2O4，根據(jù)公式（1）計(jì)算得到高錳酸鉀指數(shù)值（IMn）。

式中：V1為樣品滴定時(shí)消耗的高錳酸鉀的體積，mL；V2為空白實(shí)驗(yàn)中標(biāo)定濃度時(shí)消耗KMnO4的體積，mL；C為Na2C2O4標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，為0.010 mol/L。

1.3.2 濁度測(cè)定

使用便攜式微機(jī)型濁度儀測(cè)量散射光強(qiáng)，間接測(cè)定水樣濁度值（散射法）。當(dāng)水樣中懸浮顆粒直徑遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)度服從瑞利（Rayleigh）定律[7]：

式中：Is為散射光強(qiáng)度，cd；B為與入射光波長(zhǎng)、微粒和水的折射率、散射光與入射光的夾角等有關(guān)的比例系數(shù)；N為單位體積水中的微粒個(gè)數(shù)；I0為入射光強(qiáng)度，cd。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用Origin 9.0繪圖；使用SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 機(jī)器視覺方法和評(píng)價(jià)

2.1 原理

利用CGM 201W型分析儀搭載機(jī)器手臂和機(jī)器視覺技術(shù)測(cè)定水體高錳酸鹽指數(shù)。一方面在測(cè)試過程中試劑添加、消解、終點(diǎn)判斷等流程完全參照國(guó)標(biāo)方法，保證方法原理上的一致性；另一方面CGM 201W型分析儀應(yīng)用機(jī)器手臂代替了人的雙手操作樣品，并利用獨(dú)特的機(jī)器視覺技術(shù)代替人眼判斷滴定終點(diǎn)，使樣品操作流程和滴定終點(diǎn)判斷更加信息化、數(shù)字化和智能化[9]。

本研究中采用的機(jī)器視覺方法主要為使用高精度攝像機(jī)，將滴定過程拍攝成電子照片并轉(zhuǎn)換為包含RGB數(shù)據(jù)的電子信息[10]。每次滴液時(shí)，對(duì)RGB信息進(jìn)行比對(duì)，通過智能算法判斷出溶液剛好從無色變成粉紅色的時(shí)刻，記為滴定終點(diǎn)。機(jī)器視覺法分析滴定的同時(shí)利用磁力攪拌加速渾濁水樣得以充分混合，保證了過程和結(jié)果的一致性，大幅降低了因操作人員僅憑人的視覺判定滴定終點(diǎn)造成的誤差。機(jī)器視覺法在嚴(yán)格控制滴定過程條件的同時(shí)減少了分析人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[11]。滴定結(jié)束后自動(dòng)得出高錳酸鹽指數(shù)結(jié)果，在國(guó)標(biāo)方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定過程的自動(dòng)化、智能化。方法流程見圖1。

圖1 機(jī)器視覺方法流程

2.2 方法評(píng)價(jià)

2.2.1 方法精密度

為測(cè)試機(jī)器視覺方法的穩(wěn)定性，分別配制6組（編號(hào)為1～6）高、中、低3種標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度的葡萄糖樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 機(jī)器視覺方法的平行性測(cè)試結(jié)果

利用機(jī)器視覺方法對(duì)不同濃度葡萄糖樣品進(jìn)行測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）較低且均滿足要求[13]（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在±5%以內(nèi)），說明該方法重復(fù)性好，精密度可以滿足監(jiān)測(cè)要求。

2.2.2 方法準(zhǔn)確度

為驗(yàn)證機(jī)器視覺法測(cè)定環(huán)境水樣中高錳酸鹽指數(shù)的準(zhǔn)確度[14]，分別測(cè)定3組不同標(biāo)準(zhǔn)濃度的高錳酸鹽指數(shù)有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，每組樣品測(cè)定5次，結(jié)果見表2。

表2 機(jī)器視覺方法對(duì)有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)定結(jié)果

通過機(jī)器視覺方法測(cè)定3組不同濃度的有證高錳酸鹽指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，結(jié)果表明，測(cè)定值平行性較好且均在其標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的置信范圍之內(nèi)，說明測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度較高且穩(wěn)定性好滿足監(jiān)測(cè)要求[14]。

3 高濁度水樣測(cè)試

為了對(duì)比GB 11892—1989《水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)標(biāo)手工法”）和機(jī)器視覺法對(duì)不同濁度水樣高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定的差異性，配制濁度梯度50，100，200，400，600，800 NTU的水樣，同一濁度水樣均進(jìn)行5次平行測(cè)定，并通過機(jī)器視覺和肉眼分別進(jìn)行滴定終點(diǎn)判定。結(jié)果見表3。測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，一方面隨著水樣濁度升高，滴定終點(diǎn)的粉紅色變得不明顯，其原因?yàn)楦邼岫人畼又械母鞣N懸浮物質(zhì)對(duì)光線的阻礙干擾作用造成；另一方面，滴定終點(diǎn)顏色變化情況顯示，相對(duì)于國(guó)標(biāo)手工法，機(jī)器視覺法得到的終點(diǎn)顏色不僅更加均勻、一致性更好且基本呈現(xiàn)為粉紅色；而國(guó)標(biāo)手工法滴定時(shí)，隨著水樣濁度增加，人眼逐漸難以分辨其是否達(dá)到滴定終點(diǎn)，導(dǎo)致滴定后的溶液顏色差異較大。

表3 2種方法測(cè)試不同濁度樣品的高錳酸鹽指數(shù)值

目前，采用分光光度法和比色法的高錳酸鹽指數(shù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備受濁度影響，分析的準(zhǔn)確度與平行性較差[15]。因此，有必要通過對(duì)不同濁度樣品高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)試，來驗(yàn)證機(jī)器視覺法的環(huán)境適應(yīng)性。一方面對(duì)2種方法的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行F檢驗(yàn)與t檢驗(yàn)，來確定機(jī)器視覺法和國(guó)標(biāo)手工法是否具有顯著性差異[16]；另一方面，通過相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）比較2種方法的精密度。

3.1 F檢驗(yàn)

F檢驗(yàn)又稱方差齊性檢驗(yàn)，通過計(jì)算2組數(shù)據(jù)的S2之比值，計(jì)算得到F值，來判斷2組數(shù)據(jù)是否存在顯著性差異。濁度為50，100，200，400，600，800 NTU的F值結(jié)果分別為1.77，1.36，2.44，4.36，3.91，4.81。以95%的置信度為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，由F值表（單邊）查出，當(dāng)n=5時(shí)，f大=4，f小=4，F(xiàn)表=6.39，因此，以上測(cè)試結(jié)果中得到的F值均小于此值，說明2種方法測(cè)定結(jié)果無顯著性差異[17]。

3.2 t檢驗(yàn)

因?yàn)镕檢驗(yàn)無顯著差異，因此，可進(jìn)一步進(jìn)行t檢驗(yàn)，用來比較2個(gè)平均值是否存在顯著差異。t值計(jì)算見公式（3）～（4）。

式中：n=5，其總自由度f=n1+n2-2=8，計(jì)算得到不同濁度樣品測(cè)試的t值分別為-2.01，-1.54，-1.21，-0.59，0.86，0.72。以95%置信度為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，查詢值表（雙邊）可得t0.05,8=2.306，2組樣品測(cè)試的t值均小于此值，表明2組數(shù)據(jù)不存在顯著性差異。

通過F檢驗(yàn)及t檢驗(yàn)分析比較可知，2種測(cè)試方法得到的結(jié)果均無顯著性差異。即機(jī)器視覺法在不同濁度水樣測(cè)試中，其結(jié)果與國(guó)標(biāo)手工法結(jié)果具有一致性，一定程度上可以認(rèn)為與國(guó)標(biāo)手工法具有同等的分析測(cè)試效果。

3.3 RSD比較

不同測(cè)試方法RSD結(jié)果對(duì)比見表4。由表4可知，機(jī)器視覺法與國(guó)標(biāo)手工法測(cè)試結(jié)果的RSD均滿足要求。在測(cè)試高錳酸鹽指數(shù)時(shí)，無論水樣濁度高低，機(jī)器視覺法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于國(guó)標(biāo)手工法，這表明，在不同濁度下特別是高濁度水樣的高錳酸鹽指數(shù)測(cè)試中，機(jī)器視覺法的測(cè)試結(jié)果相較于國(guó)標(biāo)手工法精密度更好，更加穩(wěn)定。

表4 不同測(cè)試方法結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

綜上，機(jī)器視覺法在符合GB 11892—1989要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了國(guó)標(biāo)方法的自動(dòng)化、智能化和測(cè)試高效化；通過對(duì)比國(guó)標(biāo)手工法和機(jī)器視覺法的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，一方面機(jī)器視覺方法測(cè)試效率高，操作簡(jiǎn)單且精密度好；另一方面可以直接對(duì)高達(dá)800 NTU的水樣進(jìn)行測(cè)試，無需通過輔助設(shè)備對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理且測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性好。

4 結(jié)論與展望

（1）機(jī)器視覺法作為一種新方法，在水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定中其準(zhǔn)確度與精密度均符合國(guó)標(biāo)方法的要求；機(jī)器視覺技術(shù)在滴定終點(diǎn)判定方面具有較好的穩(wěn)定性與一致性，抗?jié)岫饶芰?qiáng)，濁度在800 NTU以內(nèi)的水樣無需預(yù)處理即可直接測(cè)試，且可以避免肉眼進(jìn)行滴定終點(diǎn)判定的局限性，增強(qiáng)儀器設(shè)備對(duì)不同水體的適應(yīng)性。

（2）機(jī)器視覺法與國(guó)標(biāo)手工法對(duì)水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定無顯著性差異，相比于國(guó)標(biāo)手工法，機(jī)器視覺法測(cè)試具有精密度好、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，且分析效率高，可節(jié)省人力成本并減少人為失誤的發(fā)生。

（3）機(jī)器視覺法，對(duì)于高濁度水樣可以直接測(cè)試無需預(yù)處理，降低監(jiān)測(cè)成本和工作量，將其技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，可以有效解決在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)高濁度水樣高錳酸鹽指數(shù)測(cè)試不穩(wěn)定的問題。目前，已有廠家（如：北裕儀器）將此類方法應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)分析領(lǐng)域。因此，將機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)設(shè)備具有一定的技術(shù)基礎(chǔ)和可行性。