江蘇省環境監測智能土壤樣品庫的構建研究

唐夢涵， 陳煥然， 司 蔚， 張 甦， 黃 娟， 劉倩倩

(1.江蘇省環境監測中心， 江蘇 南京 210019； 2. 廈門積碩科技有限公司， 福建 廈門 361000）

0 引言

土壤是構成生態系統的基本環境要素之一，從農田、果園到餐桌，土壤環境質量直接關系到人類舌尖上的安全。近年來，隨著《土壤污染防治行動計劃》深入推進， 土壤監測體系日益完善， 形成了包含布點、采樣、制樣、保存、分析、質控、評價技術體系。 土壤樣品作為土壤環境信息的載體， 可用于污染物時間序列研究和回顧性分析[1]，反映長期土壤環境質量改變趨勢，極具環境經濟和科研價值。因此土壤樣品庫和數據庫的建設， 既是土壤樣品保存管理及其重要的方式，也是土壤樣品信息管理的重要平臺，為環境監測工作開展，環境標準制定，以及對環境污染、環境生態防護， 土地資源利用等方面提供重要的科學依據。

近年來， 國家和各省市積極探索土壤樣品的保存與管理模式， 同時也建設了部分獨立的土壤樣品庫，如環境保護部2010年建設了國家土壤環境樣品庫[2]，浙江省環境監測中心2009年建立了全省土壤調查樣品庫[3]，湖北省環境監測中心2017年建成了省級土壤樣品庫[4]，陜西省借助土壤調查機遇2019年完成了省級土壤樣品庫和土壤詳查數據庫的建設等。 目前土壤樣品庫基本以傳統貨架式或密集架式的樣品管理模式為主。 隨著土壤樣品存放量日漸增大，樣品信息增多，樣品存取及日常管理需要耗費相當多的人力精力。目前，江蘇省“十一五”到“十三五”期間現有省級以及國家級土壤樣品約1.5×104件，土壤樣品分別存放在江蘇省環境監測中心以及各地市監測中心內，受各地存放條件限制及歷史原因，管理上存在諸多問題。 根據“土十條”中“2020年底前實現土壤環境質量監測點位所有縣（市、區）全覆蓋”的目標[5]以及土壤監測質量監督要求[6]，每年還將新增以千計的土壤樣品需要留存。 因此傳統土壤樣品管理模式已經很難滿足大批量樣品交接、查找、信息管理的需求。

隨著計算機自動化與信息化技術的廣泛應用，物聯網[7-8]、人工智能技術為各行各業都帶來了新的管理模式， 給土壤樣品保存與管理也提供了創新思路。 于是江蘇省環境監測中心開展基于RFID 芯片、現代倉儲智能管理技術的省級智能土壤樣品庫建設[9]，通過信息化管理軟硬件提升樣品運送、存儲、盤點自動化功能，實現樣品生命周期閉環管理的目標，對土壤樣品采樣基礎信息， 土壤監測數據信息進行逐一匹配和評價，研發土壤樣品庫數據分析系統，為現代化土壤監測技術管理體系創新提供參考[10]。

1 現代化智能土壤樣品庫設計與構建

1.1 設計思路

以RFID 芯片、 現代超密集倉儲智能存儲與管理技術為核心，以標準化規范化管理為理念，綜合考慮土壤樣品制備區、存取區、實驗室以及土壤留樣庫建筑布局，梳理土壤樣品管理流程，制定智能土壤樣品庫結構，結合物聯網和人工智能技術，將整個系統的所有設備、樣品、土壤監測業務信息、樣品元素信息，土壤環境質量數據、實驗室管理系統以及操作者聯網集成，實現土壤樣品信息管理全流程管控，具體技術路線見圖1。同時以GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準 （試行）》、GB 36600—2018 《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》為依據，在土壤樣品監測數據評價基礎上，形成江蘇省土壤環境質量數據庫，為全省土壤環境管理決策和科學研究夯實基礎。

圖1 技術路線

1.2 關鍵技術集成應用

1.2.1 氣動傳輸系統

市場上跨空間智能物流傳輸設備主要有智能氣動傳輸系統、 智能軌道傳輸系統以及智能機器人運載系統等傳輸方式。根據不同的運載重量和速度，不同的傳輸系統各有優勢，具體詳見表1。 土壤留樣樣品最大質量規格設計為500 g，屬于小型物品運輸管理。 且結合國家土壤樣品制備與管理方法以及江蘇省環境監測中心新大樓布局， 土壤樣品庫主體位于大樓負2 層，與樣品制備區，交接區、實驗室距離不等，其中樣品調取區位于大樓第8 層，與土壤樣品庫室垂直高度超過70 m。 因此與其他需要垂直通道的傳輸系統相比，土壤樣品庫更適合可靈活布置管道，快速運送小型物品的智能氣動傳輸系統， 具備智能化、快速化、準確性強的特點，消除了人工傳輸人力不足不確定性等方面的掣肘。

表1 不同傳輸方式比較

1.2.2 智能超密集存儲系統

智能超密集存儲系統是根據樣品重量以及氣動傳輸系統管徑進行規劃設計的模塊化密集存儲庫。土壤樣品庫樣品存放區主體位于江蘇省環境監測中心實驗樓負2 層，存放面積約85㎡，前寬約3.2 m，后寬約8.7 m，總長約17 m，層高約4.7 m，存儲空間不規則。 智能密集存儲庫改變了傳統的自動化單列存儲的布置方式，采用多列存放布置，每個貨道可存放8 個樣品瓶， 減少行走巷道， 提高存儲空間利用率，在統一管理軟件調度下，綜合運用自動化和信息技術，實現樣品的全自動存、取需求。 考慮江蘇省土壤樣品存放容量規劃， 土壤樣品庫建設充分利用環境空間以及凈高度，通過采用超密集存儲技術，突破傳統擺放模式，最大優化內部存儲空間，結合物聯網技術， 滿足樣品在空間傳遞以及存放過程中狀態和位置實時感知、定位的功能需求，具體見圖2。

圖2 智能密集存儲庫結構

2 智能土壤樣品庫建設架構

2.1 智能土壤樣品庫分區

江蘇省土壤樣品庫實現了按工作流程的分區設置，包括樣品批量交接區（第1 層）、樣品調取區（第8 層）、智能展示區和樣品存放區（負2 層）。 樣品批量交接區主要用于大批量土壤樣品交接、 出入庫、RFID 智能標簽、 激光刻錄標簽的信息綁定和錄入，樣品調取區用于少量土壤樣品制備后入庫、 實驗室調取樣品， 智能展示區用于土壤樣品庫的三維現代化展示及土壤監測科普宣傳教育。 樣品存放區用于保存土壤無機樣品，同時劃分了動力管控和檢修2 個功能區，用于保障土壤智能樣品庫的正常運行管理，具體見圖3。

圖3 智能土壤庫內部分區

2.2 智能土壤庫架構

硬件系統部分包括：模塊化智能貨架、智能堆垛機械人以及自動接收裝置組成， 通過部署在各設備上的RFID 標簽與軟件調度層通信， 負責接收系統指令并執行，將土壤樣品自動存入或者調出土壤庫。軟件系統架構由調度層，業務層以及應用層組成，三維立體見圖4。 調度層通過RFID 標簽作為通信橋梁，實時管理硬件系統狀態，同時接收業務層命令，調度土壤庫內各智能設備進行聯動工作。 業務層為人機互動交換層， 接收終端輸入指令下達給調度層執行， 同時接收各部署在各設備上的RFID 標簽信息及其他數據， 準確定位每個土壤樣品及設備具體位置和狀態。應用層是依托系統采集到的樣品信息，包括樣品的各基礎數據以及元素數據， 建立符合土壤監測管理的各類統計分析模型， 進行大數據平臺應用，自動進行數據統計分析，進行數據預警，提示異常等等，為土壤監測業務提供信息支撐。軟件系統主要包括樣品信息管理、 出入庫登記管理、 設備管理、樣品查詢與統計管理等軟件管理模塊。

圖4 智能土壤樣品庫三維立體展示

3 智能土壤樣品庫信息安全管理

3.1 系統模塊化管理

智能土壤樣品庫系統采取模塊化設計， 每個模塊具備獨立性的同時， 部分模塊之間存在一定的關聯性， 通過對存在關聯關系的模塊設置外鍵連接的方式， 實現在系統結構可靠的基礎上既保證整個系統的聯動性也支持系統的擴展性。

3.2 安全驗證和數據加密管理

為保障智能土壤樣品庫樣品信息及監測數據的安全性， 在系統登錄身份驗證和數據傳輸過程中都堅持安全登錄和加密傳輸原則。 同時對服務器安裝設置防火墻，定期修改密碼，并進行入侵測試，在對數據的調用均采取權限嚴格限制， 將系統數據的安全性放在首位。

3.3 權限管理

智能土壤樣品庫系統根據不同人員的使用權限進行嚴格的權限角色劃分和授予， 主要分為用戶管理員、操作員、系統管理員權限組進行分層管理。 管理員權限為系統操作層最高管理權限， 用戶操作員權限根據管理員分配的角色限定對系統使用功能和權限， 系統管理員權限為系統業務層操作功能和安全控制最高權限。各個系統界面按鈕等的權限控制、出入庫單操作的建立與操作人進行關系綁定， 有權限的用戶才可執行對應的操作。通過權限管理，保證系統和數據的安全性。

3.4 糾錯管理和系統備份

糾錯管理功能主要是對系統內部或外部原因引起的異常進行智能化糾錯處理。 系統出錯，主機、終端首先會進行報警。 系統通過智能分析設備故障原因，傳輸至電腦管控端，從而快速知曉故障，并鎖定故障發生的位置，防止故障蔓延。同時通過智能自檢恢復功能， 在判定是否可自檢恢復， 若無法自檢恢復，系統異常報警提示人工干預。操作異常和系統異常均會被詳細記錄到日志中， 土壤樣品信息和操作痕跡轉存將制定終端或工作站。 系統在進行完整的備份同時，還對每周修改后的數據進行備份，將重要的系統文件保存在不同的服務器上， 以便在系統崩潰時出現，可以及時返回到正常狀態。服務器也采用雙硬盤備份。

3.5 保密管理制度

根據土壤樣品庫建設和運行規范要求， 土壤樣品庫使用須嚴格遵守國家相關保密規定， 樣品和樣品數據調取執行土壤樣品保管、出入庫等制度，當涉及部分有一定保密性的土壤樣品需要調取， 由最高操作權限的管理員根據批準情況進行操作處理，操作在系統中記錄留痕，一般操作人員無此權限，且未經批準不得進行相關樣品及樣品數據調取， 確保國家和省級土壤樣品的安全。

涉及“密級”土壤樣品須經過相關部門的批準后才可進行調取出庫。需使用密級樣品信息資料時，必須經過保密委員會批準后才可由最高操作權限的管理員進行調取操作處理， 調取過程系統留痕的同時，還必須履行登記，交接簽字等手續。未經保密委員會審查批準，任何人員不得自行對外提供相關土壤樣品及相關資料。 如有違規者，將追求其責任并給予處罰。

4 江蘇省智能土壤樣品庫數據分析系統設計

智能土壤樣品庫系統通過軟件設計， 以GB 15618—2018 《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，GB 36600—2018《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》為重要依據，土壤環境監測數據統計和質量評價基礎上，與樣品基本信息關聯， 形成江蘇省智能土壤樣品庫數據分析系統。

4.1 數據結果統計

江蘇省智能土壤樣品庫數據分析系統包含樣品位置信息庫、點位信息庫和監測數據基礎數據庫。在基礎數據庫中可分別按項目、年度、行政區、監測指標、土壤類型、土地利用類型等分類標準進行基本篩選，并可將篩選出的數據作為下一步統計范圍。

統計功能主要以數理統計和數據統計為主。 數理統計主要以概率論為基礎， 對監測數據離散或集中趨勢分布進行判斷分析， 研究自然背景和人類活動中大量數據隨機現象數量變化基本規律。 數據統計是通過數理分析方式計算統計值和統計結果，用以反映調查范圍的總體情況，包括均值、最大值、最小值、檢出率、標準差、頻數分布等情況。

4.2 數據質量評價

與數據結果統計相同， 在基礎數據庫中按照不同分類標準選擇篩選后，確定質量評價的范圍。評價以GB 15618—2018 和GB 36600—2018 這2 個標準為基礎，采取單因子評價法，對監測數據開展單項目評價和總體評價，包括地理空間、曲線等圖形、表格等形式展示點數總數、未超過篩選值點數或比例、篩選值和管制值之間點數或比例、 超過管制值點數或比例等情況， 從而對土壤環境質量進行綜合分析和預警。

但鑒于土壤本身具備不均質，生物多樣、疏松多孔結構等特性，污染物存在累積效應。同時土壤污染成因復雜，包括背景值，人類活動污染，大氣和水污染匯總等多方面因素。 尤其是非突發事故性污染因素，如突發環境污染事件，大多數地區的土壤污染并不會突然增加，但通過慢慢滲透，長期累積以后依然會出現土壤環境污染。 因此江蘇省智能土壤樣品庫以積累長期土壤數據、判斷污染趨勢為目標，擬在系統中增加趨勢分析模塊功能。 趨勢分析模塊通過統計和評價結果的變化量、變化率、變化速率等變化表征指標實現對江蘇省土壤環境質量時空變化趨勢分析，從而對可能存在污染危險的區域進行預警。智能土壤樣品庫可將存在污染可能的數據和相關點位詳細信息進行關聯和追溯，后期通過加密監測、無人機勘探以及高光譜遙感高精尖的技術手段進一步對該地塊進行詳細分析。 突發環境污染事件的土壤環境監測樣品及數據也同時會納入智能土壤樣品庫的數據庫并進行加注， 作為土壤環境質量趨勢分析和預警的重要基礎數據。 樣品庫留存土壤樣品在多年后還可以作為溯源分析的對象再次進行測試。

5 結論

（1）智能土壤樣品庫相比傳統土壤樣品管理，具有更快速、準確、便捷、高效及全自動化等優勢，實現了土壤樣品從任務下達、樣品采集、制備、存儲、調取全流程生命周期質量控制， 同時借助RFID 智能標簽以及自動倉儲技術手段， 改變了傳統土壤樣品的管理模式， 形成以土壤樣品庫為基礎的土壤樣品和信息數據庫管理的新型方式， 通過數據評價可直觀的了解土壤環境質量的歷史變遷， 為土壤監測風險管控與預警積累經驗。

（2）隨著物聯網、大數據、人工智能、云服務等智能化技術的不斷成熟， 在保證土壤樣品庫信息安全的基礎上，更多智能化技術的融入，將為土壤監測業務管理發揮更大的作用。

（3）土壤環境質量數據庫目前僅限于我省土壤環境監測數據，進一步擴展綜合評價和趨勢分析，以及在數據庫管理中進一步集成地下水、大氣沉降、經濟社會等方面的數據，將成為下一步研究目標。