無人船水質監測系統設計與應用研究

譚平玉

(湖南省交通科學研究院有限公司,湖南 長沙410007)

1 概述

20 世紀50、60 年代人們開始使用無人駕駛水面船只進行一定的遙控范圍內的簡單水面作業,隨著現代技術的飛速發展,人們采用嘗試水上無人駕駛遙控船為載體,集成水質監測儀器,通過無線通信、自主導航及自動控制系統進行水域水質監測。過去幾年內,歐盟投資數千萬美元由挪威科技工業研究院(SINTEF),通過其子公司(Marinitek)開發一個“海上智能航行”合作項目MUNIN,以驗證無人船的可操作性[1]。國內珠海云洲智能科技有限公司研制的小型自動采樣船、中型自動采樣船和在線監測采樣船,可進行全自動標準化水質采樣和氣象水文參數實時在線監測。2016 年鎮江市環保部門利用采樣監測船對市內管轄的九條河流進行水質監測,監測項目包含氨氮、溶解氧等七個參數,形成了九條河流監測報告和水質分布圖,掌握了市內河流的水質變化,實時監管污染物排放企業[2]；武漢市環保局也使用采樣監測無人船對市內具有代表性的50 個湖泊及3 片濕地作為研究對象,通過對水體進行采樣和在線監測,形成采樣報告、監測報告、每個參數的水質分布圖[3]。無人船技術在以上領域的應用中展現了較高的實用價值,水質監測調查工作效率得到提升,同時也幫助工作人員規避了在水面上工作時帶來的潛在風險。

本文介紹的無人船水質監測系統是集實時數據展示、水質分析評價、區域水質分布圖繪制于一體的新型系統,能夠對黑臭水體、地表水體分級、主要或特征污染物最大超標倍數、斷面水質超標率等動態展示、報告和實時預警等。為區域制定污染防控計劃提供依據,以及能夠及時發現污染源,動態的反映水質的污染狀況,支撐構建無人值守的環境污染聯控機制。

2 系統架構

系統架構由基礎設施、數據源、數據層、業務應用層、用戶層組成(如圖1 所示)。其中基礎設施層主要是為系統提供了硬件支持環境、網絡支持環境、基礎的操作系統環境；數據源層包括支撐系統的空間數據、水文數據、統計數據等信息；數據層是為系統提供了數據支撐,是系統輔助決策的主要依據,匯集了系統所需的數據源,通過共享交換綜合成系統自己的數據庫。業務應用層是將無人船水質監測業務中所有環節、流程進行抽象、封裝,再以restful 服務的方式提供接口調用,業務應用層是該系統中核心所在。用戶層從系統使用的對象來分析用戶類型,根據用戶職能及需求分為環保管理人員、公司相關人員、項目設計/施工/監理、實驗室檢測人員、社會公眾用戶等。系統架構設計在滿足用戶業務需求的基礎上,同時兼顧系統的可擴展性和易接入性、跨平臺兼容性,為后期系統部署運維提供便利。

圖1 無人船水質監測系統架構圖

3 系統關鍵技術設計與實現

無人船水質監測系統用于支撐對水質采樣全過程的遠程監控,提高水質(采樣)監測的準確性、真實性,也有助于降低采樣風險和成本,功能模塊主要分為無人船水質監測信息采集及校驗、無人船監測軌跡及水質分布圖展示、歷史水質數據查詢、水質等級分析評價、人工檢測數據導入五大功能模塊。

3.1 無人船水質監測信息采集及校驗

GPRS 作為2.5G 的無線通信技術,采用分組通信技術,實現多用戶資源共享,繼而提升通信效率[4]。通過對無人船通信模塊改造實現通過GPRS 對無人船水質數據采集、傳輸,依據無人船水質監測操作規范對測點的多組數據進行合理性分析,并進行處理、計算出測點和斷面的水質信息,同時將斷面、測點數據存儲到系統數據庫中。無人船監測通信消息包主要包括時間戳、數據塊、幀校驗等信息,其中數據塊按順序存放水溫、pH 值、濁度、電導率和溶解氧五項水質參數檢測結果。服務器端的通訊模塊監聽特定端口,對滿足校驗規則的消息包進行原始數據存儲,剔除不滿足水質參數物理意義有效性檢查的記錄后進行算數平均,從而計算出監測斷面的水質濃度,圖2。

圖2 無人船數據包幀結構

3.2 無人船監測軌跡及水質分布圖展示

權重系數是影響克里格插值效果的關鍵因素,常規方法是通過計算所有實測點兩兩之間距離與半方差,在此基礎上擬合建立距離與半方差之間的函數關系,以便計算任意距離的半方差,再根據優化目標函數計算最優系數,圖3。

圖3 水質分布圖繪制流程圖

系統對監測區域內的監測記錄進行匯集,采用優化后的克里格插值算法進行監測區域的水質分布圖實時繪制。根據測點檢測時間自動生成無人船行駛軌跡,為保證監測點之間的軌跡合理,前期人工預先無人船航行航道,船行軌跡沿航道行駛,靠近監測點時移動至監測點,并短時停靠后用顏色標識該測點水質情況,然后再離開移動到航道上來。

3.3 水質等級分析評價

水質等級分析評價參考《城市黑臭水體整治指南》、《地表水環境質量評價方法》[6],進行指定監測區域黑臭水體(正常、輕度、重度黑臭)、地表水水質(四類、五類、劣五類)等級評價,并根據評價結果進行各類水質占比、主要或特征污染物最大超標倍數、斷面水質超標率等統計分析。單因子評價主要是根據《地表水環境質量標準》進行超標項目和超標倍數等指標分析,并對月、季度、年度的單因子評價達標率等進行統計分析,主要以趨勢圖、餅狀圖和表格顯示。《地表水環境質量標準》[7]中包括水溫、總氮、糞大腸菌群等24 項指標,其中水溫、總氮、糞大腸菌群作為參考指標單獨評價。經過廣泛調研進行綜合考慮,系統采用單因子評價法進行河流斷面水質類別評價,即根據評價時段內該斷面參評的指標中類別最高的一項來確定。

黑臭水質評價是根據透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮四個參數劃分為輕度黑臭和重度黑臭,地表水等級是則是對水溫、pH 值以外的水質參數進行計算,系統采用restful 風格接口提供服務,如黑臭等級計算接口url 為http://localhost:8081/analysis/blackstink?turb=15 &dox=1.8&orp=-157&nh=4。水質評價計算出結果后采用JSON 格式進行規范化數據輸出,JSON 格式數據不僅比xml 等格式的數據更簡潔,而且對接前端JavaScript 語言可與直接轉換為Object 進行屬性讀取。如果水質等級評價發揮結果為{"grade":2,"detail":{"turb":2, "dox":2,"orp":2,"nh":1}}。

4 系統應用及分析

無人船水質監測系統是針對突發污染事件的預警平臺、水質信息發布平臺,實現對無人船監測水質數據采集、獲取、處理、展示、分析評價與預警一體化過程,快速、精確地獲得監測區域水質、時間和空間信息,提高水質監測過程真實性、及時性、智能性及監測效率,使水質監測與管理過程信息化。本系統以茅洲河流域水系示范基地,通過使用無人船進行不定期水質、水文等環境等數據采集,并且及時上報流域水質情況。具體包括:

基于無人船對河段開展連續移動監測,采用優化克里格插值算法,快速繪制整個區域水質分布圖,實現水質監測從單點固定監測到斷面動態監測的突破,有效的支撐相關管理人員快速、掌握準確河道水質濃度情況。

建立了無人船水質監測數據、固定水質監測站數據實時傳輸、實時展示、評價與分析、預警體系,將水質監測從采樣、檢測、處理與結果展示、分析預警全過程實現數字化,不僅提高了水質監測與管理效率,也通過水質監測點面互補、動靜結合,改善了水質監測質量。

利用無人船對實施治理和運維的水域斷面進行水質連續監測,掌握重點斷面水質狀況,模擬參與河流水質污染突發事件的采樣與水質監測,達到了快速掌握水質數據變化特征,為制定污染防控方案提供有力支撐。

5 結論

本文針對無人船水質監測特點展開研究,設計適宜的無人船水質監測系統架構,完成了無人船水質監測信息采集和校驗,并在GIS 地圖上復現無人船水質監測軌跡,采用優化克里格算法進行區域水質分布圖繪制,以更直觀的呈現河道水質濃度情況。系統按照現行水質評價標準和評價辦法自動進行水質等級、因子評價計算,根據水質監測業務邏輯實現地圖+圖表等豐富形式的歷史水質數據查詢,設計了通用水質監測結果表,實現了人工檢測數據的數字化管理,實現了樣本采集、水質檢測、處理與結果展示、分析預警全過程數字化支撐。

無人船水質監測系統提高了水質檢測、河道管理的工作效率,也從一定程度上改善了水質監測質量,為水污染防控、治理提供了有力支撐。系統以茅洲河流域水系作為示范基地,已定期開展多次有效應用,在茅洲河流域水環境綜合整治項目中取得了良好效果。