新型仿生魚技術在水體污染探測中的應用

宋悅嘉，李思雨，張新琪，藍蔚青，吳 波，吳清云

（1.上海海洋大學工程學院，上海 201306；2.上海海洋大學食品學院，上海 201306；3.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣東 廣州 510515）

水是地球環境得以正常運行的基礎，在大量的環境問題中，與人們聯系最密切的就是水，作為地球生物賴以生存的物質基礎，水是所有生物的自然活動中不可或缺的一部分。水環境是人類最重要的環境保障，而水污染是地球生物最難以解決的重要問題。但近年來，隨著各國推進城市化進程不斷加快，人口數量激增，過度開采產生的污染物被排入河流中，導致大量水域的水體受到嚴重污染，影響到各國環境和居民健康。

目前，污染源的檢測是水污染治理中最難解決的問題。固體污染物由于其可視化、易收集的特點，已經擁有較為成熟的處理措施。然而，如何既遵循河流的自然生態原則，又能設計針對性的河流湖泊非固體污染物監測裝置，協助環境治理，是目前行業人員的努力方向。基于此，本文在對水污染物常用檢測方法與國內外最新探測法介紹的基礎上，闡述了仿生魚技術在水體非固體污染探測中的主要特點，并對該技術的未來發展趨勢予以展望。

1 中國常用的水污染污染物檢測法

隨著科技水平不斷提高，中國已有相應的水污染污染物檢測方法，主要包括生物探測法、光探測法、機械探測法、物理檢測法、化學檢測法與物聯網檢測技術。

1.1 生物探測法

生物方法中的許木啟實驗是利用白洋淀水體里的浮游動物群種變化來判斷水體污染程度[1]。該方法監測功能多樣，監測污染狀況客觀，結果可靠，成本低，但難以具體測定一片水域的污染物種類和范圍。

1.2 光檢測法

光探測法中應用最多的是紫外吸收法。該法利用雙光路單通道循環分時采樣方法，在軟件控制下分時探測光強反應的水質污染情況[2]。其優點在于消除了由于后景光的折射和光線強度帶來的影響，具有很強的實用性，但在實際使用中，根據中國現行標準，需把測定中的紫外光吸收系數轉換成化學需氧量，轉換時需要完成大量工作，轉換值缺乏代表性。

1.3 機械探測法

機械方法中主要應用監測網技術，通過這項技術將各種傳感器、縮微電腦芯片和發送器安裝在一個裝置內，將探測裝置放進需要監測的水域里，通過底部的定位器等判斷水深位置，然后來具體監測水質。各種傳感器等續航時間長，可以組成整體監測網，可用于大型污染水域的監測，但價格昂貴，不易在戶外攜帶。

1.4 物理檢測法

各種物理方法中較常用的是環境地球物理方法，它是一種檢測大片水域污染程度的方法，通過檢測滲透液的方法判斷水域內污染的大致范圍和程度[3]。當水體受到污染后，視電阻率或電導率發生變化，根據檢測結果來判斷污染范圍、污染程度等。其優點在于污染物探測更精確，但由于不同區域、不同水域的介質不同，該方法對于有些數據可能給不出合理解釋，所以沒有被廣泛應用。

1.5 化學檢測法

化學監測中最常用滴定分析法，該方法將一種已知準確質量濃度的溶液（標準溶液），滴加到需要檢測的水質中，根據化學反應完全后消耗標準溶液的體積和質量濃度，計算出被測物質的含量[4-5]。其優點在于方法簡單易懂，分析準確度高，總體成本低。但操作煩瑣，費時費人工，而且必須要有合適的指示終點。

1.6 物聯網探測技術

物聯網探測技術是通過放置在浮標等裝置上的傳感器探測設備配合GPS 對污染程度以及探測的具體時間、具體水域位置進行實時監測，得出污染詳細圖[6]。各種傳感器通過實時網絡進行檢測，上傳至上位機進行實時監測。其優點在于檢測范圍廣，檢測精度高，但費用昂貴，操作煩瑣，費時費力。

2 國內外最新水污染檢測方法

國內外目前通常根據不同地點的探測結果對水污染進行綜合治理，水污染檢測技術不斷推陳出新，主要包括以下3 種。

2.1 水下機器人探測法

現代水質監測手段明顯存在自動化不足、站點不足、專業性缺乏的問題[7]。水下機器人探測法通過pH傳感器、濁度傳感器和溫度傳感器來探測水體環境和非固體污染物的位置，通過螺旋推動器進行運動推進，實現水下靈活運動，但是由于螺旋槳噪聲較大，且易損傷魚類，會破壞水下生態環境。

2.2 小型無人艇水污染檢測法

普通水上污染監測設備往往價格昂貴，體積龐大，使用不夠靈活[8]。無人艇系統適用于江河湖庫水污染的抽檢和巡檢，以小型無人艇為載體進行水資源數據采集，以電腦作為陸地主體來進行數據的實時顯示，利用3G 通信技術實現遠程通信。但由于無人艇對江河湖中的環境可能存在破壞情況，該技術還未成熟，因此未得到廣泛應用。

2.3 仿生魚探測法

仿生魚探測法摒棄了冰冷的水下機器人探測，通過融入魚群避免破環水下生態環境。目前的仿生魚領域主要利用傳感器等技術，通過對水下污染物的探測進行數據的整理，研究人員再用探測的數據繪制實時的水污染3D 圖，環保部門將此作為污染物清理的依據。但該技術尚未成熟，無法完全模仿魚類游動方式，不能完全融入魚群。

目前對大片流域的水污染探測仍存在較大問題，因此對于河流污染后的生態修復要遵循自然生態原則，利用河道生態系統的自我調節能力來進行分析，全面遵循其發展規律，以此促進人與自然和平發展。

3 新型仿生魚技術在水體固體污染探測中的應用

目前的仿生魚技術優缺點明顯，其優點在于，通過魚尾擺動進行運動推進，實現水下靈活運動，且由于舵機相較于螺旋槳噪聲較小，不易損傷魚類，保護水下生態環境。但是仿生魚缺點在于，多種傳感器雖然可以組成整體監測網，可用于大型污染水域的監測，但價格昂貴，不易在戶外攜帶。而目前的仿生魚領域主要利用傳感器等技術，通過對水下污染物的探測進行數據的整理，科學家用探測的數據繪制實時水污染3D 圖，讓環保部門采取辦法來清除這里的污染物，以此來達到保護河流環境的目的。但是，其缺點在于，只能探測出固體污染物及其所在位置，而對于水體環境的探測具有很大的漏洞。因此，設計一款通過機械仿生及智能AI 混入魚群、遵循魚類活動，再由物聯網進行大數據分析，來探索河流中非固體污染物以及污染源的位置的智能仿生機器魚。新型仿生魚產品模型如圖1 所示。

圖1 新型仿生魚產品模型圖

3.1 計算機視覺技術

利用水下仿生魚系統，通過攝像頭和Wi-Fi 等裝置對水下的魚群進行實時拍攝和信息識別，并將識別信息結果傳輸到用戶上位機端，可對水下魚群游動、水域污染、水下實時環境進行監測，以此來跟隨魚群游動，并進一步利用圖像識別技術對水下環境進行精細化觀測。新型仿生魚系統流程如圖2 所示。

圖2 新型仿生魚系統流程圖

3.2 物聯網技術

通過溫度、流速等傳感器，實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。為構建智能仿生魚，設計物聯網技術的應用方案，物聯網技術被應用于智能仿生魚的環節如下：數據采集、分析、處理，設備遠程控制，RFID 無線射頻技術，云平臺。

3.3 紅外避障技術

采用紅外漫散傳感器采集所處環境障礙物的信息，該傳感器工作原理為紅外光發射端所發出的光線遇障礙物被反射，紅外接收端檢測到信號時產生微弱控制電流至三極管內部的基極完成三極管的導通。三級管導通前后集電極和發射極之間出現明顯的電勢差。通過單片機對該電勢差的判斷（有障礙呈現高電平，無障礙呈現低電平），間接獲取周圍障礙信息。這種工作方式效率高，成本低，操作簡便，具有很高的可實施性。新型仿生魚避障系統流程如圖3 所示。

圖3 新型仿生魚避障系統流程圖

3.4 GPS 定位返航技術

采用GPS+LBS+Wi-Fi 的多重定位模式實現對機械仿生魚的定位，給機械仿生魚安裝一個具有GPS+Wi-Fi+LBS 多重定位模式的GPS 定位器。由于每個GPS 廠家都有自己相應的電腦管理平臺和手機APP。安裝好GPS 定位器后，可用手機下載指定APP，用賬號密碼登錄，就可在APP 上查看仿生魚位置、回放電子圍欄與歷史軌跡。

在實現魚類生物仿生和群體仿生的基礎上，本項目通過對其仿生行為和傳感器進行大量數據收集，通過物聯網將信息傳至PC 端，通過計算機分析大量數據，把一大批雜亂無章的數據中的信息集中和提煉出來，從而找出所研究小白須公魚類游動的內在規律。因為魚類在洄游過程中會依靠自身復雜敏感的感覺器官（如視覺、味覺、側線系統等）和中樞神經系統，接受外界物理的、化學的定向信息，人類對某些水域的破壞，導致魚類食欲亦會下降，小白須公魚類會減少游動，因此通過大量數據可分析出哪些水域遭受到了非具體污染物的破壞。此技術可幫助人們作出判斷，以便采取適當行動減少對河流的污染。

4 結束語

目前仿生機器魚已成為仿生技術研究的熱點。與傳統的水下機器人進行對比發現它具有推進效率高、耗能少、噪聲低、機動性強等特點[9]。從未來發展規劃來看，仿生機器魚如何達到足夠仿生是研究人員一直追求的目標。目前技術通過模擬魚類的柔性游動，從而可簡化仿生機器魚的設計?，F在已有一些仿生推進器采用模塊化結構，例如美國的東北大學開發的臀鰭推進器采用了16 個相同的模塊。目前的仿生機器魚推進裝置雖具有一定的動作柔性，但還遠不及水中生物，長遠來看，推進仿生魚的仿生柔性將大大提高游動仿生機器魚的推進效率和適應。然而，隨著技術的不斷改進，相信不久的將來，仿生機器魚必將是未來水下機器人的重要組成部分，成為人類探索海洋的重要工具。