礦山水質量智能化在線監測系統

田妞 黃宋魏 和麗芳 楊社平 字佳林 黃斌 杜鈺 曾理

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403025

摘 要 針對傳統礦山水質量檢測主要以人工送檢為主，信息化和自動化水平低、數據不能及時準確上報，嚴重影響水質處理速度的情況，以某選礦廠外排水為研究背景，設計了一套礦山水質量智能化在線監測系統，由自動采水模塊、水指標檢測模塊、水質量監管移動Web APP、PC終端礦山水質量監測數據發布系統和數據庫5部分構成，檢測指標包括COD、氨氮、總磷、總氮4項，對礦山水質進行實時采集、處理和分析，監測結果將以5G無線傳輸方式傳送給PC終端和移動Web APP，且實驗數據表明系統在線監測與實驗室檢測誤差率在±10%，工作人員可以實時獲得水質指標數據，并對系統進行實時監管，不僅滿足了礦山水質量監測的高精確度和實時在線監測需求，還有助于解決當前水質監測無法及時發現污染、設備操作復雜及人工成本高等難題，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞 礦山水質 在線監測 實時 智能 Web APP PC端數據發布系統

中圖分類號 TP277?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 1000?3932（2024）03?0541?08

基金項目：國家磷資源開發利用工程技術研究中心開放基金（批準號：NECP2022?11）資助的課題;云南省萬人計劃青年拔尖人才項目（批準號：KKRD202156031）資助的課題;云南省科技廳科技計劃（批準號：202101AT 070277）資助的課題。

作者簡介：田妞（1995-），碩士研究生，從事選礦設備及其過程自動化的研究。

通訊作者：和麗芳（1981-），副教授，從事圖像處理技術、自動化的研究，843168660@qq.com。

引用本文：田妞，黃宋魏，和麗芳，等.礦山水質量智能化在線監測系統[J].化工自動化及儀表，2024，51（3）：541-548.

隨著智能科技的飛速發展，礦業作為國家支柱產業，謀求高質量發展的需求愈發迫切。傳統的礦山水質量監測[1，2]主要以人工送檢為主，檢測周期長、實時性差、人力成本高，無法完成對礦山重點區域的水質實時監測和實時預警、不便于礦山企業管理層實時查看礦山水質量數據，難以滿足實際需求。計算機技術和檢測技術的迅猛發展推動著水質量監測技術向著自動化和智能化方向發展[3～7]。將智能在線檢測、人工智能、大數據分析、云計算、“互聯網+”等信息技術[8～13]應用到礦山行業，以期實現礦山設計、生產調度、安全監控、運營管理等環節的自規劃、自感知、自決策和自運行，提高礦山的生產力和經濟效益[14，15]，并使礦山生產保持在更好狀態和更高水平。針對礦山水質量智能化在線監測系統的研究具有非常重要的意義和實用價值，主要體現在3個方面：

a. 相較于人工采樣離線分析方法，智能化在線監測系統具有更高的實時性和連續性[16，17]，可以實時監測礦山水質量狀況，提高污染物監測效率。

b. 可以實時監測和記錄[18]礦山廢水中的污染物濃度，有助于礦山企業及時采取控制措施，防止污染物超標排放，降低對環境的影響。

c. 具備污染預警功能[19，20]，可在污染物濃度超標時及時發出報警，幫助選礦廠快速啟動應急響應措施，減少環境風險。

近年來，水質在線監測快速發展起來。文獻[21]針對實驗室人工水質檢測程序復雜、采樣代表性差、人為誤差大和不能實時反映各時段注水水質的問題，提出一種水質在線監測系統設計方案，將在線監測結果同人工檢測數據對比，能夠更準確地反映水質狀況;文獻[22]提出一種基于物聯網的經濟智能水質監測系統，可以連續監測水質參數;文獻[23]以灤河流域為試驗點，提出一種將網絡爬蟲技術與遙感解譯技術相結合的可行、高效的污水排放數據采集創新方法，將所得結果與實際數據進行比較，現場樣品試驗結果表明該方法具有較高的精度（89%）;文獻[24]設計了一套化工廠廢水水質量在線監測系統，對被監測化工廠的廢水進行監測，系統明顯縮短了監測時間;為了充分掌握水質情況，文獻[25]采用溫度、pH值、濁度及電導率等傳感器采集各種水質參數，并完成了在線水質監測系統必要的軟硬件設計，為不同行業后續水質監測提供依據;文獻[26]以AT89S51為控制核心器件，設計水質溫度、pH值、濁度等采樣電路，通過TC35I模塊進行無線數據傳輸，實現了實時數據顯示、存儲和波形在線觀測，以及歷史數據查詢和報警功能;文獻[27]設計了一個在線水質監測運行系統，確定pH值、氨氮、COD 這3項監測指標，通過自控系統采集、處理和分析水質，并將水質結果通過GPRS傳輸給服務中心，方便工作人員及時了解水污染程度;文獻[28]為化工廠設計了一套基于物聯網技術、集成多種參數傳感器的污水水質在線監測系統，系統不僅具備多元化優勢，還可以準確檢測化工廠排放污水的pH值、溫度、溶解度、電導率、濁度等指標;文獻[29]開發了基于PLC系統網絡架構的污水控制系統，仿真結果表明，系統能夠準確檢測和控制反應池溶解氧濃度的值，提高了污水處理的智能化水平。可以看出，礦山水質量智能化在線監測必然發揮應有價值，從而為礦山水質量問題的解決提供思路。

筆者以云南省某選礦廠的外排水為研究背景，提出以互聯網技術為基礎、具有多元化參數的礦山水質量智能化在線監測系統設計方案。

1 礦山水質量在線檢測儀器的選擇

筆者設計的礦山水質量智能化在線監測系統可以對礦山外排水的COD、氨氮、總磷、總氮4項指標進行實時檢測。項目采用重鉻酸鉀法測定COD值[30]，選用LFS?2002（COD）型化學需氧量水質分析儀;采用水楊酸分光光度法測定氨氮指標，選用LFS?2002（NH）型氨氮自動監測儀;采用鉬酸銨分光光度法分析檢測試樣中藍色絡合物吸收特定波長光線的光線長度，并由此測定總磷濃度[31]，選用LFS?2002（TP）型總磷分析儀;總氮是衡量水域富營養化的重要參數，是反映水體富營養化的主要指標，掌握總氮排放量、分布狀況以及主要來源，對控制水體富營養化、改善水質具有十分重要的意義，采用鉬酸銨分光光度法監測總氮指標，選用LFS?2002（TN）型總氮分析儀。

以上4種在線檢測分析儀都具備管路反沖洗、高靈敏度光度檢測器、高精度紅外液位檢測器、缺試劑報警、可編程濃度報警等功能。儀器實物如圖1所示。

2 礦山水質量智能化在線監測系統

現根據選礦廠和環保局的要求，設計并實現礦山水質量智能化在線監測系統，系統包括水的自動采樣模塊、水指標檢測模塊、水質量監管移動Web APP、PC終端礦山水質量監測數據發布系統和數據庫5部分，結構框圖如圖2所示。

系統測試環境搭建時需要智能手機和PC終端環境，系統環境搭建的質量和性能都會直接影響系統的測試，環境搭建的質量主要從軟件、硬件兩個方面考慮。礦山水質量監測系統的測試環境設計見表1。

2.1 水質監管移動Web APP

水質監管移動Web APP是基于JS、CSS語言開發的平臺，使用VUE框架開發，運行在移動設備上的應用軟件。為了方便在手機上瀏覽數據，設計了手機端。該設計的難點是水質監管移動Web APP需要展示數據，單純的數據展示比較單調，故使用e?charts圖標庫進行圖表的展示，包括查看礦山水質量監測的實時數據、水質月報、歷年數據、指標超標預警等移動服務，具體如下：

a. 實時數據，實時顯示總氮、總磷、COD、氨氮4項指標的在線監測數據;

b. 水質月報，通過選擇月份查詢對應的總氮、總磷、COD、氨氮4項指標的在線監測數據月報;

c. 歷年數據，通過選擇年份來查詢對應的總氮、總磷、COD、氨氮4項指標的在線監測數據的歷史數據年報;

d. 指標超標預警，當總氮、總磷、COD、氨氮4項指標的在線監測數據超出指標范圍，移動Web APP及時發出預警。

筆者設計的移動Web? APP設計界面如圖3所示。

2.2 PC終端礦山水質量監測數據發布系統

PC終端礦山水質量監測數據發布系統的設計流程如下：PC終端作為本系統的訪問入口，應該不受位置、設備等束縛，因此應使用B/S（瀏覽器/服務器）架構設計。前端使用了VITE+JS+ELEMENT UI等技術，后端采用了SPRINGBOOT+MYBATIS+MYSQL+REDIS等技術。難點主要是解決安全問題，由于應用部署在互聯網上，為保證數據安全，使用JWT框架做了后端系統的安全檢驗。系統包含導出Excel表格、礦山水質量在線監測數據發布、礦山水質量監測數據報表、預警、登錄信息、密碼修改等功能模塊，具體如下：

a. 導出Excel表格。將4項指標（總氮、總磷、COD、氨氮）的在線監測數據通過Excel導出并打印。

b. 礦山水質量智能化動態監測數據發布。將4項指標的在線監測數據在PC終端礦山水質量監測數據發布系統中通過數據和曲線方式顯示。

c. 礦山水質量智能化動態監測數據報表。將4項指標的在線監測數據生成企業和環保部門需要的數據報表。

d. 預警。當礦山水質量在線監測指標超標時，系統會在中控平臺的顯示界面中標紅，進行預警。

e. 登錄信息包括用戶權限、IP地址、登錄時間、登錄次數、操作內容，通過選擇不同的用戶名可以查詢每個登錄人員的操作信息。

f. 密碼修改。管理員登錄PC終端礦山水質量監測數據發布系統可以修改登錄密碼，但是為了加強密碼的安全性，設計必須依據自己選擇的密碼提示問題輸入正確的提示問題答案才能完成密碼修改。

PC終端水質發布系統功能模塊如圖4所示。

2.3 數據庫建設

由于MySQL開發成本低、運行速度快、占用內存小，使用起來非常方便，MySQL還擁有非常強大的單表或多表聯合查詢，以及支持過濾查詢等高級查詢，并且可以方便實現用戶登錄時對用戶名和密碼進行校驗的功能，因此MySQL成為中小型網站數據庫開發的首選。

筆者選擇MySQL作為數據庫，通過安裝MySQL可視化管理工具Navicat for MySQL來操作數據庫，用于存儲礦山水質量智能化動態監測系統在線監測的所有數據。設計流程是數據表→用戶表→角色表→用戶角色關聯表→元素表→采樣表→采樣位置表→元素等級表。難點是采樣數據在遇到超標數據時應當通知用戶，因此還需要有一個元素等級表，在插入采樣數據時進行比較得出等級，如果異常就推送給用戶。基本操作包括建立數據庫、添加、修改和刪除表，插入、修改及刪除表記錄等。數據庫設計界面如圖5所示。

2.4 礦山水質量智能化動態監測系統監測模塊

通過分析水質量在線監測儀器系統需求，把水質量自動分析儀器由相互依賴性的復雜系統轉變為模塊化系統，如圖6所示。采用合適的監測分析方法來檢測水質量的數據，監測分析模塊內部采用模塊化設計，監測分析模塊主要包括控制模塊、檢測模塊、采樣/預處理模塊接口及通信模塊接口等，能適應水質的多樣性、復雜性，全面保證水質量監測數據的準確性、可比性和完整性。

2.5 水質自動采樣器

水質自動采樣器（AB桶）目前是全球領先的，具有A、B均質混勻桶，機械式帶壓縮機制冷的水樣采集、冷藏儀器設計有萬向輪（帶剎車），可以使儀器移動時平穩、方便，圖7所示為自動采樣器結構示意圖。有多種工作模式（定時定量、定時比例、同步留樣、超標留樣及觸發采樣等），可采混合樣、平行樣，可根據具體情況選用合適的采樣模式、瓶裝方式和留樣方式。

3 應用實例與效果評估

為了檢驗礦山水質量智能化在線監測系統的實時性和監測數據的高精度性，在某選礦廠對外排水水質檢測中開展了在線監測數據與實驗室數據對比驗證，把在線監測所留副樣（水）委托第三方有資質的檢測機構進行實驗室檢測。

為得到可靠評估結果，隨機開展兩天（2023年6月5、10日）、每天6次的數據檢測對比實驗，實驗室檢測工作均在24 h內完成，檢測結果見表2、3。

從表2數據對比可以看出，總磷在線監測與實驗室檢測的數據平均誤差率為10%，COD在線監測與實驗室檢測的數據平均誤差率為0.5%，總氮在線監測與實驗室檢測的數據平均誤差率為2%，氨氮在線監測與實驗室檢測的數據平均誤差率為1.5%。

從表3的數據對比可以看出，總磷在線監測與實驗室檢測的數據平均誤差率為10%，COD在線監測與實驗室檢測的數據平均誤差率為0.6%，總氮在線監測與實驗室檢測的數據平均誤差率為2.2%，氨氮在線監測與實驗室檢測的數據平均誤差率為2.3%。

對比結果表明：采用筆者設計的礦山水質量在線監測系統可以有效捕捉礦山外排水的水質量實際情況，準確度較高。與實驗室檢測數據的比較結果，也證明了系統的準確性和可靠性。盡管數據之間存在差異，但是采用礦山水質量智能化監測系統，監測結果能夠保持一定的相關性，并將誤差率控制在±10%以內，從而使得監測結果更加準確可靠。

4 總結與展望

針對主要依靠人工送檢的傳統礦山水質量檢測存在的問題，設計的礦山水質量智能化在線監測系統通過檢測設備對云南省某選礦廠外排水指標進行實時檢測，結合5G技術將檢測結果實時傳送到PC終端和移動Web APP，實現數據的實時采集、顯示、處理和分析。該系統不僅滿足了礦山水質量實時和高精確度在線監測的需求，還有助于解決當前礦山水質量監測系統存在的監測設備操作復雜、人工成本高昂的問題，同時為礦山企業管理者提供了準確的水質信息和水質超標預警功能，從而幫助礦山企業能夠及時采取有效的環保措施，降低環境風險，提高資源的利用效率，為實現礦山智能化和綠色礦山奠定了基礎，因此該系統有著廣闊的應用前景。礦山水質量智能化在線監測系統通過實時、準確地監測礦山廢水中的污染物，有助于礦山企業采取有效措施減輕環境影響，對保護水資源、維護生態平衡以及實現可持續發展具有重要意義。

隨著物聯網、大數據、人工智能等技術的快速發展，礦山水質量智能化在線監測系統有望在4個方面取得更大的發展和進步：

a. 數據處理與分析算法。借助人工智能和大數據技術，未來將發展出更為先進的數據處理與分析算法，提高水質預測的準確性和可靠性，為企業管理者提供更有價值的信息。

b. 集成其他環境監測功能。未來礦山水質量智能化在線監測系統可以與大氣、土壤等其他環境監測系統進行集成，構建一個更加全面的礦山環境監測網絡，為礦山環保決策提供更全面的數據支持。

c. 無線通信技術。隨著6G等新一代通信技術的推廣應用，未來礦山水質量在線監測系統的數據傳輸速度和穩定性將得到進一步提升，提高系統的實時性和可靠性。

d. 能源利用。研究更高效的能源利用方式，如太陽能、風能等可再生能源技術，將有助于降低系統運行成本，提高環境友好性。

總之，礦山水質量智能化在線監測系統在未來將繼續發展和完善，為礦山環保事業提供更加強大的技術支持。

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（收稿日期：2023-06-12，修回日期：2023-09-11）