无人船水质监测系统设计与应用研究

谭平玉

(湖南省交通科学研究院有限公司,湖南 长沙410007)

1 概述

20 世纪50、60 年代人们开始使用无人驾驶水面船只进行一定的遥控范围内的简单水面作业,随着现代技术的飞速发展,人们采用尝试水上无人驾驶遥控船为载体,集成水质监测仪器,通过无线通信、自主导航及自动控制系统进行水域水质监测。过去几年内,欧盟投资数千万美元由挪威科技工业研究院(SINTEF),通过其子公司(Marinitek)开发一个“海上智能航行”合作项目MUNIN,以验证无人船的可操作性[1]。国内珠海云洲智能科技有限公司研制的小型自动采样船、中型自动采样船和在线监测采样船,可进行全自动标准化水质采样和气象水文参数实时在线监测。2016 年镇江市环保部门利用采样监测船对市内管辖的九条河流进行水质监测,监测项目包含氨氮、溶解氧等七个参数,形成了九条河流监测报告和水质分布图,掌握了市内河流的水质变化,实时监管污染物排放企业[2]；武汉市环保局也使用采样监测无人船对市内具有代表性的50 个湖泊及3 片湿地作为研究对象,通过对水体进行采样和在线监测,形成采样报告、监测报告、每个参数的水质分布图[3]。无人船技术在以上领域的应用中展现了较高的实用价值,水质监测调查工作效率得到提升,同时也帮助工作人员规避了在水面上工作时带来的潜在风险。

本文介绍的无人船水质监测系统是集实时数据展示、水质分析评价、区域水质分布图绘制于一体的新型系统,能够对黑臭水体、地表水体分级、主要或特征污染物最大超标倍数、断面水质超标率等动态展示、报告和实时预警等。为区域制定污染防控计划提供依据,以及能够及时发现污染源,动态的反映水质的污染状况,支撑构建无人值守的环境污染联控机制。

2 系统架构

系统架构由基础设施、数据源、数据层、业务应用层、用户层组成(如图1 所示)。其中基础设施层主要是为系统提供了硬件支持环境、网络支持环境、基础的操作系统环境；数据源层包括支撑系统的空间数据、水文数据、统计数据等信息；数据层是为系统提供了数据支撑,是系统辅助决策的主要依据,汇集了系统所需的数据源,通过共享交换综合成系统自己的数据库。业务应用层是将无人船水质监测业务中所有环节、流程进行抽象、封装,再以restful 服务的方式提供接口调用,业务应用层是该系统中核心所在。用户层从系统使用的对象来分析用户类型,根据用户职能及需求分为环保管理人员、公司相关人员、项目设计/施工/监理、实验室检测人员、社会公众用户等。系统架构设计在满足用户业务需求的基础上,同时兼顾系统的可扩展性和易接入性、跨平台兼容性,为后期系统部署运维提供便利。

图1 无人船水质监测系统架构图

3 系统关键技术设计与实现

无人船水质监测系统用于支撑对水质采样全过程的远程监控,提高水质(采样)监测的准确性、真实性,也有助于降低采样风险和成本,功能模块主要分为无人船水质监测信息采集及校验、无人船监测轨迹及水质分布图展示、历史水质数据查询、水质等级分析评价、人工检测数据导入五大功能模块。

3.1 无人船水质监测信息采集及校验

GPRS 作为2.5G 的无线通信技术,采用分组通信技术,实现多用户资源共享,继而提升通信效率[4]。通过对无人船通信模块改造实现通过GPRS 对无人船水质数据采集、传输,依据无人船水质监测操作规范对测点的多组数据进行合理性分析,并进行处理、计算出测点和断面的水质信息,同时将断面、测点数据存储到系统数据库中。无人船监测通信消息包主要包括时间戳、数据块、帧校验等信息,其中数据块按顺序存放水温、pH 值、浊度、电导率和溶解氧五项水质参数检测结果。服务器端的通讯模块监听特定端口,对满足校验规则的消息包进行原始数据存储,剔除不满足水质参数物理意义有效性检查的记录后进行算数平均,从而计算出监测断面的水质浓度,图2。

图2 无人船数据包帧结构

3.2 无人船监测轨迹及水质分布图展示

权重系数是影响克里格插值效果的关键因素,常规方法是通过计算所有实测点两两之间距离与半方差,在此基础上拟合建立距离与半方差之间的函数关系,以便计算任意距离的半方差,再根据优化目标函数计算最优系数,图3。

图3 水质分布图绘制流程图

系统对监测区域内的监测记录进行汇集,采用优化后的克里格插值算法进行监测区域的水质分布图实时绘制。根据测点检测时间自动生成无人船行驶轨迹,为保证监测点之间的轨迹合理,前期人工预先无人船航行航道,船行轨迹沿航道行驶,靠近监测点时移动至监测点,并短时停靠后用颜色标识该测点水质情况,然后再离开移动到航道上来。

3.3 水质等级分析评价

水质等级分析评价参考《城市黑臭水体整治指南》、《地表水环境质量评价方法》[6],进行指定监测区域黑臭水体(正常、轻度、重度黑臭)、地表水水质(四类、五类、劣五类)等级评价,并根据评价结果进行各类水质占比、主要或特征污染物最大超标倍数、断面水质超标率等统计分析。单因子评价主要是根据《地表水环境质量标准》进行超标项目和超标倍数等指标分析,并对月、季度、年度的单因子评价达标率等进行统计分析,主要以趋势图、饼状图和表格显示。《地表水环境质量标准》[7]中包括水温、总氮、粪大肠菌群等24 项指标,其中水温、总氮、粪大肠菌群作为参考指标单独评价。经过广泛调研进行综合考虑,系统采用单因子评价法进行河流断面水质类别评价,即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定。

黑臭水质评价是根据透明度、溶解氧、氧化还原电位、氨氮四个参数划分为轻度黑臭和重度黑臭,地表水等级是则是对水温、pH 值以外的水质参数进行计算,系统采用restful 风格接口提供服务,如黑臭等级计算接口url 为http://localhost:8081/analysis/blackstink?turb=15 &dox=1.8&orp=-157&nh=4。水质评价计算出结果后采用JSON 格式进行规范化数据输出,JSON 格式数据不仅比xml 等格式的数据更简洁,而且对接前端JavaScript 语言可与直接转换为Object 进行属性读取。如果水质等级评价发挥结果为{"grade":2,"detail":{"turb":2, "dox":2,"orp":2,"nh":1}}。

4 系统应用及分析

无人船水质监测系统是针对突发污染事件的预警平台、水质信息发布平台,实现对无人船监测水质数据采集、获取、处理、展示、分析评价与预警一体化过程,快速、精确地获得监测区域水质、时间和空间信息,提高水质监测过程真实性、及时性、智能性及监测效率,使水质监测与管理过程信息化。本系统以茅洲河流域水系示范基地,通过使用无人船进行不定期水质、水文等环境等数据采集,并且及时上报流域水质情况。具体包括:

基于无人船对河段开展连续移动监测,采用优化克里格插值算法,快速绘制整个区域水质分布图,实现水质监测从单点固定监测到断面动态监测的突破,有效的支撑相关管理人员快速、掌握准确河道水质浓度情况。

建立了无人船水质监测数据、固定水质监测站数据实时传输、实时展示、评价与分析、预警体系,将水质监测从采样、检测、处理与结果展示、分析预警全过程实现数字化,不仅提高了水质监测与管理效率,也通过水质监测点面互补、动静结合,改善了水质监测质量。

利用无人船对实施治理和运维的水域断面进行水质连续监测,掌握重点断面水质状况,模拟参与河流水质污染突发事件的采样与水质监测,达到了快速掌握水质数据变化特征,为制定污染防控方案提供有力支撑。

5 结论

本文针对无人船水质监测特点展开研究,设计适宜的无人船水质监测系统架构,完成了无人船水质监测信息采集和校验,并在GIS 地图上复现无人船水质监测轨迹,采用优化克里格算法进行区域水质分布图绘制,以更直观的呈现河道水质浓度情况。系统按照现行水质评价标准和评价办法自动进行水质等级、因子评价计算,根据水质监测业务逻辑实现地图+图表等丰富形式的历史水质数据查询,设计了通用水质监测结果表,实现了人工检测数据的数字化管理,实现了样本采集、水质检测、处理与结果展示、分析预警全过程数字化支撑。

无人船水质监测系统提高了水质检测、河道管理的工作效率,也从一定程度上改善了水质监测质量,为水污染防控、治理提供了有力支撑。系统以茅洲河流域水系作为示范基地,已定期开展多次有效应用,在茅洲河流域水环境综合整治项目中取得了良好效果。