CN109297763A - 水体污染物采样监测系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的水体污染物采样监测系统和控制方法，涉及仪器设备自动检测技术领域，主要用于沿江沿河领域的工厂污水排放的监测，以解决现有采样技术存在的对水体样本缺乏自动分析、监测和选择性存储所导致的监测工作效率低、决策滞后的问题。通过对水域中采集的水样进行自动化监测，可以针对性地存储满足预设指标的污染样本，便于后续监测和处理工作按照轻重缓急程度进行多层次布局。该自动化的监测系统能够有效节约人力、物力成本，提高监测和治理工作的效率和时效性。

Description

水体污染物采样监测系统及控制方法

技术领域

本发明涉及仪器设备自动检测技术领域，尤其涉及一种水体污染物采样监测系统及控制方法。

背景技术

对于水体污染物的采样和监测，目前可以使用无人船代替人工方式完成精确、定点和定量的采水体样本工作。相比于人工方式，利用无人船进行采样和监测更能节省成本，提高监测效率，并可以到达存在潜在危险的水域，如污染区和深水区等，具有安全性高、测量范围广的优点。

然而，大多数无人船对水体污染物进行采样时，不断地将采样、检测数据回传至远程服务器，然后由远程服务器统一地实施离线分析工作，缺乏对特定样本的有效自动筛选，难以实现水质污染状况的及时预警。

同时，由于缺乏自筛查流程，会导致样本大规模留样。采样样本数量较多，一方面采样瓶等资源得不到最优的配置；另一方面，也增加了后期分析决策的人力成本和物力成本。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供的水体污染物采样监测系统及控制方法，主要用于沿江沿河领域的工厂污水排放的监测，以解决现有技术中存在的无人船采样缺乏对水体样本选择性存储导致监测工作效率低、决策滞后的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明提供的一种水体污染物采样监测系统，包括采水装置、水质检测装置、排水装置和处理单元；所述采水装置、水质检测装置、排水装置和处理单元均设置于所述漂浮装置上；所述采水装置包括用于存储水体样本的第一存储容器和用于采集水体样本至所述第一存储容器的采水机构；所述排水装置包括用于从所述第一存储容器中排出水体样本的排水机构；所述水质检测装置设置于所述第一存储容器中；所述采水机构、所述排水机构分别与所述第一存储容器连通；所述采水机构、所述排水机构、所述水质检测装置均与所述处理单元电性连接。

本发明提供的一种水体污染物采样监测系统，优选地，还包括设置于所述漂浮装置上的存水装置；所述存水装置包括用于存储水体样本的第二存储容器和用于将所述第一存储容器中的水体样本传输至所述第二存储容器内的存水机构；所述存水机构分别与所述第一存储容器、所述第二存储容器连通；所述存水机构与所述处理单元电性连接。

本发明提供的一种水体污染物采样监测系统，优选地，还包括远程服务器和设置于所述漂浮装置上的数据通信单元；所述数据通信单元与所述处理单元电性连接；所述远程服务器可与所述数据通信单元建立数据通信连接。

本发明提供的一种水体污染物采样监测系统，优选地，还包括设置于所述漂浮装置上的自巡航定位装置、水中行走动力装置和视频监控装置；所述自巡航定位装置、所述水中行走动力装置、所述视频监控装置均与所述处理单元电性连接。

本发明提供的一种水体污染物采样监测系统，优选地，所述采水机构包括采水管路、采水泵和用于开闭所述采水管路的采水电磁阀；所述采水电磁阀、所述采水泵均设置于所述采水管路中；所述采水管路的出水口与所述第一存储容器连通，所述采水管路的进水口设置于所述漂浮装置位于水下的部位上；

所述排水机构包括排水管路、排水泵和用于开闭所述排水管路的排水电磁阀；所述排水电磁阀、所述排水泵均设置于所述排水管路中；所述排水管路的进水口设置于所述第一存储容器内，所述排水管路的出水口伸至所述漂浮装置外部的水域；所述采水电磁阀、所述采水泵、所述排水电磁阀和所述排水泵均与所述处理单元电性连接。

本发明提供的一种水体污染物采样监测系统，优选地，所述存水机构包括存水管路、存水泵和用于开闭所述排水管路的存水电磁阀；所述存水电磁阀、所述存水泵设置于所述存水管路中；所述存水管路的进水口设置于所述第一存储容器内，所述存水管路的出水口与所述第二存储容器内部连通；所述存水电磁阀、所述存水泵均与所述处理单元电性连接。

本发明提供的一种水体污染物采样监测控制方法，包括以下步骤:

从水域中采集定量水体样本至第一存储容器；

对第一存储容器中的水体样本进行检测，得到检测结果；

排出第一存储容器中的水体样本。

本发明提供的一种水体污染物采样监测控制方法，优选地，所述步骤“排出第一存储容器中的水体样本”具体为：

判断检测结果是否达标，根据判断结果选择将水体样本存储至第二存储容器或者排出至水域。

本发明提供的一种水体污染物采样监测控制方法，优选地，所述“判断检测结果是否达标，根据判断结果选择将水体样本存储至第二存储容器或者排出至水域”步骤具体为：

若检测结果达标，将第一存储容器中的水体样本排出至水域；

若检测结果不达标，将水体样本从第一存储容器传输至第二存储容器中。

本发明提供的一种水体污染物采样监测控制方法，优选地，所述“若检测结果不达标，将水体样本从第一存储容器传输至第二存储容器中”步骤之后还包括：

将不达标的检测结果和/或其对应水体样本的相关数据和/或对应的漂浮装置信息传送至远程服务器，发出水质污染报警；

所述相关数据包括：漂浮装置编号和/或漂浮装置位置信息和/或水体样本的单参数检测值和/或水体样本的多参数检测值和/或水体样本所属污染类别标签和/或水体样本的污染等级。

上述技术方案具有如下优点或者有益效果：

本发明提供的水体污染物采样监测系统及控制方法，通过对水域中的污染情况进行无人化定量采样和实时监测，有效地克服了传统采样监测方式存在的效率低、安全性低和时效性差的问题。同时，对水体样本根据算法预设的污染指标进行有选择性地采样和存储，实现了初步的自动化筛查，有利于及时监测污染情况和污染类型，对得到的样本按照污染程度划分轻-重-缓-急，为后续分析、决策和治理工作提供了第一手资料，节约了人力物力成本，提高了采样和监测工作的时效性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明实施例1提供的水体污染物采样监测系统的整体框图；

图2是本发明实施例1提供的水体污染物采样监测系统的部分结构示意图；

图3是本发明实施例2提供的水体污染物采样监测控制方法的流程示意图；

图4是本发明实施例2提供的水体污染物采样监测控制方法的又一流程示意图；

图5是本发明实施例2提供的水体污染物采样监测控制方法的又一流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1和图2所示，一种水体污染物采样监测系统，包括漂浮装置1，还包括采水装置2、水质检测装置3、排水装置4和处理单元5；所述采水装置2、水质检测装置3、排水装置4和处理单元5均设置于所述漂浮装置1上；所述采水装置1包括用于存储水体样本的第一存储容器21和用于采集水体样本至所述第一存储容器的采水机构22；所述排水装置4包括用于从所述第一存储容器中排出水体样本的排水机构41；所述水质检测装置3设置于所述第一存储容器21中；所述采水机构22、所述排水机构41分别与所述第一存储容器21连通；所述采水机构22、所述排水机构41、所述水质检测装置3均与所述处理单元5电性连接。采用这样的系统结构，能够从污染水域中采集一定的样本水至第一存储容器21中；接着，借助存储容器中的水质检测装置3，能够对第一存储容器21中的水体样本水质参数进行检测，其中，水体样本的水质参数可以是pH、溶解氧、电导率、砷、汞、铬和铅等体现水体污染情况的指标。对于水质检测装置3，可以采用基于电化学检测方法的装置或电化学传感器，也可以和其它类型的水质传感器组合使用来提高水质检测结果的可靠性。在检测过程中，水质检测装置3可以只检测和监控水体污染指标中的某个单参数，也可以利用组合式多参数传感器对水体样本实施多参数检测，例如，将温度(T)、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、电导率(K)、酸碱度(pH)作为“水质五参数”同时检测，便于综合反映水体水质情况。此外，还可以预先设计多参数一体化的微电极传感器来作为水质检测装置3对水体污染物进行分析监测，一方面可以减小传感单元占用空间、另一方面也能提高使用寿命，具有成本低、易推广、易更换和便携的优点。水质检测装置3可以依靠自身集成的算法对水质情况作出判断，也可以将其得到的检测值发送至漂浮装置上的处理单元来进行综合性地算法分析、监测，算法设计中可以融入样本数据分类的思想，实现水质监测的高效化，例如，可以结合数学统计K-star模型并以《地表水环境质量标准》(GB-3838-2002)为参照标准,通过K-star模型的分类和运算得出未知水体水质类别。

传统的水质检测装置大多设于漂浮装置的外部，通过将传感器探头直接伸入水域的方式进行检测。然而，检测分析的结果会随着水体流动和外部环境变化而发生变化，影响了检测的准确性和检测的时效性，长期下来导致检测装置的使用寿命大大缩短；而本发明提供的水体污染物采样系统将样本水采集到漂浮装置内部第一存储容器(即样本采集存储容器)中进行定量分析，隔绝了外部风力、水流动力等因素的干扰，能够得出更精确的检测结果，降低了系统预警的误报率。当检测结果完成后，根据图1所示的系统结构，处理单元5(例如，可以是带有嵌入式系统的单片机或预先设计好的PCB电路板，也可以采用其它智能模块)根据水质检测装置3完成检测的反馈信号，控制排水装置自动排出水体。

为了对检测结果显示异常的水样进行后续实验室分析以及进一步留样，一种水体污染物采样监测系统，优选地，还可以包括设置于所述漂浮装置上的存水装置6；所述存水装置6包括用于存储水体样本的第二存储容器61和用于将所述第一存储容器21中的水体样本传输至所述第二存储容器61内的存水机构62；所述存水机构62分别与所述第一存储容器21、所述第二存储容器61连通；所述存水机构62与所述处理单元5电性连接。通过增加对第一存储容器21中水体样本进行存储的存水装置6，可以对污染样本或异常样本进行收集、带回，进行针对性地研究，便于后续治理工作的开展。

进一步地，一种水体污染物采样监测系统，还包括远程服务器7及设置于漂浮装置1上的数据通信单元8；所述数据通信单元8与所述处理单元5电性连接；所述远程服务器7可与所述数据通信单元8建立数据通信连接。这里的数据通信连接方式可以采用4G模块，通过4G网络使漂浮装置的数据通信单元8与远程服务器7建立数据连接；通过设置通信单元，可以实现异常水体状况的远程监控和报警，可以选择根据不同命令可将测得的水质参数等数据发送给远程服务器7，远程监控中心可以通过远程服务器7实时获取水域中的水体监测情况，提高监测的效率，节省监测成本。

为了使漂浮装置到达存在潜在危险的污染区、深水区，使得漂浮装置自动化地覆盖监测水域大部分位置，可以在漂浮装置上增设自巡航定位装置9和水中行走动力装置10，其中，水中行走动力装置10可以采用步进电机驱动的螺旋桨结构，自巡航定位装置9可以利用电子罗盘，完成船与地磁北极夹角的测量并处理，保持船体的航向；同时，通过GPS定位模块得到的经纬度坐标确保漂浮设备在航行中按照既定路线航行。在此基础上，还可以在漂浮装置上安装简易的视频监控装置11如摄像头，周期性地对漂浮装置区域周边进行图像采集，传输至远程服务器，以防不法分子对漂浮装置进行破坏；自巡航定位装置9、水中行走动力装置10以及视频监控装置11均可以与处理单元5电性连接。

设备是户外运行，具备使用太阳能的条件和潜力。太阳能是一种清洁能源，不对环境产生任何危害；同时，太阳光照射在地球上普遍存在，使用成本低，漂浮装置不需反复进基站补给，可满足长时间工作需求。因此，漂浮装置整体系统中的电源12可以采用太阳能供电方式。具体而言，可以采用太阳能电池板、太阳能充电控制器和锂电池结合的技术来提供系统电能来源。此处所提及的太阳能供电手段属于现有技术，为本领域技术人员所知，具体连接方式不予赘述。

对于图1中的采水机构22，任何装置，只要在接收处理单元5发送的采水信号后，能够自动地采集定量的水体样本至第一存储容器21的装置均可以作为采水机构22使用；同样地，任何装置，只要能够在接收处理单元5发送的排水信号后，可以自动地将水体样本从第一存储容器21中排出，均可以作为排水机构41使用。例如，如图2所示，本实施例1中采用如下结构：

采水机构22包括采水管路221、采水泵222和用于开闭所述采水管路221的采水电磁阀223；所述采水电磁阀223、采水泵222均安装于所述采水管路221中，能够在收到处理单元5发送的采水信号后自动开启，所述采水泵222设置于所述漂浮装置1下部，与水域中水体接触；(也可以采用采水泵222设置于采水管路221中间位置，采水管路221的进水口伸入水域等方式实现采水，虽未在附图中公开，但对于所属技术领域人员来说是清楚的)，采水管路221的出水口与第一存储容器21的内部连通，当采水机构22接收到处理单元5发出的采水信号后，采水电磁阀223自动开启，采水泵222自动从水域中抽取适量水样至第一存储容器21，实现水样的采集。

对于排水机构41，本实施例1中包括排水管路411、排水泵412和用于开闭所述排水管路411的排水电磁阀413；所述排水电磁阀413、排水泵412均设置于所述排水管路411中；如图2所示，排水泵412设置于所述第一存储容器21中，所述排水管路411的出水口伸向水域。当接收处理单元5发出的排水信号时，排水电磁阀413能够自动开启，通过排水泵412的动力作用，能够有助于水体样本从第一存储容器21中迅速排空，方便下一阶段的采样工作，防止采样水体的混杂和交叉污染。

进一步地，本实施例1中存水机构62包括存水管路621、存水泵622和用于开闭所述存水管路621的存水电磁阀623；所述存水电磁阀623安装于所述存水管路621中，对存水管路621中的水流起到开关作用；存水泵622设置于所述存水管路621中，存水管路621的进水口设置于第一存储容器21中，存水管路的出水口与第二存储容器61的内部连通。当处理单元发出存水指令时，存水电磁阀623能够自动开启，将第一存储容器21中的水体样本通过存水泵622的作用抽取到第二存储容器61中。

需要说明的是，本实施例1中的电磁阀、泵均与处理单元电性连接，而电磁阀、泵相对于管路的连接方式只要能够起到自动抽水、排水和存水功能即可，并不限于本实施例1的图2中的连接结构，在此不予赘述。另外，对于电磁阀、泵等部件与处理单元(如单片机等接收、发送信号的装置)的电性连接方式是本领域技术人员所理解的，所述电性连接不代表直接连接，省去了一定的关于驱动电路、放大电路等电性连接方式的详细描述，均属于公知常识。本发明实施例1中虽未对电路的电性连接进行详细阐述，也没有在附图中体现具体的电性连接方式，并不影响本领域技术人员理解并实施本发明实施例1提供的技术方案。同时，本发明实施例1中提供的系统结构不代表本采样监测系统是串行、单点采样监测，本发明提供的实施例1也可以扩展为多组结构并行的多点采样监测结构，由局部单点采样扩充至多采样点构成的“采样面”，在此不予赘述。

实施例2：

如图3所示，本发明实施例2提供了一种应用于实施例1中的水体污染物采样监测系统的控制方法，包括：

S101从水域中采集定量水体样本至第一存储容器；

S102对第一存储容器中的水体样本进行检测，得到检测结果；

S103排出第一存储容器中的水体样本。

优选地，如图4所示，一种水体污染物采样监测控制方法，对于上述步骤中的S103“排出第一存储容器中的水体样本”可以具体为如下步骤：

S104判断检测结果是否达标，根据判断结果选择将水体样本存储至第二存储容器或者排出至水域。

通过将水域中采集的定量水体水样传输至漂浮装置内的存储容器中进行定量分析和检测，使得检测过程和检测结果不容易受到水流和风力等外界因素的影响，能够提高检测的精确性和鲁棒性。而在检测步骤之后，增加关于污染样本的算法判断，可以实现对水体样本的自动化分析和取舍，相对于传统方式中不加以鉴别的数据采集，提高了采样和监测的效率。

进一步地，如图5所示，对于S104中“判断检测结果是否达标，根据判断结果选择将水体样本存储至第二存储容器或者排出至水域”这一步骤可以采用如下标准：

S1041若检测结果达标，将第一存储容器中的水体样本排出至水域；

S1042若检测结果不达标，则将水体样本从第一存储容器传输至第二存储容器中。

在利用漂浮装置进行自动化采样工作之前，可以在处理单元或水质检测装置中预设采样的条件或指标，例如，预先定义安全样本的标准，针对实时检测判定为安全样本的水样，可以选择将其在检测分析后直接排出至水域，来提高采样工作的效率；同时，预先定义污染样本的标准，如果采样得到的水体样本符合算法预设的污染样本指标，例如：检测值某个参数属于奇异值，或多个参数超过预设的污染样本阈值，均可以作为污染样本判断的条件，还可以针对不符合阈值范围的不同程度，在算法中进行定义污染严重程度并设定标签。在此过程中，有选择地将水体样本从第一存储容器中转存至第二存储容器，对污染样本进行进一步的留样、实验室分析，既可以“集中力量解决主要矛盾”，同时也节省了带回的采样容器数量，还能避免污染样本直接排放回水域造成的环境污染。

优选地，所述S1042步骤“若检测结果不达标，则将水体样本从第一存储容器传输至第二存储容器中”步骤之后还可以包括：

S10421将不达标的检测结果和/或其对应水体样本的相关数据和/或对应的漂浮装置信息传送至远程服务器，发出水质污染报警；

通过将检测结果及水体样本的相关数据信息有选择地发送至远程服务器，实现了有目标的远程数据采集，节省了监测成本，提高了监测效率；同时，也能够便于远程服务器、远程监控中心第一时间获取有关水域污染物情况的预警，提高了决策、治理的时效性。

对于S10421中的不达标的水体样本相关数据，可以是如下信息的任何一种或多种：漂浮装置编号、漂浮装置位置信息、水体样本的单参数检测值、水体样本的多参数检测值、水体样本所属污染类别标签、水体样本的污染等级。这样多层次的信息反馈，可以极大地便利后台监控中心根据收到的预警信息来实施多层次、有优先级、有效率的水质治理和监控系统布局。

综上所述，本发明实施例1提供的水体污染物采样监测系统和实施例2提供的水体污染物采样监测控制方法，将水体样本采集至存储容器中进行集中检测、分析，自动化筛选，一方面，这样的流程能够减轻外部环境对检测工作造成的不良影响，提高检测结果的精确性；另一方面，有选择性地对水体样本根据预先设定的指标进行预警和留样，能够方便监测治理工作以实时、有序和高效方式进行。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种水体污染物采样监测系统，包括漂浮装置，其特征在于，还包括采水装置、水质检测装置、排水装置和处理单元；所述采水装置、水质检测装置、排水装置和处理单元均设置于所述漂浮装置上；所述采水装置包括用于存储水体样本的第一存储容器和用于采集水体样本至所述第一存储容器的采水机构；所述排水装置包括用于从所述第一存储容器中排出水体样本的排水机构；所述水质检测装置设置于所述第一存储容器中；所述采水机构、所述排水机构分别与所述第一存储容器连通；所述采水机构、所述排水机构、所述水质检测装置均与所述处理单元电性连接。

2.如权利要求1所述的水体污染物采样监测系统，其特征在于，还包括设置于所述漂浮装置上的存水装置；所述存水装置包括用于存储水体样本的第二存储容器和用于将所述第一存储容器中的水体样本传输至所述第二存储容器内的存水机构；所述存水机构分别与所述第一存储容器、所述第二存储容器连通；所述存水机构与所述处理单元电性连接。

3.如权利要求2所述的水体污染物采样监测系统，其特征在于，还包括远程服务器和设置于所述漂浮装置上的数据通信单元；所述数据通信单元与所述处理单元电性连接；所述远程服务器可与所述数据通信单元建立数据通信连接。

4.如权利要求3所述的水体污染物采样监测系统，其特征在于，还包括设置于所述漂浮装置上的自巡航定位装置、水中行走动力装置和视频监控装置；所述自巡航定位装置、所述水中行走动力装置、所述视频监控装置均与所述处理单元电性连接。

5.如权利要求1所述的水体污染物采样监测系统，其特征在于，所述采水机构包括采水管路、采水泵和用于开闭所述采水管路的采水电磁阀；所述采水电磁阀、所述采水泵均设置于所述采水管路中；所述采水管路的出水口与所述第一存储容器连通，所述采水管路的进水口设置于所述漂浮装置位于水下的部位上；

所述排水机构包括排水管路、排水泵和用于开闭所述排水管路的排水电磁阀；所述排水电磁阀、所述排水泵均设置于所述排水管路中；所述排水管路的进水口设置于所述第一存储容器内，所述排水管路的出水口伸至所述漂浮装置外部的水域；所述采水电磁阀、所述采水泵、所述排水电磁阀和所述排水泵均与所述处理单元电性连接。

6.如权利要求2所述的水体污染物采样监测系统，其特征在于，所述存水机构包括存水管路、存水泵和用于开闭所述排水管路的存水电磁阀；所述存水电磁阀、所述存水泵设置于所述存水管路中；所述存水管路的进水口设置于所述第一存储容器内，所述存水管路的出水口与所述第二存储容器内部连通；所述存水电磁阀、所述存水泵均与所述处理单元电性连接。

7.一种水体污染物采样监测控制方法，其特征在于，包括以下步骤:

从水域中采集定量水体样本至第一存储容器；

对第一存储容器中的水体样本进行检测，得到检测结果；

排出第一存储容器中的水体样本。

8.如权利要求7所述的水体污染物采样检测控制方法，其特征在于，所述步骤“排出第一存储容器中的水体样本”具体为：

判断检测结果是否达标，根据判断结果选择将水体样本存储至第二存储容器或者排出至水域。

9.如权利要求8所述的水体污染物采样监测控制方法，其特征在于，所述“判断检测结果是否达标，根据判断结果选择将水体样本存储至第二存储容器或者排出至水域”步骤具体为：

若检测结果达标，将第一存储容器中的水体样本排出至水域；

若检测结果不达标，将水体样本从第一存储容器传输至第二存储容器中。

10.如权利要求9所述的水体污染物采样监测控制方法，其特征在于，所述“若检测结果不达标，将水体样本从第一存储容器传输至第二存储容器中”步骤之后还包括：

将不达标的检测结果和/或其对应水体样本的相关数据和/或对应的漂浮装置信息传送至远程服务器，发出水质污染报警；

其中，

所述相关数据包括：漂浮装置编号和/或漂浮装置位置信息和/或水体样本的单参数检测值和/或水体样本的多参数检测值和/或水体样本所属污染类别标签和/或水体样本的污染等级。