CN110207757A - 一种湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，属于水环境监测领域。包括供电系统、与供电系统连接的动力控制系统、设置在动力控制系统输出端的水环境监测系统、与水环境监测系统连接的数据采集系统、环境要素同步监测系统、分别与数据采集系统和环境要素同步监测系统连接的数据传输系统以及与数据传输系统连接的在线监测预警平台系统；本发明实现了垂向剖面监测上的灵活性控制优势以及实现了湖泊垂向不同深度水环境指标的多参数全天候连续测定，提高了湖库剖面水环境监测效率，为湖库水污染防治和水质安全保障提供了一定的有利技术条件。

Description

一种湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置
技术领域
本发明涉及水环境监测领域，具体涉及一种湖库垂向剖面水环境实时在 线监测预警装置。
背景技术
随着水环境管理需求的发展，开展长期和连续的水环境监测并实现及时 水质超标和水华实时预警，对于湖库水环境保护和新时期水功能区水质目标 精细化管理具有重要意义。而传统的水环境监测不仅费时费力，而且还常常 受到天气等条件的限制，对于突发性的水污染和湖库水体水华问题，也不能 实现及时的快速监测与实时预警。目前对于深水湖库垂向剖面不同深度上水 环境如水温、溶解氧等指标分层变化及影响机理的研究是水环境保护研究的 主要热点领域，如何及时、快速和长期、连续地获得水体不同深度上多参数 水环境指标及同步环境要素数据成为制约水质分层机理认识的瓶颈之一。在 现有的水环境监测技术中，虽然传统手动将监测仪器置于水体不同深度，可 以实现垂向水质的监测，但却存在费时、费力和难以长期连续监测的问题， 同时受到极端天气和风浪等条件的限制，难以满足当前水环境监测的快速、 及时、长期连续剖面监测和实时预警的技术需求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种湖库垂向剖面水环境实时在线 监测预警装置，具体技术方案如下：
一种湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，包括供电系统、与供 电系统连接的动力控制系统、设置在动力控制系统输出端的水环境监测系 统、与水环境监测系统连接的数据采集系统、与数据采集系统连接的环境要 素同步监测系统、与数据采集系统连接的数据传输系统以及与数据传输系统 连接的在线监测预警平台系统；动力控制系统包括与供电系统连接的伺服电 机、与伺服电机连接的PLC控制器以及设置在伺服电机输出端的卷扬机，水 环境监测系统上设有与PLC控制器连接的测距传感器。
本发明中通过伺服电机和PLC控制器组合实现卷扬机精准运转的灵活控 制，首先在PLC控制器中设定好相应的距离阈值和剖面监测频率，之后启动 伺服电机。伺服电机控制卷扬机使水环境监测系统在水中均速缓慢下放，期 间测距传感器测定水环境监测系统与水底的距离并及时传送给PLC控制器， 当水环境监测系统与水底距离达到触发条件时触发PLC控制器信号，之后伺 服电机开始反转并带动卷扬机反向转动，从而将水环境监测系统在水中垂向 提升，达到接近水面时PLC控制停止上升，之后将按照设定好的剖面监测频率再次自动运行，开始水环境监测系统的再次下放和上升过程。
作为优选，水环境监测系统包括设置在动力控制系统输出端的牵引线、 设置在牵引线上的容置筒、设置在容置筒内的承载托盘以及设置在承载托盘 上的水环境监测传感器，测距传感器设置在承载托盘底侧。
本发明通过牵引线将容置筒与卷扬机固定连接，卷扬机带动容置筒水环 境监测传感器进行下放和上升运动，设置在承载托盘底侧的测距传感器在监 测系统在到达水底前反馈给PLC控制器反转控制信号，实现剖面监测自动起 升功能。
作为优选，水环境监测传感器由水温传感器、水位传感器、溶解氧传感 器、电导率传感器、浊度传感器、总氮总磷传感器、叶绿素a传感器组成。
本发明通过水温传感器、水位传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、 浊度传感器、总氮总磷传感器、叶绿素a传感器，对水下环境进行多方位全 方面的监测。
作为优选，容置筒的外侧设有多组缓流孔。
本发明通过设置在容置筒的外侧的多组缓流孔，实现减缓水流冲击而减 少垂向监测剖面倾斜的作用，提高了垂向剖面监测的准确性。
作为优选，承载托盘上设有多组扩展孔。
本发明中设置在承载托盘上的多组扩展孔使承载托盘还能够扩展搭载 其他水环境传感器。
作为优选，数据采集系统包括与水环境监测传感器连接的数据采集器、 高清摄像设备以及分别与数据采集器和高清摄像设备连接的数据存储器。
本发明中数据采集器实现水环境监测传感器4-20mA模拟信号A/D转换 和采集并及时存储到数据存储器中，同时高清摄像设备具备远程抓拍数据采 集功能，高清摄像设备采集后的数据亦存储到数据存储器中。
作为优选，环境要素同步监测系统由分别与数据存储器连接的气温传感 器、日照传感器、气压传感器、风速传感器、风向传感器及雨量传感器组成。
本发明中的气温传感器、日照传感器、气压传感器、风速传感器、风向 传感器及雨量传感器对环境进行全方位的监测，并且监测到的各项环境数据 由数据存储器及时存储。
作为优选，数据传输系统包括与数据存储器连接的数据无线传输模块以 及与数据无线传输模块连接的GPS定位模块。
本发明中数据传输系统实现数据存储器中实时监测数据的无线传输，为 在线监测预警平台系统的查询、可视化分析和预警分析等提供实时数据，实 现实时掌握湖库剖面水环境现状、分层变化及水质预警特征。同时GPS定位 模块实现将所测定的湖库剖面位置的经纬度信息同时传输的功能。
作为优选，供电系统包括太阳能电池板、风力风电机、分别与太阳能电 池板和风力风电机连接的风光互补控制器、与风光互补控制器连接的蓄电 池，蓄电池的输出端与卷扬机连接。
本发明中供电系统为本发明提供电源，在阳光充足的时候太阳能电池板 直接为动力控制系统、水环境监测系统供电以及为蓄电池充电，同时在风力 充足的时候风力风电机直接为动力控制系统、水环境监测系统供电以及为蓄 电池充电，阴雨天气时则切换到蓄电池为各个系统进行供电。
作为优选，在线监测预警平台系统由数据实时监测模块、历史数据查询 模块、数据统计分析模块、可视化展示模块、水环境预警模块、图像管理模 块以及系统设置模块组成。
本发明通过在线监测预警平台系统可以查看到湖库垂向剖面水环境实 时监测数据，可以查询某时间段内的水环境变化，并可以实时掌握水环境各 个监测指标的超标预警和水华预警信息。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过在PLC控制器中设定好相应的距离阈值和剖面监测频率，并 且控制卷扬机使水环境监测系统在水中均速缓慢下放，期间测距传感器测定 水环境监测系统与水底的距离并及时传送给PLC控制器，当水环境监测系统 与水底距离达到触发条件时触发PLC控制器信号，之后伺服电机开始反转并 带动卷扬机反向转动，从而将水环境监测系统在水中垂向提升，达到接近水 面时PLC控制停止上升，之后将按照设定好的剖面监测频率再次自动运行， 开始水环境监测系统的再次下放和上升过程。从而实现水环境监测系统及测 距传感器的精准下放和上升的自动控制以及垂向剖面水环境的实时监测功 能。
PLC控制器可根据不同水深环境预先设定稳定时间，使得水环境监测系 统在到达水底时具有了传感器垂向监测节点的稳定响应过程，为湖库垂向剖 面水环境准确测定提供条件，实现了垂向剖面监测上的灵活性控制优势以及 实现了湖泊垂向不同深度水环境指标的多参数全天候连续测定，提高了湖库 剖面水环境监测效率，为湖库水污染防治和水质安全保障提供了一定的有利 技术条件。
同时数据采集系统方便了工作人员对于湖库水环境问题的快速发现、直 观了解和演变态势判断分析，为湖库水环境保护提供了了有利支持。数据传 输系统将数据采集系统采集到的监测数据实时传输到在线监测预警平台系 统，为远程快速及时掌握湖库水环境垂向剖面的变化和识别影响要素提供了 基础；在线监测预警平台系统可以在多种终端使用，极大地便利了湖库水环 境监测数据的查询和分析。
附图说明
图1为本发明的结构流程图；
图2为本发明的工作控制流程图；
图3为本发明中水环境监测传感器的工作控制流程图；
图4为本发明中环境要素同步监测系统的工作控制流程图；
图5为本发明中水环境监测系统的结构示意图。
图中：1-供电系统；2-动力控制系统；3-水环境监测系统；4-数据采集 系统；5-环境要素同步监测系统；6-数据传输系统；7-在线监测预警平台系 统；21-伺服电机；22-PLC控制器；23-卷扬机；8-测距传感器；31-牵引线； 32-容置筒；33-承载托盘；34-水环境监测传感器；321-缓流孔；331-扩展 孔；41-数据采集器；42-高清摄像设备；43-数据存储器；61-数据无线传输 模块；62-GPS定位模块；11-太阳能电池板；12-风力风电机；13-风光互补 控制器；14-蓄电池。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
参见图1到图5，本发明包括用于向本发明中需要电力驱动的系统进行 供电的供电系统1、与供电系统1连接的动力控制系统2、设置在动力控制 系统2输出端并用于监测水下环境的水环境监测系统3、与水环境监测系统 3连接的并用于采集水环境监测系统3监测数据的数据采集系统4、用于监 测采集水面环境数据并与与数据采集系统4连接的环境要素同步监测系统 5、与数据采集系统4连接并用于传输监测采集数据的数据传输系统6以及与数据传输系统6连接的在线监测预警平台系统7。
进一步参见图1到图2，供电系统1包括太阳能电池板11、风力风电机 12、分别与太阳能电池板11和风力风电机12连接的风光互补控制器13、与 风光互补控制器13连接的蓄电池14，蓄电池14的输出端与动力控制系统2 连接。供电系统1为本发明提供电源，在阳光充足的时候太阳能电池板11 直接为动力控制系统2、水环境监测系统3供电以及为蓄电池14充电，同时 在风力充足的时候风力风电机12直接为动力控制系统2、水环境监测系统3供电以及为蓄电池14充电，阴雨天气时则切换到蓄电池14为各个系统进行 供电。
进一步参见图1到图2，动力控制系统2包括与蓄电池14连接的伺服电 机21、与伺服电机21连接的PLC控制器22以及设置在伺服电机21输出端 的卷扬机23，水环境监测系统3上设有与PLC控制器22连接的测距传感器 8。本发明通过伺服电机21和PLC控制器22组合实现卷扬机23精准运转的 灵活控制，首先在PLC控制器22中设定好相应的距离阈值和剖面监测频率， 之后启动伺服电机21。伺服电机21控制卷扬机23使水环境监测系统3在水 中均速缓慢下放，期间测距传感器8测定水环境监测系统3与水底的距离并 及时传送给PLC控制器22，当水环境监测系统3与水底距离达到触发条件时 触发PLC控制器22信号，之后伺服电机21开始反转并带动卷扬机23反向 转动，从而将水环境监测系统3在水中垂向提升，达到接近水面时PLC控制 停止上升，之后将按照设定好的剖面监测频率再次自动运行，开始水环境监 测系统3的再次下放和上升过程。从而实现水环境监测系统3及测距传感器 8的精准下放和上升的自动控制以及垂向剖面水环境的实时监测功能。同时 PLC控制器22可根据不同水深环境预先设定稳定时间，使得水环境监测系统 3在到达水底时具有了传感器垂向监测节点的稳定响应过程，为湖库垂向剖 面水环境准确测定提供条件，实现了垂向剖面监测上的灵活性控制优势以及 实现了湖泊垂向不同深度水环境指标的多参数全天候连续测定，提高了湖库 剖面水环境监测效率，为湖库水污染防治和水质安全保障提供了一定的有利 技术条件。
进一步参见图1到图3、图5，水环境监测系统3包括设置在动力控制 系统2输出端的牵引线31、设置在牵引线31上的容置筒32、设置在容置筒 32内的承载托盘33以及设置在承载托盘33上的水环境监测传感器34，测 距传感器8设置在承载托盘33底侧。牵引线31将容置筒32与卷扬机23固 定连接，卷扬机23带动容置筒32水环境监测传感器34进行下放和上升运 动，设置在承载托盘33底侧的测距传感器8在监测系统在到达水底前反馈 给PLC控制器22反转控制信号，实现剖面监测自动起升功能。水环境监测 传感器34由水温传感器、水位传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊 度传感器、总氮总磷传感器、叶绿素a传感器组成，本发明通过水温传感器、 水位传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器、总氮总磷传感器、 叶绿素a传感器，实现了湖泊垂向不同深度水环境指标的多参数全天候连续 测定，提高了湖库剖面水环境监测效率，为湖库水污染防治和水质安全保障 提供了一定的有利技术条件。容置筒32采用防冲撞材料，具有一定的抗弯 折能力。并且容置筒32的外侧设有多组不均匀分布的缓流孔321。通过缓流 孔321实现减缓水流冲击而减少垂向监测剖面倾斜的作用，提高了垂向剖面 监测的准确性。承载托盘33由防腐蚀硬性材料制作而成并且承载托盘33上 设有多组扩展孔331，扩展孔331使承载托盘33能够扩展搭载其他水环境传 感器。
进一步参见图1到图2、图4，数据采集系统4包括与水环境监测传感 器34连接的数据采集器41、高清摄像设备42以及分别与数据采集器41和 高清摄像设备42连接的数据存储器43。数据采集器41实现水环境监测传感 器344-20mA模拟信号A/D转换和采集并及时存储到数据存储器43中，同时 高清摄像设备42具备远程抓拍数据采集功能，方便了工作人员对于湖库水 环境问题的快速发现、直观了解和演变态势判断分析，为湖库水环境保护提供了了有利支持。高清摄像设备42采集后的数据亦存储到数据存储器43中。 环境要素同步监测系统5由分别与数据存储器43连接的气温传感器、日照 传感器、气压传感器、风速传感器、风向传感器及雨量传感器组成。本发明 中的气温传感器、日照传感器、气压传感器、风速传感器、风向传感器及雨 量传感器对环境进行全方位的监测，并且监测到的各项环境数据由数据存储 器43及时存储。
进一步参见图1到图2，数据传输系统6包括与数据存储器43连接的数 据无线传输模块61以及与数据无线传输模块61连接的GPS定位模块62。本 发明中数据传输系统6实现数据存储器43中实时监测数据的无线传输，为 在线监测预警平台系统7的查询、可视化分析和预警分析等提供实时数据， 实现实时掌握湖库剖面水环境现状、分层变化及水质预警特征。数据无线传 输模块61所使用的4G DTU全面兼容4G移动TD-LTE、联通TD/FDD-LTE、电信TD/FDD-LTE和3G移动TD-SCDMA、联通WCDMA通信网络，具有通电快速自 动联网、长期保持网络连接、掉线自动恢复、传输数据自动缓存、数据不丢 失等功能特点和优势。同时GPS定位模块62实现将所测定的湖库剖面位置 的经纬度信息同时传输的功能。
进一步参见图2，在线监测预警平台系统7由数据实时监测模块、历史 数据查询模块、数据统计分析模块、可视化展示模块、水环境预警模块、图 像管理模块以及系统设置模块组成。在线监测预警平台系统7可以在多种终 端使用，极大地便利了湖库水环境监测数据的查询和分析。工作人员通过该 系统可以查看到湖库垂向剖面水环境实时监测数据，可以查询某时间段内的 水环境变化，并可以实时掌握水环境各个监测指标的超标预警和水华预警信 息。在线监测预警平台系统7对于湖库水华预警利用了机器学习算法RF随 机森林算法模型进行水体水华的预警分析，在分析时选取了水温T、溶解氧 DO、总氮TN、总磷TP、氮磷比TN:TP作为影响因子，以叶绿素a作为模型 输出变量，通过设定水华分级预警范围，实现湖库水体水华预警分析功能， 为湖库水体水华暴发可能性判断提供一定参考。在线监测预警平台系统7中 图像管理模块了实现湖库突发水体环境状况预警时高清摄像设备42的自动 以及人为远程抓拍功能，为湖库水环境保护决策提供快速、及时和第一手的 现场图像数据。
本发明实现水环境监测系统3及测距传感器8的精准下放和上升的自动 控制以及垂向剖面水环境的实时监测功能。PLC控制器22可根据不同水深环 境预先设定稳定时间，使得水环境监测系统3在到达水底时具有了传感器垂 向监测节点的稳定响应过程，为湖库垂向剖面水环境准确测定提供条件，实 现了垂向剖面监测上的灵活性控制优势以及实现了湖泊垂向不同深度水环 境指标的多参数全天候连续测定，提高了湖库剖面水环境监测效率，为湖库 水污染防治和水质安全保障提供了一定的有利技术条件。同时数据采集系统4方便了工作人员对于湖库水环境问题的快速发现、直观了解和演变态势判 断分析，为湖库水环境保护提供了了有利支持。数据传输系统6将数据采集 系统4采集到的监测数据实时传输到在线监测预警平台系统7，为远程快速 及时掌握湖库水环境垂向剖面的变化和识别影响要素提供了基础；在线监测 预警平台系统7可以在多种终端使用，极大地便利了湖库水环境监测数据的 查询和分析。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，包括供电系统(1)、与供电系统(1)连接的动力控制系统(2)、设置在动力控制系统(2)输出端的水环境监测系统(3)、与水环境监测系统(3)连接的数据采集系统(4)、与数据采集系统(4)连接的环境要素同步监测系统(5)、与数据采集系统(4)连接的数据传输系统(6)以及与数据传输系统(6)连接的在线监测预警平台系统(7)；
所述动力控制系统(2)包括与供电系统(1)连接的伺服电机(21)、与伺服电机(21)连接的PLC控制器(22)以及设置在伺服电机(21)输出端的卷扬机(23)，所述水环境监测系统(3)上设有与PLC控制器(22)连接的测距传感器(8)。
2.根据权利要求1所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述水环境监测系统(3)包括设置在动力控制系统(2)输出端的牵引线(31)、设置在牵引线(31)上的容置筒(32)、设置在容置筒(32)内的承载托盘(33)以及设置在承载托盘(33)上的水环境监测传感器(34)，所述测距传感器(8)设置在承载托盘(33)底侧。
3.根据权利要求2所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述水环境监测传感器(34)由水温传感器、水位传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器、总氮总磷传感器、叶绿素a传感器组成。
4.根据权利要求2所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述容置筒(32)的外侧设有多组缓流孔(321)。
5.根据权利要求2所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述承载托盘(33)上设有多组扩展孔(331)。
6.根据权利要求2所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述数据采集系统(4)包括与水环境监测传感器(34)连接的数据采集器(41)、高清摄像设备(42)以及分别与数据采集器(41)和高清摄像设备(42)连接的数据存储器(43)。
7.根据权利要求6所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述环境要素同步监测系统(5)由分别与数据存储器(43)连接的气温传感器、日照传感器、气压传感器、风速传感器、风向传感器及雨量传感器组成。
8.根据权利要求6或7所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述数据传输系统(6)包括与数据存储器(43)连接的数据无线传输模块(61)以及与数据无线传输模块(61)连接的GPS定位模块(62)。
9.根据权利要求1所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述供电系统(1)包括太阳能电池板(11)、风力风电机(12)、分别与太阳能电池板(11)和风力风电机(12)连接的风光互补控制器(13)、与风光互补控制器(13)连接的蓄电池(14)，所述蓄电池(14)的输出端与卷扬机(23)连接。
10.根据权利要求1所述的湖库垂向剖面水环境实时在线监测预警装置，其特征在于，所述在线监测预警平台系统(7)由数据实时监测模块、历史数据查询模块、数据统计分析模块、可视化展示模块、水环境预警模块、图像管理模块以及系统设置模块组成。
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