CN112834718B - 一种浮标水质在线监测系统 - Google Patents

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CN112834718B CN202110021763.4A CN202110021763A CN112834718B CN 112834718 B CN112834718 B CN 112834718B CN 202110021763 A CN202110021763 A CN 202110021763A CN 112834718 B CN112834718 B CN 112834718B
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沈明
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Abstract

本发明公开了一种浮标水质在线监测系统，涉及水生态监测领域，该方法包括搭载于浮标体上的浮标监测基站，浮标监测基站包括控制单元以及与控制单元相连的基站管理服务器、供电单元、水质分析仪单元和数采仪，水质分析仪单元分别连接供电单元和数采仪，水质分析仪单元的电源开关由控制单元独立控制，节约系统能耗；水质分析仪单元用于采集并分析水样的pH、溶解氧、氧化还原电位、叶绿素a和浊度；基站管理服务器作为浮标监测基站的管理核心用于对仪器进行参数设置，该在线监测系统能够实时获取水生态环境状况指数，通过供电单元实现稳定可靠运行。

Description

一种浮标水质在线监测系统
技术领域
本发明涉及水生态监测领域，尤其是一种浮标水质在线监测系统。
背景技术
水生态实时诊断监测长期以来都是难以解决的问题，主要难点有两大方面，一方面水生态系统复杂，水质指标众多，且各指标不能独立完整地反映水域复杂问题；另一方面水质指标不能实时反映水生态系统功能情况，只能采用后期追溯的方式对水生态进行诊断，因此水生态在初步被破坏时不能及时采取相关水生态修复措施，只能等到破坏严重被人为举报发现时进行修复，此时水生态可能还会影响其他生态环境，造成更大的伤害，因此一种浮标水质在线监测系统应运而生。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种浮标水质在线监测系统，是将数据采集、水质在线分析、远程监控集于一体的在线全自动环保监控系统，采用该系统实现了水生态环境的友好发展，本发明的技术方案如下：
一种浮标水质在线监测系统，包括搭载于浮标体上的浮标监测基站，浮标监测基站包括控制单元以及与控制单元相连的基站管理服务器、供电单元、水质分析仪单元、摄像单元和数采仪，基站管理服务器、控制单元和数采仪放置在浮标体的舱体中，水质分析仪单元放置在浮标体平台上开设的探头井中；供电单元还分别连接水质分析仪单元和摄像单元进行供电，水质分析仪单元和摄像单元的电源开关由控制单元独立控制；水质分析仪单元和摄像单元分别连接数采仪，水质分析仪单元包括pH水质分析仪、溶解氧水质分析仪、氧化还原电位水质分析仪、叶绿素水质分析仪和浊度水质分析仪，用于采集并分析水样的pH、溶解氧、氧化还原电位、叶绿素a和浊度，摄像单元用于全方位采集环境信息；基站管理服务器作为浮标监测基站的管理核心用于对仪器进行参数设置，还用于实时获取水生态环境状况指数。
其进一步的技术方案为，供电单元包括光伏控制器以及与光伏控制器相连的太阳能板和蓄电池组，光伏控制器和蓄电池组放置在浮标体的舱体中，太阳能板对称安装在浮标体舱体的外表面，光伏控制器分别连接控制单元、水质分析仪单元和摄像单元，在日照充足时，光伏控制器利用太阳能板给蓄电池组充电，并给控制单元、水质分析仪单元和摄像单元太阳能供电，在无日照时，光伏控制器控制蓄电池组放电为浮标监测基站提供电能，当无日照天数超过预定天数时，蓄电池组过放保护，供电单元自动切断，采用市电充电器给蓄电池组充电。
其进一步的技术方案为，浮标监测基站还包括防雷单元，防雷单元包括避雷针和直流电源防雷模块，避雷针安装在浮标体舱体的顶部，直流电源防雷模块8放置在浮标体舱体中，直流电源防雷模块的输入端连接太阳能板，直流电源防雷模块的输出端连接光伏控制器，直流电源防雷模块的地端和避雷针均接地。
其进一步的技术方案为，实时获取水生态环境状况指数，包括：筛选水质指标后，构建三元实时诊断模型得到水生态环境状况指数。
其进一步的技术方案为，筛选水质指标包括：
选取能够反映水环境质量、水生生物特征、栖息地环境质量的多个特征指标；
对往期水质监测的经验数据进行分析，从特征指标中确定随时间变化明显且表示水生态质量的八个候选指标，包括水温、pH、溶解氧、浊度、叶绿素a、水位、氧化还原电位和透明度；
对八个候选指标进行主成分分析，得到每个候选指标对应的解释的总方差；
对八个候选指标的总方差进行降序排列，筛选得到排列在前三位的候选指标依次为叶绿素a、溶解氧、浊度。
其进一步的技术方案为，确定三元实时诊断模型的计算公式为：
ECI＝aC1+bC2+cC3
其中，ECI为水生态环境状况指数，C1为溶解氧，C2为浊度，C3为叶绿素a，a、b、c为指标权重，且a+b+c＝1。
其进一步的技术方案为，浮标监测基站还包括与控制单元相连的防盗单元，防盗单元包括放置在浮标体舱体中的GPS防盗器，当浮标体出现超出预设范围的地理位置偏移时，GPS防盗器反馈预警信号给控制单元，并自动触发报警；或者，当控制单元未收到连接仪器的反馈信号，默认相应的仪器信号掉线，并自动触发报警。
其进一步的技术方案为，浮标监测基站还包括分别与控制单元、光伏控制器和数采仪相连的水位仪，水位仪放置在浮标体平台上开设的探头井中，光伏控制器用于给水位仪太阳能供电，水位仪的电源开关由控制单元独立控制。
其进一步的技术方案为，浮标水质在线监测系统还包括与浮标监测基站远程通讯交互的水质监管中心平台，水质监管中心平台包括中心管理服务器，中心管理服务器通过GPRS通讯单元与基站管理服务器远程连接，中心管理服务器用于远程监控浮标监测基站的运行状况，对水生态环境状况指数进行分析并将结果反馈给运营维护中心，还将浮标监测基站采集的数据、运行状态、发生的故障进行储存并生成系统日志供管理人员参考。
其进一步的技术方案为，控制单元基于ARM920T芯片实现，太阳能板基于SZGD040-36P型多晶硅40W组件实现，光伏控制器基于MPPT型实现，直流电源防雷模块基于DXH06-MP/12型号实现。
本发明的有益技术效果是：
将浮标监测基站搭载于浮标体上对需要进行监测的水域进行采样，通过水位仪、水质分析仪单元、摄像单元和数采仪获取水域的多项指标，通过基站管理服务器的三元实时诊断模型得到水生态环境状况指数，实现实时诊断水生态环境；整个浮标监测基站通过太阳能供电，在无光照时还可以通过蓄电池组进行应急供电，水位仪、水质分析仪单元、摄像单元的电源开关由控制单元独立控制，当无需采样测试时可以关闭仪器电源，在保证仪器正常、稳定测试的同时能够最大程度节省运行功耗；为了使浮标监测基站稳定运行，还设有防盗单元和防雷单元，使在线监测系统适用于各种水生态环境；在线监测系统还设有与浮标监测基站远程通讯的水质监管中心平台，实现在岸人员远程监控浮标监测基站的运行状况，对水生态环境状况指数进行分析并将结果反馈给运营维护中心，还提供系统日志供管理人员参考，在线监测系统是将数据采集、水质在线分析、远程监控集于一体的在线全自动环保监控系统，采用该系统实现了水生态环境的友好发展。
附图说明
图1是本申请提供的在线监测系统的系统架构图。
图2是本申请提供的浮标体的正视图。
图3是本申请提供的浮标体的侧视图。
图4是本申请提供的浮标体的舱内结构图。
图5是本申请提供的直流电源防雷模块的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
结合图1-图4所示，浮标水质在线监测系统包括搭载于浮标体上的浮标监测基站和与浮标监测基站远程通讯交互的水质监管中心平台。浮标监测基站包括控制单元1以及与控制单元1相连的基站管理服务器、供电单元、水质分析仪单元、摄像单元和数采仪2，可选的，还包括防雷单元以及与控制单元1相连的防盗单元和水位仪。本申请的控制单元1基于ARM920T芯片实现。
基站管理服务器(图中未示出)、控制单元1和数采仪2放置在浮标体的舱体301中，水质分析仪单元和水位仪放置在浮标体平台302上开设的探头井303中，探头井303贯穿浮标体平台302，浮标体平台302为实心U型平台，浮标体的舱体301设置在浮标体平台302的一侧、另一侧作为人员登舱端在其上设有配重盒304，与传统的圆形浮标体相比，本申请的浮标体在登舱人员登入时不会发生大幅度倾斜问题，保证了人员的安全。可选的，在浮标体平台302下方还设有固定支脚321、活动支脚322和万向轮(图中未示出)，固定支脚321设于舱体301下方，起到固定支撑的作用；可折叠收纳的活动支脚322设于人员登舱端下方，在地面检修时，下放活动支脚322保证浮标体结构稳固，置于水中时，将活动支脚322收纳至浮标体平台302底部(水平状态)，使其不会絮积水草而影响摄像单元的拍摄；万向轮设于舱体301下方，便于安装调试环节浮标体在地面上的移动。可选的，在人员登舱端还设有前扶手和侧扶手，用于辅助人员登舱。
具体的，舱体301有八个侧面，舱体301的上表面为四边形、下表面为八边形，且上表面的面积小于下表面的面积，上表面的四边分别与相对应的下表面相间隔的四边平行，平行边与相交的两个侧边形成四边斜面311，每两个四边斜面311之间形成三角斜面，将第一三角斜面作为舱体301的侧开门312，与相邻的四边斜面311连接，用于打开舱体301。可选的，除了侧开门312外，舱体301的上表面可以作为舱体301的上掀门313(图中未示意出把手)，扩展了人员的维护操作空间。
供电单元还分别连接水质分析仪单元、摄像单元和水位仪进行供电，水质分析仪单元、摄像单元和水位仪的电源开关由控制单元1独立控制，当无需采样测试时可以关闭仪器电源，在保证仪器正常、稳定测试的同时能够最大程度节省运行功耗。水质分析仪单元、摄像单元和水位仪分别连接数采仪2，采集的数据通过数采仪2传递至控制单元，再传递至基站管理服务器进行分析处理后可以远程传递至水质监管中心平台。
具体的，供电单元包括光伏控制器4以及与光伏控制器4相连的太阳能板5和蓄电池组6，光伏控制器4和蓄电池组6放置在浮标体的舱体301中，本申请采用四块太阳能板5，两两对称安装在浮标体舱体301的外表面，光伏控制器4分别连接控制单元1、水质分析仪单元、摄像单元和水位仪。在日照充足时，光伏控制器4利用太阳能板5给蓄电池组6充电，并给控制单元1、水质分析仪单元、摄像单元和水位仪太阳能供电；在无日照时，光伏控制器4控制蓄电池组6放电为浮标监测基站提供电能；当无日照天数超过预定天数时，比如超过15天时，蓄电池组6过放保护，供电单元自动切断，采用市电充电器给蓄电池组6充电。本申请的光伏控制器4选用130W、12V的MPPT型实现，太阳能板5基于SZGD040-36P型多晶硅40W组件实现，蓄电池组6采用12V的胶体蓄电池，市电充电器采用NFA纽福克斯数显充电器全自动/手动6814N充电器。
具体的，防雷单元包括避雷针305和直流电源防雷模块，避雷针305安装在浮标体舱体301的顶部，直流电源防雷模块8放置在浮标体舱体301中。直流电源防雷模块8的连接示意图如图5所示，本申请的直流电源防雷模块8基于DXH06-MP/12型号实现，直流电源防雷模块8的输入端IN连接太阳能板5，直流电源防雷模块8的输出端OUT连接光伏控制器4，直流电源防雷模块8的地端和避雷针均接地。可选的，防雷单元还包括与控制单元1相连的配置电压检测装置，用于对基站仪器的供电进行监测，当出现电压异常时控制单元1自动判别和关闭基站现场的供电，起到自我保护的功能，大大减少现场电力事故的发生和降低事故的损害程度。当基站管理服务器监测基站出现断电时，会自动进行数据备份，避免出现数据丢失的现象。
水质分析仪单元包括pH水质分析仪、溶解氧水质分析仪、氧化还原电位水质分析仪、叶绿素水质分析仪和浊度水质分析仪，用于采集并分析水样的pH、溶解氧、氧化还原电位、叶绿素a和浊度；摄像单元包括水上摄像头701和水下摄像头702，水上摄像头701安装在浮标体舱体301的顶部，具体位于航标灯安装杆306上，航标灯安装杆306的高度需低于避雷针305的高度，航标灯采用高亮度的LED频闪警示灯，在夜间作业时，用于提醒其他船舶避让。水下摄像头702通过安装架安装在浮标体平台302上，且安装高度低于浮标体平台302下表面，考虑水下光线不足可能会影响图像的画质，水下摄像头702抓拍时还会开启LED补光灯进行光照补偿。浮标体水上作业时通过起重机放在监测水域中，通过浮标体平台302漂浮在水面上，此时探头井303和水下摄像头702均没过水面，摄像单元用于全方位采集环境信息，可选的，水上摄像头701基于海康威视的DS-2AE7123TI-D型号实现，水下摄像头702基于索尼的DY-811DY型号实现，防水、耐寒、防腐蚀、抗拉力。
防盗单元包括放置在浮标体舱体中的GPS防盗器(图中未示出)，当浮标体出现超出预设范围的地理位置偏移时，GPS防盗器反馈预警信号给控制单元1，并自动触发报警。或者，当控制单元1未收到连接仪器的反馈信号，默认相应的仪器信号掉线，并自动触发报警。
水质监管中心平台包括中心管理服务器，中心管理服务器通过GPRS通讯单元与基站管理服务器远程连接，中心管理服务器用于远程监控浮标监测基站的运行状况，对水生态环境状况指数进行分析并将结果反馈给运营维护中心，还将浮标监测基站采集的数据、运行状态、发生的故障进行储存并生成系统日志供管理人员参考。
基站管理服务器作为浮标监测基站的管理核心用于对仪器进行参数设置，比如仪器监测频次、故障报警号码设置，故障报警类型选择等。基站管理服务器还用于实时获取水生态环境状况指数，具体包括：
1)筛选水质指标。
a.选取能够反映水环境质量、水生生物特征、栖息地环境质量的多个特征指标。
文献显示，表征河道水质时，这些特征指标使用频率最高。其中，反映水环境质量状况的指标12项，包括水温、pH、浊度、BOD5、氨氮、CODMn、总氮、总磷、总有机碳、挥发酚、氧化还原电位和透明度；反映水生生物特征指标的4项，包括叶绿素a含量、底栖动物数量、浮游植物数量；反映栖息地环境质量的直接指标和间接指标有8项，直接指标为溶解氧和电导率，间接指标为风向、风速、湿度、水位、气压和气温。
b.对往期水质监测的经验数据进行分析，在本实施例中，选取2018年九里河大桥1月、3月、5月的监测经验数据，从特征指标中确定随时间变化明显且表示水生态质量的八个候选指标，包括水温、pH、溶解氧、浊度、叶绿素a、水位、氧化还原电位和透明度。
c.对八个候选指标进行主成分分析，得到每个候选指标对应的解释的总方差。
d.对八个候选指标的总方差进行降序排列，筛选得到排列在前三位的候选指标依次为叶绿素a、溶解氧、浊度。
运用主成分分析提取出成分矩阵以及公因子方差，在计算变量之前，需要对原始变量进行标准化处理得到主成分载荷矩阵，最终得到解释的总方差如表1所示。其中，成分1、2、3分别代表叶绿素a、溶解氧、浊度，三个主成分累积方差为79.580％，即通过叶绿素a、溶解氧、浊度三个指标可反映全部指标的79.580％。因此最终筛选出三个主成分叶绿素a、溶解氧和浊度用于构建三元实时诊断模型。
表1.解释的总方差
Figure GDA0003840275410000071
2)构建三元实时诊断模型得到水生态环境状况指数。
依据加权平均法，确定三元实时诊断模型的计算公式为：
ECI＝aC1+bC2+cC3
其中，ECI为水生态环境状况指数，C1为溶解氧，C2为浊度，C3为叶绿素a，a、b、c为指标权重，且a+b+c＝1。
根据经验数据，将三个指标权重归一化后分别取值为0.4935、0.3359、0.1706，即本实施例的三元实时诊断模型的计算公式为：
ECI＝0.49C1+0.34C2+0.17C3
3)对三元实时诊断模型进行验证。
目前，对于水生态质量主要采用地表水质量标准GB3838-2002和地表水资源质量评价技术规程SL395-2007中富营养化指数。为了验证新建模型所得结果是否准确，获取2018年12月1日至2019年9月30日每天实测结果数据，分别采用三元实时诊断模型、地表水环境质量标准GB3838-2002中所规定的指标、地表水资源质量评价技术规程SL395-2007中富营养化指数法对谢更上河道的相同监测点位的水生态质量进行分析评价，对比部分结果参见表2。
通过对比分析这三种方法所得结果可以看出，三元实时诊断模型与水环境质量标准及富营养化指数法计算所得结果吻合较好，可达到95％，表明用三元实时诊断模型评价水生态质量结果可靠。
表2.采用三种方法的对比部分结果
Figure GDA0003840275410000081
注：地表水资源质量评价技术中的分值为采用叶绿素a计算获得的富营养化系数；地表水环境质量国家标准中的分值为采用主成分分析所得的综合得分。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种浮标水质在线监测系统，其特征在于，包括搭载于浮标体上的浮标监测基站，所述浮标监测基站包括控制单元以及与所述控制单元相连的基站管理服务器、供电单元、水质分析仪单元、摄像单元和数采仪，所述基站管理服务器、控制单元和数采仪放置在所述浮标体的舱体中，所述水质分析仪单元放置在浮标体平台上开设的探头井中；所述供电单元还分别连接所述水质分析仪单元和摄像单元进行供电，所述水质分析仪单元和摄像单元的电源开关由所述控制单元独立控制；所述水质分析仪单元和摄像单元分别连接所述数采仪，所述水质分析仪单元包括pH水质分析仪、溶解氧水质分析仪、氧化还原电位水质分析仪、叶绿素水质分析仪和浊度水质分析仪，用于采集并分析水样的pH、溶解氧、氧化还原电位、叶绿素a和浊度，所述摄像单元用于全方位采集环境信息；所述基站管理服务器作为所述浮标监测基站的管理核心用于对仪器进行参数设置，还用于实时获取水生态环境状况指数；
其中，所述实时获取水生态环境状况指数，包括：
筛选水质指标：选取能够反映水环境质量、水生生物特征、栖息地环境质量的多个特征指标；对往期水质监测的经验数据进行分析，从所述特征指标中确定随时间变化明显且表示水生态质量的八个候选指标，包括水温、pH、溶解氧、浊度、叶绿素a、水位、氧化还原电位和透明度；对八个所述候选指标进行主成分分析，得到每个候选指标对应的解释的总方差；对八个所述候选指标的总方差进行降序排列，筛选得到排列在前三位的候选指标依次为叶绿素a、溶解氧、浊度；
构建三元实时诊断模型得到所述水生态环境状况指数：依据加权平均法，确定所述三元实时诊断模型的计算公式为：
ECI＝aC1+bC2+cC3
其中，ECI为所述水生态环境状况指数，C1为所述溶解氧，C2为所述浊度，C3为所述叶绿素a，a、b、c为指标权重，且a+b+c＝1。
2.根据权利要求1所述的浮标水质在线监测系统，其特征在于，所述供电单元包括光伏控制器以及与所述光伏控制器相连的太阳能板和蓄电池组，所述光伏控制器和蓄电池组放置在所述浮标体的舱体中，所述太阳能板对称安装在浮标体舱体的外表面，所述光伏控制器分别连接所述控制单元、水质分析仪单元和摄像单元，在日照充足时，所述光伏控制器利用所述太阳能板给所述蓄电池组充电，并给所述控制单元、水质分析仪单元和摄像单元太阳能供电，在无日照时，所述光伏控制器控制所述蓄电池组放电为所述浮标监测基站提供电能，当无日照天数超过预定天数时，所述蓄电池组过放保护，所述供电单元自动切断。
3.根据权利要求2所述的浮标水质在线监测系统，其特征在于，所述浮标监测基站还包括防雷单元，所述防雷单元包括避雷针和直流电源防雷模块，所述避雷针安装在浮标体舱体的顶部，所述直流电源防雷模块放置在浮标体舱体中，所述直流电源防雷模块的输入端连接所述太阳能板，所述直流电源防雷模块的输出端连接所述光伏控制器，所述直流电源防雷模块的地端和避雷针均接地。
4.根据权利要求1所述的浮标水质在线监测系统，其特征在于，所述浮标监测基站还包括与所述控制单元相连的防盗单元，所述防盗单元包括放置在浮标体舱体中的GPS防盗器，当所述浮标体出现超出预设范围的地理位置偏移时，所述GPS防盗器反馈预警信号给所述控制单元，并自动触发报警；或者，当所述控制单元未收到连接仪器的反馈信号，默认相应的仪器信号掉线，并自动触发报警，其中所述连接仪器包括与所述控制单元相连的防盗单元、基站管理服务器、供电单元、水位仪、水质分析仪单元、摄像单元和数采仪。
5.根据权利要求2所述的浮标水质在线监测系统，其特征在于，所述浮标监测基站还包括分别与所述控制单元、光伏控制器和数采仪相连的水位仪，所述水位仪放置在浮标体平台上开设的探头井中，所述光伏控制器用于给所述水位仪太阳能供电，所述水位仪的电源开关由所述控制单元独立控制。
6.根据权利要求1-5任一所述的浮标水质在线监测系统，其特征在于，所述浮标水质在线监测系统还包括与所述浮标监测基站远程通讯交互的水质监管中心平台，所述水质监管中心平台包括中心管理服务器，所述中心管理服务器通过GPRS通讯单元与所述基站管理服务器远程连接，所述中心管理服务器用于远程监控所述浮标监测基站的运行状况，对所述水生态环境状况指数进行分析并将结果反馈给运营维护中心，还将所述浮标监测基站采集的数据、运行状态、发生的故障进行储存并生成系统日志供管理人员参考。
7.根据权利要求3所述的浮标水质在线监测系统，其特征在于，所述控制单元基于ARM920T芯片实现，所述太阳能板基于SZGD040-36P型多晶硅40W组件实现，所述光伏控制器基于MPPT型实现，所述直流电源防雷模块基于DXH06-MP/12型号实现。
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