CN113607710B - 一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统 - Google Patents

一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113607710B
CN113607710B CN202110950474.2A CN202110950474A CN113607710B CN 113607710 B CN113607710 B CN 113607710B CN 202110950474 A CN202110950474 A CN 202110950474A CN 113607710 B CN113607710 B CN 113607710B
Authority
CN
China
Prior art keywords
spectrum
water quality
curve
spectrum curve
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110950474.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113607710A (zh
Inventor
张洋
刘英宇
雷民用
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Jilian Technology Co ltd
Nbl Imaging System Ltd
Original Assignee
Guangzhou Jilian Technology Co ltd
Nbl Imaging System Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Jilian Technology Co ltd, Nbl Imaging System Ltd filed Critical Guangzhou Jilian Technology Co ltd
Priority to CN202110950474.2A priority Critical patent/CN113607710B/zh
Publication of CN113607710A publication Critical patent/CN113607710A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113607710B publication Critical patent/CN113607710B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/20—Controlling water pollution; Waste water treatment

Abstract

本发明公开了一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统，涉及水体检测技术。针对现有技术中检测不便的问题提出本方案，方法包括利用两种光谱数据形成的曲线，找出指标对应的特征峰和高度，从而确认被测水体中指标的具体大小。装置则利用浮标放置于水体中，利用所述方法进行水体检测。系统在包括装置的基础上，还设置后台服务器进行深度处理。优点在于，集成了检测、通讯、供电和安装固定于一体，能方便有效进行水质监测点的选址和安置。直接利用水体荧光光谱、吸收光谱以及自适应算法对水质指标进行自动分析，增强测试指标值的有效性。

Description

一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统
技术领域
本发明涉及一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统。
背景技术
为了保护水资源的安全，常规检测依然采用抽样送检的方式为主，在采水点进行水体样本的采集，再经过保存和运输到达相关检测机构或实验室，通过复杂的预处理再进行相关测试。整个过程耗时长、步骤复杂、实时性差，采集点及采集量受人力成本限制无法实现广泛布网。这些缺点不利于对整体的水资源情况进行了解，也无法实时监控排污情况的变化，从而无法及时反馈偷排污水和倾倒垃圾的情况。
部分现有水质在线测试设备需要在岸边安置机柜，抽水到机柜做预处理后在检测，需要做土地平整、基础建设和供电线路铺设等，涉及到复杂的工程建设流程。
部分现有的水质光谱检测仪多数采用单一类型光谱进行水质检测，这使得可测量的指标有限，水体中多个指标相互干扰造成的检测误差难以避免。
发明内容
本发明目的在于提供一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述在线监测水质的方法，包括以下步骤：
S1、分别获取水中的第一光谱数据和第二光谱数据；
S2、将第一光谱数据转换成连续的第一光谱曲线；将第二光谱数据转换成连续的第二光谱曲线；
S3、分别获取第一光谱曲线和第二光谱曲线的波峰数目和位置；所述位置指波峰对应的光谱波长；
S4、选择线型函数在各波峰位置对第一光谱曲线和第二光谱曲线进行拟合；
S5、识别出第一光谱曲线的特征峰及峰值，以及识别出第二光谱曲线的特征峰及峰值；
S6、根据第一光谱曲线和第二光谱曲线的特征峰及峰值计算出对应指标及指标值；
S7、利用第一光谱曲线和第二光谱曲线计算出指标值的偏离小于阈值时，按需输出第一光谱曲线或第二光谱曲线计算出指标值；否则报错。
所述的第一光谱数据为荧光光谱数据，第一光谱曲线为荧光光谱曲线；所述的第二光谱数据为吸收光谱数据，第二光谱曲线为吸收光谱曲线。
所述步骤S3中通过对光谱曲线做二阶导数获取波峰数目和位置。
所述线型函数包括高斯型和洛伦兹型。
所述步骤S4中使用最小二乘法进行拟合。
所述最小二乘法具体为L-M最小二乘法。
所述步骤S7中，利用均方差计算偏离。
一种在线监测水质的装置，包括浮标以及设置在浮标上的风光互补供电系统、采集通讯模块、两个以上的检测探头；所述的风光互补供电系统用于提供工作电力，电性连接采集通讯模块和各检测探头；所述的采集通讯模块用于获取各检测探头的光谱数据，利用所述方法完成指标值计算，将计算出的指标值发送至上级系统；所述各检测探头位于水面以下，用于获取不同类型的光谱数据。
一种在线监测水质的系统，包括后台服务器、手持终端以及所述的装置；所述的装置、手持终端、后台服务器互相通信连接。还设有监控屏幕墙用于显示指标值。
本发明所述在线监测水质的方法及其应用的装置和系统，其优点在于，能够实时实地对水质的多个指标进行监测，可用于河涌水质情况的污染物浓度超标的监测，也可用于各河段全线的水质指标的大数据采集，还可用于重点监控企业的排污自动监控及预警。集成了检测、通讯、供电和安装固定于一体，能方便有效进行水质监测点的选址和安置。直接利用水体荧光光谱、吸收光谱以及自适应算法对水质指标进行自动分析，增强测试指标值的有效性。
附图说明
图1是本发明所述在线监测水质的方法流程示意图。
图2是确定光谱曲线峰值位置的求导示意图；
图3是拟合后特征峰的函数与测量光谱的曲线对比示意图。
图4是本发明所述在线监测水质的装置结构示意图。
图5是本发明所述在线监测水质的系统结构示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明所述在线监测水质的方法包括以下具体步骤：
利用设置在水面下的荧光光谱检测探头和吸收光谱检测探头获取对应类型的光谱数据。生成光谱曲线然后作二阶导数计算。根据光谱曲线计算每个波长对应的一阶导数和二阶导数值。计算二阶导数得到两种光谱曲线中的峰的个数及记录对应峰的位置。
结合一阶、二阶导数可以求光谱曲线的峰值。根据一阶导、二阶导的性质可知，当一阶导数等于0，而二阶导数小于0时，为一个峰值。通过一阶导数为零和二阶导数为负数的点可以定位到测量光谱的峰值位置。
在知道波峰的位置后，选择合适的拟合函数(高斯型、洛伦兹型等)。
高斯函数公式：
Figure BDA0003218439900000031
洛伦兹型函数公式：
Figure BDA0003218439900000032
使用多组高斯函数或多组洛伦兹型函数对光谱曲线进行拟合，对比预设的指标对应特征峰数据，得到测量数据中包含的指标信息。指标信息包括指标类型和指标值。
然后使用拟合后的模型来重新校对光谱曲线，将两种模型的预测曲线与实际光谱曲线进行运算，计算预测值与实际值的均方根误差，选择误差较小的拟合线型函数。
根据已经求得的峰位置值以及选择的线型函数，结合Levenberg-Marquardt最小二乘法对多特征峰的线型函数进行拟合和反演，利用最小二乘法反演出来的两个高斯拟合的特征峰；获得指标对应的特征峰的高度值。
在检测到水体上述特征峰的高度后，根据建立的峰高度与指标值的对应关系，查找出对应的指标值大小，进而获得测试结果。
本方法采用了荧光光谱与吸收光谱结合的特殊运算，因此可以通过荧光峰高度与指标值大小对应关系求出一个结果，也可以通过吸收峰高度与指标值对应关系求出另一个结果，根据两者所求结果的均方差来判断其测量准确性，均方差越小代表测量越精准，方差过大则会警报提醒，表明测量出错或受到环境干扰。
Levenberg-Marquard算法(简称L-M算法)用于解决非线性最小二乘问题，对多特征峰的曲线进行拟合和反演。L-M算法用模型函数f对待估参数向量p在其邻域内做线性近似，忽略掉二阶以上的导数项，转化为线性最小二乘问题，它具有收敛速度快等优点。
L-M算法要确定一个μ≥0，使得Gk+μI正定，并解线性方程组(Gk+μI)sk＝-gk，求出sk。其基本步骤如下：
从初始点x0，μ0>0开始迭代；
到第k步时，计算xk和μk；
分解矩阵Gk+μkI，若不正定，令μk＝4μk并重复到正定为止；
解线性方程组(Gk+μkI)sk＝-gk，求出sk并计算rk；
若rk<0.25，令μk+1＝4μk；若rk>0.75，令μk+1＝μk2；若0.25≤rk≤0.75，令μk+1＝μk；
若rk≤0，说明函数值是向着上升而非下降的趋势变化，这说明这一步走错，应“原地踏步”，即xk+1＝xk，并且和上面rk<0.25的情况一样对μk进行处理。反之，在rk>0的情况下，都可以走到下一点，即xk+1＝xk+sk；
迭代的终止条件：||gk||<ε，其中ε是一个指定的小正数，当接近极小值点时，迭代点的梯度趋于0。
如图4所示，发明所述在线监测水质的装置，包括浮标以及设置在浮标上的风光互补供电系统、采集通讯模块、两个以上的检测探头。
所述的风光互补供电系统用于提供工作电力，电性连接采集通讯模块和各检测探头。风光互补供电系统包括太阳能电池板、风力发电机、稳压模块和蓄电池。所述稳压模块分别和太阳能电池板、风力发电机、稳压模块、采集通讯模块、各检测探头电性连接。
所述的采集通讯模块包括通讯模块和数据采集模块。所述的通讯模块用于将计算出的指标值发送至上级系统，例如后台服务器或手持终端。数据采集模块用于获取各检测探头的光谱数据，利用所述方法完成指标值计算。
所述各检测探头位于水面以下，用于获取不同类型的光谱数据。至少一个检测探头设置有紫外LED，用于获取荧光光谱数据。至少一个检测探头设置有宽谱白光LED，用于获取吸收光谱数据。
设备的各个部件集成后安装于浮标上，方便放置于监测水体。浮标采用锚固定，并具备GPS模块，GPS定位信息通过通讯模块发送给后台服务器。
如图5所示，发明所述在线监测水质的系统，包括后台服务器、手持终端以及所述的装置。所述的装置、手持终端、后台服务器互相通信连接。还设有监控屏幕墙用于显示指标值。
后台服务器包括控制平台和数据库。控制平台对输入的水质监测数据进行深度分析处理，把处理数据保存于数据库，并把各个节点的水质监测设备的实时数据显示于监控屏幕墙。手持终端也可以通过4G/5G移动通信网络接入后台服务器，读取并显示各个节点的水质监测设备的实时数据，也可以通过后台服务器查询各个节点的历史数据。
监控屏幕墙和手持终端都具备在线地图显示，能在地图显示所有节点的监测状况，并通过点击地图节点标识，进入具体节点的状况操作界面，具体节点操作界面能够显示各个检测探头的实时指标和告警状态，以及历史数据。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在线监测水质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别获取水中的第一光谱数据和第二光谱数据；
S2、将第一光谱数据转换成连续的第一光谱曲线；将第二光谱数据转换成连续的第二光谱曲线；
S3、分别获取第一光谱曲线和第二光谱曲线的波峰数目和位置；所述位置指波峰对应的光谱波长；
S4、选择线型函数在各波峰位置对第一光谱曲线和第二光谱曲线进行拟合；
S5、识别出第一光谱曲线的特征峰及峰值，以及识别出第二光谱曲线的特征峰及峰值；
S6、根据第一光谱曲线和第二光谱曲线的特征峰及峰值计算出对应指标及指标值；
S7、利用第一光谱曲线和第二光谱曲线计算出指标值的偏离小于阈值时，按需输出第一光谱曲线或第二光谱曲线计算出指标值；否则报错。
2.根据权利要求1所述在线监测水质的方法，其特征在于，所述的第一光谱数据为荧光光谱数据，第一光谱曲线为荧光光谱曲线；所述的第二光谱数据为吸收光谱数据，第二光谱曲线为吸收光谱曲线。
3.根据权利要求1所述在线监测水质的方法，其特征在于，所述步骤S3中通过对光谱曲线做二阶导数获取波峰数目和位置。
4.根据权利要求1所述在线监测水质的方法，其特征在于，所述线型函数包括高斯型和洛伦兹型。
5.根据权利要求1所述在线监测水质的方法，其特征在于，所述步骤S4中使用最小二乘法进行拟合。
6.根据权利要求5所述在线监测水质的方法，其特征在于，所述最小二乘法具体为L-M最小二乘法。
7.根据权利要求1所述在线监测水质的方法，其特征在于，所述步骤S7中，利用均方差计算偏离。
8.一种在线监测水质的装置，其特征在于，包括浮标以及设置在浮标上的风光互补供电系统、采集通讯模块、两个以上的检测探头；
所述的风光互补供电系统用于提供工作电力，电性连接采集通讯模块和各检测探头；
所述的采集通讯模块用于获取各检测探头的光谱数据，利用如权利要求1-7任一所述方法完成指标值计算，将计算出的指标值发送至上级系统；
所述各检测探头位于水面以下，用于获取不同类型的光谱数据。
9.一种在线监测水质的系统，其特征在于，包括后台服务器、手持终端以及如权利要求8所述的装置；所述的装置、手持终端、后台服务器互相通信连接。
10.根据权利要求9所述在线监测水质的系统，其特征在于，还设有监控屏幕墙用于显示指标值。
CN202110950474.2A 2021-08-18 2021-08-18 一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统 Active CN113607710B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110950474.2A CN113607710B (zh) 2021-08-18 2021-08-18 一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110950474.2A CN113607710B (zh) 2021-08-18 2021-08-18 一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113607710A CN113607710A (zh) 2021-11-05
CN113607710B true CN113607710B (zh) 2023-07-07

Family

ID=78341124

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110950474.2A Active CN113607710B (zh) 2021-08-18 2021-08-18 一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113607710B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113758899B (zh) * 2021-11-11 2022-04-08 国网湖北省电力有限公司超高压公司 一种基于tdlas技术的微水测量方法及其装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104034684A (zh) * 2014-06-05 2014-09-10 北京金达清创环境科技有限公司 一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标检测方法
CN106526228A (zh) * 2016-11-02 2017-03-22 中国人民解放军国防科学技术大学 激光诱导荧光测速的自标定方法及系统
DE102017101309A1 (de) * 2016-12-23 2018-06-28 Georg Hennig Verfahren zum quantitativen Bestimmen einer fluoreszierenden Komponente in Blut und Messgerät
CN108287140A (zh) * 2018-01-29 2018-07-17 陕西科技大学 一种用于污水处理厂实时在线监测的方法及装置
CN109596654A (zh) * 2018-11-29 2019-04-09 天津金发新材料有限公司 X荧光光谱和红外光谱法联用测定塑料中溴锑元素的方法
CN113252628A (zh) * 2021-05-12 2021-08-13 中国科学技术大学 一种荧光光谱水质监测装置及其监测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104034684A (zh) * 2014-06-05 2014-09-10 北京金达清创环境科技有限公司 一种基于紫外-可见吸收光谱的水质多指标检测方法
CN106526228A (zh) * 2016-11-02 2017-03-22 中国人民解放军国防科学技术大学 激光诱导荧光测速的自标定方法及系统
DE102017101309A1 (de) * 2016-12-23 2018-06-28 Georg Hennig Verfahren zum quantitativen Bestimmen einer fluoreszierenden Komponente in Blut und Messgerät
CN108287140A (zh) * 2018-01-29 2018-07-17 陕西科技大学 一种用于污水处理厂实时在线监测的方法及装置
CN109596654A (zh) * 2018-11-29 2019-04-09 天津金发新材料有限公司 X荧光光谱和红外光谱法联用测定塑料中溴锑元素的方法
CN113252628A (zh) * 2021-05-12 2021-08-13 中国科学技术大学 一种荧光光谱水质监测装置及其监测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113607710A (zh) 2021-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111898691B (zh) 一种河流突发水污染预警溯源方法、系统、终端及介质
CN110471024B (zh) 一种基于量测数据分析的智能电表在线远程校验方法
CN115578015B (zh) 基于物联网的污水处理全过程监管方法、系统及存储介质
CN110336534A (zh) 一种基于光伏阵列电气参数时间序列特征提取的故障诊断方法
CN101718775A (zh) 围垦地土壤中重金属含量的空间变异分布图生成方法
CN111669123B (zh) 用于对光伏组串进行故障诊断的方法和装置
CN106991491B (zh) 一种基于遗传算法优化的rbf神经网络的环境污染监测系统
CN110703640A (zh) 页岩气开发地下水智能监测系统及方法
CN112381369B (zh) 基于在线光谱识别的水体污染溯源和风险预测评估方法
CN108830425A (zh) 水库水质预测系统及方法
CN113610381B (zh) 一种基于5g网络的水质远程实时监测系统
CN114742183B (zh) 基于深度学习的水污染预警方法、系统、设备及存储介质
CN113607710B (zh) 一种在线监测水质的方法及其应用的装置和系统
CN109684774A (zh) 一种梁式桥安全监测与评估装置
CN110070220A (zh) 一种基于神经网络算法的氨氮指标软测量方法
CN113406558A (zh) 基于线性回归的电表失准检测方法、装置及电子设备
CN115860477A (zh) 一种基于电力数据的污染物实时排放监测方法和系统
CN114239290A (zh) 一种基于多技术交互的湖泊水环境监测预警系统及构建方法
CN109374513A (zh) 管道外防腐层检测分析系统
CN113240006A (zh) 废水排放的监测方法、装置、电子设备及存储介质
CN113269352A (zh) 基于移动互联网的城市内涝监测预警方法、系统及介质
CN115830812B (zh) 泵站建筑物异常沉降智能预警系统及方法
CN112782096A (zh) 一种基于反射光谱数据的土壤有机碳密度估算方法
CN108489543B (zh) 一种企业排污指标监控设备及使用方法
CN211236974U (zh) 一种基于三维展示的水工监测系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant