面向城市群的區域水環境智能監測研究
——以長株潭城市群為例

許秋飛，沈振萍，嚴 勇，陸 凱

(1.西安交大長天軟件股份有限公司，陜西 西安 710065；2.南京農業大學 信息管理學院，江蘇 南京 210095)

0 引言

近年來，水源短缺、水污染是城市水資源保護和利用方面存在的突出問題，嚴重制約了人們的生產和生活[1].因此，加強城市水環境監測是國家水資源項目中人們重點關注的問題，其中，積極加大在水環境監測工作中的技術投入、持續提升監測水平、開展科學的治理和保護是當前迫切需要解決的關鍵問題[2].國家和地區都加大了對水環境監測和水環境保護的技術、政策和資金的支持，水環境監測方面取得了重大的成果[3].

長沙、湘潭、株洲沿湘江水系自上而下分布、陸域相連，三座城市大致呈北—西南—東南走向.作為城市主要供水水源，湘江水系水網密集交叉、水資源豐富，但時空分布不均，每年4月至8月為豐水期，徑流量占年凈流量75%以上，10月至來年3月為枯水期，上游來水減少，同時湘江還面臨重金屬元素(如鎘等)超標等歷史發展問題，對三座城市的水環境安全有一定制約[4].

2007年，長株潭城市群獲批為全國資源節約型和環境友好型社會建設綜合配套改革試驗區.為響應國家兩型社會發展需求[5-7]，克服傳統水質監測系統建設成本高、監測范圍小、不同監測業務數據共享性差的缺點，本研究以長株潭城市群為試點，設計了面向城市群的多元化、廣覆蓋、低成本、易擴展的水環境智能監測系統[8]，能對地表水水質及重金屬濃度、飲用水源地水質、污水處理廠出水水質等進行監測，同時對取水口、排放口及水下狀況進行實時攝像，以便通過監測數據關聯反演水污染成因并開展溯源，實現區域水環境監測及污染溯源示范，全面提升城市群水環境治理水平，為城市工業生產、居民安穩生活、城市群協同發展增添保障.

1 總體設計

長株潭城市群水環境智能監測系統總體架構如圖1所示.該系統采用“云+端”的部署結構，主要由智能感知、數據傳輸、支撐平臺、應用集群和業務系統五部分組成.其中，智能感知層用于部署面向長株潭水環境不同監測水體、不同監測要素的各類環境監測設備；數據傳輸層通過有線/無線的方式保證監測數據的實時、暢通傳輸；支撐平臺(“云”平臺)可支持數據的統一交換共享，支持利用區塊鏈技術開展監測數據智能審核，并將數據安全存儲于分布式時序數據庫中，同時以資源目錄為索引開展數據調度；在此基礎上，通過構建應用集群，實現面向城市群多應用業務系統(部署節點，即“端”應用)的統一應用入口、用戶認證和服務聚合，并支持業務系統獨立部署、業務功能按需定制，實現業務與平臺的解耦，提升整體系統的可用性和可擴展性.通過將嵌入式技術、無線通信技術、區塊鏈技術融合，實現了系統的低功耗、低成本、靈活性、可擴展性，保障監測數據的可信性，推動長株潭城市群水質監測向智能化轉變.

圖1 系統總體架構圖Fig.1 Overall architecture of the system

2 系統設計

2.1 智能感知

2.1.1 地表水水質自動監測體系

常規的水質自動監測站集成了采配水、預處理、自動分析等單元模塊，配備一套嚴密的數據質量控制體系，適用于地表水水質監測、飲用水源地水質監測等，能滿足流域水質評價、河長/湖長考核、水質預警、污染溯源等大數據監測需求.可以監測水質常規五參數(溫度、pH、溶解氧、電導率和濁度)、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮等，同時支持擴展重金屬(如砷、鎘、鉛等)、葉綠素、生化需氧量、生物毒性等[9-10].水質自動監控站與監控中心之間可通過控制單元實現雙向通信，數據、儀器儀表狀態信息可定時(通常為每4小時1次)傳輸到監測中心，同時監控中心通過下發控制命令，控制相應的在線儀器運行.

另外，為適應低成本、網格化布點和高頻監測管理需求，還可以采用微型站、水下微型監測傳感器、便攜式水質檢測儀等監測設備.

2.1.2 廢水自動監控體系

廢水自動監控體系通常針對企業廢水、城市污水、農村污水等排放場景，監測一些反映水污染的綜合指標，如pH值、化學需氧量、氨氮、總磷，以及流量、流速、排放量等，以便控制廢水中各因子含量達到規定的水質排放標準.監測數據經有線或無線通信方式定時(通常為每小時1次)傳送至支持平臺，并支持信號雙向通信實現儀器動態管控.

2.1.3 視頻監控設備

為保障水質監測系統的取水安全和規范運行，通常會在站房取水口、企業排放口、監測站房及重要水體水下部位配置視頻點，進行實時攝像，實現水站設備運行監控、周界安防監控和報警聯動功能.各站房視頻點通常由高清視頻攝像頭、硬盤錄像機、交換機等設備組成，視頻信號通過專線或VPN專網傳送至監測中心，具備條件的還可在前端配置云臺等配套設備.選用的水下視頻監控設備實現對水體的溫度、pH、溶解氧、電導率和濁度的監測，需支持USB 2.0 OTG協議，可接入OTG設備、支持多種幀率傳輸數據，本系統通過微控制器STC89C52RC指令來控制它的工作.

2.2 數據傳輸

水環境智能監測系統的數據傳輸根據點位部署環境和條件不同，可以采用有線或無線方式進行，無線通信方式包括3G、4G、5G、北斗衛星等；有線通信方式支持VPN、ASDL、以太網等.

針對水下智能監測傳感器(多參數水質監測儀，包含溫度、pH、溶解氧、電導率和濁度等)，本系統設計有線和無線相結合的方式進行數據采集與傳輸，結構如圖2所示.由于高頻率電磁波在水下衰減嚴重，為保證數據的傳輸通暢以及實時到達，本系統以有線傳輸方式采集匯集水下監測數據到水面浮標的STC89C52RC微控制器，利用串口實現數字和視頻信號的接收，水面的nRF24L01無線通信模塊經由STC89C52RC微控制器開發后，設置中心節點、放置于浮標中并進行自動組網，構建一個水體區域短距離、全覆蓋、高速率、穩定可靠的無線傳輸網絡，并將數據傳送給支持平臺.

圖2 水下智能監測傳感器數據傳輸示意圖Fig.2 Data transmission diagram of underwater intelligent monitoring sensor

2.3 支撐平臺

在系統“云+端”的部署結構中，支撐平臺承擔“云”平臺作用.系統建設了統一的共享交換平臺，支持城市群各地已建水環境智能監測設備數據的跨系統、跨層級、跨區域的交換共享.針對物聯網數據特點，設計了基于時序的數據索引，并采用分布式數據庫集群，實現數據的高效存儲和查詢.同時，支持利用區塊鏈技術開展監測數據智能審核，保障數據真實、可信.以水質自動監測數據為例，原始監測數據只允許一次操作，可依據數據審核規則開展無效值剔除、數據修約等行為，且該行為是數據產生到數據應用的可信操作，將區塊鏈技術應用于自動監測數據進入時序數據庫后的審核數據上鏈，可有效保障審核行為產生的次生數據為1次可控，為后續數據檢索提供性能保障.

2.4 應用集群與業務系統

構建應用集群，實現面向城市群多應用業務系統(部署節點，即“端”應用)的統一應用入口、用戶認證和服務聚合.該模式支持業務系統獨立部署、業務功能按需定制，實現業務與平臺的解耦，提升整體系統的可用性和可擴展性.本研究設計的集群界面如圖3所示，業務中心包含水質監測預警子系統、污染源(廢水)自動監控子系統、視頻監控子系統和移動端等，另外還包含地理信息中心的“GIS一張圖”，以及數據中心的“水質監管駕駛艙”等應用，由此構成水環境智能監測-預警-溯源-決策一體化應用體系.

生態環境管理人員可通過各業務系統實時查看被檢測水體和水污染源的水質參數以及監控視頻圖像等，同時對水質參數設置合理警戒值，實現預警功能；對水質監測異常數據進行人工審核，并基于水質可信數據開展水質評價、考核；同時還可針對不同水質監測斷面，結合GIS地圖開展基于“河道-排污口-污染源”拓撲關系的水質污染溯源、水質應急指揮等.該系統還能拓展支持廢水排污管理、污水處理廠工況監控等其他應用接入，為深入打好“碧水保衛戰”提供有效技術支撐.

圖3 應用集群子系統應用界面Fig.3 Application interface of application cluster subsystem

3 系統測試與數據分析

為驗證水環境智能監測系統的性能，于2021年6月至10月在長株潭城市群進行了系統采集和通信性能、監測數據可靠性測試，并開展了基于區塊鏈的數據可信性審核及水質狀況分析評價.

3.1 系統采集和通信性能分析

通過設置于湘江流域不同河流斷面、飲用水源地和長沙市主要污水處理廠的5個地表水/廢水自動監控站，對地表水水質及重金屬濃度、飲用水源地水質、污水處理廠出水水質等進行了監測，連續測試一周，檢測各監測設備數據傳輸是否正常，是否出現數據漂移、失真、丟包、亂碼等現象.測試結果表明，數據傳輸穩定，5個點位共計發生13次數據延時，但都通過數采儀完成了數據補傳，數據丟包率為0，無亂碼現象，數據無失真.同樣對水下智能監測傳感器無線傳輸性能進行了分析，連續測試12 h，數據傳輸中斷1次，但2 s內恢復正常連接，并無發生丟包、亂碼等其他情況.另外，受數據流較大影響，在取水口、排放口及水下拍攝的視頻數據一定程度上存在數據傳輸不穩定現象，實時性較差，但通?？梢酝ㄟ^增加傳輸網絡帶寬的方式改善.綜上所述，本系統通信傳輸穩定可靠.

3.2 監測數據可靠性分析

監測數據的可靠性和準確性，是數據應用的前提.各水質監測儀器設備在投入使用前，都需依據設備運行技術規范進行性能驗收，驗收內容包括儀器檢出限、準確度、精密度、零點漂移、量程漂移、重復性及實際水樣比對等.以地表水自動監測設備的實際水樣比對實驗為例，實驗需連續進行3天，每天于自動監測儀器采樣時同步采集瞬時樣(通常每4小時1次)，人工間隔采樣6次，每次采集2個水樣(平行樣)，同步記錄自動監測儀器讀數，并計算實際水樣比對相對誤差，結果需滿足HJ 915—2017規范要求[10-11].

表1所示為連續3天、每天上午8∶00，采用的某型號地表水水質自動監測系統實際水樣pH、溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數及總磷等監測因子的比對實驗結果，完整時間序列各因子比對結果參見圖4.可以看出，該自動監控系統的監測數據與實驗室手工分析數據相差較小，各因子相對誤差在-22.39% ～ 15.46%之間，完全滿足HJ 915—2017規范要求.該設備其他各性能指標，以及其他監測儀器設備各項性能指標，也均符合相關技術規范，本系統監測數據滿足可靠性要求.

表1 水質自動監測系統實際水樣比對實驗結果(以每天8：00采樣為例)

圖4 水質自動監測系統實際水樣比對實驗結果Fig.4 Experimental results of actual water sample comparison in automatic water quality monitoring system

3.3 數據可信性審核

為加強水環境質量監測管理、規范水環境質量評價，提升廢水監測數據的有效性，水環境質量自動監測數據應用于水環境質量評價、執法應用時，在數據統計、整合、補遺、修約以及有效性審核等方面須遵循一定的規則.平臺根據儀器質控測試結果對數據有效性進行自動預判，當判定為無效數據或存疑數據，如圖5所示監測數據為零值或負值低于儀器檢出限、超量程上限、發生突變(大于上一次監測值的 3 倍及以上或小于上一次監測值的 1/3及以下)或連續不變(單個指標的測量值連續3組無變化)等各類異常情況時，須結合儀器運維質控情況、水站周邊情況、佐證材料等，開展人工審核，并按規范進行數據補遺、數據修約、數據修正等，以確保自動監測數據真實、有效[12-18].

圖5 水質自動監測系統異常數據類型示意Fig.5 Abnormal data types of automatic water quality monitoring system

本系統創新地將區塊鏈技術應用于監測數據智能審核，利用區塊鏈去中心化、共識機制、安全、透明、數據不可篡改、可追溯等特性，解決人工干擾審核過程通過將真實的超標(突變)數據審核掉來達到監測數據不超標的目的，同時原始監測數據一次審核后即為審核數據，審核頻次收斂，極大地規避了大規模計算導致區塊鏈計算耗時、耗資源、耗成本等實際問題，為長株潭水環境管理數據跨地域、跨部門、跨業務的數據集成、數據治理、數據共享、數據確權等提供了數據真實性保障.系統數據審核界面如圖6所示.

圖6 系統數據審核界面Fig.6 System data review interface

3.4 長株潭水質監測應用分析

基于以上水環境智能監測系統，建立了長株潭水質監測、廢水排放、監控視頻等數據的實時傳輸(交換共享)、查詢展示、智能審核、評價分析與預警體系，使監測、傳輸/共享、存儲、審核、展示、分析、預警、溯源全過程實現數字化，通過水質監測設備結合浮標監測對河流斷面地表水中氨氮、總磷、COD和水質等參數實施監測，當出現監測數據異常變化時，結合視頻分析技術排除漂浮物等干擾，系統依據污染源納污通道管網邏輯拓撲，按照規則追溯上游疑似污染源，通過特定影響因子排放濃度分析，精確定位影響水質監測的污染源，通過在線反控技術動態關閉污染源排放閥門，觸發污水回流再處理流程，直至監測濃度達標后，開啟閥門，系統自動跟蹤預警水質監測站點數據的動態變化趨勢，監測數據達標后停止跟蹤任務.通過水質監測技術互補、業務系統協同，提高水環境監測與管理效率.

如圖7所示，為水環境智能監測系統2021年7-10月長株潭城市群地表水環境質量監測狀況分析圖.可以發現，湘江流域長株潭三市地表水環境質量整體較好，除湘潭市有1～2個斷面為IV類及V類水體外，其余斷面水質基本都穩定在III類及以上，且以II類居多.對比三市水質狀況，株洲市整體水質狀況最優，7-10月I類和II類斷面占比高達91.43%～97.14%；長沙次之，為58.06%～93.75%，但水質狀況起伏較大；湘潭市最差，為64.29%～78.57%.

圖7 長株潭城市群地表水環境質量監測狀況(2021年7-10月)Fig.7 Monitoring status of surface water environmental quality in Changzhutan urban agglomeration (July to October 2021)

4 結論

本研究利用嵌入式、無線通信、區塊鏈等技術，設計了面向長株潭城市群的水環境智能監測系統，主要具有3個創新點：

1)傳感器的監測預警輔助智能視頻提升了預警的準確率，同時配合溯源機理動態控制污染排放，提升了水質達標與水環境安全能力.

2)將區塊鏈技術應用到水環境監測數據審核中，保證了數據的可信性、可追溯性和大規模應用能力.

3)基于“云+端”的系統部署方式，通過應用集群實現多應用系統的單點登錄和統一用戶認證，滿足多種用戶不同區域特征、管理訴求的使用要求.

經過一段時間的應用，此系統穩定性好、可靠性強，具有低功耗、低成本、多元化和可擴展性，推動了長株潭城市群水質監測向智能化轉變，數據應用向城市群共享共用.