惟精環(huán)境曲鵬的文章“自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在水質(zhì)檢測(cè)中的實(shí)施與應(yīng)用”在《科學(xué)家》期刊發(fā)表

    在全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的背景下，工業(yè)化進(jìn)程日益加速，水作為地球上生命的基本元素之一，遭受到越來越嚴(yán)重的污染與威脅，甚至對(duì)社會(huì)大眾的身體健康構(gòu)成了非常不利的影響。傳統(tǒng)技術(shù)條件下的水質(zhì)檢測(cè)方法雖然能夠一定程度上保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，單整個(gè)操作大量依賴于手工，耗時(shí)長(zhǎng)并且工作量大，在大樣本檢測(cè)中缺乏適應(yīng)性。隨著自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，其開始在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用性能。以下即圍繞自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域中的實(shí)施與應(yīng)用問題進(jìn)行分析，側(cè)重研究光譜分析技術(shù)支持下的多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)問題與實(shí)現(xiàn)，希望能夠引起業(yè)內(nèi)有關(guān)人員的關(guān)注與重視。

1、 微型光譜儀水質(zhì)檢測(cè)原理                                            

水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，微型光譜儀具有兩點(diǎn)突出的優(yōu)勢(shì)，一是可借助于較小的體積實(shí)現(xiàn)便捷的二次開發(fā)，二是可以通過連續(xù)性光譜分析的方式對(duì)光譜測(cè)量信號(hào)進(jìn)行集中處理，以便支持對(duì)多項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)、同步監(jiān)測(cè)。整套自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)體系以微型光譜儀為基礎(chǔ)檢測(cè)器件，在朗伯比爾定律透射光譜分析法的搭建下實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，基本技術(shù)原理如下圖（見圖1）所示。結(jié)合圖1，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)的過程中，經(jīng)準(zhǔn)直處理后的復(fù)合光進(jìn)入樣品檢測(cè)池裝置內(nèi)，投射光束在光譜儀狹縫中大量聚焦，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)入凹面全息光柵反射分光系統(tǒng)中，在電荷耦合期間光電陣列探測(cè)器中完成成像。考慮到電荷耦合器件對(duì)光譜的檢測(cè)具有連續(xù)性以及一定波長(zhǎng)區(qū)間性的特點(diǎn)，因而可以基于連續(xù)光譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)樣本內(nèi)多種相關(guān)參數(shù)含量的定性、定量檢測(cè)。                

圖1：技術(shù)原理示意圖

2、 微型光譜儀水質(zhì)檢測(cè)優(yōu)勢(shì)

搭載如圖1所技術(shù)原理所形成水質(zhì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化裝置能夠在200nm~1100nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)大量水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，整個(gè)操作過程以水樣中絕大部分被測(cè)定參數(shù)均具有波長(zhǎng)吸收以及光譜吸收的特性為基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中此項(xiàng)自動(dòng)化技術(shù)裝置所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)為三點(diǎn)：                                 

（一）可以在很大程度上替代傳統(tǒng)意義的多臺(tái)點(diǎn)式光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置。簡(jiǎn)單來說，對(duì)于包括揮發(fā)酚、鉛離子重金屬、六價(jià)鉻重金屬。總磷等在內(nèi)的一系列被測(cè)定水質(zhì)參數(shù)而言，由于需要對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)前處理，因此多建議按照在線物理預(yù)處理（包括沉淀、粉碎、乳化以及過濾等操作手段在內(nèi)）→氧化消解→顯色反應(yīng)→光譜監(jiān)測(cè)的流程實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)定物質(zhì)的準(zhǔn)確測(cè)定。對(duì)于建立在連續(xù)性光譜分析基礎(chǔ)之上水質(zhì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備而言，為實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收波長(zhǎng)在連續(xù)寬光譜范圍內(nèi)各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定，只需要通過對(duì)檢測(cè)波長(zhǎng)、化學(xué)試劑以及標(biāo)定算法的調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)。因此，相較于傳統(tǒng)意義上的多臺(tái)點(diǎn)式光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置而言，單臺(tái)連續(xù)性光譜監(jiān)測(cè)裝置既能夠滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求，還同時(shí)具備功能擴(kuò)展的有事，尤其在工業(yè)廢水排放水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中有著極為深遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值。

（二）使對(duì)COD、BOD以及TOC等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)具備綠色性、快速性以及智能性的特點(diǎn)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)過程當(dāng)中，可以以智能算法模型為基礎(chǔ)，滿足光譜監(jiān)測(cè)需求，具體原理流程如下圖（見圖2）所示。結(jié)合圖2，為滿足具體的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)需求，可以嘗試在全光譜范圍內(nèi)多多個(gè)特征波長(zhǎng)處所對(duì)應(yīng)吸光度值進(jìn)行選擇，以實(shí)際樣本訓(xùn)練為基礎(chǔ)，形成包括嶺回歸-支持向量機(jī)模型、主成分分析模型以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等在內(nèi)的一系列智能算法預(yù)測(cè)模型。搭載該模型實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際水質(zhì)樣本中被測(cè)定參數(shù)含量的直接預(yù)測(cè)。更為關(guān)鍵的一點(diǎn)是，在智能算法模型自學(xué)習(xí)功能以及自適應(yīng)特性隨著被測(cè)定水質(zhì)樣本水量的增加而不斷強(qiáng)化，這對(duì)于水質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)精確性的提升是非常關(guān)鍵的，整套自動(dòng)化技術(shù)裝置在當(dāng)代被廣泛應(yīng)用綠色水運(yùn)、智慧水務(wù)、智慧水利等相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域中，備受業(yè)內(nèi)重視。

圖2：智能算法模型支持下的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)流程圖

（三）可實(shí)現(xiàn)基于水質(zhì)變化整體信息的光譜預(yù)警功能。在連續(xù)性寬光譜分析技術(shù)中，將被測(cè)定水質(zhì)水體視作一個(gè)單獨(dú)樣本，可通過全光譜掃描紫外可見波段的方式形成基于水樣的整體吸收光譜圖，構(gòu)建三維連續(xù)光譜模型分析數(shù)據(jù)庫(kù)（含吸光度、波長(zhǎng)以及時(shí)間三者在內(nèi)），在此基礎(chǔ)智商，對(duì)水質(zhì)分析樣本中污染物產(chǎn)生的特征光譜以及提取分析方法進(jìn)行研究的方式，構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)異常情況的在線監(jiān)測(cè)算法模型，以便在監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)異常的情況下做出突變預(yù)警響應(yīng)。

3、 水質(zhì)檢測(cè)應(yīng)用測(cè)試

（一）多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)。在微型光譜儀光譜分析技術(shù)的支持下，可以參考水質(zhì)檢測(cè)用戶的實(shí)際需求，對(duì)水質(zhì)檢測(cè)樣本的化學(xué)前處理以及精確控制技術(shù)進(jìn)行集成化處理，在連續(xù)光譜技術(shù)的輔助下進(jìn)行智能化分析。在此基礎(chǔ)之上引入動(dòng)態(tài)參比技術(shù)能夠降低水質(zhì)檢測(cè)過程中背景光譜（如色度、濁度等）的干擾與影響，提升重點(diǎn)水質(zhì)檢測(cè)參數(shù)（包括正磷酸鹽、氨氮、六價(jià)鉻、以及揮發(fā)酚等在內(nèi)）的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，重復(fù)性、準(zhǔn)確度以及測(cè)量范圍均可達(dá)到國(guó)家當(dāng)前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（二）智能化水質(zhì)預(yù)測(cè)。系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后首先進(jìn)行初始化處理，然后進(jìn)行參比（超純水）的信號(hào)光譜測(cè)量，再對(duì)經(jīng)過過濾處理后的實(shí)際水樣進(jìn)行全光譜測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)錄入三維光譜分析數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過對(duì)比歷史數(shù)據(jù)的方式判斷水質(zhì)異常情況，確定異常物質(zhì)，并對(duì)相應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行預(yù)警，進(jìn)一步發(fā)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精確分析。在此基礎(chǔ)之上，以智能算法模型為基礎(chǔ)對(duì)BOD、COD、以及TOC等重點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，再通過對(duì)在線樣品化學(xué)前處理技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮磷酸鹽、揮發(fā)酚以及重金屬離子等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)，完成檢測(cè)后對(duì)樣品檢測(cè)室進(jìn)行清洗，完成系統(tǒng)操作。在此過程當(dāng)中，可通過對(duì)概率密度嶺回歸智能算法模型的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)樣本中COD含量的預(yù)測(cè)分析，可應(yīng)用波長(zhǎng)200nm~1100nm全光譜范圍內(nèi)多特征吸收光譜波長(zhǎng)圖，通過設(shè)置權(quán)重的方式修正樣本點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)聚攏，以上操作對(duì)于建模預(yù)測(cè)性能的優(yōu)化是非常重要的。在此期間，通過增加樣本劃分的方式，驗(yàn)證了回歸算法的實(shí)用性與可行性，并且整套算法對(duì)水域水體特征的差異性有良好使用性能，對(duì)減少樣本點(diǎn)數(shù)校正算法模型是有益的。實(shí)驗(yàn)顯示，在智能化水質(zhì)預(yù)測(cè)過程中，基于概率密度嶺的回歸智能算法模型相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.918以上，均方根誤差在2.765mg/L左右，未知水質(zhì)樣本的COD預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性、重復(fù)性均能夠滿足國(guó)家當(dāng)前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。更為關(guān)鍵的是，此項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水質(zhì)樣本COD濃度的快速預(yù)測(cè)，檢測(cè)周期縮短至60s范圍內(nèi)（包含抽樣以及排樣時(shí)間在內(nèi)），對(duì)后續(xù)工作的開展有良好的幫助。

（三）光譜預(yù)警。在對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜預(yù)警的過程中，可以通過對(duì)導(dǎo)數(shù)光譜法技術(shù)的應(yīng)用，在信號(hào)處理的基礎(chǔ)之上構(gòu)建基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣本異常數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)3D光譜指紋模型。水質(zhì)監(jiān)測(cè)連續(xù)采樣期間，依托于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣整體吸收光譜的動(dòng)態(tài)可靠監(jiān)測(cè)。需要注意的一點(diǎn)時(shí)，如果某個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)下的波長(zhǎng)處吸光度值發(fā)生異常，或吸收光譜輪廓曲線出現(xiàn)異常性突變，則意味著被檢測(cè)水體中已經(jīng)產(chǎn)生了已知或未知的污染物質(zhì)，從而導(dǎo)致水質(zhì)樣本發(fā)生異常，面向系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警指令。在數(shù)據(jù)庫(kù)無法對(duì)應(yīng)水體具體污染物成分的情況下，需要通過在線留樣或取樣的方式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)化學(xué)分析，以確保對(duì)監(jiān)測(cè)水樣中可能存在異常污染物質(zhì)的精確分析。

4、 結(jié)束語                                           

    在整個(gè)在線水質(zhì)檢測(cè)分析領(lǐng)域中，光譜水質(zhì)檢測(cè)儀的發(fā)展空間與潛力是相當(dāng)巨大的。為了更進(jìn)一步適應(yīng)智慧水務(wù)的發(fā)展需求，必須徹底改變當(dāng)前技術(shù)條件支持下以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)為重點(diǎn)的單光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)與相關(guān)儀器設(shè)備。本文上述分析中圍繞自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用問題進(jìn)行闡述，側(cè)重對(duì)基于微型光譜儀聯(lián)系光譜分析技術(shù)的多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行研究，概括了此項(xiàng)技術(shù)的原理，優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用要點(diǎn)，對(duì)新型光譜水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)的工程化，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展可起到幫助，

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