基于人工智能的农村饮用水智慧监测

谭振华,秦 成,蒙良庆

(1.力合科技(湖南)股份有限公司,湖南 长沙 410221;2.重庆市生态环境监测中心， 重庆 401147)

1 引言

饮用水安全作为与人体健康息息相关的因素，是生态环境保护、水利供水、卫生健康预防等工作的重中之重[1]。而农村饮用水是我国居民供水系统中的相对薄弱环节[2～5]，是当前亟需关注的热点，现阶段已有大量的学者开展农村饮用水水源地水质状况评价[6～8]、饮用水水源的安全及水处理工艺[9,10]、饮用水水质监测方法[11～14]、监测传感器技术[15～20]等方面的研究，上述研究成果有效的降低水源地污染所带来的各种风险。但目前的研究在2方面存在不足：①由于生态环境、水利、卫生部门的职能职责的差异，目前的研究大多是将水源地水、水厂水、末梢水割裂开单独监测，缺少建立从水源到用户的全过程农村饮用水水质监测技术；②鉴于农村饮用水具有分散广、数量多的特点，导则目前尚无有力监测技术支撑精细化管理和联防联控。

鉴于此，本文提出以水源水、出厂水和管网末梢水的采样终端三重监测+全自动中心实验室特征参数监测模式；实现源水预警，出厂水和网管末稍水三重安全保障,全自动中心实验室精准监测的管理理念；整合现有的监测大数据，解析当前农村饮用水污染物来源，进行源解析或模型分析，科学揭示农村饮用水污染的成因、影响程度，为管理部门制定治理决策提供依据。

2 基于人工智能的农村饮用水水质监测技术

2.1 总体概况

建立以全自动化中心实验室为主体，智能采样终端和可视化监管平台为两翼的全方位联动监测体系。智能采样终端设置于水源水、出厂水和管网末梢水处，由在线监测和采样送检两部分组成，其中采样送检兼顾在线采样和手工采样2种方式，采用APP对采样环节进行统一管理，采用灵活多样的样品运输工具送样至全自动化实验室。交接双方采用APP进行面对面交接，二维码传递样品信息，信息在线流转。全自动化实验室仪器操作人员放置样品，一键启动检测，水样数据，质控数据，测试流程日志实时上传。全过程管理大数据平台实时收集在线监测数据、采样、运输、交接、检测各环节产生的数据，实现水质监测质量全方位智能化监管。总体方案见图1。

图1 总体方案

2.2 技术流程

2.2.1 水质采样

以智能在线采样为主，手工采样为辅，在有必要且有条件安装的污染源排放口统一安装在线采样设备，在一般的排放口采用手工采样方式，在实际过程中，可根据具体问题灵活调整在线或手工采样方式。

(1)智能管控终端。采用智能管控终端对水源水、出厂水、网管末稍水实现24 h在线采样，内置等时、等流量、即时采样模式。能远程操作智能管控终端，修改自动采样策略，灵活设置机器按监管的需求进行样品采集。为满足国家标准和水厂需要，根据相关标准配备必要的监测设备、采样设备和数据传输设备，为农饮水的监测预警提供技术支持。设备配置见表1。

表1 智能管控终端在线设备配置

(2)手工采样。在未设置在线采样设备的点位，采用手工采样方式，采样人员持证上岗，采样过程视频跟踪录像，便于事后复查，确保采样行为合规。在手工采样的同时，配置便携式仪器做好现场项目监测。采样人员使用采样APP，规范管理采样人员现场GPS签到，采样信息、现场监测结果便捷填报，样品交接信息化流转，减少手工填报工作。

2.2.2 样品保存运输

样品保存运输采用水样冷藏运输箱、冷链运输车或物流运输；本环节关键在于冷藏运输箱、冷链运输车、采样瓶具有GPS定位功能和防开启功能，将定位轨迹和采样瓶开启情况上传至大数据中心监管端，使样品运输过程留痕可溯源。

2.2.3 自动化实验室监测

集中式自动化监测实验室的建设不单纯是选配合理的仪器设备，还要综合考虑实验室的总体规划，合理布局和平面设计，以及供电、供水、通风、废液处理、安全措施等基础设施和基本条件。

全自动中心实验室由多个检测通道、多台自动进样器和1套仪器操作终端软件组成，实现进样、预处理、反应分析、计算结果全过程自动化、批量化检测。操作人员一键操作，全自动批量、高效完成水样检测，自动完成数据质控，检测数据及运行流程直传大数据平台，实现监测数据“准、快”目标。仪器布局示意如图2所示，部分检测通道监测项目及分析方法见表2所示。

图2 仪器布局示意

表2 分析仪部分检测通道情况一览

2.2.4 信息化管理

信息化软件系统负责对采样、送样、实验室检测全过程进行管理，监测数据统一集中收集处理应用。系统由现场采样APP、自动检测仪器软件和数据中心监测监管系统组成。系统结构如图3所示。

图3 采样、运输、自动监测管理系统结构

2.3 与传统监测技术的对比研究

现将AI自动化实验室和传统手工实验室从代表性、检测效率、准确性、成本、结果报出5个方面进行对比，详见表3。

表3 AI自动化实验室和传统手工实验室对比

传统监测方式存在以下不足：①人工即时采样不具有连续性、代表性，对超标水样超标原因调查缺少有效手段；②监测任务重，人力资源耗费多，分析效率不能长期维持，监测质量难以全程溯源，水质情况不能及时体现；③监测点位及数据不能直观展示，超标分布情况可视化程度待提升。

3 实例应用

3.1 研究区概况

A县位于三峡库区腹心，是三峡库区生态经济区沿江经济走廊承东启西、南引北联的重要枢纽。一方面，农村饮用水水厂众多，有60余个乡镇水厂，6000余个村级水厂，水质监测站仪器设备配备、人员编制难以满足当前的监测需求，村级水厂成为监测盲区，存在饮水安全风险; 同时由于水厂自行监测能力不足，基本未配置在线监测，仅便携式对余氯/浊度/色度/pH值进行监测。另一方面，现阶段监测频次低，1000 t以上水厂一季度一次，其余半年一次;水厂自行监测能力不足，监测覆盖不全，仅出厂水进行一周3次的监测；末梢水监测频次低于一周1次，甚至未进行监测；水源水基本未进行监测, 因此，不能及时发现水质超标情况，存在饮水安全风险,突发事故应急能力薄弱, 供水应急能力建设滞后。

3.2 研究区农饮水智慧监测方案

A县农饮水监测现状主要以人工监测为主，特别在采样和监测方面占用了大量的人力资源和设备资源、人工检测时间和精力有限检测频次低、监测项目受限，人工采样受时间、空间、成本限制、人工检测成本较高，同时无法快速、批量性的出具监测数据，对A县农饮水的监管监测力度不足。针对这一现状，在2022年4月份，根据A县农饮水环境现状和水厂分布实际情况，按照科学设计、合理布局原则，分别在9个水厂的水源水、出厂水、网末梢水布设共安装了20个智能管控终端，建设了1座AI自动化实验室，1个可视化监管平台，实现自动采样、自动监测、全过程溯源留痕的监测体系。

3.3 智能检测终端

水源水配置水温、pH值、浊度在线监测，地下水水源增加配置电导率在线监测；出厂水、末梢水配置水温、 pH值、浊度、余氯在线监测。采样使用等时等比例自动采集水样，采样的同时进行在线参数的监测，目前每4 h进行1次监测。

3.4 AI自动化实验室

AI自动化实验室具备28个指标的全自动检测能力，其中常规指标25个：砷、镉、铬(六价)、铅、汞、氰化物、氟化物、硝酸盐(以N计)、色度(铂钴色度单位)、铝、铁、锰、铜、锌、氯化物、硫酸盐、总硬度、高锰酸盐指数、挥发酚类、阴离子合成洗涤剂、硫化物、氨氮、总磷、总氮、化学需氧量；微生物指标3个：总大肠菌群、大肠埃希氏菌，并且预留了扩展空间。常规指标日检测量均能达50个样，微生物指标日检测量均能达20个样。

3.5 运行效果

3.5.1 评价标准

根据A县的实际情况，不同水源类型采用不同的评价标准。详见表4评价标准依据及指标。

表4 评价标准及指标

3.5.2 检测成果分析

A县农饮水AI自动化实验室自2022年4～5月份，对9个水厂和7个乡镇农饮水铝、铬(六价)、汞、硝酸盐、硫酸盐、氨氮、色度、砷、铁、化学需氧量、高锰酸盐指数、锰、总硬度、氯化物、氟化物、氰化物16个指标进行检测，共接收500余个水样。

(1)水厂检测分析成果。AI实验室4～5月份接收9个水厂水源水、出厂水、末梢水共计400多个水样，检测5000余条数据。9个水厂出厂水，均出现超标情况，超标因子主要为：铝、色度、锰。

水源水到出厂水铝浓度由达标变为超标，原因是水处理过程中，铝盐絮凝剂导致。建议：①铝盐絮凝效果和水源水pH值有密切关系，但pH值会有一定波动，目前智能管控终端已实时自动监测pH值，水厂可根据pH值变化情况，改变铝盐絮凝剂的添加剂量，以改善絮凝效果，从而降低铝浓度。②根据水源水智能管控终实时自动监测的浑浊度，计算出最合理的铝盐加入量，避免过多加入，导致铝浓度升高。

2个水厂锰超标的原因一方面是水源水本身锰的含量就比较高，另一方是水厂的净化锰的能力有待提升，虽经过水厂处理后，锰含量有一定降低，但出厂水仍超标，目前仅2个月数据，无法判定和季节性是否有关。建议一方面从水源水出发，找到影响水源水锰的因素，另一方面改良水厂工艺提升水厂对锰的净化能力。

(2)乡镇分析成果。AI实验室4～5月份接收A县共7个乡镇，分别对1000人以下121个饮水点检测，检测近2000条数据。达标79个，达标率65.3%；主要超标色度、铁、铝。达标率低的原因为这7个乡镇的集中供水点来水为井水、泉水、湖水等，未经过处理且容易受到污染，建议应加强乡镇饮用水规范管理，排查并控制污染源，并加强集中式水厂供水。

4 结论

提出的基于人工智能的农村饮用水水质智慧监测技术实现了一种新型的“采、运、测、管”模式，是一种多时空、高序列、全链条的水质监测模式。很好地解决了传统监测中的痛点问题：大批量样品，任务重，人力资源成本高；对检测人员的化学专业技能要求高，人才难觅；检测人员流动性大，新人培养成本高，且难以保证数据质量；部分监测项目人工分析流程复杂；部分监测项目分析所需试剂剧毒，对检测人员身体有害等具体问题。

基于人工智能的农村饮用水水质智慧监测技术在三峡库区A县的实际应用，对其农饮水工程进行全覆盖检测，摸清其农饮水水质情况，并深度分析，为提升A县农饮水质量提供参考及方案，从而提升全县农村饮用水质量。