水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測技術發(fā)展及應用

吳琳琳,侯 嵩,孫善偉,樊境樸,吳榮山,錢維林,徐 建

1.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境健康風險評估與研究中心,北京 100012

2.感知物聯網研究院,江蘇 無錫 214028

物聯網是通過感知設備,按照約定協議,連接物、人和信息系統,實現對實體世界和虛擬世界的信息進行處理并做出反應的智能服務系統[1-2]。1999 年,美國麻省理工學院首次提出“Internet of Things”(IoT) 的概念,主張將射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID)和互聯網結合起來,通過互聯網實現產品信息在全球范圍內的識別和管理[3]。 2009 年,美國批準實施了“智慧地球”項目。 由此,物聯網技術引起了世界各國的重視,并開始廣泛應用于社會發(fā)展的各個領 域。 同 年 6 月, 歐 盟 委 員 會( European Commission,EC)發(fā)布了《歐盟物聯網行動計劃》(Internet of Things—An Action Plan for Europe),成為全球首個物聯網發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。 我國的物聯網研究起步也較早。 1999 年,中科院上海微系統和信息技術研究所對傳感器網絡技術開展了早期研究。 2009 年,我國在無錫建立了“感知中國”中心,加快了我國物聯網技術從研發(fā)走向大規(guī)模產業(yè)化應用的進程。 同時,在通信技術、微型傳感器技術等方面取得的重大進展,以及主導、參與的多項物聯網國際標準的制定,使得我國的物聯網技術水平整體處在了世界前列。

《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020—2035 年)》提出,地表水監(jiān)測要“逐步實現水質監(jiān)測向水生態(tài)監(jiān)測轉變”,“監(jiān)測手段從傳統手工監(jiān)測向天地一體、自動智能、科學精細、集成聯動的方向發(fā)展”。 隨著傳感技術和通信技術的不斷進步,基于物聯網的水生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測技術可實現全方位、實時、高效的水生態(tài)環(huán)境質量動態(tài)監(jiān)測,為水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管提供新的技術方法。

1 水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測概述

1.1 水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測發(fā)展概況

20 世紀70 年代中期,隨著美國國家環(huán)保局的成立,美國的水質監(jiān)測開始向規(guī)范化、標準化方向全面過渡。 監(jiān)測儀器方面,各種大型分析儀器向自動化、現代化方向快速發(fā)展;監(jiān)測網絡方面,在全國范圍內建立了覆蓋各大水系的上千個自動連續(xù)監(jiān)測網點,可隨時對水溫、pH、濁度、化學需氧量、生化需氧量、總有機碳等指標進行在線監(jiān)測[4]。 20 世紀80 年代以后,美國逐步形成了完善的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系,更加注重對新型監(jiān)測技術和設備的研發(fā),在高性能傳感器方面取得了重要進展。 同時,基于物聯網技術的發(fā)展,實施了“哈德森河水質監(jiān)測項目”“哥倫比亞河口觀測項目”“MARVIN 富營養(yǎng)化監(jiān)測平臺項目”等地表水環(huán)境管理項目,通過廣泛、連續(xù)、動態(tài)地監(jiān)測河流水力、水質和生態(tài)狀態(tài),實現了對河流的實時監(jiān)測。 歐洲、日本等發(fā)達地區(qū)和國家則建立了涵蓋信息收集、決策和呈現3 個層面的水質管理和預警系統,用于實時監(jiān)測河流、湖泊水質狀況[5]。

20 世紀80 年代后期,我國開始從國外引進水質自動監(jiān)測系統,對水環(huán)境開展實時動態(tài)監(jiān)測,并基于物聯網技術構建了污染源自動監(jiān)控系統。環(huán)保領域由此成為我國物聯網技術應用最早的領域之一。 2013 年,國內成功研制了基于物聯網技術的智能水質自動監(jiān)測系統,實現了對溫度、色度、濁度、pH、懸浮物、溶解氧、化學需氧量,以及酚、氰、砷、鉛、鉻、鎘、汞等86 項參數的在線自動監(jiān)測,標志著我國水質監(jiān)測進入物聯網時代。 在長江流域,通過構建將多個異構傳感器有機互聯的復雜監(jiān)測網絡,從不同維度進行信息采集,利用協同觀測、多傳感網數據同化與信息融合、數據采集與服務等關鍵技術,實現了對資源、環(huán)境災害的動態(tài)監(jiān)測,極大地拓展了水環(huán)境監(jiān)測的時空連續(xù)性[6]。 在太湖流域,構建了包括水質固定自動站監(jiān)測、水質浮標自動站監(jiān)測、藍藻視頻監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測等多種監(jiān)測手段的水環(huán)境自動監(jiān)測體系,通過物聯網技術實現了對太湖水生態(tài)環(huán)境的立體、實時監(jiān)測和預警[7]。 截至“十三五”末,我國已在重要河流的干支流、重要支流匯入口及河流入?？?、重要湖庫湖體及環(huán)湖河流、國界河流及出入境河流等建設了1 794 個水質自動監(jiān)測站,以物聯網為平臺構建了覆蓋31 個省級行政區(qū)、七大流域的國家地表水環(huán)境質量自動監(jiān)測網絡。

1.2 水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測技術組成

水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測技術由水生態(tài)環(huán)境感知和信息獲取、水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數據傳輸、水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數據智慧應用3 部分組成,形成了從數據獲取、數據傳輸、數據處理到智慧化應用的技術鏈條,可實現對水生態(tài)環(huán)境質量的全面智能化監(jiān)測和綜合展示(圖1)。 隨著監(jiān)測方法、數據傳輸與處理技術等的快速發(fā)展,水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測技術的內容組成可得到不斷豐富,能夠為流域尺度水生態(tài)環(huán)境業(yè)務化監(jiān)測的開展提供技術支撐,可有效提升水生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測、管理決策的信息化水平[8-11]。

圖1 水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測技術總體框架Fig.1 General framework of IoT technology in water eco-environment intelligent monitoring

2 水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測關鍵技術

2.1 水生態(tài)環(huán)境感知技術

2.1.1 水生態(tài)環(huán)境感知傳感器技術

感知層作為物聯網架構體系的基礎層,其主要功能是通過傳感器網絡獲取環(huán)境信息[8]。 水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯網感知層主要由搭載各類傳感器的監(jiān)測儀器設備構成。 “十一五”至“十三五”期間,通過各項科研攻關和產業(yè)化項目的實施,國產水質監(jiān)測裝備在檢測性能及功能方面有了很大的提升,部分國產設備的綜合性能已趕超進口儀器,自動監(jiān)測系統集成、設備管理平臺開發(fā)等方面的研究也取得了重要進展。 但對于水質監(jiān)測設備的核心部件——傳感器,與國外研發(fā)水平相比,仍存在差距,仍需對關鍵技術開展攻關。

水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感器主要分為化學傳感器、物理傳感器和生物傳感器3 種。 化學傳感器的測量周期長,需要定期進行人工維護,且添加的有毒化學物質會造成水體二次污染。 物理傳感器多采用光學或電化學方法,可以在數秒內完成整個測量流程,不需要添加試劑。 隨著精度、穩(wěn)定性和壽命的進一步提高,物理傳感器被廣泛應用于水體pH、濁度、溶解氧、電導率、重金屬、有機物和氮磷等指標的測定。 生物傳感器直接利用生物和待檢測物之間的相互作用來產生響應信號,具有良好的選擇性和靈敏度,但穩(wěn)定性低、成本高[12]。目前,生物傳感器能夠實現對水體生化需氧量[13]、重金屬[14]、有機物[15-16]等指標的在線監(jiān)測,且隨著高精度、低成本生物傳感器的不斷研發(fā),生物傳感器在水質檢測領域展現出良好的應用前景。

此外,基于數字全息的顯微成像技術采用圖像傳感器識別水體中的微小生物及其狀態(tài),可為實時在線反映水生態(tài)狀況提供新的技術手段[17];基于新型水生態(tài)環(huán)境核心傳感器與自動測量、控制等技術的高度集成開發(fā)出的一系列適用于不同應用場景和業(yè)務需求的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測集成技術及設備,可為我國水生態(tài)環(huán)境管理提供有力的硬件支撐。

2.1.2 水生態(tài)環(huán)境感知集成技術

2.1.2.1 自動在線監(jiān)測技術

水生態(tài)環(huán)境自動在線監(jiān)測技術主要包括固定式、浮標式和小型移動式3 種集成形式[18-19](表1)。

表1 典型水質自動監(jiān)測系統的特點Table 1 Characteristics of typical automatic monitoring systems of water quality

固定式監(jiān)測系統一般是指建設在固定房屋內的自動監(jiān)測站。 其儀器設備種類較多,監(jiān)測數據的準確性較好,但占地面積大,建設和維護成本高,無法大量布置,且水樣采集易受天氣因素干擾,故主要用于地表水重要斷面和重要點位的水質自動監(jiān)測。 固定站內的在線監(jiān)測儀器可實現監(jiān)測數據實時傳輸,此外,亦可采用人工方式讀取和記錄監(jiān)測數據。 監(jiān)測項目包括水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、化學需氧量、生化需氧量、總有機碳、可溶性有機碳、UV254、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫化氫、總懸浮固體、苯系物、色度、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數、重金屬、葉綠素a、藍綠藻、磷酸鹽、鹽度、氯化物、氟化物、生物毒性、流量、液位等,此外還涉及視頻、指紋圖和光譜報警等。 目前,同一水源的固定式自動監(jiān)測站存在監(jiān)測范圍小、數量少、位置固定等缺點,難以全面反映水質狀況,故主要適用于河流斷面考核監(jiān)測、出入境斷面監(jiān)測、重要點位監(jiān)測。

浮標式監(jiān)測系統(圖2)是由浮標、維護平臺、傳感器組、通信設備、供電系統、錨系等組成的自動監(jiān)測站。 其布置方式靈活,可以通過錨鏈固定在不同水域的水面上,快速、準確地對水質進行監(jiān)測并實時傳輸監(jiān)測數據,抗環(huán)境干擾能力較強。浮標式監(jiān)測系統多采用電極和光譜等方法獲取監(jiān)測數據[20-22],監(jiān)測項目主要包括水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、氨氮、硝酸鹽氮、葉綠素a、藍綠藻等。 該系統適用于水面面積大、難以建設觀測站點、不易采用常規(guī)河道監(jiān)測手段、需要快速開展污染監(jiān)測和預警的水域,如近海、水庫、湖泊、濕地、水源地等。

圖2 浮標式水質監(jiān)測系統Fig.2 Buoy-type water quality monitoring system

小型移動式監(jiān)測系統(圖3)是通過可移動的在線監(jiān)測設備對不同水域進行監(jiān)測。 其監(jiān)測區(qū)域靈活,設備集成度高,可以實現實時監(jiān)測數據遠程傳輸。 因具備占地面積小和投資較少的特點,其主要適用于市內小型河流、景觀河流和部分典型污染河流[23]。 由于移動式水質監(jiān)測站的內部空間有限,故以常規(guī)五項參數、氨氮和化學需氧量等指標的電極法或光度法檢測儀器為主。 隨著水質快速檢測方法的發(fā)展,高性能的小型移動式監(jiān)測系統可以實現對生化需氧量、總磷、總氮、葉綠素a 等11 個參數的在線實時監(jiān)測,且占地面積不超過1 m2。 其中,化學需氧量的測定可采用紫外吸收法,氨氮可采用離子選擇性電極法或紫外吸收法。 這些檢測方法校準簡便,無需更換試劑,但較易受水質干擾。

圖3 小型移動式監(jiān)測系統Fig.3 Small mobile online monitoring system of water quality

2.1.2.2 應急快速監(jiān)測技術

突發(fā)性水環(huán)境污染事故發(fā)生后,需對水生態(tài)環(huán)境的受污染程度和范圍進行應急快速監(jiān)測,監(jiān)測設備主要包括便攜式監(jiān)測設備、移動式現場監(jiān)測系統和水生生物在線監(jiān)測系統。

基于光學、電化學、色譜、色譜-質譜聯用等原理和技術開發(fā)出的便攜式監(jiān)測儀器設備的種類多樣,其特點是體積小、攜帶方便,能夠滿足現場快速定性和定量分析多種常規(guī)水質指標,以及檢測未知污染物的需求[24]。

移動式現場監(jiān)測系統主要包括監(jiān)測車和監(jiān)測船兩類。 應急監(jiān)測車配備獨立的實驗室工作系統,具備現場快速分析、數據處理和通信傳輸的功能,適用于野外現場采樣、存儲和分析。 應急監(jiān)測船是在水面完成現場采樣和分析的平臺,由船體、船載流動實驗室、便攜式應急監(jiān)測儀器和應急防護設施等組成,具備移動監(jiān)測、水上實驗、快速預警等功能,可機動監(jiān)測轄區(qū)內的水質狀況。

水生生物在線監(jiān)測系統可直接反映突發(fā)環(huán)境事件對水生態(tài)系統健康的影響,主要分為基于生物行為變化的在線監(jiān)測系統(如攝像示蹤監(jiān)測系統[25]和四極阻抗監(jiān)測系統[26])和基于生物生理變化的在線監(jiān)測系統(如發(fā)光菌在線監(jiān)測系統[27]和藻類熒光分析系統[28])兩大類。 其檢測原理是通過傳感器探測生物生理指標和行為強度的變化,或通過攝像技術連續(xù)觀察、記錄水生生物的行為變化,從而為突發(fā)環(huán)境事件中的水生態(tài)環(huán)境應急監(jiān)測提供技術手段。

2.1.2.3 遙感監(jiān)測技術

遙感監(jiān)測是根據水體中不同物質的折射率反饋物質的組成和含量,可對水體中的懸浮物質、葉綠素a,以及水體透明度、熱污染、石油污染等進行監(jiān)測[29]。 無人機遙感技術主要包括遙感傳感技術、影像拼接技術與數據實時傳輸存儲技術。相對于衛(wèi)星遙感,無人機遙感的航線可自主規(guī)劃,且作業(yè)簡單、易于操作,可搭載多類型高精度傳感器,影像分辨率可達厘米級,適用于小范圍、高分辨率遙感數據的即時獲取[30-31],主要從宏觀上觀測水華的發(fā)生情況[32],以及采集河流水文信息[33-34]等。 衛(wèi)星遙感具有監(jiān)測范圍大、資料獲取方便、圖像處理和解譯容易等特點,能夠對大范圍水體水質進行監(jiān)測。 其中:高光譜遙感能夠捕捉水體的精細光譜特征,但同時也存在掃描幅寬較窄、重訪周期較長、不利于大范圍監(jiān)測和應急監(jiān)測等局限性;多光譜遙感因波段數量少且光譜范圍寬,無法獲取內陸水體的細微光譜特征,但具有數據源多、數據易獲取、成像幅寬大和重訪周期短等優(yōu)勢。 在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中,主要利用衛(wèi)星遙感開展藍藻水華反演、懸浮物濃度反演,以及黑臭水體識別等[35-38]。

2.2 水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數據傳輸技術

物聯網傳輸層是將傳感器網絡采集到的水生態(tài)環(huán)境數據傳輸到數據中心的通道,主要分為有線傳輸方式和無線傳輸方式。

2.2.1 數據傳輸技術的類型

有線傳輸方式在互聯網和政府專網均有應用,主要通過光纖、以太網等有形媒質傳送信息,且多用于傳統的固定式監(jiān)測站監(jiān)測儀器設備的數據傳輸。 有線傳輸方式需要施工安裝,對于老舊監(jiān)測設備而言,其改造成本較高,而移動數據的獲取成本在逐年降低,因此,越來越多的監(jiān)測項目采取無線傳輸的方式來降低施工復雜度。 盡管如此,有線傳輸在兩個方面仍然具備明顯的優(yōu)勢[39]:第一個方面是數據穩(wěn)定性。 有線方式比無線方式更加穩(wěn)定可靠,特別是在高頻大數據量傳輸時更加明顯。 第二個方面是專網傳輸。 有線傳輸方式很容易實現專網部署和數據隔離,且成本低廉。 無線傳輸方式雖然可以通過LoRa 等技術實現專網,但部署復雜且成本較高。

無線傳輸方式分為無線局域網和無線廣域網兩大類。 其中,無線局域網主要包括Wi-Fi、藍牙和ZigBee 等方式,無線廣域網主要包括2G/4G/5G、LoRa、NB-IoT 等方式(表2)。 新型無線傳輸技術能夠覆蓋更廣闊的區(qū)域,適應更復雜的環(huán)境,尤其是近年來低功耗無線傳輸技術的快速發(fā)展,使其在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中具有更好的應用前景[40]。 在無線局域網中,Wi-Fi 是使用比較普遍的通信方式。 Wi-Fi 傳輸速率較快,但通信距離短、范圍小、功耗高,適用于小范圍、近距離組網;與Wi-Fi 相比,藍牙的安全性相對較高,但傳輸速度過慢,適合短時、近距離組網;ZigBee 功耗較低,同時具有多跳、自組織的特點,容易擴展傳感器網絡的覆蓋范圍,但其傳輸速率較慢[41]。

表2 典型無線傳輸方式的技術特點Table 2 Technical characteristics of typical wireless transmission mode

在無線廣域網中,低功率廣域網絡因具備功耗和運營成本低、節(jié)點容量大等優(yōu)點,而得到了快速應用[42-43],主要以LoRa 和NB-IoT 為代表。 其中:LoRa 功耗低、續(xù)航時間長,適用于低成本、大數量連接;NB-IoT 安全性較高,適用于超大數量連接[44]。 4G、5G 移動通信技術使以圖像、音頻為代表的大文件傳輸成為現實,進一步擴充了信息的維度。 無線傳感器網絡和衛(wèi)星遙感的集成技術,則充分發(fā)揮了無線傳感器網絡獲取局部地面信息的翔實性,以及遙感技術獲取大面積環(huán)境信息的方便性[45-46]。

2.2.2 數據傳輸技術的選擇

水生態(tài)環(huán)境感知儀器設備的類型多樣,且其項目應用通常涉及地理范圍廣、系統結構復雜、運行效率要求高等情況,因而需根據項目的實際需求和現場情況,綜合考慮儀器設備功耗、人員值守、數據流量等因素,進而選擇高效、穩(wěn)定、可靠的網絡傳輸系統。 表3 總結了主要水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測設備適用的物聯網傳輸方式。 可見,無線傳輸方式可在構建廣域、靈活的水生態(tài)環(huán)境日常監(jiān)測和應急監(jiān)測網絡中發(fā)揮重要作用。

表3 水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測設備適用的主要傳輸方式Table 3 Main transmission modes of water eco-environment monitoring equipment

2.2.3 數據傳輸安全技術

在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數據傳輸過程中,保障所獲取數據的真實性、有效性和完整性,是后續(xù)實際應用的重要前提。 數據傳輸安全是指在源頭采集到的數據能夠安全、可靠、穩(wěn)定地傳輸到云端,包括數據傳輸鏈路安全、數據內容安全、數據完整性保證3 個方面。

在數據傳輸過程中,目前多采用安全傳輸層協議(Transport Layer Security,TLS)進行傳輸鏈路加密,保障數據傳輸安全。 隨著加密算法的改進,TLS 技術不斷更新,使得加密速度更快,數據鏈路不容易被竊聽,數據傳輸更加安全。

早期受到前端感知設備芯片性能的限制,不能對直接采集的數據進行實時加密,無法保障數據內容的安全性。 后期隨著嵌入式技術的發(fā)展,在采集設備上實現了采用高級加密標準(Advanced Encryption Standard,AES)等對稱加密技術來保障數據內容的安全。 目前常采用AES128 或AES256 技術對采集到的數據進行實時加密。

對于數據傳輸時遇到的斷網、延遲等各種問題,物聯網系統基于良好的確認和重發(fā)機制,能夠保證每個數據片段不丟失、不亂序,使數據最大限度地安全到達云端,保證數據的完整性。 但同時,確認和重發(fā)機制可能會影響物聯網系統的響應速度和并發(fā)量,需要根據不同的應用場景找到最佳平衡點。

2.3 水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測智慧應用技術

水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯網的應用層主要包括數據展示、智能決策等方面。

數據展示是水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯網應用層中最基礎的應用。 通過良好的人機交互,可以實現對項目、設備和數據的快速查找、分類、聚合、對比,也包括對各種數據的導入和導出,方便二次加工。 在物聯網發(fā)展初期,數據展示功能需要根據項目的實際需求進行定制化設計。 隨著DataV、EChart 等數據展示中間件技術的開發(fā),目前,70%～80%的數據展示功能可以通過固定框架完成快速開發(fā),大大縮短了開發(fā)周期[47]。

初期,水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯網通過對監(jiān)測系統設定參數并關聯動作,自動完成簡單的智能決策和執(zhí)行。 例如,通過設定水質參數閾值,實現水環(huán)境狀況預警預報。 隨著水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測管理精細化和智能化需求的不斷提高,研究人員開始將更高級的行業(yè)算法融入智能決策,通過對數據的深度處理,依據運算結果進行決策判斷,可以實現對水生態(tài)環(huán)境狀況的精準預測預判[48-49]。 通常,行業(yè)算法會作為一個獨立的功能模塊嵌入物聯網數據流,使物聯網系統更加通用。 將不同的應用嵌入不同的算法模塊,即可實現深度智能決策。例如,有研究利用深度神經網絡(Deep Neural Networks,DNN)及集成學習算法XGBoost 實現了對葉綠素a 的回歸預測,根據葉綠素a 的濃度來反映和預測間隔1 天的水體富營養(yǎng)化狀況,有效滿足了水環(huán)境治理的時效性要求[48]。

3 水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測技術在環(huán)境管理中的應用

基于感知層和傳輸層構建的水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測系統,可通過業(yè)務應用平臺對海量監(jiān)測數據進行綜合分析和智慧化應用,能夠實現水生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測和預警、水生態(tài)環(huán)境治理效能管理等功能,以提升我國水生態(tài)環(huán)境管理能力。

3.1 水生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測和預警

采用基于傳感器、傳輸網絡和應用終端構建的物聯網系統對河湖水質進行實時監(jiān)測和預警,是物聯網在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中最基礎的應用模式。 張娜等[49]設計并實現了一種基于物聯網的水質監(jiān)測系統,顯著提高了系統的采樣精度,并解決了定時定點采集數據耗費大量人力物力的問題。 楊一博等[42]采用LoRa 搭建河流水質監(jiān)測網絡的設計方案,能同時滿足低功耗與廣覆蓋兩方面需求,可實現對大流域面積水體水質的實時監(jiān)測,有助于改善偏僻地區(qū)流域水質數據的自動化管理。 李濤等[50]采用LoRa 通信技術建立了一種基于窄帶物聯網的水上環(huán)境監(jiān)測系統,該系統由移動感知終端、傳感網絡及應用客戶端3 部分組成,能夠實現對中小型水域污染情況的監(jiān)測和預警。 姚躍[51]針對上海市金山區(qū)開發(fā)了一套基于物聯網的水質監(jiān)測管理系統,整個系統以新型浮標為載體進行數據采集,用于監(jiān)測主要河道的水質。 丹江口庫區(qū)水質自動監(jiān)測系統采用物聯網技術,在點、線、面源的適當位置安裝各種水質自動監(jiān)測儀器、數據采集傳輸設備,通過多種有線和無線方式與監(jiān)控中心的通信服務器相連,實現了24 h 在線實時通信,用以實現水質監(jiān)測、水量調配等應用,以及各種更大規(guī)模的信息處理和共享[52]。 楊宏偉等[53]采用物聯網技術,對遙感水質參數的定量反演方法、中程無線傳感網絡技術和藻類水華預測預警模型進行了改進,開發(fā)出了太湖藍藻預測預警平臺。 運行結果顯示,該平臺對未來3 天藍藻水華的平均預測精度超過80%。

3.2 水生態(tài)環(huán)境治理效能管理

將物聯網監(jiān)測系統應用于水環(huán)境治理過程,有助于加強對水體治理效果的維護和管理,可有效防控潛在的環(huán)境風險。 在北運河香河段水環(huán)境治理工程中,路倩倩等[54]構建了北運河香河段生態(tài)環(huán)境物聯網管理體系框架,建成了多個生態(tài)環(huán)境物聯網子系統,以通過流域水體感知單元同步感知整治效果及整治過程,及時發(fā)現污染威脅,防控整治過程中的環(huán)境風險,促進多方參與到流域管理工作中來。 王連強等[55]提出將物聯網與人工智能技術應用于水生態(tài)環(huán)境整治過程,以實現水生態(tài)環(huán)境治理過程的多參數監(jiān)測、治理模型耦合模擬和智能決策。 袁峰等[56]在某市河流水環(huán)境綜合治理項目的設計中,采用“全流域聯動聯調智能動態(tài)管理”理念,通過智能設備實時感知水環(huán)境狀態(tài)、采集水務信息,并基于統一融合的公共管理平臺,以更加精細、動態(tài)的方式感知和管理河流水環(huán)境綜合整治效果。

4 水生態(tài)環(huán)境物聯網智慧監(jiān)測技術的發(fā)展前景

在感知技術方面,物聯網系統的前端感知設備是開展環(huán)境監(jiān)測的基礎和數據源,也是整個系統的核心部件,感知終端的精度直接影響著整個系統的性能。 與進口設備相比,國產儀器在精度、準確度方面仍然存在差距[57],仍需繼續(xù)開展關鍵技術研發(fā)。 此外,隨著“三水統籌”管理理念的提出,水生態(tài)相關的感知設備,如藻類、浮游生物在線監(jiān)測儀器等,也將成為監(jiān)測設備研發(fā)和應用的重要方向。

在通信技術方面,現有的無線傳輸網絡存在數據傳輸速率慢且時延高、數據處理效率低、數據挖掘深度不足等缺點,越來越難以滿足規(guī)模日益增長且要求日益提高的監(jiān)測業(yè)務的需求[58]。 未來,5G 技術的廣泛應用將推動物聯網技術在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域的快速發(fā)展。 基于5G 的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯網技術可以實現實時全景、全數據回傳,保障數據傳輸準確,實現數據精確分析和智能處理;可以實現泛在互聯,以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測終端的網絡化、小型化和智能化,極大地提高水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的覆蓋度和實時性。

隨著精準靈敏的水生態(tài)感知技術、多源異構數據和設備融合技術、高速通信技術、高效數據智慧應用技術的不斷發(fā)展,水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯網技術在要素全面感知、數據高效處理和業(yè)務智慧應用方面的綜合效果將會得到進一步的提升,進而通過構建數字化、網絡化和智慧化的水生態(tài)環(huán)境物聯網監(jiān)測系統,實現“空天地”一體化的水生態(tài)環(huán)境質量實時遠程監(jiān)測和智能預警預報,為水生態(tài)環(huán)境管理提供覆蓋范圍更廣、類型更多樣的區(qū)域化監(jiān)測監(jiān)管手段。