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【应用】水质实时监测人工智能系统

发布人: 来源: 发布时间:2022-07-14 01:06:55


随着不断增长的全球经济不断增长的人口应对气候变化的影响,水质和可用性将面临巨大挑战。水质对人类发展和生态系统服务至关重要,为了保证适当的资源管理,需要低成本的水质监测系统。同时监测吸光度和荧光变化是在线和实时分析水质的有效方法。这项研究希望构建一个人工智能(AI)工具,以警告水质发生的变化,并研究这种系统在对水质变化的原因进行分类的效率。也就是说,不仅检测异常,而且指示异常的性质。

实验方法


传感器
matrixFlu 多参数荧光计,选择激发/发射波长:375/460 nm。
OPUS UV高光谱物质光度计,光谱范围:200~360 nm;
enviroFlu水中油荧光计,激发/发射波长:254/360 nm;


所有传感器都浸没在水箱中,水以每小时2~4个循环的补充速率连续流过。安装了三个小型潜水泵改善循环并防止气泡积聚在传感器镜头上。整个装置都覆盖着厚厚的黑色塑料盖,以避免周围的光线干扰。OPUS测量间隔1min,enviroFlu与matrixFlu测量间隔30s。我们将吸光度变异性Δ𝐴𝑏𝑠𝑜定义为在给定时间点测量的吸光度与整个数据收集期间的平均吸光度之间的差异。荧光变异性Δ𝐹𝑙是在给定时间点测量的荧光与整个数据收集期间的平均荧光之间的差异。


6种模型污染物:
6-氯烟酸(6CNA, CAS 5326-23-8)是新烟碱类杀虫剂吡虫啉和啶虫脒的降解产物。2-巯基苯并噻唑(MBT, CAS 149-30-4)是一种可能的致癌物,用于橡胶硫化,可能与饮用水接触,并可能来自与车辆轮胎磨损相关的污染。肌酐(CTN, CAS 60-27-5)与蛋白质代谢一起在人尿中排泄。它为尿液污染提供了极好的生物标志物。色氨酸(TPN,CAS 54-12-6)是一种氨基酸,存在于许多富含蛋白质的食物中。一些有机物也会发出与色氨酸相同波长的荧光。水中有机物的存在,如污水和农场废物,与“类色氨酸”荧光有关。芘(PYR, CAS 129-00-0)和苯并(a)芘(BAP, CAS 通过依次添加六种污染物中的每一种来测试检测水中异常的灵敏度。为了确保每种污染物的浓度稳定,在每次加标事件期间停止补充水,通过水族泵的连续运行始终保持水体流动(并因此混合)。在随后的峰值之前收集数据大约 10 分钟。为了消除数据中的多重共线性并促进分析过程,文章应用主成分分析(PCA)来降低维度。为了构建异常检测和识别系统,使用了 UV-vis 的五个主要 PCA 组件(占数据方差的99%)和两个荧光通道,系统依赖总共7个提取的变量进行异常检测。使用 scikit-learn实施多项逻辑回归(LR)来确定异常属于哪一类化学品。列出的六种模型污染物用来训练和测试模型。

实验结果


图1 两个选定的吸光度(顶部)和特定波长的两个荧光(底部)波长随时间的基线变化。浅蓝色显示原始数据,而深蓝色显示 10 分钟间隔内的数据平均值


图2 添加到饮用水中的六种物质的𝑆𝐴𝑏𝑠𝑜光谱,高(黑线)和低(蓝线)可检测浓度(𝜇𝑔 /L)。Δ𝐴𝑏𝑠𝑜的±𝜎的不确定性被叠加


图3 训练集中吸光度基线的前两个 PC 以及置信椭球


图4 基于测试集创建的合成时间序列异常估计器


图5 训练组中的前三个组件用于基线和三种非荧光污染物 6CNA、CTN 和 MBT


图6 使用六种感兴趣的污染物作为测试集中的信号进行异常识别的混淆矩阵


所有传感器都浸没在水箱中,水以每小时2~4个循环的补充速率连续流过。安装了三个小型潜水泵改善循环并防止气泡积聚在传感器镜头上。整个装置都覆盖着厚厚的黑色塑料盖,以避免周围的光线干扰。OPUS测量间隔1min,enviroFlu与matrixFlu测量间隔30s。我们将吸光度变异性Δ𝐴𝑏𝑠𝑜定义为在给定时间点测量的吸光度与整个数据收集期间的平均吸光度之间的差异。荧光变异性Δ𝐹𝑙是在给定时间点测量的荧光与整个数据收集期间的平均荧光之间的差异。


本研究中使用的光学传感器为检测各种有机物质提供了足够的灵敏度。通过延长用于定义“正态性”基线的时间范围和基线数据的数量,也可以获得额外的灵敏度增益。基线可变性将取决于应用领域和传感器的部署位置。它还可能显示季节性趋势或与天气或浊度等外部测量值相关。包含此类基线知识将提供异常检测的高灵敏度。一次识别几种添加的化合物是ML中的多标签分类问题。增强决策树 (BDT) 或神经网络(NN)分类器可用于异常识别系统来执行此任务。需要更多的研究来确定在这种情况下多个来源对异常检测和识别有效性的影响。多传感器系统可用于各种应用,包括河流监测、食品和工业过程用水,以及水被使用和再利用的各种其他领域。这种低成本的人工智能驱动系统可能是有价值的工具以促进对资源的充分管理。

相关传感器信息


OPUS UV高光谱物质光度计
OPUS是TriOS公司最新生产的光谱传感器,用于在线测量碳以及氮组分。通过光谱分析,OPUS可获得可靠的NO3-N数值、NO2-N数值、有机成分(CODeq、BODeq、DOCeq、TOCeq)以及一些其它参数。OPUS具有创新的TriOS G2接口,内置数据存储器,可通过浏览器实现快速简单地配置传感器。灵活的协议和数据输出使其便于与第三方控制系统以及外置数据存储器集成。搭配可选电池包,可实现移动应用。WIFI连接可使笔记本、平板电脑或者智能手机无需安装额外的应用软件或应用程序就能更方便地控制传感器。


OPUS UV高光谱物质光度计


OPUS 网页控制界面


OPUS 网页控制界面


enviroFlu 水中油荧光计 enviroFlu是新一代浸没式测量水中油的传感器。该传感器采用紫外荧光法,使得enviroFlu能追踪到ppb水平的PAH,包括饮用水与冷凝水冷凝物的检测。传感器可用于竖井固定测量、流线、管道以及手持式移动测量。采用创新型纳米涂层技术,可使光学镜头保持清洁,避免油膜污染,保证enviroFlu-HC 可以长期稳定的测量,几乎无需维护。根据需求,可以通过改变过滤器组合来满足某些特殊应用要求,例如为了解决单环芳香烃类(例如:苯, 二甲苯等)的水体污染物测量,特推出enviroFlu- BT(Benzene Tonune)传感器。这个传感器的开发,将能够检测人畜饮用水中的低浓度的单环芳香烃类(例如:苯, 二甲苯等),确保饮用水安全。


enviroFlu 水中油荧光计


matrixFlu 多参数荧光计 高端matrixFlu荧光计将多个用于荧光测量的激发和检测波长结合在单个设备中,设计紧凑。激发和检测通道的特殊光学装置不仅能测量单个参数,而且可以根据类型进行3×4或4×4矩阵波长组合。这样可以原位近似同步原位测量多种参数。MatrixFlu有2个基本版本,包括UV和VIS版本。UV版本主要设计用于检测PAH's(多环烃)、BTX(苯、甲苯、二甲苯)、CDOM(有色溶解有机物)和TRP(色氨酸)。而VIS版本针对藻类(蓝藻、绿藻类等)的在线检测以及扩展的FDOM检测。选用国家的最先进LED用于荧光激发。通过内部温度校正保证仪器测量值的稳定性。配备了具有网络浏览器配置,内部数据采集,灵活的协议和数据输出的创新Trios G2接口,MatrixFlu 广泛的用途大幅度超越了目前市场上的同类产品。先进的G2接口不仅可以确保快速集成到第三方系统,而且可以在较宽范围内匹配TriOS其他的设备配件。


atrixFlu-UV荧光计


matrixFlu-VIS荧光计


matrixFlu UV 参数设置


matrixFlu VIS 参数设置

TW Master系列自来水水质检测 S200 TUr 低量程浊度计 S200溶解臭氧分析仪 S200余氯&pH分析仪 eCHEM二氧化氯测量仪 NEPH清洁水体浊度传感器 STAC 水质在线预警系统 S200二氧化氯分析仪 RAMSES G2自容式高光谱辐射计 OPUS UV 深海硝酸盐测量仪 pHiDO 溶解氧&pH传感器 OPUS aero高浓度硝酸盐&亚硝酸盐测量仪 microFlu V2荧光计 microFlu-HC水中油荧光计 NICO plus增强硝酸盐测量仪 近海温盐深(CTD)及多参数监测系统 FastBallast 压载水合规监测系统 AlgaeROW藻华传感器 Fluo-Imager™ 三维光谱荧光指纹分析仪 UniLux 藻类荧光计 nanoFlu 微型荧光计 UV203紫外线辐射计 UV203/3水下紫外线辐射计 Q203量子PAR辐射计 PM203光功率计 L203 照度计 IMO-NTU浊度计 IMO-NTU-LPT浊度计 μSpec原位海洋光谱仪系列 SR9910-V7光谱仪 SC6-LPT后向散射仪 SC3/SC6后向散射仪 PAR光合有效辐射传感器 MS9多光谱传感器 MS9-LPT自容式多光谱传感器 DALEC走航式高光谱辐射测量系统 FastBallast压载水合规监测系统 水中二氧化碳传感器 V-Lux 多参数荧光计 enviroFlu-HC 水中油多环芳香烃(PAHs) 荧光计 NICO地表水硝酸盐测量仪 OPUS UV地表水硝酸盐及亚硝酸盐测量仪 地表水硝酸盐测量 LabSTAF 单周转活性叶绿素荧光计 110型水位水温计 120-LTC水位水质计 575 MP1读数表式水位水质计 575-LTC读数表式水位水质计 S200在线数字控制器 S200余氯&pH分析仪 S200溶解臭氧分析仪 S200二氧化氯分析仪 S200 TUr 低量程浊度计 BABYNOX固定式采样器 AQUITOP壁挂式采样器 AQUINOX固定式采样器 AQUIBOX便携式采样器 AQUIFROID便携式制冷采样器 TRIPOD水质多参数传感器 Skidsens污垢监测仪 【安装作业】太湖漫山站水面辐射自动云台测量系统 UV254 SAC254 SUVA在废水监测中应用 内部比较WISP-3和其他的辐射计(TriOS Ramses, ASD FieldSpec, and TACCS) WALRUS高光谱浮标式辐射计测量方法 水体光学特性测量在环境领域的应用 2009-2011年度hydroscat后向散射发表文献节选 Hydroscat6用于我国东海和黄海总悬浮颗粒物反演 Hydroscat-6用于我国东海和黄海固有光学特性研究 HydroScat 后向散射仪文献目录 HydroRad水下光谱仪已发表文献 归一化离水辐射率和遥感反射率的测量 光散射、光吸收和光衰减 一类水体与二类水体 水体表观光学特性AOP与固有光学特性IOP 辐照度(Irradiance)和辐亮度(Radiance) 浊度基本概念及浊度传感器原理 溢油监测中各种油类基础概念 英国CTG公司藻类初级生产力及水质传感器应用 地下水及地下水污染 英国地质研究所使用UviLux荧光计评估地下水污染及风险因素 UviLux在利菲河下游河口检测碳氢化合物含量 船舶废气清洁系统EGC(Exhaust Gas Cleaning) 海洋初级生产力,海洋原始生产力 石油污染与持久性有机污染物 POPs 持久性有机污染物 Persistent Organic Pollutants,POPs) FLS-A 荧光激光雷达溢油监测文献 国外WQM长期定点观测应用 CYCLE-PO4测量数据图形 地下水污染防治难在何处 【应用】水质实时监测人工智能系统 近海温盐深(CTD)及多参数监测系统 深海高分辨率原位监测硝酸盐:OPUS 光学传感器 【介绍】剖面法测量水下高光谱 【产品】船载移动式水面之上法遥感反射率测量设备介绍 【科普】测电导率在水环境监测中的重要作用 【资讯】水质监测如何促进可持续发展和实现"水产养殖4.0" 【实验】OPUS 硝酸盐/亚硝酸盐测量应用案例 【科普】叶绿素荧光传感器原理 【实验】海洋酸化和太阳辐射强度变化对浮游植物影响 【实验】摩洛哥农业区地下水理化参数分析及水质影响因素 第四届全国海洋光学高峰论坛于杭州顺利召开 防汛减灾测报“利器” 对抗暴雨袭击 第12届中国水文水资源技术与装备展(奕枫)精彩回顾 第12届中国水文水资源技术与装备展(奕枫)精彩回顾 PSICAM点光源积分腔吸收计 QFT-ICAM定量过滤技术积分腔吸收计 【安装作业】太湖漫山站水面辐射自动云台测量系统 中国海洋湖沼学会藻类学分会换届大会暨第二十次学术讨论 中国海洋湖沼学会藻类学分会换届大会暨第二十次学术讨论 2019青岛国际海洋科技展圆满落幕—奕枫仪器应邀参展 2019青岛国际海洋科技展圆满落幕—奕枫仪器应邀参展 奕枫仪器发布手持式船载水面之上法光谱测量系统 奕枫仪器仪器租赁业务正式启动 奕枫仪器受邀参加“第三届全国海洋光学高峰论坛” 奕枫仪器应邀再次访问欧洲仪器生产商 奕枫仪器在18届水色遥感大会发布新产品剖面光谱仪 奕枫仪器应邀参加第三届生物气溶胶国际研讨会 奕枫仪器研发的首款剖面光谱仪海试成功 美国WETLabs公司总裁CASEY MOORE先生到访奕枫仪器 奕枫仪器访问英国AQUAread公司 切尔西科技集团对奕枫仪器进行友好访问 切尔西科技集团对奕枫仪器进行友好访问 奕枫仪器应邀赴英国参加Ocean Business 2015及AQE 2015 奕枫仪器应邀赴英国参加Ocean Business 2015及AQE 2015 德国TriOS创新性将紫外LED技术用于监测COD BOD TOC 德国TriOS创新性将紫外LED技术用于监测COD BOD TOC 奕枫仪器应邀访问德国TriOS公司并正式签署代理协议 奕枫仪器应邀访问德国TriOS公司并正式签署代理协议 CTG FastOcean FRRf 在藻类初级生产力领域的又一个伟大的一年 CTG FastOcean FRRf 在藻类初级生产力领域的又一个伟大的一年 德国TriOS公司销售总裁Mr. Uwe Voith到访奕枫仪器 德国TriOS公司销售总裁Mr. Uwe Voith到访奕枫仪器 德国TriOS公司销售总裁Mr. Uwe Voith到访奕枫仪器 CTG FastOcean FRRf 在藻类初级生产力领域的又一个伟大的一年 enviroFlu-BT单环芳香烃类传感器在德国TriOS公司问世 enviroFlu HC 水中油传感器获船级社DNV GL认证符合规范MEPC.184(59) 德国TriOS公司宣布:nanoFlu系列荧光计取代microFlu系列 奕枫仪器应邀访问德国TriOS公司并正式签署代理协议 德国TriOS创新性将紫外LED技术用于监测COD BOD TOC 奕枫仪器应邀参加2016上海国际海洋技术与工程设备展览会 第16届水色遥感研讨会交流奕枫发布原位初级生产力测量方案 奕枫仪器应邀参加第四届溢油应急国际研讨会暨展览会 奕枫仪器应邀参加2014中国环境科学学会学术年会产品推介会 奕枫仪器从2014中国环博会IE expo凯旋归来 奕枫仪器应邀参展Oceanology International China 2013 奕枫仪器参加中国环博会IE expo 2013 CTG最新压载水监测仪参展美国第三届压载水管理峰会 FastOcean研究光合作用在海洋环境中的作用 澳大利亚科学家使用FastOcean系统监测近岸海洋“健康”