吳琳琳,侯 嵩,孫善偉,樊境樸,吳榮山,錢維林,徐 建

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與研究中心,北京 100012

2.感知物聯(lián)網(wǎng)研究院,江蘇 無錫 214028

物聯(lián)網(wǎng)是通過感知設(shè)備,按照約定協(xié)議,連接物、人和信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體世界和虛擬世界的信息進(jìn)行處理并做出反應(yīng)的智能服務(wù)系統(tǒng)[1-2]。1999 年,美國(guó)麻省理工學(xué)院首次提出“Internet of Things”(IoT) 的概念,主張將射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來,通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息在全球范圍內(nèi)的識(shí)別和管理[3]。 2009 年,美國(guó)批準(zhǔn)實(shí)施了“智慧地球”項(xiàng)目。 由此,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引起了世界各國(guó)的重視,并開始廣泛應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng) 域。 同 年 6 月, 歐 盟 委 員 會(huì)( European Commission,EC)發(fā)布了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》(Internet of Things—An Action Plan for Europe),成為全球首個(gè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。 我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)研究起步也較早。 1999 年,中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展了早期研究。 2009 年,我國(guó)在無錫建立了“感知中國(guó)”中心,加快了我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從研發(fā)走向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。 同時(shí),在通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)等方面取得的重大進(jìn)展,以及主導(dǎo)、參與的多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定,使得我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平整體處在了世界前列。

《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃綱要(2020—2035 年)》提出,地表水監(jiān)測(cè)要“逐步實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)向水生態(tài)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變”,“監(jiān)測(cè)手段從傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)向天地一體、自動(dòng)智能、科學(xué)精細(xì)、集成聯(lián)動(dòng)的方向發(fā)展”。 隨著傳感技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步,基于物聯(lián)網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全方位、實(shí)時(shí)、高效的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),為水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管提供新的技術(shù)方法。

1 水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)概述

1.1 水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)發(fā)展概況

20 世紀(jì)70 年代中期,隨著美國(guó)國(guó)家環(huán)保局的成立,美國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)開始向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化方向全面過渡。 監(jiān)測(cè)儀器方面,各種大型分析儀器向自動(dòng)化、現(xiàn)代化方向快速發(fā)展;監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)方面,在全國(guó)范圍內(nèi)建立了覆蓋各大水系的上千個(gè)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn),可隨時(shí)對(duì)水溫、pH、濁度、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總有機(jī)碳等指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)[4]。 20 世紀(jì)80 年代以后,美國(guó)逐步形成了完善的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系,更加注重對(duì)新型監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備的研發(fā),在高性能傳感器方面取得了重要進(jìn)展。 同時(shí),基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)施了“哈德森河水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目”“哥倫比亞河口觀測(cè)項(xiàng)目”“MARVIN 富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)項(xiàng)目”等地表水環(huán)境管理項(xiàng)目,通過廣泛、連續(xù)、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)河流水力、水質(zhì)和生態(tài)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了對(duì)河流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 歐洲、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家則建立了涵蓋信息收集、決策和呈現(xiàn)3 個(gè)層面的水質(zhì)管理和預(yù)警系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流、湖泊水質(zhì)狀況[5]。

20 世紀(jì)80 年代后期,我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)水環(huán)境開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。環(huán)保領(lǐng)域由此成為我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用最早的領(lǐng)域之一。 2013 年,國(guó)內(nèi)成功研制了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、色度、濁度、pH、懸浮物、溶解氧、化學(xué)需氧量,以及酚、氰、砷、鉛、鉻、鎘、汞等86 項(xiàng)參數(shù)的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè),標(biāo)志著我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。 在長(zhǎng)江流域,通過構(gòu)建將多個(gè)異構(gòu)傳感器有機(jī)互聯(lián)的復(fù)雜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),從不同維度進(jìn)行信息采集,利用協(xié)同觀測(cè)、多傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)同化與信息融合、數(shù)據(jù)采集與服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源、環(huán)境災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),極大地拓展了水環(huán)境監(jiān)測(cè)的時(shí)空連續(xù)性[6]。 在太湖流域,構(gòu)建了包括水質(zhì)固定自動(dòng)站監(jiān)測(cè)、水質(zhì)浮標(biāo)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)、藍(lán)藻視頻監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)手段的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太湖水生態(tài)環(huán)境的立體、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警[7]。 截至“十三五”末,我國(guó)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(kù)湖體及環(huán)湖河流、國(guó)界河流及出入境河流等建設(shè)了1 794 個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站,以物聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)構(gòu)建了覆蓋31 個(gè)省級(jí)行政區(qū)、七大流域的國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

1.2 水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)組成

水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)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(cè)數(shù)據(jù)傳輸、水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用3 部分組成,形成了從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理到智慧化應(yīng)用的技術(shù)鏈條,可實(shí)現(xiàn)對(duì)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的全面智能化監(jiān)測(cè)和綜合展示(圖1)。 隨著監(jiān)測(cè)方法、數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù)等的快速發(fā)展,水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)的內(nèi)容組成可得到不斷豐富,能夠?yàn)榱饔虺叨人鷳B(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)的開展提供技術(shù)支撐,可有效提升水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、管理決策的信息化水平[8-11]。

圖1 水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)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(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水生態(tài)環(huán)境感知技術(shù)

2.1.1 水生態(tài)環(huán)境感知傳感器技術(shù)

感知層作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系的基礎(chǔ)層,其主要功能是通過傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取環(huán)境信息[8]。 水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)感知層主要由搭載各類傳感器的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備構(gòu)成。 “十一五”至“十三五”期間,通過各項(xiàng)科研攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的實(shí)施,國(guó)產(chǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝備在檢測(cè)性能及功能方面有了很大的提升,部分國(guó)產(chǎn)設(shè)備的綜合性能已趕超進(jìn)口儀器,自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成、設(shè)備管理平臺(tái)開發(fā)等方面的研究也取得了重要進(jìn)展。 但對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心部件——傳感器,與國(guó)外研發(fā)水平相比,仍存在差距,仍需對(duì)關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)。

水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器主要分為化學(xué)傳感器、物理傳感器和生物傳感器3 種。 化學(xué)傳感器的測(cè)量周期長(zhǎng),需要定期進(jìn)行人工維護(hù),且添加的有毒化學(xué)物質(zhì)會(huì)造成水體二次污染。 物理傳感器多采用光學(xué)或電化學(xué)方法,可以在數(shù)秒內(nèi)完成整個(gè)測(cè)量流程,不需要添加試劑。 隨著精度、穩(wěn)定性和壽命的進(jìn)一步提高,物理傳感器被廣泛應(yīng)用于水體pH、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、重金屬、有機(jī)物和氮磷等指標(biāo)的測(cè)定。 生物傳感器直接利用生物和待檢測(cè)物之間的相互作用來產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào),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?qū)崿F(xiàn)對(duì)水體生化需氧量[13]、重金屬[14]、有機(jī)物[15-16]等指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè),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(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

此外,基于數(shù)字全息的顯微成像技術(shù)采用圖像傳感器識(shí)別水體中的微小生物及其狀態(tài),可為實(shí)時(shí)在線反映水生態(tài)狀況提供新的技術(shù)手段[17];基于新型水生態(tài)環(huán)境核心傳感器與自動(dòng)測(cè)量、控制等技術(shù)的高度集成開發(fā)出的一系列適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)集成技術(shù)及設(shè)備,可為我國(guó)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(shù)

2.1.2.1 自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

水生態(tài)環(huán)境自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括固定式、浮標(biāo)式和小型移動(dòng)式3 種集成形式[18-19](表1)。

表1 典型水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)Table 1 Characteristics of typical automatic monitoring systems of water quality

固定式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般是指建設(shè)在固定房屋內(nèi)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。 其儀器設(shè)備種類較多,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較好,但占地面積大,建設(shè)和維護(hù)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(diǎn)位的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。 固定站內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)儀器可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸,此外,亦可采用人工方式讀取和記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)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(shù)、重金屬、葉綠素a、藍(lán)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(bào)警等。 目前,同一水源的固定式自動(dòng)監(jiān)測(cè)站存在監(jiān)測(cè)范圍小、數(shù)量少、位置固定等缺點(diǎn),難以全面反映水質(zhì)狀況,故主要適用于河流斷面考核監(jiān)測(cè)、出入境斷面監(jiān)測(cè)、重要點(diǎn)位監(jiān)測(cè)。

浮標(biāo)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖2)是由浮標(biāo)、維護(hù)平臺(tái)、傳感器組、通信設(shè)備、供電系統(tǒng)、錨系等組成的自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(zhǔn)確地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),抗環(huán)境干擾能力較強(qiáng)。浮標(biāo)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用電極和光譜等方法獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[20-22],監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、硝酸鹽氮、葉綠素a、藍(lán)綠藻等。 該系統(tǒng)適用于水面面積大、難以建設(shè)觀測(cè)站點(diǎn)、不易采用常規(guī)河道監(jiān)測(cè)手段、需要快速開展污染監(jiān)測(cè)和預(yù)警的水域,如近海、水庫(kù)、湖泊、濕地、水源地等。

圖2 浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Buoy-type water quality monitoring system

小型移動(dòng)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖3)是通過可移動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)不同水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 其監(jiān)測(cè)區(qū)域靈活,設(shè)備集成度高,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。 因具備占地面積小和投資較少的特點(diǎn),其主要適用于市內(nèi)小型河流、景觀河流和部分典型污染河流[23]。 由于移動(dòng)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的內(nèi)部空間有限,故以常規(guī)五項(xiàng)參數(shù)、氨氮和化學(xué)需氧量等指標(biāo)的電極法或光度法檢測(cè)儀器為主。 隨著水質(zhì)快速檢測(cè)方法的發(fā)展,高性能的小型移動(dòng)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生化需氧量、總磷、總氮、葉綠素a 等11 個(gè)參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),且占地面積不超過1 m2。 其中,化學(xué)需氧量的測(cè)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(cè)方法校準(zhǔn)簡(jiǎn)便,無需更換試劑,但較易受水質(zhì)干擾。

圖3 小型移動(dòng)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Small mobile online monitoring system of water quality

2.1.2.2 應(yīng)急快速監(jiān)測(cè)技術(shù)

突發(fā)性水環(huán)境污染事故發(fā)生后,需對(duì)水生態(tài)環(huán)境的受污染程度和范圍進(jìn)行應(yīng)急快速監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備、移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和水生生物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

基于光學(xué)、電化學(xué)、色譜、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等原理和技術(shù)開發(fā)出的便攜式監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的種類多樣,其特點(diǎn)是體積小、攜帶方便,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)快速定性和定量分析多種常規(guī)水質(zhì)指標(biāo),以及檢測(cè)未知污染物的需求[24]。

移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)車和監(jiān)測(cè)船兩類。 應(yīng)急監(jiān)測(cè)車配備獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室工作系統(tǒng),具備現(xiàn)場(chǎng)快速分析、數(shù)據(jù)處理和通信傳輸?shù)墓δ?適用于野外現(xiàn)場(chǎng)采樣、存儲(chǔ)和分析。 應(yīng)急監(jiān)測(cè)船是在水面完成現(xiàn)場(chǎng)采樣和分析的平臺(tái),由船體、船載流動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、便攜式應(yīng)急監(jiān)測(cè)儀器和應(yīng)急防護(hù)設(shè)施等組成,具備移動(dòng)監(jiān)測(cè)、水上實(shí)驗(yàn)、快速預(yù)警等功能,可機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)轄區(qū)內(nèi)的水質(zhì)狀況。

水生生物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可直接反映突發(fā)環(huán)境事件對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,主要分為基于生物行為變化的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(如攝像示蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[25]和四極阻抗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[26])和基于生物生理變化的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(如發(fā)光菌在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[27]和藻類熒光分析系統(tǒng)[28])兩大類。 其檢測(cè)原理是通過傳感器探測(cè)生物生理指標(biāo)和行為強(qiáng)度的變化,或通過攝像技術(shù)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(yīng)急監(jiān)測(cè)提供技術(shù)手段。

2.1.2.3 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

遙感監(jiān)測(cè)是根據(jù)水體中不同物質(zhì)的折射率反饋物質(zhì)的組成和含量,可對(duì)水體中的懸浮物質(zhì)、葉綠素a,以及水體透明度、熱污染、石油污染等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[29]。 無人機(jī)遙感技術(shù)主要包括遙感傳感技術(shù)、影像拼接技術(shù)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸存儲(chǔ)技術(shù)。相對(duì)于衛(wèi)星遙感,無人機(jī)遙感的航線可自主規(guī)劃,且作業(yè)簡(jiǎn)單、易于操作,可搭載多類型高精度傳感器,影像分辨率可達(dá)厘米級(jí),適用于小范圍、高分辨率遙感數(shù)據(jù)的即時(shí)獲取[30-31],主要從宏觀上觀測(cè)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(cè)范圍大、資料獲取方便、圖像處理和解譯容易等特點(diǎn),能夠?qū)Υ蠓秶w水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 其中:高光譜遙感能夠捕捉水體的精細(xì)光譜特征,但同時(shí)也存在掃描幅寬較窄、重訪周期較長(zhǎng)、不利于大范圍監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)等局限性;多光譜遙感因波段數(shù)量少且光譜范圍寬,無法獲取內(nèi)陸水體的細(xì)微光譜特征,但具有數(shù)據(jù)源多、數(shù)據(jù)易獲取、成像幅寬大和重訪周期短等優(yōu)勢(shì)。 在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中,主要利用衛(wèi)星遙感開展藍(lán)藻水華反演、懸浮物濃度反演,以及黑臭水體識(shí)別等[35-38]。

2.2 水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)傳輸層是將傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的水生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的類型

有線傳輸方式在互聯(lián)網(wǎng)和政府專網(wǎng)均有應(yīng)用,主要通過光纖、以太網(wǎng)等有形媒質(zhì)傳送信息,且多用于傳統(tǒng)的固定式監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。 有線傳輸方式需要施工安裝,對(duì)于老舊監(jiān)測(cè)設(shè)備而言,其改造成本較高,而移動(dòng)數(shù)據(jù)的獲取成本在逐年降低,因此,越來越多的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采取無線傳輸?shù)姆绞絹斫档褪┕?fù)雜度。 盡管如此,有線傳輸在兩個(gè)方面仍然具備明顯的優(yōu)勢(shì)[39]:第一個(gè)方面是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量傳輸時(shí)更加明顯。 第二個(gè)方面是專網(wǎng)傳輸。 有線傳輸方式很容易實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)部署和數(shù)據(jù)隔離,且成本低廉。 無線傳輸方式雖然可以通過LoRa 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)專網(wǎng),但部署復(fù)雜且成本較高。

無線傳輸方式分為無線局域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)兩大類。 其中,無線局域網(wǎng)主要包括Wi-Fi、藍(lán)牙和ZigBee 等方式,無線廣域網(wǎng)主要包括2G/4G/5G、LoRa、NB-IoT 等方式(表2)。 新型無線傳輸技術(shù)能夠覆蓋更廣闊的區(qū)域,適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境,尤其是近年來低功耗無線傳輸技術(shù)的快速發(fā)展,使其在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有更好的應(yīng)用前景[40]。 在無線局域網(wǎng)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(wǎng);與Wi-Fi 相比,藍(lán)牙的安全性相對(duì)較高,但傳輸速度過慢,適合短時(shí)、近距離組網(wǎng);ZigBee 功耗較低,同時(shí)具有多跳、自組織的特點(diǎn),容易擴(kuò)展傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)特點(diǎn)Table 2 Technical characteristics of typical wireless transmission mode

在無線廣域網(wǎng)中,低功率廣域網(wǎng)絡(luò)因具備功耗和運(yùn)營(yíng)成本低、節(jié)點(diǎn)容量大等優(yōu)點(diǎn),而得到了快速應(yīng)用[42-43],主要以LoRa 和NB-IoT 為代表。 其中:LoRa 功耗低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng),適用于低成本、大數(shù)量連接;NB-IoT 安全性較高,適用于超大數(shù)量連接[44]。 4G、5G 移動(dòng)通信技術(shù)使以圖像、音頻為代表的大文件傳輸成為現(xiàn)實(shí),進(jìn)一步擴(kuò)充了信息的維度。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星遙感的集成技術(shù),則充分發(fā)揮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取局部地面信息的翔實(shí)性,以及遙感技術(shù)獲取大面積環(huán)境信息的方便性[45-46]。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的選擇

水生態(tài)環(huán)境感知儀器設(shè)備的類型多樣,且其項(xiàng)目應(yīng)用通常涉及地理范圍廣、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行效率要求高等情況,因而需根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求和現(xiàn)場(chǎng)情況,綜合考慮儀器設(shè)備功耗、人員值守、數(shù)據(jù)流量等因素,進(jìn)而選擇高效、穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。 表3 總結(jié)了主要水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備適用的物聯(lián)網(wǎng)傳輸方式。 可見,無線傳輸方式可在構(gòu)建廣域、靈活的水生態(tài)環(huán)境日常監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

表3 水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)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(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)

在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中,保障所獲取數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性和完整性,是后續(xù)實(shí)際應(yīng)用的重要前提。 數(shù)據(jù)傳輸安全是指在源頭采集到的數(shù)據(jù)能夠安全、可靠、穩(wěn)定地傳輸?shù)皆贫?包括數(shù)據(jù)傳輸鏈路安全、數(shù)據(jù)內(nèi)容安全、數(shù)據(jù)完整性保證3 個(gè)方面。

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

早期受到前端感知設(shè)備芯片性能的限制,不能對(duì)直接采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密,無法保障數(shù)據(jù)內(nèi)容的安全性。 后期隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展,在采集設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard,AES)等對(duì)稱加密技術(shù)來保障數(shù)據(jù)內(nèi)容的安全。 目前常采用AES128 或AES256 技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密。

對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遇到的斷網(wǎng)、延遲等各種問題,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基于良好的確認(rèn)和重發(fā)機(jī)制,能夠保證每個(gè)數(shù)據(jù)片段不丟失、不亂序,使數(shù)據(jù)最大限度地安全到達(dá)云端,保證數(shù)據(jù)的完整性。 但同時(shí),確認(rèn)和重發(fā)機(jī)制可能會(huì)影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和并發(fā)量,需要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景找到最佳平衡點(diǎn)。

2.3 水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)智慧應(yīng)用技術(shù)

水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層主要包括數(shù)據(jù)展示、智能決策等方面。

數(shù)據(jù)展示是水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中最基礎(chǔ)的應(yīng)用。 通過良好的人機(jī)交互,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目、設(shè)備和數(shù)據(jù)的快速查找、分類、聚合、對(duì)比,也包括對(duì)各種數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出,方便二次加工。 在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期,數(shù)據(jù)展示功能需要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。 隨著DataV、EChart 等數(shù)據(jù)展示中間件技術(shù)的開發(fā),目前,70%～80%的數(shù)據(jù)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(cè)物聯(lián)網(wǎng)通過對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)并關(guān)聯(lián)動(dòng)作,自動(dòng)完成簡(jiǎn)單的智能決策和執(zhí)行。 例如,通過設(shè)定水質(zhì)參數(shù)閾值,實(shí)現(xiàn)水環(huán)境狀況預(yù)警預(yù)報(bào)。 隨著水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理精細(xì)化和智能化需求的不斷提高,研究人員開始將更高級(jí)的行業(yè)算法融入智能決策,通過對(duì)數(shù)據(jù)的深度處理,依據(jù)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行決策判斷,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水生態(tài)環(huán)境狀況的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)判[48-49]。 通常,行業(yè)算法會(huì)作為一個(gè)獨(dú)立的功能模塊嵌入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流,使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更加通用。 將不同的應(yīng)用嵌入不同的算法模塊,即可實(shí)現(xiàn)深度智能決策。例如,有研究利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Networks,DNN)及集成學(xué)習(xí)算法XGBoost 實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉綠素a 的回歸預(yù)測(cè),根據(jù)葉綠素a 的濃度來反映和預(yù)測(cè)間隔1 天的水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況,有效滿足了水環(huán)境治理的時(shí)效性要求[48]。

3 水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)在環(huán)境管理中的應(yīng)用

基于感知層和傳輸層構(gòu)建的水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可通過業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和智慧化應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)水生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警、水生態(tài)環(huán)境治理效能管理等功能,以提升我國(guó)水生態(tài)環(huán)境管理能力。

3.1 水生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警

采用基于傳感器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用終端構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)河湖水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警,是物聯(lián)網(wǎng)在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中最基礎(chǔ)的應(yīng)用模式。 張娜等[49]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),顯著提高了系統(tǒng)的采樣精度,并解決了定時(shí)定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)耗費(fèi)大量人力物力的問題。 楊一博等[42]采用LoRa 搭建河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案,能同時(shí)滿足低功耗與廣覆蓋兩方面需求,可實(shí)現(xiàn)對(duì)大流域面積水體水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),有助于改善偏僻地區(qū)流域水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化管理。 李濤等[50]采用LoRa 通信技術(shù)建立了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的水上環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)由移動(dòng)感知終端、傳感網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用客戶端3 部分組成,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)中小型水域污染情況的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。 姚躍[51]針對(duì)上海市金山區(qū)開發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)以新型浮標(biāo)為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,用于監(jiān)測(cè)主要河道的水質(zhì)。 丹江口庫(kù)區(qū)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),在點(diǎn)、線、面源的適當(dāng)位置安裝各種水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備,通過多種有線和無線方式與監(jiān)控中心的通信服務(wù)器相連,實(shí)現(xiàn)了24 h 在線實(shí)時(shí)通信,用以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水量調(diào)配等應(yīng)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(lián)網(wǎng)技術(shù),對(duì)遙感水質(zhì)參數(shù)的定量反演方法、中程無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和藻類水華預(yù)測(cè)預(yù)警模型進(jìn)行了改進(jìn),開發(fā)出了太湖藍(lán)藻預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。 運(yùn)行結(jié)果顯示,該平臺(tái)對(duì)未來3 天藍(lán)藻水華的平均預(yù)測(cè)精度超過80%。

3.2 水生態(tài)環(huán)境治理效能管理

將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于水環(huán)境治理過程,有助于加強(qiáng)對(duì)水體治理效果的維護(hù)和管理,可有效防控潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。 在北運(yùn)河香河段水環(huán)境治理工程中,路倩倩等[54]構(gòu)建了北運(yùn)河香河段生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)管理體系框架,建成了多個(gè)生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng),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(shí)發(fā)現(xiàn)污染威脅,防控整治過程中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),促進(jìn)多方參與到流域管理工作中來。 王連強(qiáng)等[55]提出將物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)應(yīng)用于水生態(tài)環(huán)境整治過程,以實(shí)現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境治理過程的多參數(shù)監(jiān)測(cè)、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(xiàng)目的設(shè)計(jì)中,采用“全流域聯(lián)動(dòng)聯(lián)調(diào)智能動(dòng)態(tài)管理”理念,通過智能設(shè)備實(shí)時(shí)感知水環(huán)境狀態(tài)、采集水務(wù)信息,并基于統(tǒng)一融合的公共管理平臺(tái),以更加精細(xì)、動(dòng)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(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展前景

在感知技術(shù)方面,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的前端感知設(shè)備是開展環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)源,也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件,感知終端的精度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。 與進(jìn)口設(shè)備相比,國(guó)產(chǎn)儀器在精度、準(zhǔn)確度方面仍然存在差距[57],仍需繼續(xù)開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。 此外,隨著“三水統(tǒng)籌”管理理念的提出,水生態(tài)相關(guān)的感知設(shè)備,如藻類、浮游生物在線監(jiān)測(cè)儀器等,也將成為監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用的重要方向。

在通信技術(shù)方面,現(xiàn)有的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)存在數(shù)據(jù)傳輸速率慢且時(shí)延高、數(shù)據(jù)處理效率低、數(shù)據(jù)挖掘深度不足等缺點(diǎn),越來越難以滿足規(guī)模日益增長(zhǎng)且要求日益提高的監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的需求[58]。 未來,5G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用將推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。 基于5G 的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全景、全數(shù)據(jù)回傳,保障數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精確分析和智能處理;可以實(shí)現(xiàn)泛在互聯(lián),以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)終端的網(wǎng)絡(luò)化、小型化和智能化,極大地提高水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的覆蓋度和實(shí)時(shí)性。

隨著精準(zhǔn)靈敏的水生態(tài)感知技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)和設(shè)備融合技術(shù)、高速通信技術(shù)、高效數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展,水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在要素全面感知、數(shù)據(jù)高效處理和業(yè)務(wù)智慧應(yīng)用方面的綜合效果將會(huì)得到進(jìn)一步的提升,進(jìn)而通過構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智慧化的水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“空天地”一體化的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和智能預(yù)警預(yù)報(bào),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(cè)監(jiān)管手段。