南水北調(diào)中線工程給北京帶來清澈、甘冽的水源,在千里跋涉的輸水路途中,一些水藻也偷偷隨著“南水”進京。今年8月份,在位于北京北五環(huán)外的一家水廠“前哨”位置,北京市水科院的專家在這里布設(shè)了第一臺藻“臉”識別自動監(jiān)測設(shè)備,這也是中國自主研發(fā)的藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備首次用于供水安全保障。自動監(jiān)測設(shè)備的加入,讓藻類監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取時間從曾經(jīng)的48小時大幅縮短至20分鐘。
一間超級微縮版的“實驗室”
截至目前,北京共有14家水廠接納“南水”,經(jīng)過水廠嚴格的處理工藝,“南水”隨著供水管網(wǎng)進入千家萬戶,北五環(huán)外的這家水廠便是14家水廠之一,這臺藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備就布設(shè)在這家水廠的水處理車間內(nèi)。從外觀上看,它其貌不揚,方方正正的外觀,設(shè)備正面裝有監(jiān)測顯示屏,設(shè)備下方幾根插入水廠“南水”中的水管顯示出它的獨特作用。
在藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備研發(fā)之前,藻類監(jiān)測主要以人工為主,工作人員取水樣后,帶回實驗室,經(jīng)過一系列的技術(shù)方法,工作人員在顯微鏡下用肉眼數(shù)樣品中藻類的數(shù)量和種類。北京市水科學(xué)技術(shù)研究院城市水生態(tài)環(huán)境研究所高級工程師張蕾告訴記者,這臺藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備好比一間微縮的實驗室。水管自動抽取水樣后,進入設(shè)備中的小水箱進行定量,然后模擬實驗室檢測環(huán)節(jié)中的水樣濃縮過程,將水樣濃縮至一定量之后,再進行圖像采集,相當于給藻“拍照”。藻“臉”圖片傳輸至后臺后,和數(shù)據(jù)庫中的藻類圖像進行對比,自動識別是哪種藻,并分析相應(yīng)結(jié)果。這些數(shù)據(jù)最后會返回設(shè)備的顯示屏,后臺系統(tǒng)也能同步讀取。
張蕾介紹,如果用人工的方式,往往需要至少48小時才能獲取藻類數(shù)據(jù),但是這臺設(shè)備僅用20分鐘就可以完成監(jiān)測并且反饋數(shù)據(jù)。
自動監(jiān)測設(shè)備可迅速為水廠提供相應(yīng)數(shù)據(jù)
首臺藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備為何要布設(shè)在水廠“前哨”?北京市水務(wù)局供水管理處二級主任科員湯瀟介紹,“南水”由明渠進入北京,呈現(xiàn)出夏季高溫高藻,冬季低溫低濁的特點,因此在夏季重點監(jiān)測藻類的變化非常重要。作為監(jiān)測預(yù)警,對于水廠來說,如果能夠盡快獲取藻類的變化數(shù)據(jù),就能及時調(diào)整水廠運行的工藝,多級屏障確保市民飲水安全。
目前“南水”水廠出水水質(zhì)如何?湯瀟介紹,南水北調(diào)中線工程沿線設(shè)有水質(zhì)監(jiān)測中心,目前水質(zhì)數(shù)據(jù)已實現(xiàn)共享。此外,北京所有接納“南水”的水廠都實現(xiàn)了100%的深度處理工藝,在制水過程中采用活性炭吸附、臭氧消毒、膜過濾等國際先進的水處理工藝,使各環(huán)節(jié)水質(zhì)全部符合國家生活飲用水衛(wèi)生標準要求。以濁度為例,國標出廠水要求為不高于1NTU,北京市自來水集團控制指標為不高于0.3NTU;地表水廠硬度一般可以控制在150mg/L以下。
對話:希望將藻類AI自動監(jiān)測納入北京智慧水務(wù)建設(shè)
新京報:為何要研發(fā)藻類的自動監(jiān)測設(shè)備?
張蕾:之前我們開展藻類監(jiān)測以人工監(jiān)測為主,首先取水樣,然后在實驗室進行48小時的前處理,最后進行人工計數(shù),也就是說用肉眼通過顯微鏡數(shù)有多少種藻類。所以,這種方法從取樣到最后得到藻類密度的周期比較長。
這么長的周期不足以支撐相關(guān)部門做出決策,因為有很多應(yīng)急事件處置時間非常短,數(shù)據(jù)跟不上,就會影響到?jīng)Q策的制定。另一方面,人工識別藻類的培訓(xùn)周期很長,而且這方面的專家特別少,所以工作人員想快速、全面地掌握藻類識別挺不容易的。
基于這兩方面的原因,我們考慮通過類似于人臉識別的方式,對藻也進行自動識別,構(gòu)建藻類數(shù)據(jù)庫。此前,北京水文總站監(jiān)測到的藻類有300多種,如果我們一開始就在自動監(jiān)測設(shè)備中建立那么龐大的數(shù)據(jù)庫,相對來說比較困難,所以我們首先選擇了在北京常見的26種藻進行一期數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建,未來還會不斷擴充。
新京報:為什么要進行藻類監(jiān)測?
張蕾:藻會影響水生態(tài),最常見的情況是河湖中藻突然增多,水華現(xiàn)象就比較明顯。近幾年,隨著北京水資源調(diào)度,水華現(xiàn)象明顯減少。從供水的角度來看,“南水”進京后,我們十分關(guān)注藻的影響。因為在南水北調(diào)過程中,輸水距離很長,這種渠道環(huán)境適合藻的生長,有可能會影響到水廠水處理的工藝。
因為藻非常小,它們只有聚集起來才能夠看到明顯的變化,所以水生態(tài)環(huán)境很多時候只有出現(xiàn)問題了才會被發(fā)現(xiàn)。如果我們能夠?qū)崟r掌握藻類數(shù)據(jù),就能進一步挖掘藻的密度與哪些指標的關(guān)聯(lián)性更大。比如,藻如果與氣溫的關(guān)聯(lián)比較大,那么我們通過天氣預(yù)報就可以預(yù)測未來幾天可能是藻類生長的活躍期,水廠就可以提前調(diào)整水處理工藝來應(yīng)對。
新京報:近年來,北京藻類有何變化?
張蕾:前幾年,我們在密云水庫做過藻類的變化分析?!澳纤边M京后,輸送來的硅藻偏多,而且硅藻比其他藻的顆粒大。目前,硅藻已成為北京的優(yōu)勢種,也是我們重點關(guān)注的對象。
新京報:第一臺設(shè)備為什么選擇放置在這個位置?
張蕾:這里是水廠的“前哨”,是“南水”進入水廠前預(yù)處理的前端。如果在這兒發(fā)現(xiàn)藻有異常,水廠可以迅速調(diào)整水處理工藝,確保安全供水。
新京報:下一步有何構(gòu)想?
張蕾:我們要構(gòu)建藻數(shù)據(jù)庫,如果用人工的方式可能需要幾年的時間,但是隨著自動監(jiān)測設(shè)備的加入,藻圖像采集速度會加快,這樣就可以盡早建立起藻數(shù)據(jù)庫。下一步,我們會加快布設(shè)設(shè)備,通過前端“哨兵”的增加,共同保障水質(zhì)安全,同時繼續(xù)豐富藻數(shù)據(jù)庫。
另外,隨著監(jiān)測站點逐漸增多,我們可以從空間上獲得藻類變化趨勢,對藻密度變化進行分析,為預(yù)測、預(yù)警提供基礎(chǔ)。未來,我們希望把這項技術(shù)納入北京智慧水務(wù)的建設(shè)中。
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