本發明涉及水質監測，具體為一種環境保護監測用水質監測系統。

背景技術：

1、水質監測通過定期或連續采集水樣，測量并分析水中的物理、化學、生物及放射性等參數，以評估水質狀況和污染程度，確保水體的健康與安全。此過程廣泛應用于環境保護、飲用水安全、工業生產和農業灌溉等領域，旨在預防水污染對生態環境和人類健康的負面影響。

2、其中，工業廢水的水質監測尤為重要，其目的是確保廢水在處理后排放前符合環境標準，避免對水體造成污染。工業廢水中的有毒物質、重金屬和過量的營養物質可能破壞水生生態系統，污染飲用水源，并通過食物鏈影響人類健康，進而導致生態功能的喪失和經濟損失。因此，科學的水質監測和有效的廢水處理措施對于環境保護和公共健康的保障至關重要。

3、現有技術從多個角度對排放廢水進行了全面的水質監測。例如，在排放口安裝多種傳感器，實時采集廢水的濁度、電導率、懸浮物濃度等參數，或通過采樣送至實驗室分析化學物質和重金屬含量，以實現對工業廢水的有效監控。此外，還通過檢測排放區域的生物參數，評估廢水對生態系統和水生生物的影響，從而判斷其是否具有毒性或污染性。

4、盡管現有技術在工業廢水水質監測方面取得了一定成效，但仍存在不足之處。當前監測主要集中在廢水排放后的檢測，這種方式雖然能夠評估排放廢水的水質，但未考慮不合格工業廢水的排出對環境的影響。即未能提前在廢水排放前進行監測，導致不合格廢水的排放。

5、為此，提出一種環境保護監測用水質監測系統。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種環境保護監測用水質監測系統，通過在排放前對廢水處理設備排出的待排放工業廢水進行水質監測，可以減少不合格廢水的排放，避免因工廠廢水處理系統設備故障或老化導致處理不達標而引發的環境污染。

2、為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、一種環境保護監測用水質監測系統，包括混合取樣單元、水質監測單元、預警觸發單元和應急處理單元；

4、進一步地，所述混合取樣單元通過緩沖監測倉緩存所述待排放工業廢水；

5、所述緩沖監測倉包括第一倉體、第一管道、第二管道和第三管道；所述第一倉體為水平放置的圓柱形腔體，內部由均勻分布的十字加強筋用于所述緩沖監測倉的結構強度；所述十字加強筋通過焊接固定在所述第一倉體的內部上。

6、所述待排放工業廢水通過所述第一管道進入緩沖監測倉。所述第一管道設置于所述第一倉體的上部側壁，與所述廢水處理設備的出水管道通過法蘭盤相連接。

7、所述自動取樣裝置通過位于第一倉體內部的取樣點采集廢水樣本，混合后形成混合水樣，并通過管道將所述混合水樣輸送至水質監測單元進行水質檢測。

8、如果水質檢測結果不合格，通過所述第三管道將不合格的待排放工業廢水排放到應急儲存倉。所述第三管道位于第一倉體下部側壁，通過法蘭盤連接到應急儲存倉。

9、如果水質檢測合格，將待排放工業廢水通過第二管道進入廢水排放系統進行排放。所述第二管道設置于所述第一倉體底部，通過法蘭盤與所述廢水排放系統連接。

10、進一步地，所述固體物質監測模塊用于獲取固體污染指標值；

11、對所述混合水樣，采用高分辨率工業相機采集所述混合水樣的常規圖像與偏振圖像；常規圖像使用普通光源采集，偏振圖像通過特定的偏振光源和偏振濾光片采集。

12、對于所述常規圖像進行圖像預處理，采用高斯濾波去除圖像中的噪聲，然后采用自適應對比度增強(clahe)技術增強圖像中固體顆粒與背景水體之間的對比度，得到標準常規圖像；

13、對所述標準常規圖像采用全局閾值分割算法，將所述混合水樣中的固體物質與背景水體分割；應用邊緣檢測算法識別圖像中固體顆粒的邊緣，并提取固體顆粒的數量，計算所述固體顆粒在圖像中的面積。

14、通過計算固體顆粒總面積與標準常規圖像面積的比值，得到所述混合水樣中的固體物質濃度；所述固體物質濃度的計算公式為：

15、

16、其中，dsolid表示所述固體物質濃度，npartical表示所述標準常規圖像中的固體顆粒的數量，apartical,i表示第i個所述固體顆粒的面積，表示所述標準常規圖像的總面積；

17、對于所述偏振圖像進行圖像預處理，采用高斯濾波去除所述偏振圖像中的噪聲，然后使用偏振濾光片提取圖像中具有強烈偏振反應的區域，提高所述偏振圖像中油膜的亮度和對比度，得到標準偏振圖像；

18、對所述標準偏振圖像，利用所述油膜在偏振光下呈現的特殊顏色進行分割，將具有顏色特征的像素與其他像素分離，提取油膜區域；

19、使用基于局部二值模式(lbp)方法識別所述油膜的特定紋理特征，區分油膜與其他反光物質；應用邊緣檢測算法檢測所述油膜邊緣輪廓以獲取油膜區塊數量，并計算所述油膜區塊的覆蓋面積與所述標準偏振圖像面積的比值，得到所述混合水樣的油膜占比；

20、所述混合水樣的油膜占比的計算公式為：

21、

22、其中，doil表示所述混合水樣的油膜占比，mpartical表示所述標準偏振圖像中的所述油膜區塊的數量，apartical,j表示第j個所述油膜區塊的面積，表示所述標準偏振圖像的總面積。

23、將所述固體物質濃度與所述油膜占比進行融合，獲取固體污染指標值；

24、dfused＝ωsolid×dsolid+ωoil×doil；

25、其中，ωsolid和ωoil分別表示所述固體物質濃度和所述油膜占比的約束權重，滿足ωsolid+ωoil＝1。

26、進一步地，所述化學污染指標值的獲取過程包括：

27、采用相應的傳感器采集所述混合水樣的化學參數數據、揮發性氣體數據、重金屬元素數據和有機污染物數據，然后對數據進行清洗，再進行歸一化處理后得到標準化數據。

28、將所述標準化數據構建為一個多維特征矩陣輸入至第一個全連接層提取初步特征，其中應用relu激活函數；所述初步特征的提取過程為：

29、z1＝relu(x·w1+b1)；

30、其中，z1表示所述初步特征，x表示所述多維特征矩陣，w1和b1分別表示第一個全連接層的權重矩陣和偏置項。

31、將所述初步特征輸入至第二層全連接層進一步提取復雜特征，其中應用非線性激活函數；所述復雜特征的提取過程為：

32、z2＝activation(z1·w2+b2)；

33、其中，z2表示所述復雜特征，w2和b2分別表示第二個全連接層的權重矩陣和偏置項。

34、將所述復雜特征輸入至自注意力機制層，分別計算化學參數特征、重金屬元素特征和有機污染物特征與揮發性氣體特征的相關權重；

35、將所述復雜特征與所述相關權重進行融合獲取綜合特征向量，通過輸出層輸出所述化學污染指標值。所述綜合特征向量的獲取過程為：

36、

37、其中，z表示所述綜合特征向量，hi表示所述多維特征矩陣的第i個特征向量，unit2表示所述復雜特征的維度，ei和ej分別表示第i個特征向量和第j個特征向量的注意力得分。所述輸出層輸出所述化學污染指標值的計算公式為：

38、cchem＝z·wout+bout；

39、其中，cchem表示所述化學污染指標值，z表示所述綜合特征向量，wout表示所述輸出層的權重矩陣，bout表示所述輸出層的偏置項。

40、進一步地，所述待排放指標值的計算公式為：

41、

42、其中，edischarge表示所述可排放指標值，γ和λ分別表示所述固體污染指標值和所述化學污染指標值的權重系數，r表示比例系數。

43、進一步地，所述預警觸發單元包括：

44、接收所述水質監測單元輸出的所述待排放指標值；根據閾值設置判定當前所述待排放工業廢水是否達標；根據分支結構判斷待排放工業廢水處理方式；

45、所述閾值設置為：

46、

47、其中，t表示定義的可排放指標值合格閾值，所述可排放指標值與所述閾值的取值范圍均為(0,1)；所述可排放指標合格閾值根據不同行業污染物排放標準設置。

48、所述分支結構為：

49、若edischage＞t,qualified，則直接排放所述待排放工業廢水至排放系統；

50、若edischage≤t,unqualified，則停止排放所述待排放工業廢水，同時發出警報提醒。

51、進一步地，所述應急處理單元通過應急儲存倉接收并存儲不合格的所述待排放工業廢水；

52、所述應急儲存倉包括第二倉體、進水口、出水口、通氣口，所述第二倉體為水平放置的圓柱形腔體，內部有環形加強筋與十字加強筋用于增加結構穩定性。所述環形加強筋和所述十字加強筋均以等距方式焊接于所述第二倉體內壁上。

53、不合格的排放工業廢水經過所述第三管道通過所述進水口輸入至所述應急儲存倉。所述第三管道與所述進水口通過法蘭盤連接。為了平衡內外氣壓，所述第二倉體頂部設置有通氣口，所述通氣口配備有活性炭過濾裝置，用于防止污染氣體釋放至外部環境。

54、所述第二倉體內部側壁安裝有液位監測模塊，持續采集所述第二倉體內的液位數據并傳輸至所述液位提醒模塊；所述液位監測模塊通過螺栓固定于所述第二倉體內壁；所述液位監測模塊通過信號電纜與所述液位提醒模塊連接，所述液位提醒模塊設置于工廠設備的監控面板上。

55、當所述第二倉體內的液位達到低液位標準和中液位標準時，液位提醒模塊向工作人員發出提醒；當所述第二倉體內的液位達到高液位標準時觸發警報。

56、若所述廢水處理設備已修正完成，則將待排放工業水通過出水口輸入至所述廢水處理設備進行再次處理。

57、與現有技術相比，本發明的有益效果為：

58、1、本發明通過采集混合水樣的常規圖像與偏振圖像，預處理后采用多種圖像處理技術和算法，提取混合水樣中的固體物質濃度和油膜占比，綜合獲得固體污染指標值。本方法能夠有效提取并量化待排放工業廢水中的固體物質和油膜污染物，進而實現準確的固體污染指標評估。利用常規圖像與偏振圖像的聯合處理，提高了對待排放工業廢水中固體污染物和油膜的監測精度，為綜合性的水質監測提供了數據支持，從而為科學的排放決策提供依據。

59、2、本發明首先采集混合水樣的化學參數數據、揮發性氣體數據、重金屬元素數據和有機污染物數據，標準化處理后構建為多維特征矩陣。然后通過兩層全連接層分別提取初步特征與復雜特征，接著將復雜特征輸入至自注意力機制層計算各類特征與揮發性氣體特征的相關權重，融合后生成綜合特征向量。最后，通過輸出層基于綜合特征向量計算化學污染指標值。本方法能夠有效整合混合水樣中的多維污染物數據，利用深度學習中的全連接層與自注意力機制精確提取和關聯分析各類特征提取，生成可靠的計算化學污染指標值。提升了對化學污染物的識別和評估精度，能夠更加準確地反映待排放工業廢水中的化學污染狀況，為環保決策提供了科學依據

60、3、本發明通過設置緩沖監測倉和應急儲存倉，在廢水排放前提供科學的水質檢測和決策支持。首先通過緩沖監測倉中的取樣裝置獲取待排放工業廢水的水樣，分別采集并分析廢水中的常規圖像、偏振圖像、化學參數、重金屬元素、有機污染物和揮發性氣體數據，經過多種處理計算方法，得出待排放工業廢水的可排放指標值，并由預警觸發單元判定廢水是否合格，觸發相應處理措施。如果廢水不合格，則通過應急處理單元的應急儲存倉進行存儲處理，確保廢水處理的科學性和環境保護的有效性，并且減少了不合格廢水的排放。通過在應急處理單元設置液位監控裝置，提高了廢水處理的安全性和應急響應能力，優化了環境保護管理。