技术领域
[0001] 本
发明属于海洋水质测试技术领域，具体涉及海洋水质测试系统、方法 及装置。
背景技术
[0002] 地球表面被各大陆地分隔为彼此相通的广大水域称为海洋，其总面积约 为3.6亿平方公里，约占地球表面积的71％，平均水深约3795米。海洋中 含有十三亿五千多万立方千米的水，约占地球上总水量的97％，而可用于人 类饮用只占2％。地球四个主要的大洋为太平洋、大西洋、印度洋、北
冰洋， 大部分以陆地和海底地形线为界。目前为止，人类已探索的海底只有5％， 还有95％大海的海底是未知的。
[0003] 水质(waterquality)
水体质量的简称。它标志着水体的物理(如
色度、
浊度、臭味等)、化学(无机物和有机物的含量)和
生物(细菌、
微生物、 浮游生物、底栖生物)的特性及其组成的状况。水质为评价水体质量的状况， 规定了一系列水质参数和水质标准。如生活
饮用水、工业用水和渔业用水等 水质标准。
[0004] 未经人类活动污染的自然界水的物理化学特性及其动态特征。物理特性 主要指水的
温度、
颜色、透明度、嗅和味。水的化学性质由溶解和分散在天 然水中的气体、离子、分子、胶体物质及悬浮质、微生物和这些物质的含量 所决定。天然水中溶解的气体主要是
氧和二氧化
碳；溶解的离子主要是
钾、 钠、
钙、镁、氯、
硫酸根、碳酸氢根和碳酸根等离子。生物原生质有
硝酸根、 亚硝酸根、
磷酸二氢根和磷酸氢根离子等。此外，还有某些微量元素，如溴、 碘和锰等。胶体物质有无机
硅酸胶体和
腐殖酸类有机胶体。悬浮固体以无机 质为主。微生物有细菌和大肠菌群。
[0005] 现有的水质测试方法主要有：
[0006] 1.比色法，对日益恶化的水源污染问题，
自来水厂所采取的方式便是加 入大量超过标准的氯(漂白粉)来消毒杀菌。加氯虽然能够杀死水中的各种 病菌，但它一旦与水中的有机物结合，会因余氯或漂白粉的作用，产生大量 有机氯化物(如三氯甲烷、二溴氯甲烷)，危害人体健康。有机氯化物在动 物体系的试验中已被确认为致癌物质。一般人以为只需把自来水烧开，便能 杀死细菌，但其实必须将水煮沸20分钟才足以除去有害细菌或病毒等。在 煮沸过程中，水中氯气更会和有机物加剧化合，产生大量形成三卤甲烷等致 癌物，尤其在100℃之期间最多。要去除氯气需要煮沸30分钟以上，还要将 壶盖打开，才可以让氯气跟随
蒸汽挥发。否则氯气合成的三卤甲烷仍然会留 在水中，慢性地危害健康。
[0007] 2.TDS笔法，水的电导率与其所含
无机酸、
碱、盐的量有一定关系。当 它们的浓度较低时，电导率随浓度的增大而增加，因此，该指标常用于推测 水中离子的总浓度或含盐量。不同类型的水有不同的电导率。新鲜蒸馏水的 电导率为0.2-2μS/cm，但放置一段时间后，因吸收了CO2，增加到2—4μ S/cm；超纯水的电导率小于0.10/μS/cm；天然水的电导率多在50—500μ S/cm之间，矿化水可达500—1000μS/cm；含酸、碱、盐的工业废
水电导率 往往超过10000μS/cm；
海水的电导率约为30000μS/cm。电导率是衡量纯 净水纯净程度的一项重要指标，反映了纯净水的纯净程度以及生产工艺的控 制好坏。国家标准规定纯净水中电导率不得高于10μS/cm。
[0008] 虽然上述两种方法都能测试水质，但是还是存在测试结果准确性低和测 试的指标不够多的缺点。
发明内容
[0009] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供海洋水质测试系统、方法及装置， 具有测试结果准确、智能化程度高和测试效率高的优点。
[0010] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0011] 海洋水质测试系统，所述系统包括：预处理装置、测试平台、测试装置 和分析装置；所述预处理装置，用于对待测水体进行预处理，将预处理后的 待测水体发送至测试平台；所述测试平台包括：
光源、样品水池、清洗搅拌 针、透镜、直线
导轨机构、
蠕动泵、反应测试室、电磁
阀和控制
电路；所述 光源、清洗搅拌针和样品水池组装在
直线导轨的移动滑
块上；检测时，首先 控制直线导轨机构上的移动滑块至反应测试室，控制
蠕动泵抽取样品水池内 的待测水体至反应测试室，然后控制清洗搅拌针进行搅拌，待搅拌完成，打 开
电磁阀，排除清水，接着利用蠕动泵分别抽取适量的待测水体，使用搅拌 针充分搅拌，然后控制点亮光源，由光源产生的可见光经过透镜聚光后穿过 测试室；所述测试装置包括：
传感器组和
光谱仪；所述光谱仪用于在测试室 内第一次获取待测水体的数据；所述传感器组用于在测试室第二次获取待测 水体的数据；所述分析装置，用于对光谱仪第一次获取待测水体的数据和第 二次获取待测水体的数据进行综合分析，得出水质测试结果。
[0012] 进一步的，所述传感器组包括：温度传感器和酸碱度传感器；所述温度 传感器用于获取待测水体的温度数据，将温度数据发送至分析装置；所述酸 碱度传感器用于获取待测水体的酸碱度数据，将酸碱度数据发送至分析装置。
[0013] 进一步的，所述光谱仪用于获取待测水体的水体反射率和光谱图数据； 所述光谱图数据包括待测水体的反射光源得到的复合光中的每一种单色光 的光谱数据。
[0014] 进一步的，所述分析装置包括：数据预处理单元、数据规约单元、数据 标准化单元、
算法预测单元和建模分析单元；所述数据预处理对数据信息依 次进行去除唯一属性、处理缺失值和异常值检测处理；所述数据规约单元， 用于将数据预处理后的数据进行规约处理，使得规约处理后的数据两两不相 干，但能尽可能保持原有的信息；所述数据标准化单元，将规约处理后的数 据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间；所述算法预测单元，根据数据 标准化单元处理后的数据进行数据建模；所述建模分析单元用于通过计算模 型生成的分析结果与原有分析结果进行精准度计算。
[0015] 一种海洋水质测试方法，所述方法执行以下步骤：首先控制直线导轨机 构上的移动滑块至反应测试室，控制蠕动泵抽取样品水池内的待测水体至反 应测试室，然后控制清洗搅拌针进行搅拌，待搅拌完成，打开电磁阀，排除 清水，接着利用蠕动泵分别抽取适量的待测水体，使用搅拌针充分搅拌，然 后控制点亮光源，由光源产生的可见光经过透镜聚光后穿过测试室；光谱仪 在测试室内第一次获取待测水体的数据；传感器组用于在测试室第二次获取 待测水体的数据；分析装置，对光谱仪第一次获取待测水体的数据和第二次 获取待测水体的数据进行综合分析，得出水质测试结果。
[0016] 进一步的，所述分析装置，对光谱仪第一次获取待测水体的数据和第二 次获取待测水体的数据进行综合分析，得出水质测试结果的方法执行以下步 骤：
[0017] 步骤1：第一次获取待测水体的数据包括：获取待测水体的温度数据和 获取待测水体的酸碱度数据；第二次获取待测水体的数据包括：第二次获取 待测水体的数据包括：获取待测水体的水体反射率和光谱图数据；所述光谱 图数据包括待测水体的反射光源得到的复合光中的每一种单色光的光谱数 据；将获取的温度数据、酸碱度数据和水体反射率作为调整参数；每一种单 色光的光谱数据作为主参数；
[0018] 步骤2：根据接收到的数据信息进行
数据处理，根据数据处理的结果进 行数据建模，生成数据模型；所述建模过程包括：将调整参数作为调整值和 主参数进行加权运算；
[0019] 步骤3：根据生成数据模型，对每一次获取的数据进行运算，实现自动 化水质测试。
[0020] 进一步的，所述步骤2：根据接收到的数据信息进行数据处理，根据数 据处理的结果进行数据建模，生成数据模型的方法执行以下步骤：
[0021] 步骤S3.1：进行数据预处理，包括：去除唯一属性、处理缺失值和异常 值检测及处理；
[0022] 步骤S3.2：进行数据规约处理，包括：去平均值、计算协方差矩阵、计 算协方差矩阵的特征值与
特征向量、对特征值从大到小排序、保留最大的k个 特征向量、将数据转换到k个特征向量构建的新空间中；最后得处理后的新 的数据，这些数据之间两两不相干，但能尽可能保持原有的信息。
[0023] 步骤S3.3：进行数据标准化处理，将数据按比例缩放，使之落入一个小 的特定区间；其中，使用如下的转换函数，对数据进行线性变换，使结果落 到[0,1]区间，转换函数如下：
[0024] 其中，x*为数据标准化处理后的结果；x为待处理的数据； min为数据中的最小值；max为数据中的最大值；
[0025] 步骤S3.4：进行数据建模；
[0026] 步骤S3.5：进行效果分析，包括：当模型训练结束后，采用如下公式， 计算模型生成的分析结果值与原有分析结果值进行精准度计算，即得到R2得 分，得分越高，表示模型精准度越好；
[0027]
[0028] 其中y代表模型生成的分析结果(预测值)；
[0029] 代表原有的分析结果；
[0030] nsamples代表进入模型的样本量大小。
[0031] 进一步的，所述方法用于通过测试水质的光谱数据，进而测量获取水质 的铬含量数据、铅含量数据、化学耗氧量数据、
氨氮含量数据、总磷数据和 挥发酚数据，进而进行水质的测试。
[0032] 进一步的，所述光谱仪测量的光
波长的范围为：400nm～700nm；所述 光源为的溴钨灯。
[0033] 本发明的海洋水质测试系统、方法及装置，具有如下有益效果：有效实 现了对环境水样中的铬、铅、化学耗氧量(COD)、氨氮、总磷和挥发酚的 实时检测，具有体积小、可靠性高、效率高、成本低、功耗低和实时监控等 特点。同时，利用数据建模，实现了自动分析，智能化程度高。本发明利用 传感器和光谱仪两次测量的结果综合进行分析，提升了测试的准确性。
附图说明
[0034] 图1为本发明的海洋水质测试系统的系统结构示意图；
[0035] 图2为本发明的海洋水质测试方法的方法流程示意图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图及本发明的
实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
[0037] 实施例1
[0038] 海洋水质测试系统，所述系统包括：预处理装置、测试平台、测试装置 和分析装置；所述预处理装置，用于对待测水体进行预处理，将预处理后的 待测水体发送至测试平台；所述测试平台包括：光源、样品水池、清洗搅拌 针、透镜、直线导轨机构、蠕动泵、反应测试室、电磁阀和控制电路；所述 光源、清洗搅拌针和样品水池组装在直线导轨的移动滑块上；检测时，首先 控制直线导轨机构上的移动滑块至反应测试室，控制蠕动泵抽取样品水池内 的待测水体至反应测试室，然后控制清洗搅拌针进行搅拌，待搅拌完成，打 开电磁阀，排除清水，接着利用蠕动泵分别抽取适量的待测水体，使用搅拌 针充分搅拌，然后控制点亮光源，由光源产生的可见光经过透镜聚光后穿过 测试室；所述测试装置包括：传感器组和光谱仪；所述光谱仪用于在测试室 内第一次获取待测水体的数据；所述传感器组用于在测试室第二次获取待测 水体的数据；所述分析装置，用于对光谱仪第一次获取待测水体的数据和第 二次获取待测水体的数据进行综合分析，得出水质测试结果。
[0039] 实施例2
[0040] 在上一实施例的
基础上，所述传感器组包括：温度传感器和酸碱度传感 器；所述温度传感器用于获取待测水体的温度数据，将温度数据发送至分析 装置；所述酸碱度传感器用于获取待测水体的酸碱度数据，将酸碱度数据发 送至分析装置。
[0041] 实施例3
[0042] 在上一实施例的基础上，所述光谱仪用于获取待测水体的水体反射率和 光谱图数据；所述光谱图数据包括待测水体的反射光源得到的复合光中的每 一种单色光的光谱数据。
[0043] 实施例4
[0044] 在上一实施例的基础上，所述分析装置包括：数据预处理单元、数据规 约单元、数据标准化单元、算法预测单元和建模分析单元；所述数据预处理 对数据信息依次进行去除唯一属性、处理缺失值和异常值检测处理；所述数 据规约单元，用于将数据预处理后的数据进行规约处理，使得规约处理后的 数据两两不相干，但能尽可能保持原有的信息；所述数据标准化单元，将规 约处理后的数据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间；所述算法预测单 元，根据数据标准化单元处理后的数据进行数据建模；所述建模分析单元用 于通过计算模型生成的分析结果与原有分析结果进行精准度计算。
[0045] 实施例5
[0046] 一种海洋水质测试方法，所述方法执行以下步骤：首先控制直线导轨机 构上的移动滑块至反应测试室，控制蠕动泵抽取样品水池内的待测水体至反 应测试室，然后控制清洗搅拌针进行搅拌，待搅拌完成，打开电磁阀，排除 清水，接着利用蠕动泵分别抽取适量的待测水体，使用搅拌针充分搅拌，然 后控制点亮光源，由光源产生的可见光经过透镜聚光后穿过测试室；光谱仪 在测试室内第一次获取待测水体的数据；传感器组用于在测试室第二次获取 待测水体的数据；分析装置，对光谱仪第一次获取待测水体的数据和第二次 获取待测水体的数据进行综合分析，得出水质测试结果。
[0047] 具体的，
[0048] 该系统水质参数的测量原理是以朗伯—比尔定律为理论基础的，其表达 式为：其中，A为介质的吸光度，I为入射光的强度，I′ 为光通过介质吸收后
的
透射光强，C为介质的摩尔浓度，l为光程长，ε为 介质的摩尔吸收系数。在测量中，采用已知P物质的标准溶液和未知P物质 的被测溶液比较特定波长吸收程度的方法，来获得P物质在被测溶液中的浓 度。为了扣除蒸馏水在该特定波长处的吸光度值，选用蒸馏水为参比溶液。 首先用仪器对P物质的N个不同浓度的标准溶液进行测量，得到吸光度值 Ai(i＝1,2,
3…N)。以P物质的浓度Ci为横坐标、吸光度值Ai为纵坐标， 利用最小二乘法便可得出P物质的标定曲线，其表达式为：A＝bC+k(2)；其 中：A为P物质的吸光度，C为P物质摩尔浓度。由于光谱仪
精度因素，实 际计算出的标定曲线是一条不过原点的直线。当测量P物质在被测溶液中的 未知浓度时，只需测出不含P物质时的杯空白吸光度A空白和含有P物质 溶液的吸光度AP，即可将(AP-A空白)代入式(2)，得出被测溶液中P物 质的浓度。
[0049] 实施例6
[0050] 在上一实施例的基础上，所述分析装置，对光谱仪第一次获取待测水体 的数据和第二次获取待测水体的数据进行综合分析，得出水质测试结果的方 法执行以下步骤：
[0051] 步骤1：第一次获取待测水体的数据包括：获取待测水体的温度数据和 获取待测水体的酸碱度数据；第二次获取待测水体的数据包括：第二次获取 待测水体的数据包括：获取待测水体的水体反射率和光谱图数据；所述光谱 图数据包括待测水体的反射光源得到的复合光中的每一种单色光的光谱数 据；将获取的温度数据、酸碱度数据和水体反射率作为调整参数；每一种单 色光的光谱数据作为主参数；
[0052] 步骤2：根据接收到的数据信息进行数据处理，根据数据处理的结果进 行数据建模，生成数据模型；所述建模过程包括：将调整参数作为调整值和 主参数进行加权运算；
[0053] 步骤3：根据生成数据模型，对每一次获取的数据进行运算，实现自动 化水质测试。
[0054] 实施例7
[0055] 在上一实施例的基础上，所述步骤2：根据接收到的数据信息进行数据 处理，根据数据处理的结果进行数据建模，生成数据模型的方法执行以下步 骤：
[0056] 步骤S3.1：进行数据预处理，包括：去除唯一属性、处理缺失值和异常 值检测及处理；
[0057] 步骤S3.2：进行数据规约处理，包括：去平均值、计算协方差矩阵、计 算协方差矩阵的特征值与特征向量、对特征值从大到小排序、保留最大的k个 特征向量、将数据转换到k个特征向量构建的新空间中；最后得处理后的新 的数据，这些数据之间两两不相干，但能尽可能保持原有的信息。
[0058] 步骤S3.3：进行数据标准化处理，将数据按比例缩放，使之落入一个小 的特定区间；其中，使用如下的转换函数，对数据进行线性变换，使结果落 到[0,1]区间，转换函数如下：
[0059] 其中，x*为数据标准化处理后的结果；x为待处理的数据； min为数据中的最小值；max为数据中的最大值；
[0060] 步骤S3.4：进行数据建模；
[0061] 步骤S3.5：进行效果分析，包括：当模型训练结束后，采用如下公式， 计算模型生成的分析结果值与原有分析结果值进行精准度计算，即得到R2得 分，得分越高，表示模型精准度越好；
[0062]
[0063] 其中y代表模型生成的分析结果(预测值)；
[0064] 代表原有的分析结果；
[0065] nsamples代表进入模型的样本量大小。
[0066] 具体的，水是人类赖以生存必不可少的重要物质，当今社会，水资源匮 乏的问题日益严重，而水资源的污染是导致水资源匮乏的主要原因之一， 因此水资源的保护已经成为世界各国共同关注和日益重视的全球化环境问 题。现代水质监测技术是水资源环境保护和治理的技术
支撑。基于现代水 质监测技术的多参数水质检测仪是如今水质检测仪器的重要发展方向，此 类仪器正向多参数、在线、远程、网络化监测方向发展，同时仪器具有小型 化、多功能、集成化等特征。
[0067] 目前，国内外水质检测技术基本能够实现对水中多种元素的检测，通常 用的方法有：滴定法、离子选择
电极法、离子色谱法和光谱分析法。滴定 法和离子选择电极法已得到广泛的应用，其优点是设备简单、操作方便， 但是，测定的结果大多依靠人工的经验来判别，存在测试时间长、精度低， 不便于室外操作等
缺陷；离子色谱法常用的检测手段有电导检测器、紫外 检测器和安培检测器，这些检测方法虽能满足一些监测的要求，但定性、定 量手段单一，灵敏度较低。
[0068] 光学方法是目前最先进的水质检测方法，特别是基于连续光谱的分析方 法，可以同时测量多个水质参数，具有检测速度快、无二次污染等优点。 光谱分析法的测量基本原理是朗伯-比尔定律，被测溶液的浓度不同，对光 谱的吸收不同，溶液中所溶解的物质不同，光谱吸收也不同。因此，通过 光谱分析即可得出待测溶液所含的杂质成分和浓度。
[0069] 实施例8
[0070] 在上一实施例的基础上，所述方法用于通过测试水质的光谱数据，进而 测量获取水质的铬含量数据、铅含量数据、化学耗氧量数据、氨氮含量数据、 总磷数据和挥发酚数据，进而进行水质的测试。
[0071] 实施例9
[0072] 在上一实施例的基础上，所述光谱仪测量的光波长的范围为：400nm～ 700nm；所述光源为的溴钨灯。
[0073] 所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上 述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对 应过程，在此不再赘述。
[0074] 需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进 行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能 模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如， 上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块， 以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步 骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
[0075] 所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上 述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方 法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0076] 本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各 示例的模块、方法步骤，能够以
电子硬件、计算机
软件或者二者的结合来实 现，
软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机
存储器(RAM)、内存、
只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬 盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介 质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照 功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软 件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人 员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实 现不应认为超出本发明的范围。
[0077] 术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或 表示特定的顺序或先后次序。
[0078] 术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使 得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而 且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者 设备/装置所固有的要素。
[0079] 至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但 是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具 体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关 技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入 本发明的保护范围之内。
[0080] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护 范围。
