南水北調(diào)中線工程給北京帶來(lái)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(jìn)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(tái)藻“臉”識(shí)別自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，這也是中國(guó)自主研發(fā)的藻類AI自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備首次用于供水安全保障。自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的加入，讓藻類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間從曾經(jīng)的48小時(shí)大幅縮短至20分鐘。
藻類AI自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)。受訪者供圖
一間超級(jí)微縮版的“實(shí)驗(yàn)室”
截至目前，北京共有14家水廠接納“南水”，經(jīng)過(guò)水廠嚴(yán)格的處理工藝，“南水”隨著供水管網(wǎng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶，北五環(huán)外的這家水廠便是14家水廠之一，這臺(tái)藻類AI自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(yáng)，方方正正的外觀，設(shè)備正面裝有監(jiān)測(cè)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(dú)特作用。
在藻類AI自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)之前，藻類監(jiān)測(cè)主要以人工為主，工作人員取水樣后，帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)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(jí)工程師張蕾告訴記者，這臺(tái)藻類AI自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備好比一間微縮的實(shí)驗(yàn)室。水管自動(dòng)抽取水樣后，進(jìn)入設(shè)備中的小水箱進(jìn)行定量，然后模擬實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)環(huán)節(jié)中的水樣濃縮過(guò)程，將水樣濃縮至一定量之后，再進(jìn)行圖像采集，相當(dāng)于給藻“拍照”。藻“臉”圖片傳輸至后臺(tái)后，和數(shù)據(jù)庫(kù)中的藻類圖像進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)識(shí)別是哪種藻，并分析相應(yīng)結(jié)果。這些數(shù)據(jù)最后會(huì)返回設(shè)備的顯示屏，后臺(tái)系統(tǒng)也能同步讀取。
圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。受訪者供圖
張蕾介紹，如果用人工的方式，往往需要至少48小時(shí)才能獲取藻類數(shù)據(jù)，但是這臺(tái)設(shè)備僅用20分鐘就可以完成監(jiān)測(cè)并且反饋數(shù)據(jù)。
自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備可迅速為水廠提供相應(yīng)數(shù)據(jù)
首臺(tái)藻類AI自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(jí)主任科員湯瀟介紹，“南水”由明渠進(jìn)入北京，呈現(xiàn)出夏季高溫高藻，冬季低溫低濁的特點(diǎn)，因此在夏季重點(diǎn)監(jiān)測(cè)藻類的變化非常重要。作為監(jiān)測(cè)預(yù)警，對(duì)于水廠來(lái)說(shuō)，如果能夠盡快獲取藻類的變化數(shù)據(jù)，就能及時(shí)調(diào)整水廠運(yùn)行的工藝，多級(jí)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(cè)中心，目前水質(zhì)數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)共享。此外，北京所有接納“南水”的水廠都實(shí)現(xiàn)了100%的深度處理工藝，在制水過(guò)程中采用活性炭吸附、臭氧消毒、膜過(guò)濾等國(guó)際先進(jìn)的水處理工藝，使各環(huán)節(jié)水質(zhì)全部符合國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。以濁度為例，國(guó)標(biāo)出廠水要求為不高于1NTU，北京市自來(lái)水集團(tuán)控制指標(biāo)為不高于0.3NTU；地表水廠硬度一般可以控制在150mg/L（毫克/升）以下。
對(duì)話：希望將藻類AI自動(dòng)監(jiān)測(cè)納入北京智慧水務(wù)建設(shè)
新京報(bào)：為何要研發(fā)藻類的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備？
張蕾：之前我們開(kāi)展藻類監(jiān)測(cè)以人工監(jiān)測(cè)為主，首先取水樣，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行48小時(shí)的前處理，最后進(jìn)行人工計(jì)數(shù)，也就是說(shuō)用肉眼通過(guò)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(zhǎng)。
這么長(zhǎng)的周期不足以支撐相關(guān)部門(mén)做出決策，因?yàn)橛泻芏鄳?yīng)急事件處置時(shí)間非常短，數(shù)據(jù)跟不上，就會(huì)影響到?jīng)Q策的制定。另一方面，人工識(shí)別藻類的培訓(xùn)周期很長(zhǎng)，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(shí)別挺不容易的。
基于這兩方面的原因，我們考慮通過(guò)類似于人臉識(shí)別的方式，對(duì)藻也進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，構(gòu)建藻類數(shù)據(jù)庫(kù)。此前，北京水文總站監(jiān)測(cè)到的藻類有300多種，如果我們一開(kāi)始就在自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備中建立那么龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難，所以我們首先選擇了在北京常見(jiàn)的26種藻進(jìn)行一期數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，未來(lái)還會(huì)不斷擴(kuò)充。
新京報(bào)：為什么要進(jìn)行藻類監(jiān)測(cè)？
張蕾：藻會(huì)影響水生態(tài)，最常見(jiàn)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(lái)看，“南水”進(jìn)京后，我們十分關(guān)注藻的影響。因?yàn)樵谀纤闭{(diào)過(guò)程中，輸水距離很長(zhǎng)，這種渠道環(huán)境適合藻的生長(zhǎng)，有可能會(huì)影響到水廠水處理的工藝。
顫藻，易引起水華。受訪者供圖
因?yàn)樵宸浅Ｐ。鼈冎挥芯奂饋?lái)才能夠看到明顯的變化，所以水生態(tài)環(huán)境很多時(shí)候只有出現(xiàn)問(wèn)題了才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。如果我們能夠?qū)崟r(shí)掌握藻類數(shù)據(jù)，就能進(jìn)一步挖掘藻的密度與哪些指標(biāo)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(guò)天氣預(yù)報(bào)就可以預(yù)測(cè)未來(lái)幾天可能是藻類生長(zhǎng)的活躍期，水廠就可以提前調(diào)整水處理工藝來(lái)應(yīng)對(duì)。
新京報(bào)：近年來(lái)，北京藻類有何變化？
張蕾：前幾年，我們?cè)诿茉扑畮?kù)做過(guò)藻類的變化分析。“南水”進(jìn)京后，輸送來(lái)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(shì)種，也是我們重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。
硅藻，脆桿藻屬。受訪者供圖
新京報(bào)：第一臺(tái)設(shè)備為什么選擇放置在這個(gè)位置？
張蕾：這里是水廠的“前哨”，是“南水”進(jìn)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(bào)：下一步有何構(gòu)想？
張蕾：我們要構(gòu)建藻數(shù)據(jù)庫(kù)，如果用人工的方式可能需要幾年的時(shí)間，但是隨著自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的加入，藻圖像采集速度會(huì)加快，這樣就可以盡早建立起藻數(shù)據(jù)庫(kù)。下一步，我們會(huì)加快布設(shè)設(shè)備，通過(guò)前端“哨兵”的增加，共同保障水質(zhì)安全，同時(shí)繼續(xù)豐富藻數(shù)據(jù)庫(kù)。
另外，隨著監(jiān)測(cè)站點(diǎn)逐漸增多，我們可以從空間上獲得藻類變化趨勢(shì)，對(duì)藻密度變化進(jìn)行分析，為預(yù)測(cè)、預(yù)警提供基礎(chǔ)。未來(lái)，我們希望把這項(xiàng)技術(shù)納入北京智慧水務(wù)的建設(shè)中。
