基于LabVIEW的污染场地监控系统

刘景财，刘家琳，赖凯伦，刘国斌，张 弦，高硕阳

（中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所，北京 100012）

0 引 言

土壤污染会对人类生活产生严重影响，随着降雨量的增加，土壤中的污染物质会随雨水从地表下渗，最终导致地下水污染。我国约70%的城镇居民以地下水作为直接饮用水，地下水污染将使可饮用水储量下降，对人体造成严重影响。治理地下水污染的前提是修复已经被污染的土壤，因此急需解决土壤污染问题。土壤污染在修复与治理之前，需要明确污染范围、污染物扩散深度以及被污染区域的地质情况等。污染区域修复完成之后，还需要对修复完成的区域进行长时间的监测，包括对地下水和周边土壤的检测和评估，以验证污染区域修复效果。在土壤修复和治理的过程中，都需要快速高效的监测方法和工具。传统的钻探取样加化学分析的探测方法耗费时间长、耗费成本高、空间分辨率低，而通过地球物理探测的方法建立的污染场地监控系统具有时空分辨率高、无损、成本低的特点，能够实现对污染场地长期、实时、有效地监控，进而为土壤的修复和治理工作提供重要的指导，有利于提升土壤修复和治理的有效性和完整性。

1 硬件结构

污染场地监控系统硬件结构如图1所示，采用硬件电路和虚拟仪器共同开发完成。硬件电路主要包括信号输出模块、信号采集模块、电极转换器。信号输出模块是由高压信号源（由信号发生器和功率放大器组成）和供电电极组成，信号采集模块是由信号采集装置、采集线缆、滤波装置和采样电极组成。虚拟仪器主要包括串口的控制模块、信号输出模块、信号采集模块、信号处理模块和数据保存模块等。整个三维监控系统是由各个模块分工完成各项功能的。系统功能主要包括信号输出及数据采集、处理、存储等，同时也兼顾着查询历史数据、数据可视化和污染场地预警等功能。

图1 污染场地监控系统框图

高密度电阻率法与直流电阻率法检测原理大致相同，区别在于测量装置的排列是一种组合式的排列，就是多种温纳装置的叠加和重复性的工作。温纳装置的工作原理如图2所示，A、B为供电电极，M、N为采样电极，采样为A、B所产生的电压，是采样电极M、N之间电势变化的真实反映。高密度电阻率法的采样深度是由采样电极和供电电极之间的间距决定的。

图2 温纳装置测量方法

高密度电阻率法采集的数据仅能表示一个二维空间，因此本文采用基于正交对角线的温纳方法对研究区域进行探测。如图3所示，在地面布置多排电极，通过改变测量方向，测量更多的数据，对检测区域的各个方向进行探测，实现对研究区域的三维勘探。

图3 基于正交对角线的温纳方法

系统实现是通过上位机软件经RS 485通信协议发送指令，控制高压信号源的信号发生器发出信号，通过功率放大器增加信号的强度，信号通过电极转换器到达检测区域。检测区域内的电极由电极转换器实现供电和采集的功能，以提高电极的利用率和对检测区域更加全面和细致的检测。

2 开发环境及系统实现

2.1 开发环境

虚拟仪器（Virtual Instrument）是一种按照仪器的要求来组织需求、以计算机的软件和硬件为依托实现各种仪器功能的数据采集系统。本文采用LabVIEW进行虚拟仪器的开发。LabVIEW以高度集成化的程序框图作为开发形式。开发环境提供的信号输出、采集、处理函数及数据存储函数、串口控制函数等被封装成程序框图。

2.2 系统实现

三维场地监控系统软件是在LabVIEW平台上开发的，软件系统包括采集模块、自动检测模块、串口控制模块和操作指令生成模块。采集模块主要负责控制硬件输出和采集信号以及对采集的信号进行分析处理。串口控制模块主要是通过RS 485通信协议控制硬件（继电器），实现电极转换器的功能。自动检测模块用来控制硬件的输出和采集信号，检验电极与检测区域之间是否充分接触。为了提高检测的效率，在三维场地监控系统工作之前，利用操作指令生成模块对整个检测区域的供电和采样电极进行合理的划分。

上述设计模式把程序执行流程的各个过程作为各种状态，依据程序执行时的逻辑关系，确定状态发生的先后顺序，状态与状态之间相互独立，不仅使软件执行时的逻辑更加清晰、子模块的独立性和复用率更高、状态与状态之间的关联性变弱和独立性变强，还使软件开发的工作更加高效。

（1）自动检测模块

污染场地监控系统自动检测模块界面如图4所示，其功能是检测电极与检测区域是否接触完整。如图5所示，若监控区域的地质比较松软，在布置电极时会出现电极悬空的状况，电极悬空使得电极与检测区域接触不完整，激励信号不能输送到检测区域，会导致数据采集之后得到的结果与场地真实信息存在较大误差。因此在污染场地采集数据之前要对整个系统进行检测，确保电极与检测区域完整接触。自动检测模块的工作原理是在测线上选取相邻两电极作为供电电极A、B，如图6所示，通过供电电极向检测区域输入激励信号，同时测量图6中电阻R的电压值，通过电阻R的电压值计算电路中的电流值，由供电电压值和电路中电流值求出供电电极A、B之间的电阻，即：

图5 电极布置

图6 自动检测模块电路

式中：是电阻R的测量电压值；是电路中电流值；是电阻R的电阻值；是电路中的总电压；是供电电极A、B之间的电阻。通过图4中电阻值-电极编号图依次显示的相邻电极之间的电阻，确定电极与检测区域接触的完整性。

图4 污染场地监控系统自动检测模块界面

图7为污染场地监控系统自动检测模块程序执行流程，其中初始化的命令文件是利用不同电极作为供电电极A或B，执行确定供电先后顺序的功能。在布置电极时，给每个电极编号确定电极顺序，依据电极编号的不同区分电极作为供电电极A或B时的位置。因此，文件中每一行记录的是供电和采样电极的编号。流程图中初始化信号输出参数通过图8所示的信号输出子程序实现，程序执行时读取输出信号参数文件，文件中包含的参数：信号输出设备的物理地址和物理通道，输出信号的波形、频率和幅值，信号输出模式、输出周期等。图9是信号采集的子程序，程序执行时需要设置信号采集设备的物理地址和物理通道、采样率、采样模式等参数。图10为串口通信子程序，上位机通过串口通信的方式向下位机继电器组发送断开或闭合指令，程序执行时配置通信的物理地址、波特率等参数，然后将通信地址和继电器的开关命令写入到VISA函数（串口通信函数），等待200 ms硬件执行命令，关闭串口，完成一次对继电器的开关控制。

图7 自动检测模块流程

图8 信号输出子程序

图9 数据采集子程序

图10 串口通信子程序

信号采集设备采集的是多通道混合动态信号，需要使用信号拆分节点将多通道混合信号拆分成单通道独立信号，并使用信号转换节点将单通道的动态信号转换成静态数据，对每个通道的静态数据进行数据处理，通过图11中的数据处理算法得到电压信号中的有效值。

图11 FFT子程序

（2）数据采集模块

污染场地监控系统数据采集模块采用电阻率法的温纳装置对监控区域进行监控数据的采集，主界面如图12所示。温纳装置的工作原理是在检测区域水平或垂直方向依次选取A、M、N、B这4个间距相等的电极点。如图13所示，以电极点M和N为采样电极，以电极点A和B为供电电极。通过供电电极A和B向检测区域输入激励信号，同时采样电极M和N采集电压数据，并且测量图13中电阻R的电压值。通过测量电阻R的电压值来计算电路中的电流值。通过测量得到M、N之间的电压值和电路中电流值，计算测量区域的电阻率。公式如下：

图12 数据采集模块主界面

图13 数据采集模块电路

其中：是电阻R的测量电压值；是电阻R的电阻值；是电路中的电流值；为装置系数，表示供电电极和采样电极之间的关系；AM和AN分别表示电极A与电极M和N之间的水平距离；BM和BN分别表示电极B与电极M和N之间的水平距离；∆是采样电极M和N之间的测量电压值；是采样电极M与N之间的视电阻率值。

图14为污染场地监控系统数据采集模块程序执行流程，其中信号输出、信号采集、数据处理、继电器控制与自动检测模块的相关功能相同；不同的是数据采集模块的命令文件和数据的最终处理方式。数据采集模块的命令文件是供电和采样电极的位置，文件中每一行都记录了供电和采样电极的编号，因此在选择供电和采样的位置时需要先后对4个继电器进行选通操作；数据采集模块对数据的最终处理方式是将采集数据保存到数据库中，以便以后对数据进行分析处理。数据保存是通过建立数据存储表，把供电和采样电极位置信息、采样值等数据存储到MySQL数据库中。图15是数据保存子程序。数据保存流程是：创建数据连接的通道，打开数据连接通道，配置数据库的名称，向数据库中插入数据，关闭通道、释放资源，完成数据保存的流程。

图14 数据采集模块程序流程

图15 数据保存子程序

（3）电阻率成像模块

污染场地监控系统电阻率成像模块是通过布置在监控区域的多个电极，采集监控区域的电阻率数据，并采用正反演算法对电阻率数据进行处理得到电阻率图像。模块界面如图16所示。电阻率反演以圆滑约束最小二乘法为基础，如式（6）所示，实时构造实测数据与正演模型的目标函数后使其达到最小值。

图16 电阻率成像模块界面

式中：Δ是数据残差向量；是偏导数矩阵；是阻尼系数；是光滑矩阵；Δ是模型参数修正向量。计算式（6）中的偏导数矩阵，得到模型参数修正向量Δ，将其代入式（7），得到新的预测模型参数向量，即：

迭代至实测数据与模拟数据间平均均方误差RMS（如式（8）所示）满足要求，结束电阻率反演。

如图17所示的污染场地监控系统数据成像子程序，主要是使用ActiveX控件实现MATLAB脚本节点中的数据成像算法，进而实现数据绘图功能。

图17 电阻率成像子程序

3 模拟实验

模拟实验采用图18所示的沙槽物理仿真模型来模拟污染场地。首先在长、宽、高分别为3 m、1.5 m、1.5 m的沙槽中铺上塑料薄膜，然后填充细沙砾模拟大地。选用直径为10 cm、厚度为5 cm的铜质圆饼作为异物，模拟污染物。模拟实验过程，首先对沙槽各个位置电阻率进行测量，然后将异物放于沙槽，再次测量改变后沙槽的电阻率。

图18 实验场地

图19、图20为在实验沙槽中测得数据的三维成像，图中横轴表示测量长度，纵轴表示测量宽度，竖轴表示测量深度，单位是cm。由于沙槽中填入沙砾比较干燥、导电性相对较差，所以测得电阻率比较高。图19是第一次测量背景数据成像，得到=10 cm位置切片图。图20是第二次测量数据成像，得到=10 cm位置切片图。通过比较可知，图20中电阻率相对较低的中间区域，深度大约在15 cm到25 cm之间是异物。

图19 第一次实验电阻率剖分图

图20 第二次实验电阻率剖分图

4 结 语

本文使用虚拟仪器技术和LabVIEW语言开发了污染场地监控系统。软件开发环境为软件开发提供了大量的函数库，降低了污染场地监控系统的开发周期。系统依据地球物理勘探的原理、方法以及不同物质电阻率差异性对污染场地进行监控。通过室内沙槽模拟污染场地的实验，验证了污染场地监控系统的可靠性和有效性。本文所采用的方法与传统物理勘探、化学勘探方法相比，可以实现连续长期的监控，更不会对监控区域造成二次污染。以期为土壤的修复和治理工作提供重要的指导，提升土壤修复和治理的有效性和完整性。