基于机器视觉测试高锰酸盐指数的方法研究

王延军，陈亚男，姚志鹏

（1.江苏省常州环境监测中心,江苏 常州 213001；2.中国环境监测总站，北京 100012）

0 引言

高锰酸盐指数是《地表水环境质量标准》规定的必测项目，也是地表水环境质量考核与评价的主要定类指标之一[1]，其主要反映水体中可被氧化污染物质（包括部分有机物，如酚、氰、醇酯和抗菌素等）及无机还原性物质（如NO2-,S2-和Fe2+等）的含量[2]。高锰酸盐指数水质自动分析仪测定方法主要包括高锰酸钾氧化-ORP电极法、高锰酸钾-氧化分光光度法和高锰酸钾氧化-比色法等[3,4]。

传统的高锰酸盐指数测定方法所得监测结果易受样品采集、样品处理、浊度、反应条件等因素影响[5-8]，特别是浊度对采用分光光度法和比色法进行终点判定的仪器影响较大。目前，不同水质在线监测设备抗浊度能力不一，对水体的适应性存在差异，常采用延长沉降时间、多级沉降、旁路过滤系统等方式降低浊度干扰，这不仅增加了成本与现场维护的工作量，且会因过度预处理使水样失去代表性，监测的准确性难以有效保证。相比于传统测试方法肉眼识别判定滴定终点，采用机器视觉和计算机图像处理技术（以下简称“机器视觉技术”）进行滴定终点颜色判定的仪器设备其优势则十分明显，具有更好的灵敏性、一致性与稳定性[8]。该技术为实现更高抗干扰能力的在线监测仪器研制提供了可能和方向。

本文主要利用全自动分析仪探讨机器视觉技术在不同浊度环境下测试结果的准确性与精密性，验证仪器在高浊度情况下准确测定水样高锰酸钾指数的可行性，为后续开发更加稳定、可靠且高效的在线监测仪器提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器

全自动高锰酸盐指数分析仪：CGM 201W（上海北裕）；便携式微机型浊度仪（北京顺科达）；电热恒温水浴锅：HWS-24（上海慧泰仪器制造有限公司）。

1.2 试剂

高锰酸钾贮备液（上海沃凯生物技术有限公司，分析纯，浓度为0.10 mol/L）；高锰酸钾使用液（浓度为0.01 mol/L）；草酸钠标准贮备液（天津市化学试剂研究所，基准，浓度为0.100 0 mol/L）；草酸钠标准使用液（浓度为0.010 0 mol/L）；硫酸（国药集团化学试剂有限公司，分析纯）；葡萄糖（山东西亚化学股份有限公司，优级纯）；有证高锰酸盐指数质控样（生态环境部标准样品研究所）。

1.3 方法原理

1.3.1 高锰酸盐指数测定

参照酸性高锰酸盐指数法国标方法GB 11892—1989《水质高锰酸盐指数的测定》，在水样中加入H2SO4使溶液呈酸性后，加入过量的KMnO4溶液，并在沸水浴中加热反应30 min，剩余KMnO4用Na2C2O4还原并加入过量，再用KMnO4回滴过量的Na2C2O4，根据公式（1）计算得到高锰酸钾指数值（IMn）。

式中：V1为样品滴定时消耗的高锰酸钾的体积，mL；V2为空白实验中标定浓度时消耗KMnO4的体积，mL；C为Na2C2O4标准溶液的浓度，为0.010 mol/L。

1.3.2 浊度测定

使用便携式微机型浊度仪测量散射光强，间接测定水样浊度值（散射法）。当水样中悬浮颗粒直径远小于入射光波长时，散射光强度服从瑞利（Rayleigh）定律[7]：

式中：Is为散射光强度，cd；B为与入射光波长、微粒和水的折射率、散射光与入射光的夹角等有关的比例系数；N为单位体积水中的微粒个数；I0为入射光强度，cd。

1.3.3 数据统计与分析

使用Origin 9.0绘图；使用SPSS17.0软件进行数据分析。

2 机器视觉方法和评价

2.1 原理

利用CGM 201W型分析仪搭载机器手臂和机器视觉技术测定水体高锰酸盐指数。一方面在测试过程中试剂添加、消解、终点判断等流程完全参照国标方法，保证方法原理上的一致性；另一方面CGM 201W型分析仪应用机器手臂代替了人的双手操作样品，并利用独特的机器视觉技术代替人眼判断滴定终点，使样品操作流程和滴定终点判断更加信息化、数字化和智能化[9]。

本研究中采用的机器视觉方法主要为使用高精度摄像机，将滴定过程拍摄成电子照片并转换为包含RGB数据的电子信息[10]。每次滴液时，对RGB信息进行比对，通过智能算法判断出溶液刚好从无色变成粉红色的时刻，记为滴定终点。机器视觉法分析滴定的同时利用磁力搅拌加速浑浊水样得以充分混合，保证了过程和结果的一致性，大幅降低了因操作人员仅凭人的视觉判定滴定终点造成的误差。机器视觉法在严格控制滴定过程条件的同时减少了分析人员的劳动强度[11]。滴定结束后自动得出高锰酸盐指数结果，在国标方法的基础上，实现了高锰酸盐指数测定过程的自动化、智能化。方法流程见图1。

图1 机器视觉方法流程

2.2 方法评价

2.2.1 方法精密度

为测试机器视觉方法的稳定性，分别配制6组（编号为1～6）高、中、低3种标准质量浓度的葡萄糖样品进行测试，结果见表1。

表1 机器视觉方法的平行性测试结果

利用机器视觉方法对不同浓度葡萄糖样品进行测试，对数据进行分析可以看出相对标准偏差（RSD）较低且均满足要求[13]（相对标准偏差均在±5%以内），说明该方法重复性好，精密度可以满足监测要求。

2.2.2 方法准确度

为验证机器视觉法测定环境水样中高锰酸盐指数的准确度[14]，分别测定3组不同标准浓度的高锰酸盐指数有证标准物质，每组样品测定5次，结果见表2。

表2 机器视觉方法对有证标准物质的测定结果

通过机器视觉方法测定3组不同浓度的有证高锰酸盐指数标准物质，结果表明，测定值平行性较好且均在其标准物质的置信范围之内，说明测定结果准确度较高且稳定性好满足监测要求[14]。

3 高浊度水样测试

为了对比GB 11892—1989《水质高锰酸盐指数的测定》（以下简称“国标手工法”）和机器视觉法对不同浊度水样高锰酸盐指数测定的差异性，配制浊度梯度50，100，200，400，600，800 NTU的水样，同一浊度水样均进行5次平行测定，并通过机器视觉和肉眼分别进行滴定终点判定。结果见表3。测试过程中发现，一方面随着水样浊度升高，滴定终点的粉红色变得不明显，其原因为高浊度水样中的各种悬浮物质对光线的阻碍干扰作用造成；另一方面，滴定终点颜色变化情况显示，相对于国标手工法，机器视觉法得到的终点颜色不仅更加均匀、一致性更好且基本呈现为粉红色；而国标手工法滴定时，随着水样浊度增加，人眼逐渐难以分辨其是否达到滴定终点，导致滴定后的溶液颜色差异较大。

表3 2种方法测试不同浊度样品的高锰酸盐指数值

目前，采用分光光度法和比色法的高锰酸盐指数在线监测设备受浊度影响，分析的准确度与平行性较差[15]。因此，有必要通过对不同浊度样品高锰酸盐指数的测试，来验证机器视觉法的环境适应性。一方面对2种方法的测试数据进行F检验与t检验，来确定机器视觉法和国标手工法是否具有显著性差异[16]；另一方面，通过相对标准偏差（RSD）比较2种方法的精密度。

3.1 F检验

F检验又称方差齐性检验，通过计算2组数据的S2之比值，计算得到F值，来判断2组数据是否存在显著性差异。浊度为50，100，200，400，600，800 NTU的F值结果分别为1.77，1.36，2.44，4.36，3.91，4.81。以95%的置信度为检验标准，由F值表（单边）查出，当n=5时，f大=4，f小=4，F表=6.39，因此，以上测试结果中得到的F值均小于此值，说明2种方法测定结果无显著性差异[17]。

3.2 t检验

因为F检验无显著差异，因此，可进一步进行t检验，用来比较2个平均值是否存在显著差异。t值计算见公式（3）～（4）。

式中：n=5，其总自由度f=n1+n2-2=8，计算得到不同浊度样品测试的t值分别为-2.01，-1.54，-1.21，-0.59，0.86，0.72。以95%置信度为检验标准，查询值表（双边）可得t0.05,8=2.306，2组样品测试的t值均小于此值，表明2组数据不存在显著性差异。

通过F检验及t检验分析比较可知，2种测试方法得到的结果均无显著性差异。即机器视觉法在不同浊度水样测试中，其结果与国标手工法结果具有一致性，一定程度上可以认为与国标手工法具有同等的分析测试效果。

3.3 RSD比较

不同测试方法RSD结果对比见表4。由表4可知，机器视觉法与国标手工法测试结果的RSD均满足要求。在测试高锰酸盐指数时，无论水样浊度高低，机器视觉法的相对标准偏差均低于国标手工法，这表明，在不同浊度下特别是高浊度水样的高锰酸盐指数测试中，机器视觉法的测试结果相较于国标手工法精密度更好，更加稳定。

表4 不同测试方法结果的相对标准偏差

综上，机器视觉法在符合GB 11892—1989要求的同时实现了国标方法的自动化、智能化和测试高效化；通过对比国标手工法和机器视觉法的测试结果可以发现，一方面机器视觉方法测试效率高，操作简单且精密度好；另一方面可以直接对高达800 NTU的水样进行测试，无需通过辅助设备对水样进行预处理且测试结果稳定性好。

4 结论与展望

（1）机器视觉法作为一种新方法，在水质高锰酸盐指数测定中其准确度与精密度均符合国标方法的要求；机器视觉技术在滴定终点判定方面具有较好的稳定性与一致性，抗浊度能力强，浊度在800 NTU以内的水样无需预处理即可直接测试，且可以避免肉眼进行滴定终点判定的局限性，增强仪器设备对不同水体的适应性。

（2）机器视觉法与国标手工法对水质高锰酸盐指数的测定无显著性差异，相比于国标手工法，机器视觉法测试具有精密度好、准确度高、稳定性好的特点，且分析效率高，可节省人力成本并减少人为失误的发生。

（3）机器视觉法，对于高浊度水样可以直接测试无需预处理，降低监测成本和工作量，将其技术应用于在线监测领域中，可以有效解决在线监测领域内高浊度水样高锰酸盐指数测试不稳定的问题。目前，已有厂家（如：北裕仪器）将此类方法应用在实验分析领域。因此，将机器视觉识别技术应用于在线监测设备具有一定的技术基础和可行性。