新型仿生鱼技术在水体污染探测中的应用

宋悦嘉，李思雨，张新琪，蓝蔚青，吴 波，吴清云

（1.上海海洋大学工程学院，上海 201306；2.上海海洋大学食品学院，上海 201306；3.南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515）

水是地球环境得以正常运行的基础，在大量的环境问题中，与人们联系最密切的就是水，作为地球生物赖以生存的物质基础，水是所有生物的自然活动中不可或缺的一部分。水环境是人类最重要的环境保障，而水污染是地球生物最难以解决的重要问题。但近年来，随着各国推进城市化进程不断加快，人口数量激增，过度开采产生的污染物被排入河流中，导致大量水域的水体受到严重污染，影响到各国环境和居民健康。

目前，污染源的检测是水污染治理中最难解决的问题。固体污染物由于其可视化、易收集的特点，已经拥有较为成熟的处理措施。然而，如何既遵循河流的自然生态原则，又能设计针对性的河流湖泊非固体污染物监测装置，协助环境治理，是目前行业人员的努力方向。基于此，本文在对水污染物常用检测方法与国内外最新探测法介绍的基础上，阐述了仿生鱼技术在水体非固体污染探测中的主要特点，并对该技术的未来发展趋势予以展望。

1 中国常用的水污染污染物检测法

随着科技水平不断提高，中国已有相应的水污染污染物检测方法，主要包括生物探测法、光探测法、机械探测法、物理检测法、化学检测法与物联网检测技术。

1.1 生物探测法

生物方法中的许木启实验是利用白洋淀水体里的浮游动物群种变化来判断水体污染程度[1]。该方法监测功能多样，监测污染状况客观，结果可靠，成本低，但难以具体测定一片水域的污染物种类和范围。

1.2 光检测法

光探测法中应用最多的是紫外吸收法。该法利用双光路单通道循环分时采样方法，在软件控制下分时探测光强反应的水质污染情况[2]。其优点在于消除了由于后景光的折射和光线强度带来的影响，具有很强的实用性，但在实际使用中，根据中国现行标准，需把测定中的紫外光吸收系数转换成化学需氧量，转换时需要完成大量工作，转换值缺乏代表性。

1.3 机械探测法

机械方法中主要应用监测网技术，通过这项技术将各种传感器、缩微电脑芯片和发送器安装在一个装置内，将探测装置放进需要监测的水域里，通过底部的定位器等判断水深位置，然后来具体监测水质。各种传感器等续航时间长，可以组成整体监测网，可用于大型污染水域的监测，但价格昂贵，不易在户外携带。

1.4 物理检测法

各种物理方法中较常用的是环境地球物理方法，它是一种检测大片水域污染程度的方法，通过检测渗透液的方法判断水域内污染的大致范围和程度[3]。当水体受到污染后，视电阻率或电导率发生变化，根据检测结果来判断污染范围、污染程度等。其优点在于污染物探测更精确，但由于不同区域、不同水域的介质不同，该方法对于有些数据可能给不出合理解释，所以没有被广泛应用。

1.5 化学检测法

化学监测中最常用滴定分析法，该方法将一种已知准确质量浓度的溶液（标准溶液），滴加到需要检测的水质中，根据化学反应完全后消耗标准溶液的体积和质量浓度，计算出被测物质的含量[4-5]。其优点在于方法简单易懂，分析准确度高，总体成本低。但操作烦琐，费时费人工，而且必须要有合适的指示终点。

1.6 物联网探测技术

物联网探测技术是通过放置在浮标等装置上的传感器探测设备配合GPS 对污染程度以及探测的具体时间、具体水域位置进行实时监测，得出污染详细图[6]。各种传感器通过实时网络进行检测，上传至上位机进行实时监测。其优点在于检测范围广，检测精度高，但费用昂贵，操作烦琐，费时费力。

2 国内外最新水污染检测方法

国内外目前通常根据不同地点的探测结果对水污染进行综合治理，水污染检测技术不断推陈出新，主要包括以下3 种。

2.1 水下机器人探测法

现代水质监测手段明显存在自动化不足、站点不足、专业性缺乏的问题[7]。水下机器人探测法通过pH传感器、浊度传感器和温度传感器来探测水体环境和非固体污染物的位置，通过螺旋推动器进行运动推进，实现水下灵活运动，但是由于螺旋桨噪声较大，且易损伤鱼类，会破坏水下生态环境。

2.2 小型无人艇水污染检测法

普通水上污染监测设备往往价格昂贵，体积庞大，使用不够灵活[8]。无人艇系统适用于江河湖库水污染的抽检和巡检，以小型无人艇为载体进行水资源数据采集，以电脑作为陆地主体来进行数据的实时显示，利用3G 通信技术实现远程通信。但由于无人艇对江河湖中的环境可能存在破坏情况，该技术还未成熟，因此未得到广泛应用。

2.3 仿生鱼探测法

仿生鱼探测法摒弃了冰冷的水下机器人探测，通过融入鱼群避免破环水下生态环境。目前的仿生鱼领域主要利用传感器等技术，通过对水下污染物的探测进行数据的整理，研究人员再用探测的数据绘制实时的水污染3D 图，环保部门将此作为污染物清理的依据。但该技术尚未成熟，无法完全模仿鱼类游动方式，不能完全融入鱼群。

目前对大片流域的水污染探测仍存在较大问题，因此对于河流污染后的生态修复要遵循自然生态原则，利用河道生态系统的自我调节能力来进行分析，全面遵循其发展规律，以此促进人与自然和平发展。

3 新型仿生鱼技术在水体固体污染探测中的应用

目前的仿生鱼技术优缺点明显，其优点在于，通过鱼尾摆动进行运动推进，实现水下灵活运动，且由于舵机相较于螺旋桨噪声较小，不易损伤鱼类，保护水下生态环境。但是仿生鱼缺点在于，多种传感器虽然可以组成整体监测网，可用于大型污染水域的监测，但价格昂贵，不易在户外携带。而目前的仿生鱼领域主要利用传感器等技术，通过对水下污染物的探测进行数据的整理，科学家用探测的数据绘制实时水污染3D 图，让环保部门采取办法来清除这里的污染物，以此来达到保护河流环境的目的。但是，其缺点在于，只能探测出固体污染物及其所在位置，而对于水体环境的探测具有很大的漏洞。因此，设计一款通过机械仿生及智能AI 混入鱼群、遵循鱼类活动，再由物联网进行大数据分析，来探索河流中非固体污染物以及污染源的位置的智能仿生机器鱼。新型仿生鱼产品模型如图1 所示。

图1 新型仿生鱼产品模型图

3.1 计算机视觉技术

利用水下仿生鱼系统，通过摄像头和Wi-Fi 等装置对水下的鱼群进行实时拍摄和信息识别，并将识别信息结果传输到用户上位机端，可对水下鱼群游动、水域污染、水下实时环境进行监测，以此来跟随鱼群游动，并进一步利用图像识别技术对水下环境进行精细化观测。新型仿生鱼系统流程如图2 所示。

图2 新型仿生鱼系统流程图

3.2 物联网技术

通过温度、流速等传感器，实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。为构建智能仿生鱼，设计物联网技术的应用方案，物联网技术被应用于智能仿生鱼的环节如下：数据采集、分析、处理，设备远程控制，RFID 无线射频技术，云平台。

3.3 红外避障技术

采用红外漫散传感器采集所处环境障碍物的信息，该传感器工作原理为红外光发射端所发出的光线遇障碍物被反射，红外接收端检测到信号时产生微弱控制电流至三极管内部的基极完成三极管的导通。三级管导通前后集电极和发射极之间出现明显的电势差。通过单片机对该电势差的判断（有障碍呈现高电平，无障碍呈现低电平），间接获取周围障碍信息。这种工作方式效率高，成本低，操作简便，具有很高的可实施性。新型仿生鱼避障系统流程如图3 所示。

图3 新型仿生鱼避障系统流程图

3.4 GPS 定位返航技术

采用GPS+LBS+Wi-Fi 的多重定位模式实现对机械仿生鱼的定位，给机械仿生鱼安装一个具有GPS+Wi-Fi+LBS 多重定位模式的GPS 定位器。由于每个GPS 厂家都有自己相应的电脑管理平台和手机APP。安装好GPS 定位器后，可用手机下载指定APP，用账号密码登录，就可在APP 上查看仿生鱼位置、回放电子围栏与历史轨迹。

在实现鱼类生物仿生和群体仿生的基础上，本项目通过对其仿生行为和传感器进行大量数据收集，通过物联网将信息传至PC 端，通过计算机分析大量数据，把一大批杂乱无章的数据中的信息集中和提炼出来，从而找出所研究小白须公鱼类游动的内在规律。因为鱼类在洄游过程中会依靠自身复杂敏感的感觉器官（如视觉、味觉、侧线系统等）和中枢神经系统，接受外界物理的、化学的定向信息，人类对某些水域的破坏，导致鱼类食欲亦会下降，小白须公鱼类会减少游动，因此通过大量数据可分析出哪些水域遭受到了非具体污染物的破坏。此技术可帮助人们作出判断，以便采取适当行动减少对河流的污染。

4 结束语

目前仿生机器鱼已成为仿生技术研究的热点。与传统的水下机器人进行对比发现它具有推进效率高、耗能少、噪声低、机动性强等特点[9]。从未来发展规划来看，仿生机器鱼如何达到足够仿生是研究人员一直追求的目标。目前技术通过模拟鱼类的柔性游动，从而可简化仿生机器鱼的设计。现在已有一些仿生推进器采用模块化结构，例如美国的东北大学开发的臀鳍推进器采用了16 个相同的模块。目前的仿生机器鱼推进装置虽具有一定的动作柔性，但还远不及水中生物，长远来看，推进仿生鱼的仿生柔性将大大提高游动仿生机器鱼的推进效率和适应。然而，随着技术的不断改进，相信不久的将来，仿生机器鱼必将是未来水下机器人的重要组成部分，成为人类探索海洋的重要工具。