南水北調(diào)中線工程給北京帶來清澈、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)了第一臺藻“臉”識別自動監(jiān)測設(shè)備，這也是中國自主研發(fā)的藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備首次用于供水安全保障。自動監(jiān)測設(shè)備的加入，讓藻類監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取時間從曾經(jīng)的48小時大幅縮短至20分鐘。
藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)。受訪者供圖
一間超級微縮版的“實驗室”
截至目前，北京共有14家水廠接納“南水”，經(jīng)過水廠嚴(yán)格的處理工藝，“南水”隨著供水管網(wǎng)進(jìn)入千家萬戶，北五環(huán)外的這家水廠便是14家水廠之一，這臺藻類AI自動監(jiān)測設(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特作用。
在藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備研發(fā)之前，藻類監(jiān)測主要以人工為主，工作人員取水樣后，帶回實驗室，經(jīng)過一系列的技術(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)境研究所高級工程師張蕾告訴記者，這臺藻類AI自動監(jiān)測設(shè)備好比一間微縮的實驗室。水管自動抽取水樣后，進(jìn)入設(shè)備中的小水箱進(jìn)行定量，然后模擬實驗室檢測環(huán)節(jié)中的水樣濃縮過程，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”圖片傳輸至后臺后，和數(shù)據(jù)庫中的藻類圖像進(jìn)行對比，自動識別是哪種藻，并分析相應(yīng)結(jié)果。這些數(shù)據(jù)最后會返回設(shè)備的顯示屏，后臺系統(tǒng)也能同步讀取。
圖像數(shù)據(jù)庫。受訪者供圖
張蕾介紹，如果用人工的方式，往往需要至少48小時才能獲取藻類數(shù)據(jù)，但是這臺設(shè)備僅用20分鐘就可以完成監(jiān)測并且反饋數(shù)據(jù)。
自動監(jiān)測設(shè)備可迅速為水廠提供相應(yīng)數(shù)據(jù)
首臺藻類AI自動監(jiān)測設(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，因此在夏季重點監(jiān)測藻類的變化非常重要。作為監(jiān)測預(yù)警，對于水廠來說，如果能夠盡快獲取藻類的變化數(shù)據(jù)，就能及時調(diào)整水廠運(yùn)行的工藝，多級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)測中心，目前水質(zhì)數(shù)據(jù)已實現(xiàn)共享。此外，北京所有接納“南水”的水廠都實現(xiàn)了100%的深度處理工藝，在制水過程中采用活性炭吸附、臭氧消毒、膜過濾等國際先進(jìn)的水處理工藝，使各環(huán)節(jié)水質(zhì)全部符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。以濁度為例，國標(biāo)出廠水要求為不高于1NTU，北京市自來水集團(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。
對話：希望將藻類AI自動監(jiān)測納入北京智慧水務(wù)建設(shè)
新京報：為何要研發(fā)藻類的自動監(jiān)測設(shè)備？
張蕾：之前我們開展藻類監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，首先取水樣，然后在實驗室進(jìn)行48小時的前處理，最后進(jìn)行人工計數(shù)，也就是說用肉眼通過顯微鏡數(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。
這么長的周期不足以支撐相關(guān)部門做出決策，因為有很多應(yīng)急事件處置時間非常短，數(shù)據(jù)跟不上，就會影響到?jīng)Q策的制定。另一方面，人工識別藻類的培訓(xùn)周期很長，而且這方面的專家特別少，所以工作人員想快速、全面地掌握藻類識別挺不容易的。
基于這兩方面的原因，我們考慮通過類似于人臉識別的方式，對藻也進(jìn)行自動識別，構(gòu)建藻類數(shù)據(jù)庫。此前，北京水文總站監(jiān)測到的藻類有300多種，如果我們一開始就在自動監(jiān)測設(shè)備中建立那么龐大的數(shù)據(jù)庫，相對來說比較困難，所以我們首先選擇了在北京常見的26種藻進(jìn)行一期數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，未來還會不斷擴(kuò)充。
新京報：為什么要進(jìn)行藻類監(jiān)測？
張蕾：藻會影響水生態(tài)，最常見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。從供水的角度來看，“南水”進(jìn)京后，我們十分關(guān)注藻的影響。因為在南水北調(diào)過程中，輸水距離很長，這種渠道環(huán)境適合藻的生長，有可能會影響到水廠水處理的工藝。
顫藻，易引起水華。受訪者供圖
因為藻非常小，它們只有聚集起來才能夠看到明顯的變化，所以水生態(tài)環(huán)境很多時候只有出現(xiàn)問題了才會被發(fā)現(xiàn)。如果我們能夠?qū)崟r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，那么我們通過天氣預(yù)報就可以預(yù)測未來幾天可能是藻類生長的活躍期，水廠就可以提前調(diào)整水處理工藝來應(yīng)對。
新京報：近年來，北京藻類有何變化？
張蕾：前幾年，我們在密云水庫做過藻類的變化分析。“南水”進(jìn)京后，輸送來的硅藻偏多，而且硅藻比其他藻的顆粒大。目前，硅藻已成為北京的優(yōu)勢種，也是我們重點關(guān)注的對象。
硅藻，脆桿藻屬。受訪者供圖
新京報：第一臺設(shè)備為什么選擇放置在這個位置？
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：下一步有何構(gòu)想？
張蕾：我們要構(gòu)建藻數(shù)據(jù)庫，如果用人工的方式可能需要幾年的時間，但是隨著自動監(jiān)測設(shè)備的加入，藻圖像采集速度會加快，這樣就可以盡早建立起藻數(shù)據(jù)庫。下一步，我們會加快布設(shè)設(shè)備，通過前端“哨兵”的增加，共同保障水質(zhì)安全，同時繼續(xù)豐富藻數(shù)據(jù)庫。
另外，隨著監(jiān)測站點逐漸增多，我們可以從空間上獲得藻類變化趨勢，對藻密度變化進(jìn)行分析，為預(yù)測、預(yù)警提供基礎(chǔ)。未來，我們希望把這項技術(shù)納入北京智慧水務(wù)的建設(shè)中。
