《Aquacultural Engineering》：Automated hybrid air-gap and wet-storage sensing via a SCARA robot for long-term monitoring of bioactive water systems
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摘要对生物活性水系统（如水产养殖环境）的可靠实时监测常常受到生物污染的影响，这会导致信号漂移并增加维护需求。本研究提出并实验评估了一种针对传感器特有的混合间歇性感知策略，通过最小化传感器与生物活性水的累积接触来提高测量稳定性。该方法利用自动化机器人平台，通过控制的浸入、抽出、存储
摘要
对生物活性水系统（如水产养殖环境）的可靠实时监测常常受到生物污染的影响，这会导致信号漂移并增加维护需求。本研究提出并实验评估了一种针对传感器特有的混合间歇性感知策略，通过最小化传感器与生物活性水的累积接触来提高测量稳定性。该方法利用自动化机器人平台，通过控制的浸入、抽出、存储和重新定位循环来操作性地减轻生物污染。在非测量阶段，温度和浊度传感器暴露在空气中，而pH电极则保存在3 M KCl溶液中。该策略在一个半集约化水产养殖池中连续部署了30天进行了评估。温度、pH值和浊度的测量结果与商用多参数参考探头进行了对比。所得到的平均绝对误差分别为0.21°C、0.04 pH单位和0.62 NTU，时间残差分析显示没有可检测到的单调累积漂移。此外，基于定量图像的分析表明，虽然原始表面阳性比率从基线的24.06%增加到第30天的46.71%，但功能相关的感知接口在视觉上仍然未受阻碍。尽管表面有积聚物，这种针对传感器的间歇性协议在30天期间成功保持了测量准确性和时间稳定性。这些发现表明，混合空气间隙和湿润存储的操作策略有效地减少了生物污染的实际影响，同时保持了数据完整性，为在维护受限和成本敏感的应用中提供了可行的长期监测解决方案。
引言
工程水系统的有效运行、监测和控制越来越依赖于可靠的实时水质数据。在生物活性水过程中，包括生物废水处理和水产养殖系统，温度、pH值和浊度等物理化学参数直接影响微生物活性、反应动力学和整个过程的稳定性。最新的研究结果表明，从实验室测量转向在线实时水质监测在技术上已经可行，并且在操作上也是必要的，以支持现代水过程工程和自动化框架（Moretti等人，2024年）。
连续监测基础设施的部署实现了数据驱动的过程控制、异常条件的早期检测以及操作效率的提高。然而，先进监测和自动化策略的有效性从根本上受到传感器数据长期可靠性的限制。在实际操作中，传感器测量容易受到漂移、噪声和退化的影响，这可能会影响决策和控制措施。为了解决这些挑战，提出了传感器验证和数据协调技术作为确保水处理过程中可持续监测和可靠操作的重要工具（Ba-Alawi等人，2021年）。
用于生物和高级氧化过程的先进建模、监测和控制框架明确假设有准确和稳定的在线测量数据。当这一假设被违反时，控制性能会下降，限制了优化潜力并增加了操作不确定性。关于动态建模和过程控制的最新评论强调，实时数据流的完整性是工程水系统中稳健过程监督和自动化的先决条件（Parsa等人，2024年；Delgado等人，2021年）。在现实世界应用中，原位传感器的长期运行经常受到传感器故障、信号漂移和异常测量的影响。数据驱动的研究表明，未被发现的传感器故障会通过控制层传播，降低过程的稳健性（Yang等人，2025年）。
在水环境中导致这种退化的机制中，生物污染是最持久的因素之一。生物污染被定义为生物物质在传感器表面的不希望积累，它会干扰光学和电化学感知接口，导致逐渐的测量漂移（Mahmoud等人，2025年）。最新文献强调，这一现象是影响水下传感器网络数据质量和维护成本的最关键因素，其中生物膜会创造局部微气候，其代谢活动会扭曲溶解氧和pH等参数的读数（Liu等人，2023年）。
即使使用先进的传感技术，暴露于生物活性水中也会降低数据的可靠性，这加强了需要替代操作策略的必要性（Kumar等人，2024年；Sahu和Maldhure，2025年）。研究表明，生物污染在浸入后几乎立即开始，迅速降低信号质量（Koren和McGraw，2023年）。尽管已经开发了防污涂层和表面处理方法，但它们在长期现场条件下的耐久性往往有限（Sahoo等人，2025年；McQuillan等人，2016年）。同样，也提出了电化学和物理化学清洁方法来减轻对光学传感器的影响；然而，这些解决方案增加了系统复杂性，并且依赖于主动干预，这可能会影响机器人平台或低成本物联网系统的自主性（Koren等人，2023年；de Camargo等人，2023年）。
本研究调查了一种针对传感器的混合间歇性感知策略，作为减少生物污染对水质监测实际影响的方法。主要贡献总结如下：
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评估了一种混合间歇性协议，以减少水质传感器与生物活性水的累积接触。
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温度、pH值和浊度的测量结果与使用商用多参数仪器获得的测量结果进行了比较，该仪器作为参考系统。
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在非测量阶段，温度和浊度传感器暴露在空气中，而pH电极保存在3 M KCl溶液中。
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该策略在30天的部署期间没有进行手动清洁、使用专门的防污材料或主动清洁机制。
为了评估这种方法，开发了一个自动化感知平台，在室外实验条件下执行可重复的浸入、抽出、存储和重新定位循环。这项工作的目的是实验性地评估针对传感器的混合间歇性感知策略在长期监测期间保持测量完整性的可行性，而不是实施或验证闭环过程控制。30天的部署评估了时间测量稳定性、机器人与参考系统之间的差异，以及传感器末端执行器表面积聚的变化。
本文的结构如下。第1节介绍了引言，简要介绍了工程系统高效运行、监测和控制的一般原则，以获得可靠的实时水质数据。第2节描述了在生物活性水系统中使用的间歇性空气间隙感知策略的方法论和工具。第3节展示了在30天试验期间获得的实验结果。第4节提供了讨论，讨论了关于水质监测过程、所提出的策略以及操作成本、局限性和未来工作的发现。最后，第5节总结了针对生物活性水系统的间歇性空气间隙感知策略的结论。
章节片段
材料与方法
该方法描述了一个机器人监测平台的开发，旨在验证生物活性水系统中的间歇性空气间隙感知策略。该系统集成了一个移动基座和一个垂直SCARA型操纵器，可以精确控制浸入深度，并使用低成本传感器执行可重复的浸入-抽出循环，以测量温度、pH值和浊度。
这种方法的核心创新在于将测量与...
结果
本节展示了在提出的针对传感器的混合间歇性感知系统30天部署期间获得的实验结果。
分析分为三个部分：第3.1节检查了在间歇性感知协议下监测的水质参数的时间行为和测量稳定性；第3.2节评估了测量准确性和与商用多参数仪器作为参考系统的吻合度；第...
讨论
本研究的结果支持了针对传感器的混合间歇性感知策略的可行性，该策略在评估的30天条件下保持了机器人与参考系统之间的吻合度，并限制了表面积聚的实际影响。本工作的核心前提是，传感器与生物活性水的累积接触可以被视为一个操作设计变量。实验证据包括时间残差分析和与参考...
结论
本研究提供了实验证据，表明针对传感器的混合间歇性感知策略是一种实用的操作方法，可以减少生物污染的影响，并在长期监测生物活性水系统期间保持测量完整性。通过在感知协议层面而不是通过专用材料或主动清洁机制来解决生物污染问题，所提出的方法是对传统方法的补充。
CRediT作者贡献声明
Omar Capetillo-Contreras：概念设计。Francisco D. Pérez-Reynoso：数据管理。Manuel Toledano-Ayala：资金筹集。José M. álvarez-Alvarado：资金筹集。Juvenal Rodríguez-Reséndiz：研究。
写作过程中使用的生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用Grammarly工具审查了手稿的语法。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
Omar Capetillo-Contreras|Francisco D. Pérez-Reynoso|Manuel Toledano-Ayala|José M. álvarez-Alvarado|Juvenal Rodríguez-Reséndiz
