一種無人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的運(yùn)用

李倩倩

（南京市六合區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 江蘇南京 211500）

我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺乏淡水的國(guó)家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展客觀上加劇了工業(yè)污染的排放，日益增長(zhǎng)的水資源需求和水污染增大造成了矛盾。因此水環(huán)境治理成為當(dāng)務(wù)之急。無人船又被稱為幽靈船，近年來，結(jié)合多種高新技術(shù)已經(jīng)在環(huán)保監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。無人船從本質(zhì)說是一種自動(dòng)化水上機(jī)器人，使用無人船技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度高，成本低、測(cè)量及時(shí)、靈活性好、覆蓋范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。未來隨著智能化水平的不斷提升，無人船在危險(xiǎn)河道和海洋代替人類進(jìn)行重復(fù)性工作將會(huì)成為主要趨勢(shì)。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人船總體設(shè)計(jì)方案

1.1 需求分析

該無人船的研發(fā)依托于環(huán)保局的環(huán)保項(xiàng)目，本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，全面補(bǔ)充環(huán)境監(jiān)測(cè)部門現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法，確保監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期性、水質(zhì)代表性、系統(tǒng)安全性及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。無人船要能夠提供水質(zhì)采樣功能，水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能，自主巡航功能，多視覺傳感功能，能夠滿足狹小水域作業(yè)的特點(diǎn)。除了自主巡航之外，無人船還應(yīng)該具備遠(yuǎn)程遙控功能，方便操作人員完成一些復(fù)雜的作業(yè)程序。

1.2 船身設(shè)計(jì)

船身采用雙體流線型，降低重心，確保航行平穩(wěn)，為了增加船體的抗風(fēng)功能，船身采用了防顛覆的設(shè)計(jì)，并且注入防水和防沉的等理念。為了提高抗腐蝕性，船身采用高強(qiáng)度耐腐蝕合金材料，在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，可以采用玻璃鋼等較輕的材料。為了提升環(huán)保意識(shí)，船身設(shè)計(jì)為綠色和藍(lán)色兩種，船上負(fù)載在30kg以下。

1.3 船上系統(tǒng)

上位機(jī)系統(tǒng)，通過衛(wèi)星地圖進(jìn)行定位，規(guī)劃水域巡航路線，用戶在上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行水位控制。無線傳輸系統(tǒng)，通過無線信號(hào)無人船與上位機(jī)之間的指令與數(shù)據(jù)之間的下達(dá)與傳輸。無人船控制單元，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、定位模塊、電子羅盤模塊、超聲波避障模塊等。水樣采集單元，系統(tǒng)自動(dòng)化收集水樣，船上要裝至少20個(gè)采水瓶。水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元，比如藍(lán)綠藻、水中油、葉綠素A、濁度、氨氮等分析儀器，具體分析到溫度、pH值、電導(dǎo)率等因素。為了確保船上的系統(tǒng)絕對(duì)不受利益關(guān)系的困擾，數(shù)據(jù)絕對(duì)真實(shí)，信息系統(tǒng)采用聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)入到多個(gè)終端，及時(shí)查閱和發(fā)布，這樣就能避免篡改數(shù)據(jù)等行為發(fā)生。

1.4 系統(tǒng)動(dòng)力

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，本船不安置傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或者是電池動(dòng)力，而是采用了一種新式的漂流式動(dòng)力系統(tǒng)，利用海浪的動(dòng)力進(jìn)行發(fā)電。同時(shí)配備太陽能系統(tǒng)，利用船載波浪系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。本船在行駛中主要依靠海浪動(dòng)力和漂流的作用，同時(shí)在行駛中利用海浪進(jìn)行發(fā)電，是一種高度清潔的能源，能夠避免行使過程帶來的污染。

2 無人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的運(yùn)用

2.1 將應(yīng)急管理和日常監(jiān)測(cè)聯(lián)系起來

環(huán)保部門要建立日常監(jiān)測(cè)和應(yīng)急管理機(jī)制，一旦發(fā)現(xiàn)事故，要緊急啟動(dòng)救援機(jī)制和治理機(jī)制。日常監(jiān)測(cè)中要制定排查路線，比如對(duì)河道邊走邊測(cè)，采用分析同時(shí)推進(jìn)，按照規(guī)劃路線系統(tǒng)部署。同時(shí)還可以采用漂流的方式讓無人船各個(gè)河口進(jìn)行隨機(jī)檢測(cè)，檢測(cè)過程中如果出現(xiàn)重大問題，無人船要發(fā)出警報(bào)，比如在檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)漏油事件，河面有油漂浮，為了避免出現(xiàn)更大的危害，要立刻發(fā)警報(bào)，然后緊急進(jìn)行處理。個(gè)別無人船可以安裝部分緊急自動(dòng)清理裝置，比如油污和重金屬污染等，無人船可以自動(dòng)進(jìn)行緊急清理，吸附油污。同時(shí)，還要考慮到極端天氣影響下或者水域環(huán)境高度復(fù)雜下的特殊情況，比如在雨雪冰雹天氣會(huì)對(duì)測(cè)繪產(chǎn)生什么影響，如何確保地理位置準(zhǔn)確。

2.2 利用無人船監(jiān)測(cè)技術(shù)判斷污染源

無人船監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要目的是及時(shí)判斷污染源，予以根治，2012年鎮(zhèn)江發(fā)生苯酚水源地污染事故就是一個(gè)典型事例。污染源找不到，不能根除污染的源頭弊病，那么污染的危害就會(huì)持續(xù)擴(kuò)大。鎮(zhèn)江自來水事件是典型的一艘無人船改善一條工作線，無人船通過采集分析獲取數(shù)據(jù)，之后機(jī)器人繪制出污染物狀態(tài)分布圖，專業(yè)人員根據(jù)分布圖、氣象狀況和企業(yè)分析，就可以判斷哪里出現(xiàn)污染。鎮(zhèn)江自來水事件給無人船環(huán)保監(jiān)測(cè)工作帶來了一定的啟示，未來只需要根據(jù)水污染物濃度變化就能夠逐漸發(fā)現(xiàn)污染源，通過對(duì)污染的連續(xù)跟蹤，能夠進(jìn)一步全面掌握水質(zhì)狀況，這樣就可以制定出應(yīng)急方案。

2.3 利用無人船深入重污染區(qū)

在一些重污染地區(qū)，會(huì)因?yàn)槿藛T無法進(jìn)入而遲遲不能解決，而機(jī)器人就不存在這一問題所以只要規(guī)劃好無人船的路線，機(jī)器人就能夠自行分析。比如丹金槽河段常年受氮磷污染，這里的地理相關(guān)復(fù)雜，人工檢測(cè)難度非常高，即使是環(huán)保局進(jìn)行大量排摸的工作，也很難招到門路，在采用無人監(jiān)測(cè)船之后，只用GPS定位就發(fā)現(xiàn)了4個(gè)污染源。還有一些地區(qū)的污染對(duì)船也會(huì)造成傷害，比如高溫、輻射、有毒、爆炸、腐蝕等危險(xiǎn)，這種情況下可以給無人船配備足夠的視覺系統(tǒng)，讓無人船能夠眾覽全局，操作人員通過屏幕就能夠獲取數(shù)據(jù)。

3 無人船監(jiān)測(cè)技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 采樣分析報(bào)表一體化

未來無人船監(jiān)測(cè)技術(shù)越來越像一體化的方向發(fā)展，通過多個(gè)智能傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)系統(tǒng)還能夠分析檢測(cè)結(jié)果，形成系統(tǒng)的報(bào)表，方便決策人員進(jìn)行具體分析。比如，無人船船身安裝溫度傳感器，直接感受水溫，將連續(xù)的溫度變化報(bào)告和PH值、礦物質(zhì)含量等系統(tǒng)報(bào)告結(jié)合起來，研究人員直接就能夠獲得數(shù)據(jù)。因此，未來計(jì)算機(jī)的信息處理能力將會(huì)是無人船監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的核心內(nèi)容。

3.2 監(jiān)測(cè)工作智能化

智能機(jī)器人是未來大的發(fā)展趨勢(shì)，無人船將會(huì)和5G物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)接合在一起，通過搭載多種傳感器和多普勒剖面儀（ADCP）、單波束聲納、放射性檢測(cè)儀等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的流量、水深、核輻射測(cè)量等工作。尤其是提高無人船的智能避險(xiǎn)功能，比如強(qiáng)化視覺系統(tǒng)，對(duì)航行中的障礙物和危險(xiǎn)物進(jìn)行自主判斷，確保能夠安全航行。

3.3 動(dòng)力方式清潔化

當(dāng)前無人船的一個(gè)重大問題就是船體較小，抗風(fēng)浪的能力較差，而且一般都是采用鋰電池續(xù)航，這種方式造成能源浪費(fèi)，而且存在無人船一旦不能回收，就會(huì)造成嚴(yán)重污染的危險(xiǎn)。因此，未來隨著技術(shù)水平的不斷提高，無人船使用風(fēng)浪作為自身動(dòng)力是一種可行的發(fā)展趨勢(shì)，這樣可以大大降低無人船二次污染的幾率，同時(shí)提高能源利用效率。

4 結(jié)論

無人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)是未來的發(fā)展趨向，正如水上垃圾清理機(jī)器人一樣，無人船監(jiān)測(cè)技術(shù)也會(huì)體現(xiàn)出智能化、清潔化和系統(tǒng)化的特征，因此必須要加大技術(shù)研發(fā)力度，推動(dòng)我國(guó)環(huán)境改革步伐。