無人船在河涌水質(zhì)監(jiān)測平臺的應(yīng)用研究

吳春祥，馬詩勇，杜香和

（1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州510075；2.江西駿馬招標(biāo)咨詢有限公司，南昌330000；3.時代出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰荆戏?30000）

0 引言

水污染治理成為環(huán)境保護的一個重大難題。為保護城市水域資源，政府一直大力建設(shè)智能化水利基礎(chǔ)設(shè)施。過去水質(zhì)采樣工作主要采取劃船取水、放置浮漂等人工模式，其監(jiān)測位置固定。無人船不需要人工操控，獨立完成精確定點采水樣。比起人工監(jiān)測模式，無人船監(jiān)測節(jié)省成本，提高效率，并可以到達污染區(qū)和深水區(qū)等。利用無人船可以實時采集與傳播監(jiān)測數(shù)據(jù)，跟蹤污染擴散狀況，增加了監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性和透明度。

無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是基于無人駕駛城市河涌水質(zhì)探測平臺，能完成河涌水域水質(zhì)參數(shù)測量任務(wù)，提供水質(zhì)酸堿度、雜質(zhì)量、化學(xué)物質(zhì)含量等數(shù)據(jù)。再借助云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對監(jiān)測區(qū)域水文情況進行分析預(yù)測。為水利環(huán)保部門提供決策參考，有利于推動水文監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化管理，并應(yīng)用于水文監(jiān)測、水資源環(huán)境保護等領(lǐng)域，解決惡劣天氣或危險水域無法進行人工提取水樣、實時監(jiān)測水質(zhì)變化等問題，大大減輕了水文監(jiān)測工作負(fù)荷和危險性。

本項目研究將對無人船航線動態(tài)規(guī)劃和自動避障算法優(yōu)化，實現(xiàn)對無人船船體姿態(tài)、任務(wù)狀態(tài)實時控制，實現(xiàn)自動化、全天候、高精度水文監(jiān)測，實時提取被測數(shù)據(jù)，借助云計算、大數(shù)據(jù)對特定時段水文情況進行分析，以供相關(guān)部門參考決策。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于無人船的水文監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)，主要包括無人船自主航線規(guī)劃及精準(zhǔn)控制、多傳感器集成與信息融合以及遠(yuǎn)程通信與實時多?？刂啤９P者在無人船上搭載了水質(zhì)監(jiān)測終端設(shè)計，經(jīng)過NB-IoT 基站、無線網(wǎng)絡(luò)與水質(zhì)監(jiān)測站構(gòu)建成智能化河涌水域治理系統(tǒng)。該系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)采集精度與傳播準(zhǔn)確度，實現(xiàn)了水域治理智能化。本文所研究的智能化河涌水域治理系統(tǒng)，由智能水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、水質(zhì)監(jiān)測中心和NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)通信平臺組成，如圖1。無人船端集成所需要采集數(shù)據(jù)類型的智能傳感器。監(jiān)測中心基于云計算平臺的服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘與分析等服務(wù)。監(jiān)測云計算平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)無線路由器與網(wǎng)關(guān)與無人船終端進行數(shù)據(jù)收發(fā)[1]。

圖1 無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

通過對無人船航線進行控制，采集目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域水文數(shù)據(jù)，實時動態(tài)將水文數(shù)據(jù)報送給數(shù)據(jù)分析平臺，再借助云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對監(jiān)測區(qū)域水文情況進行分析預(yù)測，為水利環(huán)保部門提供決策參考，有利于推動水文監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化管理。并應(yīng)用于水文監(jiān)測、水資源環(huán)境保護等領(lǐng)域，解決惡劣天氣或危險水域無法進行人工提取水樣、實時監(jiān)測水質(zhì)變化等問題?；跓o人船的水文監(jiān)測技術(shù)研究涉及通信、控制、軟件算法等多個領(lǐng)域。對無人船航線動態(tài)規(guī)劃和自動避障算法優(yōu)化，實現(xiàn)對無人船船體姿態(tài)、任務(wù)狀態(tài)實時控制，基于無人船的智能化水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)，具體包括：

（1）自主航線規(guī)劃和精準(zhǔn)控制

采用自動舵技術(shù)，借助螺旋槳的推力和兩個螺旋槳的速度差來實時調(diào)節(jié)航速和航向，實現(xiàn)自動按照預(yù)先設(shè)定的計劃的航線進行精準(zhǔn)的走線、換線及回歸等功能。

（2）多傳感器集成與信息融合

搭載聲、光、電、磁等多種傳感設(shè)備，通過嵌入式計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通訊技術(shù)和智能控制多種技術(shù)對信息進行融合采集分析[3]。

（3）實時遠(yuǎn)程通信與多模監(jiān)控

通過遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，實現(xiàn)人工控制、實時線路規(guī)劃自動控制以及無鏈接自主測量控制三種模式對船體進行實時控制。

3 技術(shù)創(chuàng)新點

無人船融合了通訊、算法、測控，自動化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)等綜合平臺技術(shù)，具有自主導(dǎo)航、自動避障、等性能特點，可搭載多種測量或探測設(shè)備環(huán)境監(jiān)測等自動化作業(yè)，通過無人船水文監(jiān)測后，可以獲取完備的水質(zhì)參數(shù)分布圖，對于污染的分布,實現(xiàn)在水文監(jiān)測領(lǐng)域的新突破，具備自主導(dǎo)航和自動避障，并可以對河涌水質(zhì)進行移動式在線連續(xù)多參數(shù)多點監(jiān)測。本研究的創(chuàng)新點：

（1）無人船采用自動駕駛，借助螺旋槳的推力和兩個螺旋槳的速度差來實時調(diào)節(jié)航速和航向，實現(xiàn)自動按照預(yù)先設(shè)定的計劃的航線進行精準(zhǔn)的走線、換線及回歸等功能。

（2）多傳感器集成與信息融合

無人船搭載聲、光、電、磁等多種傳感設(shè)備，通過嵌入式計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通訊技術(shù)和智能控制多種技術(shù)對信息進行融合采集分析。

（3）實時遠(yuǎn)程通信與多模監(jiān)控

通過遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，實現(xiàn)人工控制、實時線路規(guī)劃自動控制以及無鏈接自主測量控制三種模式對船體進行實時控制。

（4）實時獲取被監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)對水文情況進行分析，通過圖形化組態(tài)軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于無人船的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)，主要包括無人船自主航線規(guī)劃及精準(zhǔn)控制、多傳感器集成與信息融合以及遠(yuǎn)程通信與實時多?？刂?，實現(xiàn)自動化、全天候、高精度水文監(jiān)測，實時提取被測數(shù)據(jù)，借助云計算、大數(shù)據(jù)對特定時段水文情況進行分析。將該技術(shù)應(yīng)用于水利環(huán)保等行業(yè)部門，可解決人工無法在惡劣天氣或危險水域進行水樣提取、水質(zhì)監(jiān)測等技術(shù)壁壘，覆蓋全面范圍水文監(jiān)測的死角。

通過5G 移動通信技術(shù)，實現(xiàn)人工控制、實時線路規(guī)劃自動控制以及無鏈接自主測量控制三種模式對船體進行實時控制：①無人船預(yù)定水文監(jiān)測航線規(guī)劃方案，水質(zhì)等數(shù)據(jù)傳輸方案；②無人船航線規(guī)劃和避障算法設(shè)計，讓無人船自主航行、躲避障礙；③遠(yuǎn)距離實時數(shù)據(jù)通信，無人船的航行路線、任務(wù)狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)測。通過NB-IoT 基站，控制中心可以接收到各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測河涌水質(zhì)數(shù)據(jù)，同時接受無人船的上報數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)測試

無人船通過遙控器或NB-IoT 基站進行自動水質(zhì)采樣，測試通信距離在100 米以內(nèi)，水深度2 米左右，采樣量為8 升，采樣結(jié)束后生成水質(zhì)信息報告。無人船按照預(yù)先設(shè)定好的路線自動巡航，駛向指定水質(zhì)采樣位置，無人船15 分鐘能采集8 瓶水樣采樣后返航，通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)生成采樣及上報水質(zhì)數(shù)據(jù)[4]。將裝配有8 個水質(zhì)傳感器的水質(zhì)監(jiān)測無人船，放置在城市河涌進行試驗，步驟如下：

（1）檢查NB-IoT 基站通信參數(shù)及物聯(lián)網(wǎng)連接、建立無人船水質(zhì)采集模塊與水質(zhì)監(jiān)測中心服務(wù)器的連接。

（2）無人船按照預(yù)先設(shè)定好的路線自動巡航，駛向指定水質(zhì)采樣位置，開啟水質(zhì)數(shù)據(jù)采集功能，通過NBIoT 物聯(lián)網(wǎng)傳送到水質(zhì)監(jiān)測中心。

（3）監(jiān)測中心服務(wù)器通過水質(zhì)監(jiān)測上位機軟件，接收來自無人船數(shù)據(jù)監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

利用無人船的水質(zhì)監(jiān)測終端，借助NB-IoT 基站與水質(zhì)監(jiān)測中心構(gòu)建的智能化河涌水域治理系統(tǒng)，完成了水質(zhì)分析、智能排污、物品打撈等應(yīng)用。通過模擬實驗，并對水質(zhì)監(jiān)測中心收集到的測報數(shù)據(jù)進行了初步分析，結(jié)果表明本研究方案能較好地解決水質(zhì)數(shù)據(jù)測報問題，具有可行性與應(yīng)用推廣價值。進一步研究將引進移動在線源解析監(jiān)測平臺、移動水質(zhì)監(jiān)測平臺，優(yōu)化河涌水質(zhì)治理系統(tǒng)。