一種新型水域漂浮物收集監(jiān)測系統(tǒng)

祝典 廖敏 劉新順 劉曉東 劉磊

關(guān)鍵詞： 漂浮垃圾; 收集器; 水面清潔監(jiān)控; 海洋碎片; 打撈; 塑料垃圾

中圖分類號： TN98?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）05?0027?05

A new collection and monitoring system of flotage in water area

ZHU Dian， LIAO Min， LIU Xinshun， LIU Xiaodong， LIU Lei

（Beijing Institute of Computer Technology and Application， Beijing 100854， China）

Abstract： In order to improve the situations of ecological environment damage and water pollution caused by floating litter in water area， various forms of cleaning and salvage were carried out at home and abroad. A new water surface cleaning and monitoring system was developed for the low automation degree of salvage mode and delayed state monitoring. The system can collect the floating litter such as plastic garbage by means of collecting device， and transmit the collected data. The collection network database system is set up to provide the effective collected flow monitoring data for visual display in the form of map， and provide the monitoring and management services of floating litter. The system can reduce the physical labor of cleaning workers， and promote the control and management of garbage in water area， and solve the problem from the source of marine debris.

Keywords： floating litter; collector; water surface cleaning monitoring; ocean debris; salvage; plastic garbage

0 ?引 ?言

綠色和平組織在2016年8月發(fā)表報告指出全世界每秒鐘有200 kg塑料被倒入海洋，累計(jì)每年有超過800萬噸塑料留在海洋中。2017年雖然我國海水質(zhì)量總體有所改善，但陸源入海污染壓力較大，在旅游休閑娛樂區(qū)等鄰近海域海洋垃圾密度較高[1?3]。海洋河流湖泊等水域內(nèi)的漂浮垃圾正在逐漸威脅到自然生態(tài)環(huán)境以及人類和自然的和諧發(fā)展。

我國對城市水面漂浮垃圾的污染控制相當(dāng)重視，2015年《水污染防治行動計(jì)劃》中明確規(guī)定，要求河面無大面積漂浮物，河岸無垃圾，無違法排污口。目前漂浮物打撈收集方式為人工打撈，工具為小船和自制工具。打撈方式落后，人力資源有限，在2017年有16個斷面水質(zhì)嚴(yán)重惡化且不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致政府重點(diǎn)任務(wù)進(jìn)度滯后。

針對現(xiàn)有的打撈和收集方式自動化程度低的問題，國內(nèi)外均開展了自動收集裝置的研究，包含清潔機(jī)器人、船用收集裝置[4?6]、洋流驅(qū)動設(shè)備。清潔機(jī)器人造價較高，船用清潔裝置適用于船體，洋流驅(qū)動設(shè)備適用于海洋等大面積水體，在河流湖泊不利于大規(guī)模廣泛推廣。一般單臺設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行控制，無法進(jìn)行系統(tǒng)性協(xié)調(diào)統(tǒng)一規(guī)劃運(yùn)行。廢棄漂浮物如果不及時清理，在河流水域隨水流運(yùn)動，污染下游流域。針對漂浮物監(jiān)測問題，國內(nèi)外也對該項(xiàng)監(jiān)測進(jìn)行了研究。目前一般的監(jiān)測為高清視頻監(jiān)測的方式，通過軟件過濾、去除水波抖動、智能算法等提高精確度[7?8]，算法依賴性強(qiáng)。設(shè)定漂浮物聚集地，從源頭監(jiān)測治理的方案一直得到廣泛認(rèn)可[9?10] ，但是實(shí)施打撈方式的自動化程度不高，監(jiān)測不夠全面，不利于漂浮物的管控。因此，開發(fā)和應(yīng)用水面漂浮物收集監(jiān)測系統(tǒng)，以自動化方式就地收集垃圾，減輕人工打撈的勞動量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時流量狀態(tài)監(jiān)控，促進(jìn)水域垃圾的控制和統(tǒng)一管理。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?總體設(shè)計(jì)方案

水面漂浮物收集監(jiān)測系統(tǒng)由自動收集裝置前端網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測管理服務(wù)系統(tǒng)組成，如圖1所示。區(qū)別于視頻監(jiān)測面積漂移計(jì)算的方法，消除了對視頻監(jiān)測軟件的依賴性，該系統(tǒng)通過對水面漂浮物的收集，直接監(jiān)測漂浮物收集的體積和數(shù)量，對垃圾流量監(jiān)控更加準(zhǔn)確。

收集前端網(wǎng)絡(luò)由處于各節(jié)點(diǎn)的不同種類收集器組成。收集器的自動收集前端裝置放置于水中，完成水域漂浮垃圾收集，收集狀態(tài)的監(jiān)測;控制系統(tǒng)箱體放置在陸地，完成就地控制和無線傳感的功能，將收集數(shù)據(jù)和狀態(tài)傳輸至服務(wù)器，接收管理終端的控制，組網(wǎng)運(yùn)行。

監(jiān)測管理服務(wù)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和分析服務(wù)器、水域清潔管理系統(tǒng)終端和移動終端組成。監(jiān)測管理系統(tǒng)對水域的漂浮垃圾收集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析和處理，將數(shù)據(jù)傳輸給管理應(yīng)用層，對自動收集裝置組成的多機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行收集監(jiān)測和運(yùn)行控制。也可以通過移動終端實(shí)現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程控制功能。

1.2 ?主要功能技術(shù)指標(biāo)

收集器系統(tǒng)采用電驅(qū)動方式，通過抽吸過濾的方式實(shí)現(xiàn)漂浮物收集，方便就地控制，前端內(nèi)置傳感器檢測收集器的收集狀態(tài)，通過無線傳輸對水面漂浮物進(jìn)行監(jiān)控、流量統(tǒng)計(jì)和狀態(tài)評估。系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 ?收集前端網(wǎng)絡(luò)

收集器的設(shè)計(jì)依據(jù)水利和水勢布局，滿足不同水勢變化的要求。漂浮物隨著水利地勢情況會形成一些天然聚集地，將收集器在漂浮物聚集地合理布置安裝形成收集網(wǎng)絡(luò)。

2.1 ?收集裝置設(shè)計(jì)

河流湖泊水位隨著朝夕、季節(jié)、天氣不同而變化，高度變化可超過1 m，如果采用固定高度收集方式，則水域的水位變化時，收集器沉入或高于水面，不能實(shí)現(xiàn)正常收集功能。因此收集前端裝置設(shè)計(jì)能夠自適應(yīng)水位，在垂直方向隨水位浮動，在運(yùn)行過程中豎直方向可根據(jù)水位自動調(diào)節(jié)。

設(shè)計(jì)收集裝置自重不大于30 kg，單人能夠搬動，左右端面方便抓握，滿足人體工程學(xué)要求。收集裝置前面板入口低于水面不小于40 mm，水面的大部分垃圾能被水流帶入垃圾桶。

實(shí)現(xiàn)裝置穩(wěn)定漂浮運(yùn)行，需滿足幾個條件：浮心在上，重心在下，穩(wěn)心在重心之上，回復(fù)力矩為正值;水泵排水量小于入水口最大流量，防止抽水造成裝置浮起;運(yùn)行過程中豎直方向排水浮力和重力合成產(chǎn)生上浮力，上浮力零點(diǎn)位于水面下15 mm處，上浮時速度零點(diǎn)位于水面下20 mm。

根據(jù)以上原則，設(shè)計(jì)裝置為左右對稱的長方體結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)為浮板提供浮力漂浮于水中，前面板低于水位為漂浮物的入口，如圖2所示。裝置滿足近岸的淺水收集要求，高度為480 mm，容積為40 L。箱體由潛水泵1、漂浮箱體2、過濾內(nèi)網(wǎng)6組成，底部安裝配重鐵塊降低重心增加穩(wěn)定性，內(nèi)壁安裝傳感監(jiān)測設(shè)備5。漂浮箱體側(cè)板采用實(shí)心浮體結(jié)構(gòu)，分為水下區(qū)域、浮動區(qū)域和儲存浮力三部分。儲備浮力部分處于水面上方，作為擾動時維持穩(wěn)定漂浮的浮體。設(shè)計(jì)浮板水下區(qū)域厚50 mm，高度為280 mm，該部分體積提供浮力為133 N，水泵、配重、結(jié)構(gòu)體為80 N，浮動區(qū)間浮力為76 N 。干舷部分儲備浮力為112 N，提供搖擺傾斜時的穩(wěn)定性。

靜態(tài)水泵不啟動時水位線位于箱體儲備浮力和浮動區(qū)域交界。入水口位于水面下，接通電源啟動水泵工作，將箱體內(nèi)水排出，水流和漂浮的垃圾通過入水口進(jìn)入收集器，水流經(jīng)內(nèi)網(wǎng)過濾后通過水泵排出，垃圾留在過濾內(nèi)網(wǎng)里完成垃圾的收集。

啟動工作后，水泵向箱外抽水，水箱內(nèi)水量減少，向上漂浮，入水口處水流入。入口具有可隨水流傾斜的擋板，穩(wěn)定工作狀態(tài)下，入水口擋板受到水流沖擊力，固定點(diǎn)在拉力、浮力以及重力的作用下滿足平衡條件。箱體內(nèi)外水位差約10 mm。運(yùn)行時箱體空腔體積等于浮起部分側(cè)壁的體積，入水口和出水口流量平衡。

潛水泵采用臥式泵，流量為30 t/h，55 mm口徑管道直排，滿足箱體內(nèi)外水位差要求。同時水位壓差造成的揚(yáng)程損失很小，在出水口實(shí)測流速可達(dá)3 m/s，可為箱體向前漂移提供動力。

接觸壓力傳感器5在箱體的前后左右側(cè)壁安裝，通常每個側(cè)面一個，用于監(jiān)測內(nèi)網(wǎng)廢棄物的收集量，內(nèi)網(wǎng)收集滿廢棄物，對傳感器5產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的壓力時，通過控制過濾擾動信號判斷收集滿桶狀態(tài)。傳感器采用面接觸式壓力傳感，較大的接觸面可提高準(zhǔn)確性。

水位傳感器3用于檢測收集箱體內(nèi)的水位，在箱體內(nèi)的水位較低時發(fā)出開關(guān)信號，啟動故障水位狀態(tài)保護(hù)，用于防止水泵干抽。

為了提高收集效率，可借助繩索牽引收集裝置，借助水泵向前的推動力使裝置在一定范圍內(nèi)運(yùn)行，擴(kuò)大收集半徑和面積，如圖3所示。

2.2 ?收集器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)裝在控制箱內(nèi)放置在岸邊，為自動收集前端提供動力電源;控制箱內(nèi)置牽引收集裝置，提供動力將裝置收回靠岸;完成水泵調(diào)速和保護(hù)控制功能;采集前端裝置狀態(tài)信息，進(jìn)行收集狀態(tài)信息判斷，將數(shù)據(jù)傳輸給上游數(shù)據(jù)庫，提供水質(zhì)監(jiān)測接口。

2.2.1 ?收集器控制系統(tǒng)硬件

控制箱在面板提供指示和控制操作，方便人員就地控制。具有報警、運(yùn)行、急停等指示，具有啟動、停止、牽引、復(fù)位、急停及防干抽控制;提供過流保護(hù)，監(jiān)測收集器收集狀態(tài)（滿桶/空桶）、監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)（運(yùn)行/故障）、水泵功率。通過無線傳輸實(shí)現(xiàn)該信息與監(jiān)測系統(tǒng)同步。

控制系統(tǒng)硬件主要由牽引電機(jī)、水泵調(diào)速器、主控制板、傳感器模塊、傳輸模塊組成?？刂朴?jì)算功能由控制主板實(shí)現(xiàn)，主板由處理器模塊、傳輸模塊、I/O模塊、A/D模塊、D/A模塊、電源模塊組成?？刂浦靼褰涌谌鐖D4所示。

控制系統(tǒng)采用220 V AC供電，市電經(jīng)開關(guān)電源給控制主板供電，滿足電磁兼容要求?？刂瓢逡砸欢ǖ闹芷诓杉瘋鞲衅餍畔⒉⒁来伺袛嗬皟?nèi)垃圾的收集狀態(tài)。接口接入前端接觸壓力傳感器，收到傳輸信號后，進(jìn)行濾波處理，綜合判斷垃圾桶是否裝滿，防止錯誤傳輸垃圾桶垃圾收集狀態(tài)。當(dāng)垃圾桶裝滿時控制牽引繩索收縮從而將裝置回收靠岸，方便垃圾清潔工清理收集框內(nèi)的垃圾。通信傳輸模塊將垃圾桶狀態(tài)信息上傳。

2.2.2 ?收集器控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件在硬件平臺上完成前端自動收集裝置監(jiān)測控制以及數(shù)據(jù)信息上傳的功能。

由多個收集器形成的網(wǎng)絡(luò)在某個區(qū)域布置，形成統(tǒng)一的監(jiān)測系統(tǒng)，收集裝置開機(jī)首先加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入工作狀態(tài)。為了降低系統(tǒng)功耗，軟件采取“發(fā)送?休眠?發(fā)送”的工作方式，終端控制器以一定的周期采集現(xiàn)場狀態(tài)信息，以中斷的方式將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取監(jiān)測對象狀態(tài)的特征信息，判斷垃圾桶是否裝滿以及工作是否正常。當(dāng)收集裝置裝滿時，及時發(fā)出繩索牽引的命令，將前端收集裝置靠岸，同時水泵停止工作，起到節(jié)能作用。工作流程圖如圖5所示。

控制系統(tǒng)監(jiān)測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容包括地理位置、設(shè)備編號、設(shè)備型號、工作狀態(tài)、垃圾收集狀態(tài)、當(dāng)前動力功率、當(dāng)前報警信息、牽引電機(jī)功率、牽引電機(jī)狀態(tài)。當(dāng)判斷任一狀態(tài)發(fā)生變化時，將數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送，連續(xù)發(fā)送多次應(yīng)答數(shù)據(jù)幀，確保數(shù)據(jù)傳輸成功。數(shù)據(jù)通過有線、無線或4G方式傳送至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，完成狀態(tài)感知和信息傳輸?shù)墓δ堋?h3>3 ?監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)

監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)于清潔人員、水域管理人員以及公眾群體。在控制中心的電子看板上向管理者展示設(shè)備信息，當(dāng)前和歷史的水面清潔態(tài)勢，對布置在水域的設(shè)備進(jìn)行控制和管理;基于前端收集網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時數(shù)據(jù)，在管理Web端向清潔人員就近發(fā)布作業(yè)指令，進(jìn)行設(shè)備巡查和清理，提高清潔效率，輔助整體水域管理和治理措施決策。

3.1 ?服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)采用B/S模式設(shè)計(jì)開發(fā)。通過用戶名密碼方式實(shí)現(xiàn)用戶的身份認(rèn)證，為不同身份用戶提供不同的信息及應(yīng)用系統(tǒng)的訪問控制。

前端收集網(wǎng)絡(luò)傳感信息數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)層，設(shè)置設(shè)備數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫、狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、人員數(shù)據(jù)庫以及決策支持?jǐn)?shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，在應(yīng)用層為用戶提供地理信息顯示、設(shè)備管理控制、系統(tǒng)管理服務(wù)以及人員工作等服務(wù)。

服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)3 000用戶200的并發(fā)數(shù)，數(shù)據(jù)互操作依托于互聯(lián)網(wǎng)，通過硬件系統(tǒng)確保網(wǎng)絡(luò)通信的順暢。采取通用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，應(yīng)用開源系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能性、實(shí)時性，促進(jìn)平臺上數(shù)據(jù)的互操作順利進(jìn)行。采用多層次信息安全系統(tǒng)，根據(jù)信息種類制定不同的信息安全計(jì)劃，對某些信息進(jìn)行特殊安全保護(hù)，保證信息系統(tǒng)安全。

監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)框架如圖6所示。

3.2 ?Web端和移動端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Web監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)以實(shí)時地圖的方式進(jìn)行界面展示，實(shí)現(xiàn)簡單易用的快捷操作，如圖7所示。地圖上以點(diǎn)位的方式顯示布置狀況，可進(jìn)行放大縮小和點(diǎn)位控制操作。各點(diǎn)位不同的顏色表示收集狀態(tài)和故障情況。點(diǎn)擊收集器的點(diǎn)位進(jìn)入設(shè)備管理界面，顯示該設(shè)備的地理位置信息、收集的狀態(tài)以及設(shè)備的責(zé)任人員;在該界面可對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，選擇責(zé)任人分配任務(wù)，就近對裝置進(jìn)行巡查和清理。

通過前端設(shè)備傳輸?shù)氖占瘮?shù)據(jù)，得到分區(qū)域分時段的漂浮物監(jiān)測情況。對單臺設(shè)備的清理次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在界面對收集器清理情況排序顯示，得到不同區(qū)域漂浮物流量的監(jiān)測數(shù)據(jù);對各時段的收集總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到該區(qū)域不同時段的漂浮物流量監(jiān)測數(shù)據(jù)?？刹捎貌煌念伾珜Σ煌髁康膮^(qū)域進(jìn)行分塊顯示，方便管理者對某個水域的漂浮物流量總體狀況評估以及監(jiān)管控制。

移動端界面如圖8所示。移動設(shè)備可采用專用手持設(shè)備和手機(jī)移動端，專用設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高安全等級防護(hù)。與Web端界面同步，手機(jī)移動端采用地圖顯示，可使用微信接口接入，不需要下載安裝即可使用，用戶掃一掃或搜一下就可打開應(yīng)用，巡視人員可隨時隨地查看設(shè)備狀態(tài)，遠(yuǎn)程對設(shè)備進(jìn)行操作和管理。

4 ?結(jié) ?論

針對目前河流湖泊人工打撈的方式，基于智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了漂浮型電驅(qū)動水面漂浮物收集監(jiān)測系統(tǒng)。通過傳感器可獲得水域漂浮垃圾收集狀態(tài)數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行信息。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫對狀態(tài)數(shù)據(jù)、作業(yè)信息數(shù)據(jù)、控制指令數(shù)據(jù)等進(jìn)行存儲解析和傳輸，同時接收PC端或者手機(jī)端的控制指令數(shù)據(jù)，隨時隨地對前端設(shè)備進(jìn)行控制管理。

監(jiān)測管理系統(tǒng)在流域的廣泛使用可逐步形成系統(tǒng)性服務(wù)平臺，該系統(tǒng)服務(wù)于水域園林用戶、行政管理部門、社會用戶及民眾，可兼容各種接入設(shè)備。依據(jù)大量的水面收集信息定期向社會發(fā)布漂浮物的流量狀態(tài)信息監(jiān)控情況，給使用者提供水資源狀態(tài)預(yù)估和決策建議，為發(fā)揮社會層次價值提供公益性服務(wù)，提升環(huán)保產(chǎn)業(yè)運(yùn)行效率，打造美好的人與自然和諧共存的生態(tài)環(huán)境。

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