智能型多參數(shù)水質監(jiān)測采樣無人船系統(tǒng)設計

宋云鵬

智能型多參數(shù)水質監(jiān)測采樣無人船系統(tǒng)設計

宋云鵬

（天津津航計算技術研究所，天津 300308）

無人船作為新型智能化水面平臺可以搭載多種設備實現(xiàn)不同功能。為了彌補現(xiàn)有水質監(jiān)測及采樣工作的缺陷，降低監(jiān)測的人力和財力成本，提高水質監(jiān)測的及時性和有效性，實現(xiàn)有毒水環(huán)境污染物質的應急監(jiān)測，自主研發(fā)了一種智能型多參數(shù)水質監(jiān)測采樣無人船系統(tǒng)。該無人船能夠通過遙控和智能自主航行方式實現(xiàn)多點位多種水質參數(shù)的實時采集和分層水樣的獲取，有助于提升水質監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測能力和數(shù)據(jù)分析能力，為管理決策提供有力的理論支撐和依據(jù)。

無人船；水質監(jiān)測；水樣采集；智能自主航行

1 研究背景

水質監(jiān)測作為水環(huán)境監(jiān)管的重要組成部分，可以提供監(jiān)測區(qū)域的水環(huán)境質量等級、水污染物質、污染超標倍數(shù)等數(shù)據(jù)，為污染源排放控制、水污染預警、水污染治理等管理決策提供理論支撐。

現(xiàn)有水質監(jiān)測系統(tǒng)存在一個很大的缺陷，就是水質監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)量和覆蓋率嚴重不足。通過調查發(fā)現(xiàn)，很大一部分原因是成本太高。目前，水質監(jiān)測主要由分布在水域中的各個固定監(jiān)測點完成。但這種由固定監(jiān)測點組成的水質監(jiān)測系統(tǒng)，由于每個監(jiān)測點都是固定的，所以每個監(jiān)測點的監(jiān)測范圍都是有限的。因此，為了覆蓋整個水域范圍，必須在監(jiān)測區(qū)域內安裝一定數(shù)量的固定監(jiān)測點。然而，每個固定監(jiān)測點都價格不菲，需要配備各種價格昂貴的水質監(jiān)測傳感器。如果可以將原有的固定監(jiān)測點變?yōu)橐苿拥?，并且其路線可控，一個移動監(jiān)測點便可以覆蓋原來許多固定監(jiān)測點才能覆蓋的面積。

目前水環(huán)境監(jiān)測主要通過水質在線自動監(jiān)測站和人工監(jiān)測實現(xiàn)。水質在線自動監(jiān)測站主要用于重點斷面水體的水質狀況、預警預報、污染物總量的連續(xù)監(jiān)測。人工監(jiān)測則是依靠監(jiān)測人員攜帶監(jiān)測和采樣設備利用船只到固定水域開展監(jiān)測工作。以上監(jiān)測方式都有其局限性，水質在線監(jiān)測自動站無法移動且維護費用較高，僅限于重點斷面的監(jiān)測；人工監(jiān)測不僅需要耗費大量人力物力，且為保證儀器和人員安全，在水域環(huán)境復雜、污染物毒性較大或者氣象條件惡劣的情況下難以進行作業(yè)。為了彌補現(xiàn)有水質監(jiān)測工作的缺陷，有必要開發(fā)一種可靠穩(wěn)定的無人智能水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)平臺。

無人船在二戰(zhàn)時期就已出現(xiàn)，但直到20世紀90年代才開始人們才對無人船進行大規(guī)模研究。國外無人船主要應用在軍事領域和資源勘察，美國、日本、加拿大、德國、法國、以色列都有產品推出。目前比較成熟的無人船包括美國的“斯巴達偵察兵”和“幽靈衛(wèi)士”、英國的“芬里厄”、以色列的“保護者”等。近年來，隨著無人船技術應用范圍的擴大，越來越多的無人船被應用于測繪、氣象、水產養(yǎng)殖和科研中。由于人們對環(huán)境問題的重視程度不夠，目前將無人船用于環(huán)境監(jiān)測的案例還十分有限，但隨著水環(huán)境問題的日益嚴峻和政府對水環(huán)境監(jiān)測能力要求的提升，研發(fā)出可以應用于水環(huán)境監(jiān)測的無人船具有重大的意義。

本次設計旨在實現(xiàn)一種由自動巡航無人駕駛船、環(huán)境水質參數(shù)監(jiān)控裝置和遠程服務監(jiān)控平臺3部分組成的無人智能水質監(jiān)測無人船系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的無人船通過GPS、電子羅盤進行定位及導航，利用船上的攝像設備實時采集區(qū)域周邊的環(huán)境影像。通過船上搭載的多種傳感器及輔助設備實現(xiàn)對水質的自動采樣和簡單參數(shù)測量。利用無線通訊可以實現(xiàn)對無人船的遠程控制，并完成無人船與遠程基站之間的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程操控和采樣，對COD、pH、溶解氧等多項理化指標進行定點監(jiān)測、對同一點位水質進行連續(xù)監(jiān)測采樣（時間序列）、以污染源為中心的污染范圍監(jiān)測（空間分布）、監(jiān)測點位周邊影像采集、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與結果展示等功能。該系統(tǒng)可應用于水質例行監(jiān)測和污染事故應急監(jiān)測，有助于提升監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測能力和數(shù)據(jù)分析能力，為管理決策提供有力的理論支撐和依據(jù)。

2 系統(tǒng)組成

無人船由船體、船控系統(tǒng)、自動巡航控制系統(tǒng)、水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、水樣采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、地面站監(jiān)控平臺八部分組成。

2.1 船體架構

無人船整體架構及組成原理如圖1所示。船控系統(tǒng)是整個無人船系統(tǒng)的核心，負責完成整個系統(tǒng)各單元的控制和任務分配，存儲相應接口設備信息，進行數(shù)據(jù)、控制接口標準定義及相關數(shù)據(jù)格式轉換存儲等操作。船控系統(tǒng)與各分系統(tǒng)模塊之間通過以太網、RS485、RS232總線接口、CAN總線進行互連和數(shù)據(jù)交換。水樣分層采集系統(tǒng)控制電動絞盤伸縮將采樣管深入到待測水體深度，對采樣瓶進行清潔并按要求采集待測水樣。水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對待測水樣中的水質參數(shù)進行實時測量，并經過傳感器綜合處理后通過串口上傳到船控系統(tǒng)中。船控系統(tǒng)處理接收到的數(shù)據(jù)并將其通過無線數(shù)傳系統(tǒng)傳送到地面監(jiān)控平臺。地面監(jiān)控平臺將數(shù)據(jù)進行進一步的處理和分析，將環(huán)境監(jiān)測結果進行顯示和存儲。

圖1 無人船硬件系統(tǒng)結構圖

船控系統(tǒng)負責無人船的自動巡航和智能避障的控制工作。導航定位傳感器接收到的各種數(shù)據(jù)上傳到船控系統(tǒng)核心處理計算機中進行處理，計算機綜合處理后生成航路軌跡驅動動力子系統(tǒng)帶動無人船進行可控的自動巡航運行。當有緊急情況發(fā)生或無人船周圍有障礙物的時候，攝像系統(tǒng)和毫米波雷達傳感器將障礙物信息傳遞給計算機，計算機啟動應急處理機制，分析障礙物情況，控制動力系統(tǒng)改變航向和航速，使無人船躲避障礙物，避免意外的發(fā)生。在導航定位過程中應綜合考慮各種傳感器的優(yōu)勢和缺點，雷達傳感器的作用距離在幾十米甚至更遠的范圍，但近距離存在盲區(qū)，視頻攝像的作用距離在1 km之內，遠距離存在盲區(qū)，但是可提供目標的形狀信息，所以可以綜合利用兩種傳感器信息在探測范圍內的重疊區(qū)進行信息融合，并進行障礙物的檢測。

為增加無人船系統(tǒng)的續(xù)航能力，在無人船上搭載了小型發(fā)電機，作為無人船上鋰電池的充電裝置，這樣既可以增加無人船的單次航行時間也解決了無人船在野外執(zhí)行任務時無法方便充電造成的麻煩。該發(fā)電機可以為無人船帶來3～4 h的額外續(xù)航時間。在電池能滿足任務要求的情況下，首先使用鋰電池為無人船供電，當任務工作時間長或者任務距離很遠時，使用船載發(fā)電機為無人船充電。

無人船的動力系統(tǒng)中包括電池狀態(tài)異常監(jiān)測功能以及實時監(jiān)測電力剩余情況并換算成剩余里程的檢測單元，當電池剩余電量小于閾值時無人船向地面站發(fā)出電量不足的警告，當電量剩余達到用于返航的極限值時無人船會自動返航，防止無人船執(zhí)行任務時由于電量不足而導致的無法返航情況發(fā)生。

無人船上安放了可以供無人機起降的停機坪，可以實現(xiàn)搭載無人機進行航行。無人機可以在無人船上進行起降，搭載攝像裝置的無人機跟隨無人船飛行，從高處拍攝無人船周圍水環(huán)境的影像，從另一個角度獲取水域的水質信息。無人機與無人船協(xié)同作業(yè)可以對水質監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境有一個更加全面的認識，幫助環(huán)境監(jiān)測人員更好規(guī)劃無人船的航行任務以及水質監(jiān)測和采集區(qū)域。

無人船外形及內部布置情況分別如圖2和圖3所示。

圖2 無人船外形圖

圖3 無人船內部布局圖

2.2 在線水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

無人船在線水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括中央處理模塊、水樣監(jiān)測與分析模塊、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與處理模塊和結果發(fā)送展示模塊。其中，水樣監(jiān)測與分析模塊將集成水質監(jiān)測物參數(shù)儀（pH、溶解氧、電導率、水溫、濁度、ORP、葉綠素a藍綠藻）、紫外COD監(jiān)測儀等水質監(jiān)測傳感器。上述各模塊集成于無人船的船體底部，各分模塊與中央處理模塊分別進行數(shù)據(jù)交互；中央處理模塊負責管理和控制各分模塊的運行，將處理好的檢測數(shù)據(jù)通過無線通訊網絡發(fā)送給地面站平臺。

在線水質監(jiān)測傳感器擬選用Xylem賽萊默公司的EXO2多參數(shù)傳感器，該傳感器最多可以攜帶7個探頭并可以同時檢測7種不同的水質參數(shù)，設備可測項目包括溫度、濁度、溶氧、電導、pH、ORP、葉綠素、藍藻、氨氮、硝氮、氯離子等等，可與數(shù)據(jù)采集裝置、計算機的通訊傳輸設備相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期在線監(jiān)測和遠程傳輸，是環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)察、科研、自動監(jiān)測系統(tǒng)、地面和地下水資源水體監(jiān)測的理想幫手。設備安裝過程簡單、經濟維護使用方便、適用性強，帶有傳感器保護罩，是專為現(xiàn)場水質測量而設計的可靠性和耐用性儀器。設備外形長為71.1 cm，直徑為7.62 cm，重量為3.6 kg（裝5個探頭，測量杯和電池），采樣頻率為4 Hz，可以通過USB或RS-485與計算機進行通訊。

COD檢測設備選用E+H公司的Viomax CAS51D COD測量傳感器，該傳感器采用紫外吸收法測量COD，是獨立的一套實時測量設備，非常便于在線連續(xù)監(jiān)測。COD檢測設備為分體式設備，包括一個控制器和一個傳感器，傳感器負責監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制器負責操控傳感器并傳輸數(shù)據(jù)。

EXO2及COD傳感器通過轉接裝置固定在船艙內，在船艙內打通孔到船底，傳感器探頭連同轉接裝置從孔內插入，探頭從船底伸出到指定探測深度。轉接裝置作為兩種傳感器與船底之間的互連裝置，要保證無人船開孔處具有良好的水密性。傳感器要方便拆卸和安裝，在船入水后將傳感器插入各自的孔內固定好并做好密封，作業(yè)結束之后將傳感器拔出收存好并將船上的孔堵好做好密封，防止水進入倉內。

2.3 水樣分層采集系統(tǒng)

水樣分層采集系統(tǒng)安放于無人船前艙室內，由主控單元、自動采樣管收放單元和肺式真空采樣單元三部分組成。采集系統(tǒng)可攜帶2 L的采樣桶5瓶，每個采樣桶均可以在打開后艙蓋后單獨拆卸，方便將采集到的樣品取出。

主控系統(tǒng)基于自主設計的以ARMK60核心芯片為主的控制平臺，由數(shù)字量DO/DI輸入輸出模塊、AD/DA模擬量輸入輸出模塊、RS-485串口通訊模塊，PWM信號輸出、無線通訊模塊等功能模塊組成，可以滿足系統(tǒng)需求。水質采樣管路和氣路的電磁閥控制、自動采樣管收放單元、肺式真空采樣單元等的電氣控制都可由該主控單元實現(xiàn)。

自動采樣管收方單元主要負責將采樣管準確下放到待采樣的水層以及在采樣結束后，將采樣管完好回收供下次采樣使用。以步進電機驅動帶有限位固定裝置的輪式軸盤纏繞采樣管，編碼器計算采樣管下放入水距離。完成采樣管的收放控制和深度計算。采樣管選用管徑為6～8 mm的透明復合材料管材，采樣管深入水中深度不超過水深。

系統(tǒng)采用肺式真空采樣單元，將液體采樣管路和抽氣氣體分開，通過氣路驅動采樣管路，減小系統(tǒng)功耗和真空泵的工作強度。

整體結構長為636 mm、寬為630 mm、高為300 mm，重量滿載水的情況下約25 kg，空載約15 kg。系統(tǒng)主要分為兩部分，第一部分是控制系統(tǒng)和電磁閥等電氣元件，采用高防水、防塵密封封裝，保證長時間穩(wěn)定運行；另一部分是可拆卸的采樣瓶部分和采樣管收放單元，方便已取樣的采樣瓶拆卸回收和清洗。水樣分層采集系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 水樣分層采集系統(tǒng)結構圖

3 創(chuàng)新點

3.1 水樣自動分層采集與采水管道潤洗

本無人船搭載的水樣采集器是為了滿足分層采水以及管道潤洗要求而研制的，相比現(xiàn)有水樣采集器具有顯著的創(chuàng)新點和優(yōu)勢。水樣采集器借助無人船平臺的搭載實現(xiàn)了對水樣的多點分層采集，增加了單次水樣采集任務的采樣種類和采樣量，提高了采樣工作效率。無人分層水樣采集消除了人工采樣式由于不同操作人員技術水平差異導致的采集水樣誤差，通過無人船的精確定位功能實現(xiàn)了對采樣點位的精確重復定位，通過對采樣管深入水中深度的精確控制，減少了分層采樣中深度定位不準確導致的測量誤差。利用系統(tǒng)中的采樣管自動清洗功能實現(xiàn)了正式采樣前對采樣管的自動清洗，解決了多點位水樣采集時可能出現(xiàn)的前一次采樣點水樣殘留在采樣管中對下一采樣點水樣造成交叉污染的問題。該水樣采集器解決了人工水樣采集工作效率低、危險系數(shù)高、采樣點定位精度差、樣品交叉污染等問題，對于不同區(qū)域或流域水質樣品的快速自動采集以及提高采樣精度和準確性具有重要意義。

3.2 多傳感器融合無人船自主環(huán)境感知，自主導航避障、高智能自主決策和自動控制

無人船搭載了毫米波避障雷達，360°旋轉視頻監(jiān)控攝像頭，GPS導航系統(tǒng)以及慣導系統(tǒng)。毫米波雷達工作在毫米波段，其穿透霧、煙、灰塵能力強，且具有全天候全天時使用的特點。在無人船自動導航模式下，毫米波雷達50～100 m外即可探測到障礙物，船控系統(tǒng)接收到毫米波雷達的信息后控制無人船采用后退及自動轉換方向等技術自行繞過障礙物。毫米波雷達的偵測扇面范圍為無人船船頭沿長度方向中線左右各15°，雷達與無人船接口為以太網口。攝像頭置于由步進電機控制的360°云臺上面，可監(jiān)測無人船周圍360°范圍內的環(huán)境情況，攝像頭圖像分辨率支持720 P，可以進行夜間圖像采集和傳輸。視頻信號通過圖傳系統(tǒng)傳送到地面監(jiān)控平臺。攝像頭與圖傳系統(tǒng)通過視頻接口連接，船控系統(tǒng)通過PWM信號控制攝像頭云臺步進電機的旋轉。

船控系統(tǒng)通過分析地面站發(fā)送的任務規(guī)劃出自動航行的航跡，隨后在無人船自主航行的過程中船控系統(tǒng)結合毫米波雷達、攝像頭、慣導系統(tǒng)實時上傳的無人船自身及周圍狀態(tài)信息做出正確的判斷，智能化地沿著航跡航行并在航行中實時監(jiān)測并自主決策規(guī)劃出最優(yōu)路徑躲避障礙。導航GPS實時向船控系統(tǒng)發(fā)送無人船當前位置，供無人船判斷是否需要進行航跡修正以保證按照原有的航線航行。在多傳感器相互配合下無人船的智能化程度以及自主決策能力得到了極大的提升。

3.3 無人船油電混合動力系統(tǒng)增加續(xù)航時間

無人船搭載了兩個涵道式螺旋槳推進器，每個推進器最大功耗為4 kW。無人船采用鋰電池供電，鋰電池為雙冗余設計，單塊電池容量為75 AH。供電鋰電池最大輸出電流為150 A，鋰電池輸出標稱值為48 V。無人船具有電源管理模塊，實時采集電池的電壓輸出，支持過壓保護、過流保護、放電欠壓保護、放電過流保護、短路保護、過高溫保護、過低溫保護。為了增加無人船的續(xù)航能力，在無人船上搭載了小型發(fā)電機設備，為無人船鋰電池充電。船上的兩個電池分為主電池和備用電池。在兩塊電池都滿電的情況下主電池輸出供電，當主電池電量降低到設定的閾值后通過零延時切換裝置瞬間切換到備用電池給主控制器及負載供電，同時通過有延時切換裝置實現(xiàn)大功率負載的少量延遲電池切換。隨后備用電池開始工作，主電池通過船載的發(fā)電機進行充電。本方案在不增加鋰電池數(shù)量的前提下增加了無人船的續(xù)航時間和作業(yè)半徑，也解決了無人船在野外執(zhí)行任務時無法方便充電造成的麻煩。發(fā)電機滿油的情況下可以輸出5 500 W功率，可為無人船帶來額外3 h的續(xù)航時間。

4 總結

本項目的研發(fā)彌補了中國在無人智能化監(jiān)測系統(tǒng)的不足，在無人船內集成了環(huán)境監(jiān)測所需的采樣、分析測試、影像采集、數(shù)據(jù)分析和結果展示模塊，有助于增加水質監(jiān)測范圍和頻率，提高水質監(jiān)測的時效性和準確性，完善水污染監(jiān)測預警網絡；在實現(xiàn)應急污染事故的及時有效監(jiān)測，分析污染擴散規(guī)律，實現(xiàn)應急污染的有效預警方面也有積極的作用。經過實踐檢驗，完善后的技術可以推廣至全國各地區(qū)，滿足環(huán)境管理的業(yè)務需求，為管控水環(huán)境質量、治理水環(huán)境污染提供技術支撐，具有顯著的環(huán)境效益和社會效益。

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.021

2095－6835（2019）19－0051－05

宋云鵬（1988—），男，河北秦皇島人，工學博士，高級工程師，主要從事計算機及嵌入式系統(tǒng)硬件設計方面研究。

〔編輯：嚴麗琴〕