無人船在“智慧治水”的應(yīng)用

摘 ?要：文章主要研究的對(duì)象是無人船在“智慧治水”中的應(yīng)用。在“智慧治水”工作中，無人船主要可以實(shí)現(xiàn)河道地形勘探，水質(zhì)情況實(shí)時(shí)分析和反饋，排查疑似暗管，以及對(duì)重點(diǎn)區(qū)域采集水樣。文章較為全面的闡述了無人船系統(tǒng)架構(gòu)、無人船實(shí)現(xiàn)功能。結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用項(xiàng)目，通過無人船在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用形式、得到的反饋數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)分析，探討無人船在“智慧治水”中的可行性和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：無人船;水質(zhì)檢測(cè);河床探測(cè);暗管排查;智慧治水

中圖分類號(hào)：TP392 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）15-0137-03

Abstract：The main research object of this paper is the application of unmanned ship in “intelligent water control”. In the work of “intelligent water ?control”，the unmanned ship can mainly realize the river topography exploration，real-time analysis and feedback of water quality，check the suspected concealed pipes，and collect water samples in key areas. This paper comprehensively describes the unmanned ship system architecture，unmanned ship realization function，combined with the actual application project，through the application form of unmanned ship in the actual project，the feedback data and field comparison and analysis，discusses the feasibility and development prospect of unmanned ship in “intelligent water control”.

Keywords：unmanned ship;water quality detection;riverbed detection;hidden pipe investigation;intelligent water control

0 ?引 ?言

“智慧治水”是治水的基礎(chǔ)性保障措施，也是為了河道的長(zhǎng)治久安。目前，我國(guó)水污染治理，河湖問題仍有很多，如河道積淤未清、企業(yè)違法偷排、雨污混流等，而無人船正好可以方便地進(jìn)行監(jiān)管和巡檢工作，及時(shí)掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的地形狀況、預(yù)警預(yù)報(bào)重大或流域性污水排放事故，監(jiān)督總量控制制度落實(shí)情況、排放達(dá)標(biāo)情況。浙江聚優(yōu)建筑工程有限公司作為聚光科技集團(tuán)的一員，致力于環(huán)保領(lǐng)域相關(guān)工作，并在“智慧治水”中有卓越的表現(xiàn)。

1 ?無人船定義

無人船是指通過設(shè)定路線，借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航、智能避障系統(tǒng)等，自主航行或人工遠(yuǎn)程控制的“水面機(jī)器人”。無人船可以不受天氣因素干擾，替代人工完成不同的水上任務(wù)，并將數(shù)據(jù)、圖像信息實(shí)時(shí)回傳，使得水上任務(wù)更高效、更安全。

2 ?無人船架構(gòu)

無人船主要由無人船船體、采樣子系統(tǒng)、動(dòng)力子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)（服務(wù)器軟件+遙控器）以及通信子系統(tǒng)六部分組成，如圖1所示。

（1）無人船船體是現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)施的載體;

（2）動(dòng)力子系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)無人船以預(yù)設(shè)的速度到達(dá)指定位置，推進(jìn)器可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎功能，并保證無人船可在水體中進(jìn)行懸停;

（3）定位子系統(tǒng)可以保證無人船的運(yùn)動(dòng)精度，確保采集水樣的位置精準(zhǔn)，目前采用RTK定位，定位精度達(dá)到厘米級(jí)別;

（4）通信子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)上位機(jī)軟件與無人船的通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)、視頻等信息交換，數(shù)據(jù)和視頻采用不同的通信頻段，保證通信質(zhì)量;

（5）控制子系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、遙控器配合服務(wù)器軟件和感知設(shè)備來完成，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)控制無人船路徑規(guī)劃、避障、自動(dòng)巡航、采集任務(wù)、數(shù)據(jù)分析等功能。遙控器通過對(duì)應(yīng)的接收機(jī)，直接控制無人船操作，服務(wù)器軟件將數(shù)據(jù)通過通信子系統(tǒng)傳輸給無人船進(jìn)行操作控制。服務(wù)器軟件可以設(shè)置多種常用路線，無人船可以根據(jù)設(shè)置的曲線進(jìn)行自動(dòng)巡航，并可以設(shè)置障礙物信息和航行圍欄。無人船還可以結(jié)合避障模塊自主調(diào)整路線，如果在設(shè)置路線上遇到未知障礙物，無人船可以自動(dòng)識(shí)別并按照策略進(jìn)行繞行;

（6）采樣子系統(tǒng)根據(jù)不同的任務(wù)有不同的組成：

1）水質(zhì)分析任務(wù)主要包括采樣管路、水質(zhì)分析儀、流路相關(guān)部件、以及采樣泵等部分，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)將河道湖泊等水體中的水吸入流路，進(jìn)行實(shí)時(shí)的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集分析;

2）水樣采集任務(wù)主要包括采樣管路、采樣瓶、流路相關(guān)部件、以及采樣泵等部分，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)將河道湖泊等水體中的水采集到采樣瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行更全面的水質(zhì)分析;

3）河道勘測(cè)任務(wù)主要包括水深探測(cè)器、高精度RTK以及相關(guān)分析電路，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)地圖比例要求，采集水下河床的層高，最終形成一張水下地形圖;

4）流速流量采集任務(wù)主要包括流速探測(cè)器、高精度RTK以及相關(guān)分析電路，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集河床切面的水深和各個(gè)層級(jí)的水速，最多可以實(shí)現(xiàn)254層，將整個(gè)斷面的水速通過模型轉(zhuǎn)化成斷面的流量;

5）暗管排查任務(wù)主要包括側(cè)掃聲吶以及相關(guān)分析電路，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集河岸兩側(cè)水底的暗管、涵道等信息。

3 ?案例分析

因客戶信息需要保密，本文不提供具體的測(cè)試地點(diǎn)，代指A河段。

3.1 ?現(xiàn)場(chǎng)分析

2019年9月，經(jīng)反饋A河段水體質(zhì)量差，排口數(shù)量多。對(duì)A河段進(jìn)行了前期的考察分析，下文為具體的情況分析。

A河段共有22條支流，其中8條支流是雙向流通，7條支流是從干流流出，7條支流是流入干流，水流情況非常復(fù)雜。查閱了最近一次清淤的淤泥工程量探測(cè)報(bào)告，有6個(gè)積淤程度較高的位置，詳細(xì)信息如圖2所示，圖中箭頭表示支流流向，單箭頭表示支流單向流入、流出干流，雙箭頭表示支流雙向流通，圓形圖案表示淤積程度較高的位置。

3.2 ?整體方案

結(jié)合以上原始信息及客戶反饋的重點(diǎn)整治區(qū)域，選擇以上A河段重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)長(zhǎng)約2 km河段進(jìn)行暗管排查和河床地形探測(cè)，如圖3中bc段所示，并對(duì)向兩側(cè)延伸長(zhǎng)約6 km河段進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，如圖3中ad段所示。

根據(jù)無人船一般水污染突發(fā)事件排查方法，一般先進(jìn)行河道的水質(zhì)實(shí)時(shí)測(cè)量，繪制全面水質(zhì)分布圖，然后深入污染區(qū)，利用無人船采樣瓶進(jìn)行采樣取證，最后無人船利用側(cè)掃聲吶探測(cè)水下暗管圖像。根據(jù)此次現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，方案先進(jìn)行獲取水質(zhì)分布圖，然后對(duì)周邊暗管排查和水下地形測(cè)繪。

無人船巡航速度一般在2.5 m/s左右，速度可調(diào)，單組電池續(xù)航能力為：在2 m/s的情況下，單組電池的續(xù)航時(shí)間為3 h，電池可拆卸，標(biāo)配兩組電池，可實(shí)現(xiàn)6 h續(xù)航。

水質(zhì)分布：根據(jù)河道常用水質(zhì)參數(shù)，考慮參數(shù)需要快速測(cè)量并反饋，所以不考慮需要長(zhǎng)時(shí)間消減的總磷、總氮等參數(shù)，選擇水溫、ORP、電導(dǎo)率、溶解氧、氨氮和pH值，每個(gè)大約100～150采集一次水質(zhì)數(shù)據(jù)。

在一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上設(shè)置的采樣垂線數(shù)與各垂線上的采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)符合HJ 495—2009《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》。A河段水面寬度約30～40 m，水深1～2 m，所以水質(zhì)檢測(cè)應(yīng)選擇河道的中泓線，水面下0.5 m處。

河床地形：河床寬度約30～40 m，采用勘探級(jí)別的單波束測(cè)深儀，測(cè)量河湖橫斷面，測(cè)量精度±1 cm+1 ‰h（h為水深，單位為cm）。地形勘探采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS 2000），高程選擇1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，勘探精度采用1：500的地圖精度，即地形測(cè)試點(diǎn)間距≤5 m。

暗管：采用雙頻側(cè)掃聲吶，沿岸來回測(cè)試，結(jié)合定位設(shè)備，最終可生成含位置信息的圖像數(shù)據(jù)。

3.3 ?測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

經(jīng)過檢測(cè)，首先得到水質(zhì)沿程分布圖，經(jīng)過測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)，水質(zhì)常規(guī)參數(shù)中，電導(dǎo)率、水溫和pH值的沿程變化均不明顯，變化率在10%以內(nèi)，對(duì)污染位置的指示不明顯;ORP沿程變化較為顯著，變化超過了20%，然而ORP與其他水質(zhì)標(biāo)志物變化趨勢(shì)不同，因此和水質(zhì)類別之間沒有明顯的正相關(guān)性。因此，pH值、電導(dǎo)率、ORP和水溫等均沒有很好的指示作用。

6 km河段共測(cè)量水質(zhì)檢測(cè)點(diǎn)45點(diǎn)，根據(jù)溶解氧判別的水質(zhì)總體為Ⅳ類，溶解氧濃度偏低處，都是支流匯入處，因此可能是支流匯入導(dǎo)致，但對(duì)污染位置的指示不明顯。

以氨氮進(jìn)行評(píng)價(jià)，總體水質(zhì)為Ⅲ類;氨氮濃度沿程變化明顯，在0.32 mg/L～0.93 mg/L之間變化，如圖4所示。濃度越高，圖示顏色越深，在其中B支路和C支路之間達(dá)到峰值，而此河段也是日常水質(zhì)最差的一段，氨氮對(duì)污染位置指示作用很好。

此河段的氨氮較高可能以下原因：

（1）C支路常年為劣Ⅴ水體，在此處匯入A河道;

（2）這個(gè)河段存在較多未查明的污水排放暗管。

對(duì)A河段用側(cè)掃雷達(dá)沿河岸進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)疑似暗管的影響后，拍照記錄現(xiàn)場(chǎng)情況，并記錄坐標(biāo)，如圖5所示。

在此河段共發(fā)現(xiàn)疑似水下暗管三處，涵洞一處，發(fā)現(xiàn)暗管的位置也正是氨氮濃度較高的河段。對(duì)水下地形進(jìn)行勘測(cè)，顯示其中有2處淤積嚴(yán)重，標(biāo)識(shí)為M和N，如圖6所示。具體的地形模擬圖如圖7所示。

經(jīng)過勘測(cè)有以下幾個(gè)發(fā)現(xiàn)：

（1）測(cè)試河道地形數(shù)據(jù)，河道中央比河道兩側(cè)低;

（2）在河橋交匯處，如圖6中N點(diǎn)位置，高程數(shù)據(jù)顯示比其他區(qū)域要高，水底較高說明易形成淤泥堆積;

（3）形成淤泥堆積的原因可能是橋墩等原因?qū)е滤鞑粫?

（4）積淤量比較高的區(qū)域，水質(zhì)情況正好比較差，跟水體雙向流通被阻礙有關(guān)。

通過無人船在A河段上的應(yīng)用，成功地獲取了A河段的水質(zhì)分布圖，將重點(diǎn)檢測(cè)水質(zhì)因子結(jié)合河床地形和暗管排查，初步分析出了A河段水質(zhì)情況較差的原因。

4 ?結(jié) ?論

無人船作為“水面機(jī)器人”具有檢測(cè)速度快、定位準(zhǔn)確、達(dá)到位置靈活等優(yōu)點(diǎn)，是很好的水質(zhì)和污染源排查工具，可以有效地應(yīng)用到“智慧治水”工作中。無人船還可以結(jié)合無人機(jī)、水下機(jī)器人等最新的技術(shù)，全面地提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為智慧治水快速提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：陳靜婷（1986.04—），女，漢族，浙江湖州人，項(xiàng)目經(jīng)理，工程師，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：智能環(huán)保。