在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

苗飛，張波，劉楊

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082)

目前城市河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法主要以物理化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)為主，傳統(tǒng)的城市水體監(jiān)測(cè)手段主要依靠布設(shè)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，利用人工或者半自動(dòng)的監(jiān)測(cè)手段來(lái)獲取站點(diǎn)上的水資源信息，或者采用人工現(xiàn)場(chǎng)采水回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的方法，這兩種方法需要投入的成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、覆蓋水域也有限，不能滿足城市水體監(jiān)測(cè)監(jiān)管的要求。而近年來(lái)逐步得到應(yīng)用的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要應(yīng)用于城市區(qū)域大中尺度的水環(huán)境監(jiān)測(cè)，難以適應(yīng)城市河道水域環(huán)境復(fù)雜多樣的特點(diǎn)。隨著自主控制技術(shù)的發(fā)展，以無(wú)人船為代表的無(wú)人搭載平臺(tái)，在河道水文測(cè)量、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通過(guò)無(wú)人船平臺(tái)搭載水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)走航式的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)，不僅能夠降低作業(yè)環(huán)境條件的要求，還能夠顯著提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)效率?；诖?，設(shè)計(jì)一種智能在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船，開(kāi)展無(wú)人船總體布局及集成、自主控制系統(tǒng)、一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)分析，并對(duì)無(wú)人船的在線監(jiān)測(cè)功能進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。

1 無(wú)人船系統(tǒng)組成

在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船主要針對(duì)城市河道的水體生活源有機(jī)污染問(wèn)題，服務(wù)于城市水環(huán)境的監(jiān)測(cè)與監(jiān)管。采用小型無(wú)人船搭載多種水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備對(duì)城市水環(huán)境中的生物源有機(jī)污染指標(biāo)進(jìn)行原位在線監(jiān)測(cè)。

無(wú)人船主要系統(tǒng)和設(shè)備包括船體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備、避障設(shè)備、船載控制系統(tǒng)、岸基控制系統(tǒng)及一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。船載控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人船自主航行的載體。岸基控制系統(tǒng)主要完成對(duì)無(wú)人船的監(jiān)控和任務(wù)管理。避障設(shè)備為自主航行提供水面目標(biāo)信息。導(dǎo)航設(shè)備為無(wú)人船高精度定位授時(shí)能力提供保障。通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人船與岸端信息交互的渠道。一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成自動(dòng)水樣采集設(shè)備和多種水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣快速在線處理及分析。

2 無(wú)人船總體布局設(shè)計(jì)

由于無(wú)人船所搭載的儀器設(shè)備較多，對(duì)搭載能力要求較高(>85 kg)，且無(wú)人船的尺寸受到吊放等因素的嚴(yán)格限制，綜合考慮船型、主尺度、航速、續(xù)航時(shí)間、載荷搭載能力、動(dòng)力推進(jìn)方式、使用方式等的要求，開(kāi)展無(wú)人船總體布局優(yōu)化與集成設(shè)計(jì)。如圖1所示，船體采用了淺槽道消波船型，在主尺度限制范圍內(nèi)盡可能增大船體方形系數(shù)，滿足作業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的搭載空間需求，同時(shí)也適合在城市河道淺水環(huán)境使用。船體結(jié)構(gòu)采用凱夫拉復(fù)合材料，重量輕且強(qiáng)度高。無(wú)人船的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人船主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 淺槽道消波船型橫剖面圖

無(wú)人船總體布局如圖2所示。艙內(nèi)中前部主要布置水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備，艙內(nèi)后部設(shè)置控制盒和鋰電池組等設(shè)備，艙底設(shè)置推進(jìn)軸系。甲板艏部設(shè)置組合慣導(dǎo)天線、毫米波雷達(dá)、高清攝像設(shè)備等，甲板尾部設(shè)置組合慣導(dǎo)天線、通信天線等。實(shí)船見(jiàn)圖3。

圖2 無(wú)人船總體布局

圖3 無(wú)人船實(shí)物

3 自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自主控制系統(tǒng)作為無(wú)人船的控制核心，應(yīng)相對(duì)獨(dú)立、可靠運(yùn)行，同時(shí)與其他系統(tǒng)接口界面清晰。其硬件系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 自主控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

自主控制系統(tǒng)分為船載與岸基兩部分。船載部分包括控制器、導(dǎo)航定位單元、避障單元、執(zhí)行單元、通信單元、觀測(cè)單元、作業(yè)單元等，岸基部分包括岸基控制器、通信單元等。船載的控制器是控制系統(tǒng)核心，主控制器負(fù)責(zé)接收來(lái)自導(dǎo)航定位單元與避障單元的位置、姿態(tài)、障礙距離等信息，作為控制回路的反饋輸入；主控制器利用建立的參考模型，根據(jù)實(shí)時(shí)的測(cè)量信息，計(jì)算得到航行指令，發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器，同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與通信，結(jié)合通信單元與岸基完成信息傳遞。運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)無(wú)人船運(yùn)動(dòng)控制，操縱推進(jìn)裝置等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。通信單元采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)設(shè)備組建船岸無(wú)線通信鏈路，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信。岸基部分的控制器負(fù)責(zé)接收船載數(shù)據(jù)的復(fù)雜計(jì)算與處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的遙控、自主航行控制及無(wú)人船的監(jiān)控等。無(wú)人船可根據(jù)需要選擇采用遙控/自主航行兩種工作模式。

無(wú)人船上搭載的一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備與船載主控之間采用RS485/RS232/CAN通信接口。

無(wú)人船自主控制系統(tǒng)軟件包括PLC軟件、船載主控制器軟件、岸基綜合信息顯控軟件。PLC軟件主要負(fù)責(zé)操縱機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制、系統(tǒng)配電控制與主控制器通信；船載主控制器軟件主要負(fù)責(zé)與岸基系統(tǒng)通信、遙控指令解析、航跡跟蹤等算法運(yùn)算、運(yùn)動(dòng)指令生成、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及信息采集、測(cè)量數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)與PLC通信等；岸基綜合信息顯控軟件主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、軌跡顯示與船載主控制器通信，具備無(wú)人船岸基一體化集成通信功能，顯示功能，無(wú)人船航跡規(guī)劃、控制、配置及數(shù)據(jù)讀取，任務(wù)載荷控制、配置及數(shù)據(jù)讀取，圖像顯示存儲(chǔ)等功能。

岸基軟件與船載主控軟件之間可以采用無(wú)線通信，使用TCP/IP協(xié)議。軟件整體架構(gòu)采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組件服務(wù)器與客戶端，實(shí)現(xiàn)岸基軟件與船載主控軟件、船載主控軟件與PLC軟件之間的以太網(wǎng)通信。系統(tǒng)軟件通信架構(gòu)如圖5所示，岸基軟件部署在岸基計(jì)算機(jī)上，船載主控軟件部署在船載主控制器上，PLC軟件部署在船載運(yùn)動(dòng)控制器上。

圖5 自主控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

基于自主控制系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)行無(wú)人船自主導(dǎo)航與控制策略設(shè)計(jì)，流程見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)人船自主導(dǎo)航與控制策略的流程

根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求規(guī)劃無(wú)人船初始航線，無(wú)人船在接收到目標(biāo)航線點(diǎn)后，調(diào)用軌跡跟蹤和運(yùn)動(dòng)控制算法控制船體沿著預(yù)設(shè)的路線航行。船載雷達(dá)等避障設(shè)備在航行過(guò)程中對(duì)水面環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，并對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與處理，從而得到水面障礙物的狀態(tài)信息。通過(guò)計(jì)算無(wú)人船與障礙物之間的最近會(huì)遇距離(DCPA)和最近會(huì)遇時(shí)間(TCPA)，分析碰撞風(fēng)險(xiǎn)。若存在碰撞的可能，則調(diào)用速度障礙模型算法，計(jì)算局部最優(yōu)避碰策略并發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在完成避碰后，重新調(diào)用視線法進(jìn)行航跡跟蹤，控制無(wú)人船回到預(yù)設(shè)航線。

4 一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人船的一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括自動(dòng)采樣裝置、水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備和數(shù)據(jù)采集及集成系統(tǒng)，其中自動(dòng)采樣裝置由標(biāo)準(zhǔn)采樣器、溢流池、廢液池和流通水路組成，水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備由1臺(tái)有機(jī)物在線分析儀、1臺(tái)光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、2臺(tái)流動(dòng)分析儀和1臺(tái)溶解氧設(shè)備組成。通過(guò)集成設(shè)計(jì)，無(wú)人船可以快速反演水體有機(jī)物、硝酸鹽氮及特征污染物的濃度，并可直接對(duì)水體中的氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)等物質(zhì)的含量進(jìn)行定量檢測(cè)。水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)據(jù)采集及集成系統(tǒng)用于連通標(biāo)準(zhǔn)采樣器和水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備，實(shí)現(xiàn)采樣裝置的自動(dòng)控制，觸發(fā)水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備開(kāi)始檢測(cè)，接收/發(fā)送命令，讀取、接收、處理及存儲(chǔ)載荷數(shù)據(jù)。主要由載荷控制單元和載荷控制端軟件組成，其中載荷控制單元與自主控制系統(tǒng)的控制模塊共用，主要用于接收載荷控制端軟件發(fā)送的命令，通過(guò)啟停電磁閥來(lái)控制電路的通斷，以實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)控制，同時(shí)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)站，將各個(gè)硬件、水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備的數(shù)據(jù)聯(lián)通在一起；載荷控制單元在接收載荷控制端軟件命令后，啟停泵、控制閥等，進(jìn)行自動(dòng)水樣采集；載荷控制端軟件通過(guò)預(yù)置程序，來(lái)控制采樣時(shí)間、采樣動(dòng)作，獲取各種水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備的數(shù)據(jù)，集成于綜合處理模塊中，傳輸?shù)礁鲗?duì)應(yīng)位置，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載荷、設(shè)備連接情況。一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)流程如圖7所示。通過(guò)采樣泵將水樣抽取到溢流池中，采用集中供樣的方式將水樣分流給載各水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備。對(duì)水樣分析完成后，無(wú)污染的廢水直接排出船體外，有污染的用廢液瓶收集起來(lái)，集中處理。

圖7 一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)流程

5 實(shí)船應(yīng)用測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的無(wú)人船的自主控制系統(tǒng)的可行性，在太湖水域進(jìn)行水上試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果顯示，無(wú)人船在遠(yuǎn)程控制狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)按預(yù)設(shè)路徑的自主巡航。如圖8所示，無(wú)人船以4.0 kn的航速按預(yù)設(shè)的長(zhǎng)方形路徑進(jìn)行自主巡航，從圖8中可以看出，無(wú)人船具有較高的循跡精度。

圖8 無(wú)人船實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑

為驗(yàn)證無(wú)人船的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能，在鎮(zhèn)江、揚(yáng)州兩地的河道進(jìn)行實(shí)船作業(yè)測(cè)試(見(jiàn)圖9)，測(cè)試船速為2 m/s。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，有機(jī)物在線分析儀、光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀和溶解氧設(shè)備每2 min可以測(cè)得一組數(shù)據(jù)，流動(dòng)分析儀每3 min測(cè)得一組數(shù)據(jù)，測(cè)得的水體氨氮、總磷、總氮、COD(Mn)指標(biāo)和有機(jī)物濃度等水質(zhì)參數(shù)部分結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 無(wú)人船水上作業(yè)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖10 無(wú)人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了更方便地對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和集中調(diào)取，開(kāi)發(fā)了一體化水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)部署在云端，其中一個(gè)界面見(jiàn)圖11。圖中左側(cè)為采集位置地圖信息，右側(cè)為按水質(zhì)檢測(cè)分析設(shè)備類別展示的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。

圖11 一體化環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)界面

6 結(jié)論

所提出的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)，完成了無(wú)人船總體布局集成設(shè)計(jì)、自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及一體化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并基于搭建的無(wú)人船平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)船應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船可穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人船航行、采樣、檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理的全自主和自動(dòng)化控制運(yùn)行，且可以通過(guò)船載無(wú)線將水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至岸基，并上傳至云端進(jìn)行展示和存儲(chǔ)。

在線監(jiān)測(cè)無(wú)人船是對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式的有效補(bǔ)充和智能升級(jí)，在復(fù)雜多變的城市河道作用明顯，可有效提升河道水體監(jiān)測(cè)的效率，有助于增強(qiáng)水環(huán)境的整治與監(jiān)管水平。

由于船體空間的限制，僅搭載了標(biāo)準(zhǔn)采樣設(shè)備，可通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水華采樣、分層采樣等設(shè)備的模塊化搭載，滿足多樣化的作業(yè)場(chǎng)景需求。