可進(jìn)行γ 劑量率測(cè)量的無人采樣船設(shè)計(jì)

呂映賦，宋世彬，朱小鉸，周俊宇，謝林利，馬苛寧

（1.四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測(cè)中心站，成都 611139；2.四川省輻射環(huán)境評(píng)價(jià)治理有限責(zé)任公司，成都 611139；3.四川省輻安環(huán)境監(jiān)測(cè)有限公司，成都 611139）

四川省是我國(guó)主要的核工業(yè)大省，擁有核設(shè)施、核技術(shù)利用、伴生放射性礦等數(shù)量眾多、種類齊全的涉核單位，輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)和輻射預(yù)警任務(wù)重、責(zé)任大。四川省境內(nèi)河流眾多，水系發(fā)達(dá)，加之擁有眾多工業(yè)工廠，水體中放射性的監(jiān)測(cè)是四川省水體環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一[1]。對(duì)水體放射性水平實(shí)施監(jiān)控，特別是在突發(fā)核與輻射事故狀態(tài)下能夠?qū)崟r(shí)、快速、有效地監(jiān)測(cè)環(huán)境水體中的放射性污染狀況顯得尤為迫切[2]。但普通的放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能用于某一固定流域水質(zhì)放射性檢測(cè)，為及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲取監(jiān)測(cè)水中γ 輻射劑量、溫度、PH、溶解氧、電導(dǎo)和濁度等各類參數(shù)，亟需設(shè)計(jì)一種自動(dòng)無人采樣船，可用于日常環(huán)境和輻射事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)中大型江河、湖泊的水體樣品采集，同時(shí)滿足在其他復(fù)雜環(huán)境下和一些人為無法到達(dá)的水域進(jìn)行水體采樣工作和γ 劑量監(jiān)測(cè)工作，為環(huán)境評(píng)價(jià)、核設(shè)施管理和核與輻射安全應(yīng)急提供技術(shù)支撐[3-4]。

1 功能需求

為滿足監(jiān)測(cè)、采樣工作需要，尤其是核與輻射應(yīng)急時(shí)的特殊要求，該無人采樣船需具備以下功能：①該自動(dòng)采樣船裝有高精度GPS 定位系統(tǒng)可到達(dá)指定流域并完成自動(dòng)采樣；②配備多參數(shù)分析探頭，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體的溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)、濁度和γ 劑量等參數(shù)；③配備高清攝像頭；④配備無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，可實(shí)時(shí)查看視頻監(jiān)控和各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；⑤采樣軟件系統(tǒng)具有水體采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、采樣點(diǎn)位路線的布設(shè)，可自定義采樣容量、采樣數(shù)量等功能[5-7]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

可進(jìn)行γ 劑量測(cè)量的無人采樣船的整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)

2.2 船體設(shè)計(jì)

船體形態(tài)采用雙M 船體，雙氣囊獨(dú)立封閉設(shè)計(jì)，具有防沉、防顛覆、防水特性，整船防水密封重心低、阻力小、速度快、航行穩(wěn)定。船體使用新型高強(qiáng)度復(fù)合材料制造，該材料是由S 級(jí)無堿玻璃纖維經(jīng)編復(fù)合氈、凱夫拉防彈裝甲材料及先進(jìn)的納米級(jí)碳素纖維等構(gòu)成，使船體重量輕、方便攜帶，同時(shí)具有防撞、防磨損、防腐等特性。

船體使用2 個(gè)外置可拆卸涵道式推進(jìn)器，與船殼底齊平形狀一致，可淺水投放；放置與行駛可以很好地避免碰傷、撞擊，有效地防止水草、漁網(wǎng)纏繞，安全可靠性高、安裝維護(hù)和攜帶方便；推進(jìn)器使用直流無刷電機(jī)；船體尺寸1 200 mm×700 mm×400 mm，有效載荷30 kg，最大航速4 m/s。船體使用高能鋰離子電池供電，電池容量及規(guī)格為29.4 V-2×20 Ah；續(xù)航能力為2 m/s 滿載時(shí)2 h，空載2.5 h；船體外部有預(yù)留接口可直接充電。

2.3 儀器設(shè)備

2.3.1 多參數(shù)探頭

在雙M 船體中間部位，預(yù)留了一個(gè)可放置探頭的空洞，空洞上設(shè)置有固定裝置，可固定探頭保持穩(wěn)定，多參數(shù)探頭可通過該空洞直接與水體接觸，探頭入水深度固定保持在船體吃水線以下0.3 m，如圖2 所示。水質(zhì)多參數(shù)探頭可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體的γ 劑量率，還根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制，測(cè)量水體的溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)及濁度等參數(shù)，如圖3 所示。多參數(shù)擴(kuò)展接口采用可拆卸提手，方便與無人船主體進(jìn)行安裝。內(nèi)置可充電電池，傳感器接口采用6 針電纜接頭，支持多個(gè)同一規(guī)格的傳感器接口和一個(gè)用于防玷污清潔刷接口。

圖2 探頭固定孔

圖3 多參數(shù)探頭

2.3.2 采樣器

采樣器通過一根預(yù)留的采樣管與水體相連，采樣管可自動(dòng)收放，采樣管伸入水中的長(zhǎng)度可根據(jù)需要通過控制軟件和遙控器設(shè)置，深度范圍為0.1～1 m，滿足環(huán)保行業(yè)水質(zhì)采樣深度為水面下0.5 m 處的采樣要求；管路材質(zhì)為硅膠管；采樣管在船體運(yùn)行時(shí)收縮，在采樣時(shí)深入水中；采樣器使用水泵通過采樣管抽吸水體完成采樣，水質(zhì)采樣時(shí)采樣器將水管放到指定位置，采樣時(shí)水泵抽吸流量保持不變，采水速度1 000 mL/min，通過控制采樣時(shí)間完成采樣到設(shè)置體積。同時(shí),采樣器具有管路清潔功能，支持單點(diǎn)采樣、多點(diǎn)采樣（分瓶采樣），單次最大采樣量為6 L，如圖4 所示。

圖4 采樣器

2.3.3 攝像頭和衛(wèi)星定位

船體裝在有高精度GPS 接收器，水平定位精度小于等于2.5 m，速度精度小于等于0.1 m/s；為方便操作和查看采樣點(diǎn)周圍環(huán)境，船體裝有高清攝像頭，攝像頭清晰度為720 P，支持微光夜視功能，以保障在夜間也可完成采樣工作，確保全天候的采樣能力；衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)均通過地面站實(shí)時(shí)傳輸至控制軟件。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 主控系統(tǒng)

采樣船可接收遙控器的指令并執(zhí)行，包括模式切換、手動(dòng)運(yùn)行控制；采樣船可以接收并執(zhí)行地面基站的任務(wù)指令，根據(jù)船載定位信息，自主導(dǎo)航行駛，并可在無人工干預(yù)下自動(dòng)完成工作任務(wù)，同時(shí)將采樣船的數(shù)據(jù)信息發(fā)送回地面控制基站；采樣船具備失聯(lián)保護(hù)功能，當(dāng)?shù)孛嬲九c無人船通信失聯(lián)后，采樣船可自動(dòng)回航至指定位置；采樣船具備一定的避障能力，當(dāng)采樣船行駛中可實(shí)時(shí)探測(cè)與前方障礙物距離，并采取避障措施；最大探測(cè)距離不小于80 m，最多32 個(gè)目標(biāo)，水平60°，垂直7°。

2.4.2 通信系統(tǒng)

遙控器與無人船采用RF 無線射頻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，工作頻率：2.4 GHz，開闊地段通信距離小于等于500 m；地面?zhèn)鬏敾静捎霉I(yè)混搭設(shè)計(jì)，是一種適用于無人船的無線通信基站，支持高達(dá)150 Mbps 的實(shí)際TCP/IP 吞吐量，工作頻率為5.8 GHz，通信距離小于等于2 km，通信范圍內(nèi)可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，可遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人船動(dòng)態(tài)。地面?zhèn)鬏敾九c電腦之間連接支持有線和無線連接2 種方式，可根據(jù)客戶需求自行選擇。用戶可以用電腦通過網(wǎng)線與基站相連，在網(wǎng)口或網(wǎng)線出現(xiàn)故障時(shí)可切換用無線連接，最大程度保證連接的可靠性。

2.4.3 手持遙控器

遙控器可以控制無人船行駛，與地面基站對(duì)無人船控制權(quán)可切換；遙控器可隨時(shí)控制，隨時(shí)中斷或隨時(shí)改變工作任務(wù)；遙控器配備2 個(gè)搖桿，搖桿旋轉(zhuǎn)范圍360°。

2.4.4 地面控制基站和控制軟件

地面操控平臺(tái)為安裝有控制軟件的筆記本電腦或者平板，與遙控器對(duì)無人船控制權(quán)可切換，支持Windows 操作系統(tǒng)，使用研發(fā)的人機(jī)交互系統(tǒng)；控制軟件可下載工作水域衛(wèi)星地圖，并存儲(chǔ)和管理；可設(shè)置無人船行駛路線、返航路線等任務(wù)；可完成測(cè)流測(cè)繪、監(jiān)測(cè)任務(wù)的存儲(chǔ)，可進(jìn)行歷史任務(wù)數(shù)據(jù)的查詢和反復(fù)調(diào)用。

地面操控平臺(tái)可接收和顯示無人船信息，實(shí)時(shí)顯示在線監(jiān)測(cè)結(jié)果；可通過圖形動(dòng)態(tài)顯示無人船工作狀態(tài)、位置狀態(tài)、朝向，顯示無人船電池當(dāng)前電壓、行駛速度等各類信息，對(duì)信號(hào)質(zhì)量、電源余量等工作狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警提示；控制軟件可完成水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、在岸端控制軟件地圖上進(jìn)行采樣點(diǎn)位路線的布設(shè)，可自定義采樣容量、采樣數(shù)量。

2.5 主要設(shè)備清單

主要設(shè)備清單見表1。

表1 主要設(shè)備清單

3 測(cè)試

3.1 準(zhǔn)備

船體外觀如圖5 所示，采樣船達(dá)到指定位置，完成充氣、電源檢查、連接天線配置服務(wù)器地址（如圖6 所示）、檢查遙控器功能情況（如圖7 所示）、采樣設(shè)置等工作。

圖5 船體

圖6 連接界面

圖7 遙控器

3.2 設(shè)置

當(dāng)輻射事故應(yīng)急采樣時(shí)，先使用采樣船對(duì)采樣區(qū)域進(jìn)行γ 劑量率巡測(cè)，對(duì)采樣區(qū)域的γ 劑量率情況有基本了解，可推斷出水體的放射性大致情況；然后根據(jù)γ 劑量率水平，選擇高劑量點(diǎn)或者低劑量點(diǎn)進(jìn)行采樣，具體采樣點(diǎn)可根據(jù)要求自行設(shè)置。如果現(xiàn)場(chǎng)可連接網(wǎng)絡(luò)，地面控制軟件可直接下載采樣區(qū)域衛(wèi)星地圖，如無法下載地圖，可在人工操作下使用采樣船進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水域巡測(cè)，完成離線地圖數(shù)據(jù)繪制，根據(jù)繪制的離線地圖邊界經(jīng)緯度信息，自動(dòng)畫出安全航線邊界后，可在離線地圖上設(shè)置自動(dòng)采樣及監(jiān)測(cè)參數(shù)，如圖8所示。

圖8 參數(shù)設(shè)置

3.3 采樣

根據(jù)作業(yè)需求，先選擇采水的航點(diǎn)勾選采水點(diǎn)，再設(shè)置各個(gè)采樣點(diǎn)的采水量和采水深度及巡航速度。設(shè)置完成后點(diǎn)擊發(fā)送設(shè)置，儀器將自動(dòng)按照采樣設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)采樣，如圖9 所示。

圖9 采樣設(shè)置

3.4 數(shù)據(jù)展示

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)完成后，原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可根據(jù)需要導(dǎo)出，如圖10 所示。

圖10 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

3.5 測(cè)試結(jié)論

經(jīng)過多次采樣測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)試，該采樣船可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能需求，信號(hào)傳輸穩(wěn)定性、自動(dòng)采樣、水體監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸功能等，均符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)核與輻射事故應(yīng)急的需要，兼顧日常采樣需求，設(shè)計(jì)了可進(jìn)行γ 劑量測(cè)量的無人采樣船，可在復(fù)雜環(huán)境下和一些人為無法到達(dá)的水域進(jìn)行水體應(yīng)急采樣工作。該采樣船可對(duì)水體的γ 劑量率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而指導(dǎo)采樣點(diǎn)的設(shè)置，提高對(duì)水體放射性水平監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性；該系統(tǒng)具備的數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控、多點(diǎn)采樣等功能，有效提高了輻射事故應(yīng)急處置能力，避免了輻射工作人員的人工操作，提高了輻射工作人員的安全性，為四川省核與輻射應(yīng)急體系的建設(shè)提供技術(shù)支持，為其他省設(shè)計(jì)類似無人采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。