基于無(wú)人機(jī)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備協(xié)同巡查系統(tǒng)研究

陳敏 李博陽(yáng)

(武漢博感空間科技有限公司 湖北武漢 430074)

中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳于2019年印發(fā)了《關(guān)于構(gòu)建現(xiàn)代環(huán)境治理體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求強(qiáng)化監(jiān)測(cè)能力建設(shè)、加快構(gòu)建陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量、污染源和生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)全覆蓋[1]。實(shí)行“誰(shuí)考核、誰(shuí)監(jiān)測(cè)”，不斷完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，全面提高監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化水平，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)“真、準(zhǔn)、全”。推進(jìn)信息化建設(shè)，形成生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)一本臺(tái)賬、一張網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)窗口。加大監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用力度，推動(dòng)監(jiān)測(cè)裝備精準(zhǔn)、快速、便攜化發(fā)展[2]。

無(wú)人機(jī)加載生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備協(xié)同巡查系統(tǒng)作為一項(xiàng)高新技術(shù)，具有響應(yīng)快、受天氣與地理空間環(huán)境影響小、使用便捷、成本費(fèi)用低等突出優(yōu)點(diǎn)。特別是在機(jī)動(dòng)性、遙感設(shè)備的可更換性、可重復(fù)觀測(cè)性以及立體觀測(cè)等很多方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。該技術(shù)能有效彌補(bǔ)人工采樣和自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在地域分布上的局限性，可以飛到哪里便測(cè)到哪里，采樣與分析同步進(jìn)行，充分節(jié)省監(jiān)測(cè)所需時(shí)間。尤其是面對(duì)突發(fā)情況時(shí)，更顯示其優(yōu)勢(shì)，可快速追蹤污染源位置，協(xié)助制訂應(yīng)急方案。

1 系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)加載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備協(xié)同巡檢系統(tǒng)包含無(wú)人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備加載、遠(yuǎn)程操控以及無(wú)人機(jī)平臺(tái)集成分析儀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型搭建，如圖1所示。分析任務(wù)，確定傳感器型號(hào)和數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)后，確定載荷重量，進(jìn)而對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行選型，系統(tǒng)線路規(guī)劃，銜接零部件個(gè)性化定制，構(gòu)建無(wú)人機(jī)平臺(tái)，系統(tǒng)集成，最后交付使用，如圖2所示。

圖1 無(wú)人機(jī)加載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)

圖2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)集成傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

2 無(wú)人機(jī)采集系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)儀

水樣、氣體采集是環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的重要基礎(chǔ)內(nèi)容，其采集樣品質(zhì)量是環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)分析工作準(zhǔn)確、科學(xué)、合理進(jìn)行的前提，而在使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)際水樣采集工作中，其工作質(zhì)量經(jīng)常會(huì)受到采集技術(shù)、無(wú)人機(jī)樣品采集裝置、采集環(huán)境等的諸多因素影響，這一定程度上也影響了環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)樣品采集裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，仍存在以下缺陷[4]：一是無(wú)論水樣采集還是氣體采集，都只能單組樣品采集，不能單次飛行，完成多組采樣；二是采集裝置只適合采集淺層水樣但很難對(duì)深層次水體進(jìn)行采樣；三是具備深水處采集能力的無(wú)人機(jī)采集裝置，其繞管容易在采樣過(guò)程中出現(xiàn)混亂[5]。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的無(wú)人機(jī)采集裝置不夠完善。

本文研究了一種無(wú)人機(jī)采集裝置與系統(tǒng)，如圖3所示，其主要包括無(wú)人機(jī)主體與采集裝置。無(wú)人機(jī)主體包括機(jī)身，機(jī)身上設(shè)有蓄電池、控制主板、高度測(cè)量?jī)x、GPS 導(dǎo)航儀以及無(wú)線收發(fā)器，蓄電池與控制主板電連接，在機(jī)身的4個(gè)拐角處設(shè)有向外延伸的用以驅(qū)動(dòng)機(jī)身升起的動(dòng)力裝置。采集裝置設(shè)在無(wú)人機(jī)的底部且位于兩個(gè)支撐架之間，其中采集箱是采集裝置之一，采集箱的內(nèi)部設(shè)有水樣采集裝置與氣體采樣裝置，且水樣采集裝置和氣體采樣裝置之間用隔板隔開(kāi)解決了氣體、水樣采集不能自由切換的問(wèn)題與深水處水樣采集繞管混亂的問(wèn)題，不但提高了取樣工作的工作效率，也有利于快速準(zhǔn)確地采集大氣、水體樣品，用于環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)。

圖3 無(wú)人機(jī)搭載水質(zhì)采樣裝置

氣體監(jiān)測(cè)分析儀可監(jiān)測(cè)氣體基本六參數(shù)（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3），水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可監(jiān)測(cè)6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)：水質(zhì)五參數(shù)（溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度）和氨氮，無(wú)人機(jī)搭載水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)搭載水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀

3 系統(tǒng)軟硬件研制

研發(fā)續(xù)航能力長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)加載平臺(tái)，一是減少機(jī)身自重，增強(qiáng)機(jī)身原位監(jiān)測(cè)時(shí)的穩(wěn)定性；二是降低加載儀器和裝置的功耗；三是應(yīng)用5G技術(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。飛行平臺(tái)性能參數(shù)：飛行時(shí)間60 min，起飛最大重量45 kg，最大安全負(fù)重20 kg。機(jī)載氣體監(jiān)測(cè)分析儀，可監(jiān)測(cè)氣體基本六參數(shù)（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3），具備擴(kuò)展監(jiān)測(cè)功能；水質(zhì)采樣裝置，包含升降和儲(chǔ)存單元；機(jī)載水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，可監(jiān)測(cè)水質(zhì)五參數(shù)（溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度）和氨氮，具備擴(kuò)展監(jiān)測(cè)功能。具備GPS懸停、指點(diǎn)飛行、航線自動(dòng)飛行、一鍵返回等功能。支持全高清1 080 p/60 fps圖傳輸出；支持5G信號(hào)傳輸；延時(shí)低至50 ms；信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)達(dá)5 km。同時(shí)開(kāi)發(fā)了在線一體化環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析及預(yù)警處理。

系統(tǒng)軟硬件具體開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：（1）微型氣體六參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的硬件開(kāi)發(fā)，嵌入式程序開(kāi)發(fā)，整體組裝，傳感器標(biāo)定；（2）作業(yè)App，定點(diǎn)采樣的坐標(biāo)輸入，導(dǎo)入采樣點(diǎn)集，自動(dòng)規(guī)劃并采樣，按標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)到平臺(tái)；（3）環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)具有綜合監(jiān)管、在線監(jiān)測(cè)、巡視巡察（協(xié)同巡查任務(wù)安排）、歷史查詢功能；（4）環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)后臺(tái)管理系統(tǒng)，具有空氣污染物管理、水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)管理、人員管理、角色管理等功能；（5）將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本文實(shí)現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)巡查應(yīng)用場(chǎng)景下的無(wú)人機(jī)和加載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的模塊化、通用化、系統(tǒng)化，如圖5所示。在進(jìn)行無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)提升續(xù)航能力和穩(wěn)定性，運(yùn)用環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的模塊化技術(shù)，根據(jù)任務(wù)性質(zhì)采用不同的功能設(shè)備來(lái)完成任務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。通過(guò)搭載空氣監(jiān)測(cè)儀、水質(zhì)采樣裝置、水質(zhì)檢測(cè)儀，可分別實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、河流水域自動(dòng)采集水樣和水質(zhì)原位監(jiān)測(cè)，并搭配平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)任務(wù)單元的協(xié)同作業(yè)與管理，如圖6所示。

圖5 無(wú)人機(jī)App操作界面

圖6 任務(wù)規(guī)劃操作界面

通過(guò)建立無(wú)人機(jī)平臺(tái)加載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)建空地一體化的環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理體系，助力推動(dòng)我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，意義重大：一是推進(jìn)無(wú)人機(jī)在環(huán)保領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用，彌補(bǔ)人工采樣和自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在地域分布上的局限性，具有廣闊的應(yīng)用前景；二是為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了快速、便捷的監(jiān)測(cè)手段，減少天氣與地理空間對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的影響，增強(qiáng)環(huán)境安全監(jiān)管的及時(shí)性；三是可應(yīng)對(duì)各種環(huán)境污染應(yīng)急事件，為各類環(huán)境污染應(yīng)急指揮提供技術(shù)支撐[6]。

項(xiàng)目成果可在環(huán)保項(xiàng)目上推廣使用，減少巡察人員投入、大幅縮短巡察周期、提高巡察效率、保證巡察質(zhì)量，可服務(wù)于政府生態(tài)環(huán)境部門(mén)的生態(tài)環(huán)境本底調(diào)查、環(huán)境執(zhí)法日常巡查、應(yīng)急事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等領(lǐng)域，具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具體如圖7、圖8所示。

圖7 基于平臺(tái)進(jìn)行河道查詢

圖8 基于平臺(tái)的河道管理

5 結(jié)論

本文通過(guò)建立無(wú)人機(jī)平臺(tái)加載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)建空、地一體化的環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理體系，推動(dòng)我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，意義重大。主要表現(xiàn)在：（1）推進(jìn)無(wú)人機(jī)在環(huán)保領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用，彌補(bǔ)人工采樣和自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在地域分布上的局限性，具有廣闊的應(yīng)用前景；（2）為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了快速、便捷的監(jiān)測(cè)手段，減少天氣及地理空間對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的影響，增強(qiáng)環(huán)境安全監(jiān)管的及時(shí)性；（3）可應(yīng)對(duì)各種環(huán)境污染應(yīng)急事件，為各類環(huán)境污染應(yīng)急指揮提供技術(shù)支撐。