无人船在河涌水质监测平台的应用研究

吴春祥，马诗勇，杜香和

（1.广州工程技术职业学院，广州510075；2.江西骏马招标咨询有限公司，南昌330000；3.时代出版传媒股份有限公司，合肥230000）

0 引言

水污染治理成为环境保护的一个重大难题。为保护城市水域资源，政府一直大力建设智能化水利基础设施。过去水质采样工作主要采取划船取水、放置浮漂等人工模式，其监测位置固定。无人船不需要人工操控，独立完成精确定点采水样。比起人工监测模式，无人船监测节省成本，提高效率，并可以到达污染区和深水区等。利用无人船可以实时采集与传播监测数据，跟踪污染扩散状况，增加了监测数据实时性和透明度。

无人船水质监测系统是基于无人驾驶城市河涌水质探测平台，能完成河涌水域水质参数测量任务，提供水质酸碱度、杂质量、化学物质含量等数据。再借助云计算和大数据技术对监测区域水文情况进行分析预测。为水利环保部门提供决策参考，有利于推动水文监测系统标准化管理，并应用于水文监测、水资源环境保护等领域，解决恶劣天气或危险水域无法进行人工提取水样、实时监测水质变化等问题，大大减轻了水文监测工作负荷和危险性。

本项目研究将对无人船航线动态规划和自动避障算法优化，实现对无人船船体姿态、任务状态实时控制，实现自动化、全天候、高精度水文监测，实时提取被测数据，借助云计算、大数据对特定时段水文情况进行分析，以供相关部门参考决策。

1 系统设计

基于无人船的水文监测应用技术，主要包括无人船自主航线规划及精准控制、多传感器集成与信息融合以及远程通信与实时多模控制。笔者在无人船上搭载了水质监测终端设计，经过NB-IoT 基站、无线网络与水质监测站构建成智能化河涌水域治理系统。该系统提高数据采集精度与传播准确度，实现了水域治理智能化。本文所研究的智能化河涌水域治理系统，由智能水质数据监测终端、水质监测中心和NB-IoT 物联网通信平台组成，如图1。无人船端集成所需要采集数据类型的智能传感器。监测中心基于云计算平台的服务器，进行数据收发、数据挖掘与分析等服务。监测云计算平台，通过物联网无线路由器与网关与无人船终端进行数据收发[1]。

图1 无人船水质监测系统

2 关键技术研究

通过对无人船航线进行控制，采集目标监测区域水文数据，实时动态将水文数据报送给数据分析平台，再借助云计算和大数据技术对监测区域水文情况进行分析预测，为水利环保部门提供决策参考，有利于推动水文监测系统标准化管理。并应用于水文监测、水资源环境保护等领域，解决恶劣天气或危险水域无法进行人工提取水样、实时监测水质变化等问题。基于无人船的水文监测技术研究涉及通信、控制、软件算法等多个领域。对无人船航线动态规划和自动避障算法优化，实现对无人船船体姿态、任务状态实时控制，基于无人船的智能化水质监测技术，具体包括：

（1）自主航线规划和精准控制

采用自动舵技术，借助螺旋桨的推力和两个螺旋桨的速度差来实时调节航速和航向，实现自动按照预先设定的计划的航线进行精准的走线、换线及回归等功能。

（2）多传感器集成与信息融合

搭载声、光、电、磁等多种传感设备，通过嵌入式计算机技术、传感器技术、无线通讯技术和智能控制多种技术对信息进行融合采集分析[3]。

（3）实时远程通信与多模监控

通过远程无线通信技术，实现人工控制、实时线路规划自动控制以及无链接自主测量控制三种模式对船体进行实时控制。

3 技术创新点

无人船融合了通讯、算法、测控，自动化、网络化系统等综合平台技术，具有自主导航、自动避障、等性能特点，可搭载多种测量或探测设备环境监测等自动化作业，通过无人船水文监测后，可以获取完备的水质参数分布图，对于污染的分布,实现在水文监测领域的新突破，具备自主导航和自动避障，并可以对河涌水质进行移动式在线连续多参数多点监测。本研究的创新点：

（1）无人船采用自动驾驶，借助螺旋桨的推力和两个螺旋桨的速度差来实时调节航速和航向，实现自动按照预先设定的计划的航线进行精准的走线、换线及回归等功能。

（2）多传感器集成与信息融合

无人船搭载声、光、电、磁等多种传感设备，通过嵌入式计算机技术、传感器技术、无线通讯技术和智能控制多种技术对信息进行融合采集分析。

（3）实时远程通信与多模监控

通过远程无线通信技术，实现人工控制、实时线路规划自动控制以及无链接自主测量控制三种模式对船体进行实时控制。

（4）实时获取被监测数据，借助云计算、大数据技术对水文情况进行分析，通过图形化组态软件，实现数据可视化。

4 系统实现

基于无人船的水质监测技术，主要包括无人船自主航线规划及精准控制、多传感器集成与信息融合以及远程通信与实时多模控制，实现自动化、全天候、高精度水文监测，实时提取被测数据，借助云计算、大数据对特定时段水文情况进行分析。将该技术应用于水利环保等行业部门，可解决人工无法在恶劣天气或危险水域进行水样提取、水质监测等技术壁垒，覆盖全面范围水文监测的死角。

通过5G 移动通信技术，实现人工控制、实时线路规划自动控制以及无链接自主测量控制三种模式对船体进行实时控制：①无人船预定水文监测航线规划方案，水质等数据传输方案；②无人船航线规划和避障算法设计，让无人船自主航行、躲避障碍；③远距离实时数据通信，无人船的航行路线、任务状态、参数监测。通过NB-IoT 基站，控制中心可以接收到各种监测数据，实时监测河涌水质数据，同时接受无人船的上报数据。

5 系统测试

无人船通过遥控器或NB-IoT 基站进行自动水质采样，测试通信距离在100 米以内，水深度2 米左右，采样量为8 升，采样结束后生成水质信息报告。无人船按照预先设定好的路线自动巡航，驶向指定水质采样位置，无人船15 分钟能采集8 瓶水样采样后返航，通过水质监测系统生成采样及上报水质数据[4]。将装配有8 个水质传感器的水质监测无人船，放置在城市河涌进行试验，步骤如下：

（1）检查NB-IoT 基站通信参数及物联网连接、建立无人船水质采集模块与水质监测中心服务器的连接。

（2）无人船按照预先设定好的路线自动巡航，驶向指定水质采样位置，开启水质数据采集功能，通过NBIoT 物联网传送到水质监测中心。

（3）监测中心服务器通过水质监测上位机软件，接收来自无人船数据监测终端的数据。

6 结语

利用无人船的水质监测终端，借助NB-IoT 基站与水质监测中心构建的智能化河涌水域治理系统，完成了水质分析、智能排污、物品打捞等应用。通过模拟实验，并对水质监测中心收集到的测报数据进行了初步分析，结果表明本研究方案能较好地解决水质数据测报问题，具有可行性与应用推广价值。进一步研究将引进移动在线源解析监测平台、移动水质监测平台，优化河涌水质治理系统。