智能型多参数水质监测采样无人船系统设计

2019-10-22宋云鹏

科技与创新 2019年19期

宋云鹏

智能型多参数水质监测采样无人船系统设计

宋云鹏

（天津津航计算技术研究所，天津 300308）

无人船作为新型智能化水面平台可以搭载多种设备实现不同功能。为了弥补现有水质监测及采样工作的缺陷，降低监测的人力和财力成本，提高水质监测的及时性和有效性，实现有毒水环境污染物质的应急监测，自主研发了一种智能型多参数水质监测采样无人船系统。该无人船能够通过遥控和智能自主航行方式实现多点位多种水质参数的实时采集和分层水样的获取，有助于提升水质监测系统的监测能力和数据分析能力，为管理决策提供有力的理论支撑和依据。

无人船；水质监测；水样采集；智能自主航行

1 研究背景

水质监测作为水环境监管的重要组成部分，可以提供监测区域的水环境质量等级、水污染物质、污染超标倍数等数据，为污染源排放控制、水污染预警、水污染治理等管理决策提供理论支撑。

现有水质监测系统存在一个很大的缺陷，就是水质监测系统的数量和覆盖率严重不足。通过调查发现，很大一部分原因是成本太高。目前，水质监测主要由分布在水域中的各个固定监测点完成。但这种由固定监测点组成的水质监测系统，由于每个监测点都是固定的，所以每个监测点的监测范围都是有限的。因此，为了覆盖整个水域范围，必须在监测区域内安装一定数量的固定监测点。然而，每个固定监测点都价格不菲，需要配备各种价格昂贵的水质监测传感器。如果可以将原有的固定监测点变为移动的，并且其路线可控，一个移动监测点便可以覆盖原来许多固定监测点才能覆盖的面积。

目前水环境监测主要通过水质在线自动监测站和人工监测实现。水质在线自动监测站主要用于重点断面水体的水质状况、预警预报、污染物总量的连续监测。人工监测则是依靠监测人员携带监测和采样设备利用船只到固定水域开展监测工作。以上监测方式都有其局限性，水质在线监测自动站无法移动且维护费用较高，仅限于重点断面的监测；人工监测不仅需要耗费大量人力物力，且为保证仪器和人员安全，在水域环境复杂、污染物毒性较大或者气象条件恶劣的情况下难以进行作业。为了弥补现有水质监测工作的缺陷，有必要开发一种可靠稳定的无人智能水环境监测系统平台。

无人船在二战时期就已出现，但直到20世纪90年代才开始人们才对无人船进行大规模研究。国外无人船主要应用在军事领域和资源勘察，美国、日本、加拿大、德国、法国、以色列都有产品推出。目前比较成熟的无人船包括美国的“斯巴达侦察兵”和“幽灵卫士”、英国的“芬里厄”、以色列的“保护者”等。近年来，随着无人船技术应用范围的扩大，越来越多的无人船被应用于测绘、气象、水产养殖和科研中。由于人们对环境问题的重视程度不够，目前将无人船用于环境监测的案例还十分有限，但随着水环境问题的日益严峻和政府对水环境监测能力要求的提升，研发出可以应用于水环境监测的无人船具有重大的意义。

本次设计旨在实现一种由自动巡航无人驾驶船、环境水质参数监控装置和远程服务监控平台3部分组成的无人智能水质监测无人船系统。该系统中的无人船通过GPS、电子罗盘进行定位及导航，利用船上的摄像设备实时采集区域周边的环境影像。通过船上搭载的多种传感器及辅助设备实现对水质的自动采样和简单参数测量。利用无线通讯可以实现对无人船的远程控制，并完成无人船与远程基站之间的数据传输。该系统可以实现远程操控和采样，对COD、pH、溶解氧等多项理化指标进行定点监测、对同一点位水质进行连续监测采样（时间序列）、以污染源为中心的污染范围监测（空间分布）、监测点位周边影像采集、现场监测数据传输、数据分析与结果展示等功能。该系统可应用于水质例行监测和污染事故应急监测，有助于提升监测系统的监测能力和数据分析能力，为管理决策提供有力的理论支撑和依据。

2 系统组成

无人船由船体、船控系统、自动巡航控制系统、水环境监测系统、水样采集系统、无线通信系统、动力系统、地面站监控平台八部分组成。

2.1 船体架构

无人船整体架构及组成原理如图1所示。船控系统是整个无人船系统的核心，负责完成整个系统各单元的控制和任务分配，存储相应接口设备信息，进行数据、控制接口标准定义及相关数据格式转换存储等操作。船控系统与各分系统模块之间通过以太网、RS485、RS232总线接口、CAN总线进行互连和数据交换。水样分层采集系统控制电动绞盘伸缩将采样管深入到待测水体深度，对采样瓶进行清洁并按要求采集待测水样。水环境监测系统对待测水样中的水质参数进行实时测量，并经过传感器综合处理后通过串口上传到船控系统中。船控系统处理接收到的数据并将其通过无线数传系统传送到地面监控平台。地面监控平台将数据进行进一步的处理和分析，将环境监测结果进行显示和存储。

图1 无人船硬件系统结构图

船控系统负责无人船的自动巡航和智能避障的控制工作。导航定位传感器接收到的各种数据上传到船控系统核心处理计算机中进行处理，计算机综合处理后生成航路轨迹驱动动力子系统带动无人船进行可控的自动巡航运行。当有紧急情况发生或无人船周围有障碍物的时候，摄像系统和毫米波雷达传感器将障碍物信息传递给计算机，计算机启动应急处理机制，分析障碍物情况，控制动力系统改变航向和航速，使无人船躲避障碍物，避免意外的发生。在导航定位过程中应综合考虑各种传感器的优势和缺点，雷达传感器的作用距离在几十米甚至更远的范围，但近距离存在盲区，视频摄像的作用距离在1 km之内，远距离存在盲区，但是可提供目标的形状信息，所以可以综合利用两种传感器信息在探测范围内的重叠区进行信息融合，并进行障碍物的检测。

为增加无人船系统的续航能力，在无人船上搭载了小型发电机，作为无人船上锂电池的充电装置，这样既可以增加无人船的单次航行时间也解决了无人船在野外执行任务时无法方便充电造成的麻烦。该发电机可以为无人船带来3～4 h的额外续航时间。在电池能满足任务要求的情况下，首先使用锂电池为无人船供电，当任务工作时间长或者任务距离很远时，使用船载发电机为无人船充电。

无人船的动力系统中包括电池状态异常监测功能以及实时监测电力剩余情况并换算成剩余里程的检测单元，当电池剩余电量小于阈值时无人船向地面站发出电量不足的警告，当电量剩余达到用于返航的极限值时无人船会自动返航，防止无人船执行任务时由于电量不足而导致的无法返航情况发生。

无人船上安放了可以供无人机起降的停机坪，可以实现搭载无人机进行航行。无人机可以在无人船上进行起降，搭载摄像装置的无人机跟随无人船飞行，从高处拍摄无人船周围水环境的影像，从另一个角度获取水域的水质信息。无人机与无人船协同作业可以对水质监测区域的环境有一个更加全面的认识，帮助环境监测人员更好规划无人船的航行任务以及水质监测和采集区域。

无人船外形及内部布置情况分别如图2和图3所示。

图2 无人船外形图

图3 无人船内部布局图

2.2 在线水环境监测系统

无人船在线水环境监测系统包括中央处理模块、水样监测与分析模块、现场数据采集与处理模块和结果发送展示模块。其中，水样监测与分析模块将集成水质监测物参数仪（pH、溶解氧、电导率、水温、浊度、ORP、叶绿素a蓝绿藻）、紫外COD监测仪等水质监测传感器。上述各模块集成于无人船的船体底部，各分模块与中央处理模块分别进行数据交互；中央处理模块负责管理和控制各分模块的运行，将处理好的检测数据通过无线通讯网络发送给地面站平台。

在线水质监测传感器拟选用Xylem赛莱默公司的EXO2多参数传感器，该传感器最多可以携带7个探头并可以同时检测7种不同的水质参数，设备可测项目包括温度、浊度、溶氧、电导、pH、ORP、叶绿素、蓝藻、氨氮、硝氮、氯离子等等，可与数据采集装置、计算机的通讯传输设备相连，实现数据的长期在线监测和远程传输，是环境监测、监察、科研、自动监测系统、地面和地下水资源水体监测的理想帮手。设备安装过程简单、经济维护使用方便、适用性强，带有传感器保护罩，是专为现场水质测量而设计的可靠性和耐用性仪器。设备外形长为71.1 cm，直径为7.62 cm，重量为3.6 kg（装5个探头，测量杯和电池），采样频率为4 Hz，可以通过USB或RS-485与计算机进行通讯。

COD检测设备选用E+H公司的Viomax CAS51D COD测量传感器，该传感器采用紫外吸收法测量COD，是独立的一套实时测量设备，非常便于在线连续监测。COD检测设备为分体式设备，包括一个控制器和一个传感器，传感器负责监测数据，控制器负责操控传感器并传输数据。

EXO2及COD传感器通过转接装置固定在船舱内，在船舱内打通孔到船底，传感器探头连同转接装置从孔内插入，探头从船底伸出到指定探测深度。转接装置作为两种传感器与船底之间的互连装置，要保证无人船开孔处具有良好的水密性。传感器要方便拆卸和安装，在船入水后将传感器插入各自的孔内固定好并做好密封，作业结束之后将传感器拔出收存好并将船上的孔堵好做好密封，防止水进入仓内。

2.3 水样分层采集系统

水样分层采集系统安放于无人船前舱室内，由主控单元、自动采样管收放单元和肺式真空采样单元三部分组成。采集系统可携带2 L的采样桶5瓶，每个采样桶均可以在打开后舱盖后单独拆卸，方便将采集到的样品取出。

主控系统基于自主设计的以ARMK60核心芯片为主的控制平台，由数字量DO/DI输入输出模块、AD/DA模拟量输入输出模块、RS-485串口通讯模块，PWM信号输出、无线通讯模块等功能模块组成，可以满足系统需求。水质采样管路和气路的电磁阀控制、自动采样管收放单元、肺式真空采样单元等的电气控制都可由该主控单元实现。

自动采样管收方单元主要负责将采样管准确下放到待采样的水层以及在采样结束后，将采样管完好回收供下次采样使用。以步进电机驱动带有限位固定装置的轮式轴盘缠绕采样管，编码器计算采样管下放入水距离。完成采样管的收放控制和深度计算。采样管选用管径为6～8 mm的透明复合材料管材，采样管深入水中深度不超过水深。

系统采用肺式真空采样单元，将液体采样管路和抽气气体分开，通过气路驱动采样管路，减小系统功耗和真空泵的工作强度。

整体结构长为636 mm、宽为630 mm、高为300 mm，重量满载水的情况下约25 kg，空载约15 kg。系统主要分为两部分，第一部分是控制系统和电磁阀等电气元件，采用高防水、防尘密封封装，保证长时间稳定运行；另一部分是可拆卸的采样瓶部分和采样管收放单元，方便已取样的采样瓶拆卸回收和清洗。水样分层采集系统结构如图4所示。

图4 水样分层采集系统结构图

3 创新点

3.1 水样自动分层采集与采水管道润洗

本无人船搭载的水样采集器是为了满足分层采水以及管道润洗要求而研制的，相比现有水样采集器具有显著的创新点和优势。水样采集器借助无人船平台的搭载实现了对水样的多点分层采集，增加了单次水样采集任务的采样种类和采样量，提高了采样工作效率。无人分层水样采集消除了人工采样式由于不同操作人员技术水平差异导致的采集水样误差，通过无人船的精确定位功能实现了对采样点位的精确重复定位，通过对采样管深入水中深度的精确控制，减少了分层采样中深度定位不准确导致的测量误差。利用系统中的采样管自动清洗功能实现了正式采样前对采样管的自动清洗，解决了多点位水样采集时可能出现的前一次采样点水样残留在采样管中对下一采样点水样造成交叉污染的问题。该水样采集器解决了人工水样采集工作效率低、危险系数高、采样点定位精度差、样品交叉污染等问题，对于不同区域或流域水质样品的快速自动采集以及提高采样精度和准确性具有重要意义。

3.2 多传感器融合无人船自主环境感知，自主导航避障、高智能自主决策和自动控制

无人船搭载了毫米波避障雷达，360°旋转视频监控摄像头，GPS导航系统以及惯导系统。毫米波雷达工作在毫米波段，其穿透雾、烟、灰尘能力强，且具有全天候全天时使用的特点。在无人船自动导航模式下，毫米波雷达50～100 m外即可探测到障碍物，船控系统接收到毫米波雷达的信息后控制无人船采用后退及自动转换方向等技术自行绕过障碍物。毫米波雷达的侦测扇面范围为无人船船头沿长度方向中线左右各15°，雷达与无人船接口为以太网口。摄像头置于由步进电机控制的360°云台上面，可监测无人船周围360°范围内的环境情况，摄像头图像分辨率支持720 P，可以进行夜间图像采集和传输。视频信号通过图传系统传送到地面监控平台。摄像头与图传系统通过视频接口连接，船控系统通过PWM信号控制摄像头云台步进电机的旋转。

船控系统通过分析地面站发送的任务规划出自动航行的航迹，随后在无人船自主航行的过程中船控系统结合毫米波雷达、摄像头、惯导系统实时上传的无人船自身及周围状态信息做出正确的判断，智能化地沿着航迹航行并在航行中实时监测并自主决策规划出最优路径躲避障碍。导航GPS实时向船控系统发送无人船当前位置，供无人船判断是否需要进行航迹修正以保证按照原有的航线航行。在多传感器相互配合下无人船的智能化程度以及自主决策能力得到了极大的提升。

3.3 无人船油电混合动力系统增加续航时间

无人船搭载了两个涵道式螺旋桨推进器，每个推进器最大功耗为4 kW。无人船采用锂电池供电，锂电池为双冗余设计，单块电池容量为75 AH。供电锂电池最大输出电流为150 A，锂电池输出标称值为48 V。无人船具有电源管理模块，实时采集电池的电压输出，支持过压保护、过流保护、放电欠压保护、放电过流保护、短路保护、过高温保护、过低温保护。为了增加无人船的续航能力，在无人船上搭载了小型发电机设备，为无人船锂电池充电。船上的两个电池分为主电池和备用电池。在两块电池都满电的情况下主电池输出供电，当主电池电量降低到设定的阈值后通过零延时切换装置瞬间切换到备用电池给主控制器及负载供电，同时通过有延时切换装置实现大功率负载的少量延迟电池切换。随后备用电池开始工作，主电池通过船载的发电机进行充电。本方案在不增加锂电池数量的前提下增加了无人船的续航时间和作业半径，也解决了无人船在野外执行任务时无法方便充电造成的麻烦。发电机满油的情况下可以输出5 500 W功率，可为无人船带来额外3 h的续航时间。

4 总结

本项目的研发弥补了中国在无人智能化监测系统的不足，在无人船内集成了环境监测所需的采样、分析测试、影像采集、数据分析和结果展示模块，有助于增加水质监测范围和频率，提高水质监测的时效性和准确性，完善水污染监测预警网络；在实现应急污染事故的及时有效监测，分析污染扩散规律，实现应急污染的有效预警方面也有积极的作用。经过实践检验，完善后的技术可以推广至全国各地区，满足环境管理的业务需求，为管控水环境质量、治理水环境污染提供技术支撑，具有显著的环境效益和社会效益。

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.021