摘 ?要：文章主要研究的對象是無人船在“智慧治水”中的應(yīng)用。在“智慧治水”工作中，無人船主要可以實現(xiàn)河道地形勘探，水質(zhì)情況實時分析和反饋，排查疑似暗管，以及對重點區(qū)域采集水樣。文章較為全面的闡述了無人船系統(tǒng)架構(gòu)、無人船實現(xiàn)功能。結(jié)合實際的應(yīng)用項目，通過無人船在實際項目中的應(yīng)用形式、得到的反饋數(shù)據(jù)和現(xiàn)場進行比對分析，探討無人船在“智慧治水”中的可行性和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：無人船;水質(zhì)檢測;河床探測;暗管排查;智慧治水

中圖分類號：TP392 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0137-03

Abstract：The main research object of this paper is the application of unmanned ship in “intelligent water control”. In the work of “intelligent water ?control”，the unmanned ship can mainly realize the river topography exploration，real-time analysis and feedback of water quality，check the suspected concealed pipes，and collect water samples in key areas. This paper comprehensively describes the unmanned ship system architecture，unmanned ship realization function，combined with the actual application project，through the application form of unmanned ship in the actual project，the feedback data and field comparison and analysis，discusses the feasibility and development prospect of unmanned ship in “intelligent water control”.

Keywords：unmanned ship;water quality detection;riverbed detection;hidden pipe investigation;intelligent water control

0 ?引 ?言

“智慧治水”是治水的基礎(chǔ)性保障措施，也是為了河道的長治久安。目前，我國水污染治理，河湖問題仍有很多，如河道積淤未清、企業(yè)違法偷排、雨污混流等，而無人船正好可以方便地進行監(jiān)管和巡檢工作，及時掌握主要流域重點斷面水體的地形狀況、預(yù)警預(yù)報重大或流域性污水排放事故，監(jiān)督總量控制制度落實情況、排放達(dá)標(biāo)情況。浙江聚優(yōu)建筑工程有限公司作為聚光科技集團的一員，致力于環(huán)保領(lǐng)域相關(guān)工作，并在“智慧治水”中有卓越的表現(xiàn)。

1 ?無人船定義

無人船是指通過設(shè)定路線，借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航、智能避障系統(tǒng)等，自主航行或人工遠(yuǎn)程控制的“水面機器人”。無人船可以不受天氣因素干擾，替代人工完成不同的水上任務(wù)，并將數(shù)據(jù)、圖像信息實時回傳，使得水上任務(wù)更高效、更安全。

2 ?無人船架構(gòu)

無人船主要由無人船船體、采樣子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)（服務(wù)器軟件+遙控器）以及通信子系統(tǒng)六部分組成，如圖1所示。

（1）無人船船體是現(xiàn)場工作實施的載體;

（2）動力子系統(tǒng)可以驅(qū)動無人船以預(yù)設(shè)的速度到達(dá)指定位置，推進器可以實現(xiàn)前進、后退和轉(zhuǎn)彎功能，并保證無人船可在水體中進行懸停;

（3）定位子系統(tǒng)可以保證無人船的運動精度，確保采集水樣的位置精準(zhǔn)，目前采用RTK定位，定位精度達(dá)到厘米級別;

（4）通信子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)上位機軟件與無人船的通信，進行數(shù)據(jù)、視頻等信息交換，數(shù)據(jù)和視頻采用不同的通信頻段，保證通信質(zhì)量;

（5）控制子系統(tǒng)由計算機、遙控器配合服務(wù)器軟件和感知設(shè)備來完成，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)控制無人船路徑規(guī)劃、避障、自動巡航、采集任務(wù)、數(shù)據(jù)分析等功能。遙控器通過對應(yīng)的接收機，直接控制無人船操作，服務(wù)器軟件將數(shù)據(jù)通過通信子系統(tǒng)傳輸給無人船進行操作控制。服務(wù)器軟件可以設(shè)置多種常用路線，無人船可以根據(jù)設(shè)置的曲線進行自動巡航，并可以設(shè)置障礙物信息和航行圍欄。無人船還可以結(jié)合避障模塊自主調(diào)整路線，如果在設(shè)置路線上遇到未知障礙物，無人船可以自動識別并按照策略進行繞行;

（6）采樣子系統(tǒng)根據(jù)不同的任務(wù)有不同的組成：

1）水質(zhì)分析任務(wù)主要包括采樣管路、水質(zhì)分析儀、流路相關(guān)部件、以及采樣泵等部分，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)將河道湖泊等水體中的水吸入流路，進行實時的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集分析;

2）水樣采集任務(wù)主要包括采樣管路、采樣瓶、流路相關(guān)部件、以及采樣泵等部分，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)將河道湖泊等水體中的水采集到采樣瓶中，帶回實驗室進行更全面的水質(zhì)分析;

3）河道勘測任務(wù)主要包括水深探測器、高精度RTK以及相關(guān)分析電路，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)地圖比例要求，采集水下河床的層高，最終形成一張水下地形圖;

4）流速流量采集任務(wù)主要包括流速探測器、高精度RTK以及相關(guān)分析電路，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集河床切面的水深和各個層級的水速，最多可以實現(xiàn)254層，將整個斷面的水速通過模型轉(zhuǎn)化成斷面的流量;

5）暗管排查任務(wù)主要包括側(cè)掃聲吶以及相關(guān)分析電路，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集河岸兩側(cè)水底的暗管、涵道等信息。

3 ?案例分析

因客戶信息需要保密，本文不提供具體的測試地點，代指A河段。

3.1 ?現(xiàn)場分析

2019年9月，經(jīng)反饋A河段水體質(zhì)量差，排口數(shù)量多。對A河段進行了前期的考察分析，下文為具體的情況分析。

A河段共有22條支流，其中8條支流是雙向流通，7條支流是從干流流出，7條支流是流入干流，水流情況非常復(fù)雜。查閱了最近一次清淤的淤泥工程量探測報告，有6個積淤程度較高的位置，詳細(xì)信息如圖2所示，圖中箭頭表示支流流向，單箭頭表示支流單向流入、流出干流，雙箭頭表示支流雙向流通，圓形圖案表示淤積程度較高的位置。

3.2 ?整體方案

結(jié)合以上原始信息及客戶反饋的重點整治區(qū)域，選擇以上A河段重點區(qū)域進行檢測，對長約2 km河段進行暗管排查和河床地形探測，如圖3中bc段所示，并對向兩側(cè)延伸長約6 km河段進行水質(zhì)檢測，如圖3中ad段所示。

根據(jù)無人船一般水污染突發(fā)事件排查方法，一般先進行河道的水質(zhì)實時測量，繪制全面水質(zhì)分布圖，然后深入污染區(qū)，利用無人船采樣瓶進行采樣取證，最后無人船利用側(cè)掃聲吶探測水下暗管圖像。根據(jù)此次現(xiàn)場的特殊性，方案先進行獲取水質(zhì)分布圖，然后對周邊暗管排查和水下地形測繪。

無人船巡航速度一般在2.5 m/s左右，速度可調(diào)，單組電池續(xù)航能力為：在2 m/s的情況下，單組電池的續(xù)航時間為3 h，電池可拆卸，標(biāo)配兩組電池，可實現(xiàn)6 h續(xù)航。

水質(zhì)分布：根據(jù)河道常用水質(zhì)參數(shù)，考慮參數(shù)需要快速測量并反饋，所以不考慮需要長時間消減的總磷、總氮等參數(shù)，選擇水溫、ORP、電導(dǎo)率、溶解氧、氨氮和pH值，每個大約100～150采集一次水質(zhì)數(shù)據(jù)。

在一個監(jiān)測斷面上設(shè)置的采樣垂線數(shù)與各垂線上的采樣點數(shù)應(yīng)符合HJ 495—2009《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》。A河段水面寬度約30～40 m，水深1～2 m，所以水質(zhì)檢測應(yīng)選擇河道的中泓線，水面下0.5 m處。

河床地形：河床寬度約30～40 m，采用勘探級別的單波束測深儀，測量河湖橫斷面，測量精度±1 cm+1 ‰h（h為水深，單位為cm）。地形勘探采用2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS 2000），高程選擇1985國家高程基準(zhǔn)，勘探精度采用1：500的地圖精度，即地形測試點間距≤5 m。

暗管：采用雙頻側(cè)掃聲吶，沿岸來回測試，結(jié)合定位設(shè)備，最終可生成含位置信息的圖像數(shù)據(jù)。

3.3 ?測試數(shù)據(jù)及分析

經(jīng)過檢測，首先得到水質(zhì)沿程分布圖，經(jīng)過測試數(shù)據(jù)比對，水質(zhì)常規(guī)參數(shù)中，電導(dǎo)率、水溫和pH值的沿程變化均不明顯，變化率在10%以內(nèi)，對污染位置的指示不明顯;ORP沿程變化較為顯著，變化超過了20%，然而ORP與其他水質(zhì)標(biāo)志物變化趨勢不同，因此和水質(zhì)類別之間沒有明顯的正相關(guān)性。因此，pH值、電導(dǎo)率、ORP和水溫等均沒有很好的指示作用。

6 km河段共測量水質(zhì)檢測點45點，根據(jù)溶解氧判別的水質(zhì)總體為Ⅳ類，溶解氧濃度偏低處，都是支流匯入處，因此可能是支流匯入導(dǎo)致，但對污染位置的指示不明顯。

以氨氮進行評價，總體水質(zhì)為Ⅲ類;氨氮濃度沿程變化明顯，在0.32 mg/L～0.93 mg/L之間變化，如圖4所示。濃度越高，圖示顏色越深，在其中B支路和C支路之間達(dá)到峰值，而此河段也是日常水質(zhì)最差的一段，氨氮對污染位置指示作用很好。

此河段的氨氮較高可能以下原因：

（1）C支路常年為劣Ⅴ水體，在此處匯入A河道;

（2）這個河段存在較多未查明的污水排放暗管。

對A河段用側(cè)掃雷達(dá)沿河岸進行檢測，發(fā)現(xiàn)疑似暗管的影響后，拍照記錄現(xiàn)場情況，并記錄坐標(biāo)，如圖5所示。

在此河段共發(fā)現(xiàn)疑似水下暗管三處，涵洞一處，發(fā)現(xiàn)暗管的位置也正是氨氮濃度較高的河段。對水下地形進行勘測，顯示其中有2處淤積嚴(yán)重，標(biāo)識為M和N，如圖6所示。具體的地形模擬圖如圖7所示。

經(jīng)過勘測有以下幾個發(fā)現(xiàn)：

（1）測試河道地形數(shù)據(jù)，河道中央比河道兩側(cè)低;

（2）在河橋交匯處，如圖6中N點位置，高程數(shù)據(jù)顯示比其他區(qū)域要高，水底較高說明易形成淤泥堆積;

（3）形成淤泥堆積的原因可能是橋墩等原因?qū)е滤鞑粫?

（4）積淤量比較高的區(qū)域，水質(zhì)情況正好比較差，跟水體雙向流通被阻礙有關(guān)。

通過無人船在A河段上的應(yīng)用，成功地獲取了A河段的水質(zhì)分布圖，將重點檢測水質(zhì)因子結(jié)合河床地形和暗管排查，初步分析出了A河段水質(zhì)情況較差的原因。

4 ?結(jié) ?論

無人船作為“水面機器人”具有檢測速度快、定位準(zhǔn)確、達(dá)到位置靈活等優(yōu)點，是很好的水質(zhì)和污染源排查工具，可以有效地應(yīng)用到“智慧治水”工作中。無人船還可以結(jié)合無人機、水下機器人等最新的技術(shù)，全面地提供實時數(shù)據(jù)，為智慧治水快速提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 中華人民共和國國家測繪局.全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范：CH/T 2009—2010 [S].北京：測繪出版社，2010.

作者簡介：陳靜婷（1986.04—），女，漢族，浙江湖州人，項目經(jīng)理，工程師，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：智能環(huán)保。