陳玲 孟巧 高潔

（南通理工學(xué)院 電氣與能源工程學(xué)院 江蘇省南通市 226002）

目前國家特別注重生態(tài)環(huán)境的監(jiān)管工作，尤其強(qiáng)調(diào)對空氣、水域、土壤等環(huán)境保護(hù)的策略，為此政府采取了一系列有效舉措來保護(hù)生態(tài)環(huán)境。全國第一部地方生態(tài)環(huán)境監(jiān)測法規(guī)《江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測條例》已經(jīng)于2020年5月1日正式施行，條例中明確將進(jìn)一步提升監(jiān)測能力補(bǔ)齊短板，構(gòu)建好“天空地一體化”生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“監(jiān)測眼”，優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)[1]。水環(huán)境監(jiān)測工作作為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的重要分支，對于促進(jìn)水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。

由于水環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，政府對水環(huán)境監(jiān)管能力要求不斷提升。水質(zhì)監(jiān)測作為水環(huán)境監(jiān)管的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，是一項長期的項目工程。以往針對水環(huán)境的水質(zhì)監(jiān)測，主要采用監(jiān)測站點(diǎn)和人工采集兩種方式：監(jiān)測站點(diǎn)的投入使用有助于實現(xiàn)對重點(diǎn)污染源的實時監(jiān)控，然而監(jiān)測站點(diǎn)存在建設(shè)投入大、維修成本高、監(jiān)測范圍有限、覆蓋面不全等弊病；人工采集主要是依賴檢測人員到指定水域采集水體，有時需要駕駛船舶才能到達(dá)定點(diǎn)水域完成水體采集，雖然相對靈活，然而效率低的同時耗費(fèi)大量的人力物力，而且對于操作人員而言存在潛在的安全隱患?？梢娚鲜鰞煞N監(jiān)測方式都不能適用于復(fù)雜多變的水域環(huán)境，造成部分水域數(shù)據(jù)的空白，因此形成水環(huán)境管理的漏洞[2-4]。

近幾年國內(nèi)外一直在研究無人船的實際應(yīng)用，多家單位也已完成應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的無人船的設(shè)計與建造。譬如：我國國家海洋局研究開發(fā)的“USBV”號[5]、英國普利茅斯大學(xué)某研究段位設(shè)計研發(fā)的“Springer”號[6]?；跓o人船的水質(zhì)監(jiān)測主要通過船只搭載水質(zhì)監(jiān)測的傳感器，利用自主導(dǎo)航系統(tǒng)完成水環(huán)境的數(shù)據(jù)測量工作。然而目前水域環(huán)境存在水體分層現(xiàn)狀，不能只關(guān)注上層水體的水質(zhì)參數(shù)作為水體的綜合質(zhì)量數(shù)據(jù)，所以需要進(jìn)行水體的分層精準(zhǔn)監(jiān)測。

因此，本文考慮主要瞄準(zhǔn)解決復(fù)雜水域環(huán)境的分層水質(zhì)監(jiān)管問題，采用水體分層監(jiān)管無人船代替人力進(jìn)行操作，重點(diǎn)圍繞水體分層監(jiān)管無人船的自主航行技術(shù)、水體分層監(jiān)管技術(shù)等展開研究，提出相應(yīng)的解決方案，研發(fā)一款能夠?qū)崿F(xiàn)水面、水下、空中立體化監(jiān)測模式的水質(zhì)監(jiān)管無人船。基于無人船實時動態(tài)監(jiān)測水域，實現(xiàn)從點(diǎn)到面的全覆蓋數(shù)據(jù)監(jiān)測。該無人船旨在滿足水環(huán)境包括內(nèi)陸湖泊、飲用型水庫、精細(xì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等精測的要求，為水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的綜合管理和治理修復(fù)提供堅實的基礎(chǔ)。

1 水體分層現(xiàn)狀分析

水體分層在湖泊、池塘、水庫等水生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，由于季節(jié)性的溫度變化會引起湖泊、池塘、水庫等水域環(huán)境中的水體之間產(chǎn)生溫度差效應(yīng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生水體分層現(xiàn)象。水體分層容易導(dǎo)致上、下層水體之間缺乏交換傳遞，下層水體得不到臭氧的有效補(bǔ)充，下層水體的溶解氧會逐步降低，出現(xiàn)深水層的缺氧，甚至出現(xiàn)厭氧狀態(tài)[7]，因此容易引起水質(zhì)惡化，破壞整個水域生態(tài)環(huán)境的平衡。下層水體的缺氧會加劇內(nèi)源污染物的釋放量，導(dǎo)致下層水體的水質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重惡化，當(dāng)上下層水體發(fā)生自然混合時，受到污染的下層水體會傳遞給上層水體，從而導(dǎo)致整個水域環(huán)境水體惡化，破壞水環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)。因此要強(qiáng)化對水域環(huán)境的水質(zhì)監(jiān)管工作，盡量避免水域環(huán)境出現(xiàn)水體分層結(jié)構(gòu)，通過水體分層精準(zhǔn)監(jiān)測，及時掌握水域環(huán)境的水體參數(shù)信息，真正保護(hù)水域環(huán)境，促進(jìn)水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

2 技術(shù)要求

水體分層監(jiān)管無人船能夠適應(yīng)于城市河道、湖泊、水庫等多種水域環(huán)境，更要能應(yīng)對復(fù)雜多變的水域環(huán)境，如狹窄水道、深水溝渠等。在自主航行的過程中能夠順利避障，在指定水域位置完成對水體的分層檢測工作，因此提出如下技術(shù)要求。對于船體設(shè)計，要求采用穩(wěn)定性高的小型船體，具有吃水淺、轉(zhuǎn)向靈活、適航能力好等優(yōu)勢；動力能源要求節(jié)能環(huán)保，具備至少較長時間的續(xù)航力；無人船的作業(yè)模式應(yīng)不受時間和氣候的影響，可以實現(xiàn)自主航行；無人船艙室內(nèi)部以及甲板上要便于安裝水質(zhì)監(jiān)測模塊，各類傳感器、通信設(shè)備的布置，要求具有水體實時分層檢測的功能，也可以實現(xiàn)水體的分層取樣回收，同時能實現(xiàn)水體測量數(shù)據(jù)的實時傳輸和存儲。

3 總體設(shè)計方案

水體分層監(jiān)管無人船主要由雙體無人船、無人機(jī)模塊、航行控制模塊、水體分層采樣模塊、水質(zhì)檢測模塊、無線通信模塊、主控系統(tǒng)等構(gòu)成。水體分層監(jiān)管無人船以雙體船為載體，集成上述各個功能模塊實現(xiàn)復(fù)雜水域的自主航行、水體的分層采集與檢測、數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)裙δ?，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1：無人船系統(tǒng)的總體框架圖

該無人船選用基于ARM內(nèi)核的微處理器作為中央處理芯片，通過中央處理芯片與各功能模塊實時交互，完成水質(zhì)監(jiān)管任務(wù)。船上搭載了GPS和北斗雙模定位模塊、超聲波測距模塊等，使用智能導(dǎo)航技術(shù)與航跡規(guī)劃相結(jié)合，可實現(xiàn)自主航行。無人船的動力裝置位于船體尾部，采用常規(guī)動力雙螺旋漿的推進(jìn)方式，以電力為動力，減少污染物排放，能源環(huán)保。無人船甲板上搭載有無人機(jī)，從空中配合協(xié)同完成水體監(jiān)測工作，船只甲板上布置了可供無人機(jī)起降的停機(jī)坪，無人機(jī)可以在無人船上進(jìn)行起降。無人機(jī)配備有攝像裝置，通過無人機(jī)配備可以實現(xiàn)對遠(yuǎn)程水域的航拍功能。無人船上設(shè)置有水體分層采樣模塊，可以實現(xiàn)對水體的分層采樣，通過多種水質(zhì)檢測傳感器實現(xiàn)水水體的多參數(shù)檢測?；跓o線通信模塊可以完成無人船與地面站系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸，通過數(shù)據(jù)傳輸獲悉無人船的實時作業(yè)情況，基于要求完成水體分層監(jiān)管無人船的總體方案設(shè)計如圖2所示。

圖2：水體分層監(jiān)管無人船的方案設(shè)計圖

3.1 無人船船體設(shè)計

無人船的船身主體采用小水線面雙體船，水線面積小，主船體由兩個潛水體和一個水上箱體構(gòu)成，中間由兩個流線型支柱連接起來。遠(yuǎn)離水表面的下潛體占據(jù)小水線面雙體船排水量大部分，當(dāng)它在波浪中航行時，所受到的波浪擾動力比常規(guī)單體船和常規(guī)雙體船小很多。所以，小水線面雙體船的耐波性比同等排水量的單體船好，且橫搖周期長，經(jīng)實船驗證小水線面雙體船橫向運(yùn)動小。小水線面雙體船的設(shè)計有效的減小無人船航行的阻力，提高了無人船的航行速度和耐波性，增強(qiáng)航行的穩(wěn)定性和承載能力。無人船的動力裝置螺旋槳安裝在水下潛體尾部，螺旋槳工作區(qū)域伴流均勻，使得船身效率較高，無人船三維效果如圖3所示，基于設(shè)計方案項目團(tuán)隊完成船身模型的實物見圖4所示。

圖3：水體分層監(jiān)管無人船三維效果圖

圖4：無人船船體模型實物

3.2 自主航行功能

無人船使用螺旋槳作為推進(jìn)器，考慮到小水線面雙體船設(shè)計，因此在兩個潛水體尾側(cè)分別對稱布置兩個螺旋槳，在其兩個單體內(nèi)部安裝有兩個無刷直流電機(jī)，可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，搭配電子調(diào)速器對電機(jī)進(jìn)行控制。通過對螺旋槳正反轉(zhuǎn)的控制以及差速的控制實現(xiàn)對船體的航向運(yùn)動控制，包括直行、轉(zhuǎn)彎、停止等操作。為了及時獲得無人船的船體姿態(tài)和位置，船體安裝ATK-S1216F8模塊和AHRS模塊，其中ATKS1216F8模塊為GPS和北斗雙模定位模塊[9]，AHRS模塊能夠?qū)崟r得到船體的角度信息。依托兩大模塊，有利于實現(xiàn)無人船姿態(tài)和位置的實時監(jiān)測。無人船在航行過程中會進(jìn)行位置信息和角度信息的實時獲取，與目標(biāo)航線、航向角進(jìn)行對比分析。航行過程中，可以獲得無人船的實時航向角φ1，此時主控系統(tǒng)會與目標(biāo)航向角φ2比較，得到航向角的差值，基于PD控制運(yùn)算，得到偏離角φ?；跓o人船實際的偏離情況分析，將正負(fù)φ/2賦予左右電機(jī)，實現(xiàn)船舶航向的保持[9]。同時無人船上安裝了超聲波測距模塊，超聲波傳感器的工作原理是發(fā)射出去的超聲波遇到物體就會反射回來，傳感器接收到反射信號后就可以測算出兩者之間的距離，所以超聲波測距模塊為實現(xiàn)障礙物的探測和及時規(guī)避障礙物提供信號，有助于保證無人船的安全航行,巡航與避障工作流程如圖5所示。

圖5：巡航與避障工作流程圖

3.3 水體分層采樣與檢測功能

目前通用的水體采樣裝置主要是完成近水表面的水體采樣工作，尚未考慮到水體的分層現(xiàn)象，尤其要關(guān)注下層水體的質(zhì)量，只有綜合檢測才能真正精準(zhǔn)掌握水體的質(zhì)量。水質(zhì)監(jiān)管無人船的水體采樣模塊就是為了滿足分層才會的要求研制，相比現(xiàn)有水樣采集器具有顯著的創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)勢。水體分層采樣模塊主要包括水體收集艙、電機(jī)、進(jìn)水泵、出水泵、進(jìn)水管、過濾閥、繞輪等，進(jìn)水泵一端連接在第一進(jìn)水管上面，另一端連接在水體收集艙上，進(jìn)水管繞在繞輪上并且安裝有過濾閥，繞輪安裝在支架上，支架的一端連接在電機(jī)的輸出軸上，出水泵一端連接在出水管上，另一端在水體收集艙上。該水體分層監(jiān)管無人船在規(guī)劃路徑上航行，到達(dá)任務(wù)點(diǎn)即可展開水體采集工作，通過繞輪調(diào)整水管的深度實現(xiàn)水質(zhì)的分層收集，分層收集實現(xiàn)分層檢測，每次采樣完畢，通過出水管路將釋放出水體最大程度的降低了水樣混合的程度，提高了檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性檢測。當(dāng)檢測出該水域水質(zhì)污染時，將啟動第二檢測部進(jìn)行二次收集與檢測，并且完成污染水樣的回收保管。

這種無人分層采樣模式不會受到人員操作的人為因素影響，而且通過無人船的精準(zhǔn)定位實現(xiàn)對水域采樣點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，大幅度提高采樣的有效性。通過對過濾器位于水中深度的精確控制，減少了分層采樣中深度定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致的測量誤差。該水體分層采樣裝置解決了人工水樣采集的工作效率低、危險系數(shù)稿、定位精度差等問題，對于提高分層采樣精度和準(zhǔn)確性具有重要意義。水體分層采樣裝置簡易圖如圖6所示[10-13]。

圖6：水體分層采樣裝置圖

水質(zhì)檢測裝置是依托于水體收集艙室設(shè)置了各類檢測傳感器，主要有溫度傳感器、pH傳感器、溶解氧傳感器?；诓蓸铀芊謩e獲取所測水域的不同深度的水體樣本，實現(xiàn)對待測水體水質(zhì)數(shù)據(jù)的測量，并通過數(shù)據(jù)處理與反饋裝置實時輸出檢測結(jié)果。水質(zhì)檢測系統(tǒng)對待測水樣中的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實時測量，并實時上傳到主控系統(tǒng),主控系統(tǒng)處理接收到的數(shù)據(jù)并將其通過無線傳輸系統(tǒng)傳送到地面監(jiān)控中心。地面監(jiān)控中心將對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理和分析，將環(huán)境監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行顯示和存儲[14-16]。

3.4 無人機(jī)協(xié)同作業(yè)功能

為了真正實現(xiàn)水面、水下、空中立體化的監(jiān)測模式，水質(zhì)監(jiān)管無人船上配備有無人機(jī)裝置，無人船甲板上搭載有無人機(jī)，從空中配合協(xié)同完成水體監(jiān)測工作。船只甲板上布置了可供無人機(jī)起降的停機(jī)坪，無人機(jī)可以在無人船上進(jìn)行起降，如圖7所示。無人機(jī)配備有攝像裝置，跟隨無人船飛行，從高處拍攝無人船周圍水環(huán)境的影像，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程水域的航拍功能。無人船與無人機(jī)的協(xié)同作業(yè)模式有助于實現(xiàn)對水環(huán)境的全方位立體化的監(jiān)測和觀察，有助于提高水環(huán)境的管控質(zhì)量，促進(jìn)水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

圖7：無人機(jī)裝置配備圖

4 試驗分析

基于功能要求完成水體分層監(jiān)管無人船的試驗?zāi)Ｐ椭谱鳎瑸楸ＷC安全性，在實驗之前，需要對船模進(jìn)行密性測試和電機(jī)、舵機(jī)響應(yīng)試驗，測試結(jié)果表明，無人船可以順利在水中浸泡10小時，水密性較好，同時電機(jī)、舵機(jī)響應(yīng)正常，可以滿足船模速度要求。項目團(tuán)隊將無人船下放至水域，開啟作業(yè)模式，測試中，無人船能以0.5km/h的速度航行，水體分層監(jiān)管無人船的實驗現(xiàn)場如圖8所示。

圖8：水體分層監(jiān)管無人船試驗?zāi)Ｐ?/p>

項目團(tuán)隊在水域內(nèi)利用無人船模型進(jìn)行水體不同深度，分別為0.05米和2.05米水深的采樣與實時檢測工作，并將采樣水體帶到實驗室用專業(yè)儀器進(jìn)行檢測，兩者數(shù)據(jù)對比如表1所示。試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：水體分層監(jiān)管無人船的分層采樣與檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果與實驗室專業(yè)儀器檢測數(shù)據(jù)結(jié)果相差較小，可見水質(zhì)監(jiān)管無人船的測量數(shù)據(jù)可靠，值得推廣應(yīng)用。

表1：水體檢測數(shù)據(jù)對比表

5 結(jié)論

（1）本文設(shè)計的水體分層監(jiān)管無人船相對于傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方式具有明顯的優(yōu)勢，適用于城市河道、湖泊、水庫等多種水域環(huán)境，解放人力的同時提高水體檢測的工作效率。

（2）水體分層監(jiān)管無人船采用小水線面雙體船的船身設(shè)計，以電為驅(qū)動，融合了自主航行功能、水體分層采樣與檢測功能，配合無人機(jī)裝置的協(xié)同作業(yè)功能，真正實現(xiàn)了水面、水下、空中的立體化監(jiān)測模式。

（3）水體分層監(jiān)管無人船不局限于近表面水體的采樣與檢測，同時能夠有效完成水體的分層采樣與檢測工作，通過試驗分析，無人船測得數(shù)據(jù)與專業(yè)儀器測得數(shù)據(jù)相比，誤差很小，總體滿足檢測要求。該無人船的水體分層采樣與檢測模式填補(bǔ)了水環(huán)境管理的漏洞，為水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的綜合管理和治理修復(fù)提供科學(xué)的基礎(chǔ)。

隨著新一代信息技術(shù)的跨越式的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測行業(yè)將來會迎來更多的增長空間，未來水質(zhì)監(jiān)管無人船的發(fā)展前景值得期待。