吳春祥，馬詩(shī)勇，杜香和

（1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州510075；2.江西駿馬招標(biāo)咨詢有限公司，南昌330000；3.時(shí)代出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰荆戏?30000）

0 引言

水污染治理成為環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重大難題。為保護(hù)城市水域資源，政府一直大力建設(shè)智能化水利基礎(chǔ)設(shè)施。過(guò)去水質(zhì)采樣工作主要采取劃船取水、放置浮漂等人工模式，其監(jiān)測(cè)位置固定。無(wú)人船不需要人工操控，獨(dú)立完成精確定點(diǎn)采水樣。比起人工監(jiān)測(cè)模式，無(wú)人船監(jiān)測(cè)節(jié)省成本，提高效率，并可以到達(dá)污染區(qū)和深水區(qū)等。利用無(wú)人船可以實(shí)時(shí)采集與傳播監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，跟蹤污染擴(kuò)散狀況，增加了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和透明度。

無(wú)人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于無(wú)人駕駛城市河涌水質(zhì)探測(cè)平臺(tái)，能完成河涌水域水質(zhì)參數(shù)測(cè)量任務(wù)，提供水質(zhì)酸堿度、雜質(zhì)量、化學(xué)物質(zhì)含量等數(shù)據(jù)。再借助云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域水文情況進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。為水利環(huán)保部門提供決策參考，有利于推動(dòng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化管理，并應(yīng)用于水文監(jiān)測(cè)、水資源環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，解決惡劣天氣或危險(xiǎn)水域無(wú)法進(jìn)行人工提取水樣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化等問(wèn)題，大大減輕了水文監(jiān)測(cè)工作負(fù)荷和危險(xiǎn)性。

本項(xiàng)目研究將對(duì)無(wú)人船航線動(dòng)態(tài)規(guī)劃和自動(dòng)避障算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人船船體姿態(tài)、任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、全天候、高精度水文監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)提取被測(cè)數(shù)據(jù)，借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)對(duì)特定時(shí)段水文情況進(jìn)行分析，以供相關(guān)部門參考決策。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于無(wú)人船的水文監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)，主要包括無(wú)人船自主航線規(guī)劃及精準(zhǔn)控制、多傳感器集成與信息融合以及遠(yuǎn)程通信與實(shí)時(shí)多模控制。筆者在無(wú)人船上搭載了水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)NB-IoT 基站、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)站構(gòu)建成智能化河涌水域治理系統(tǒng)。該系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)采集精度與傳播準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了水域治理智能化。本文所研究的智能化河涌水域治理系統(tǒng)，由智能水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端、水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心和NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)組成，如圖1。無(wú)人船端集成所需要采集數(shù)據(jù)類型的智能傳感器。監(jiān)測(cè)中心基于云計(jì)算平臺(tái)的服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘與分析等服務(wù)。監(jiān)測(cè)云計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線路由器與網(wǎng)關(guān)與無(wú)人船終端進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[1]。

圖1 無(wú)人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

通過(guò)對(duì)無(wú)人船航線進(jìn)行控制，采集目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域水文數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)將水文數(shù)據(jù)報(bào)送給數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，再借助云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域水文情況進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，為水利環(huán)保部門提供決策參考，有利于推動(dòng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化管理。并應(yīng)用于水文監(jiān)測(cè)、水資源環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，解決惡劣天氣或危險(xiǎn)水域無(wú)法進(jìn)行人工提取水樣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化等問(wèn)題?；跓o(wú)人船的水文監(jiān)測(cè)技術(shù)研究涉及通信、控制、軟件算法等多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)無(wú)人船航線動(dòng)態(tài)規(guī)劃和自動(dòng)避障算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人船船體姿態(tài)、任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)控制，基于無(wú)人船的智能化水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體包括：

（1）自主航線規(guī)劃和精準(zhǔn)控制

采用自動(dòng)舵技術(shù)，借助螺旋槳的推力和兩個(gè)螺旋槳的速度差來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)航速和航向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)劃的航線進(jìn)行精準(zhǔn)的走線、換線及回歸等功能。

（2）多傳感器集成與信息融合

搭載聲、光、電、磁等多種傳感設(shè)備，通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)和智能控制多種技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行融合采集分析[3]。

（3）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程通信與多模監(jiān)控

通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人工控制、實(shí)時(shí)線路規(guī)劃自動(dòng)控制以及無(wú)鏈接自主測(cè)量控制三種模式對(duì)船體進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

無(wú)人船融合了通訊、算法、測(cè)控，自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)等綜合平臺(tái)技術(shù)，具有自主導(dǎo)航、自動(dòng)避障、等性能特點(diǎn)，可搭載多種測(cè)量或探測(cè)設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化作業(yè)，通過(guò)無(wú)人船水文監(jiān)測(cè)后，可以獲取完備的水質(zhì)參數(shù)分布圖，對(duì)于污染的分布,實(shí)現(xiàn)在水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的新突破，具備自主導(dǎo)航和自動(dòng)避障，并可以對(duì)河涌水質(zhì)進(jìn)行移動(dòng)式在線連續(xù)多參數(shù)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）無(wú)人船采用自動(dòng)駕駛，借助螺旋槳的推力和兩個(gè)螺旋槳的速度差來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)航速和航向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)劃的航線進(jìn)行精準(zhǔn)的走線、換線及回歸等功能。

（2）多傳感器集成與信息融合

無(wú)人船搭載聲、光、電、磁等多種傳感設(shè)備，通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)和智能控制多種技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行融合采集分析。

（3）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程通信與多模監(jiān)控

通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人工控制、實(shí)時(shí)線路規(guī)劃自動(dòng)控制以及無(wú)鏈接自主測(cè)量控制三種模式對(duì)船體進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

（4）實(shí)時(shí)獲取被監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)水文情況進(jìn)行分析，通過(guò)圖形化組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于無(wú)人船的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要包括無(wú)人船自主航線規(guī)劃及精準(zhǔn)控制、多傳感器集成與信息融合以及遠(yuǎn)程通信與實(shí)時(shí)多?？刂疲瑢?shí)現(xiàn)自動(dòng)化、全天候、高精度水文監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)提取被測(cè)數(shù)據(jù)，借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)對(duì)特定時(shí)段水文情況進(jìn)行分析。將該技術(shù)應(yīng)用于水利環(huán)保等行業(yè)部門，可解決人工無(wú)法在惡劣天氣或危險(xiǎn)水域進(jìn)行水樣提取、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等技術(shù)壁壘，覆蓋全面范圍水文監(jiān)測(cè)的死角。

通過(guò)5G 移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人工控制、實(shí)時(shí)線路規(guī)劃自動(dòng)控制以及無(wú)鏈接自主測(cè)量控制三種模式對(duì)船體進(jìn)行實(shí)時(shí)控制：①無(wú)人船預(yù)定水文監(jiān)測(cè)航線規(guī)劃方案，水質(zhì)等數(shù)據(jù)傳輸方案；②無(wú)人船航線規(guī)劃和避障算法設(shè)計(jì)，讓無(wú)人船自主航行、躲避障礙；③遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，無(wú)人船的航行路線、任務(wù)狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)NB-IoT 基站，控制中心可以接收到各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河涌水質(zhì)數(shù)據(jù)，同時(shí)接受無(wú)人船的上報(bào)數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)測(cè)試

無(wú)人船通過(guò)遙控器或NB-IoT 基站進(jìn)行自動(dòng)水質(zhì)采樣，測(cè)試通信距離在100 米以內(nèi)，水深度2 米左右，采樣量為8 升，采樣結(jié)束后生成水質(zhì)信息報(bào)告。無(wú)人船按照預(yù)先設(shè)定好的路線自動(dòng)巡航，駛向指定水質(zhì)采樣位置，無(wú)人船15 分鐘能采集8 瓶水樣采樣后返航，通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成采樣及上報(bào)水質(zhì)數(shù)據(jù)[4]。將裝配有8 個(gè)水質(zhì)傳感器的水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船，放置在城市河涌進(jìn)行試驗(yàn)，步驟如下：

（1）檢查NB-IoT 基站通信參數(shù)及物聯(lián)網(wǎng)連接、建立無(wú)人船水質(zhì)采集模塊與水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器的連接。

（2）無(wú)人船按照預(yù)先設(shè)定好的路線自動(dòng)巡航，駛向指定水質(zhì)采樣位置，開啟水質(zhì)數(shù)據(jù)采集功能，通過(guò)NBIoT 物聯(lián)網(wǎng)傳送到水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心。

（3）監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件，接收來(lái)自無(wú)人船數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

利用無(wú)人船的水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端，借助NB-IoT 基站與水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心構(gòu)建的智能化河涌水域治理系統(tǒng)，完成了水質(zhì)分析、智能排污、物品打撈等應(yīng)用。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心收集到的測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析，結(jié)果表明本研究方案能較好地解決水質(zhì)數(shù)據(jù)測(cè)報(bào)問(wèn)題，具有可行性與應(yīng)用推廣價(jià)值。進(jìn)一步研究將引進(jìn)移動(dòng)在線源解析監(jiān)測(cè)平臺(tái)、移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，優(yōu)化河涌水質(zhì)治理系統(tǒng)。