呂映賦,宋世彬,朱小鉸,周俊宇,謝林利,馬苛寧
(1.四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站,成都 611139;2.四川省輻射環(huán)境評價治理有限責任公司,成都 611139;3.四川省輻安環(huán)境監(jiān)測有限公司,成都 611139)
四川省是我國主要的核工業(yè)大省,擁有核設(shè)施、核技術(shù)利用、伴生放射性礦等數(shù)量眾多、種類齊全的涉核單位,輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和輻射預(yù)警任務(wù)重、責任大。四川省境內(nèi)河流眾多,水系發(fā)達,加之擁有眾多工業(yè)工廠,水體中放射性的監(jiān)測是四川省水體環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容之一[1]。對水體放射性水平實施監(jiān)控,特別是在突發(fā)核與輻射事故狀態(tài)下能夠?qū)崟r、快速、有效地監(jiān)測環(huán)境水體中的放射性污染狀況顯得尤為迫切[2]。但普通的放射性監(jiān)測系統(tǒng)只能用于某一固定流域水質(zhì)放射性檢測,為及時、準確、全面地獲取監(jiān)測水中γ 輻射劑量、溫度、PH、溶解氧、電導(dǎo)和濁度等各類參數(shù),亟需設(shè)計一種自動無人采樣船,可用于日常環(huán)境和輻射事故應(yīng)急監(jiān)測中大型江河、湖泊的水體樣品采集,同時滿足在其他復(fù)雜環(huán)境下和一些人為無法到達的水域進行水體采樣工作和γ 劑量監(jiān)測工作,為環(huán)境評價、核設(shè)施管理和核與輻射安全應(yīng)急提供技術(shù)支撐[3-4]。
為滿足監(jiān)測、采樣工作需要,尤其是核與輻射應(yīng)急時的特殊要求,該無人采樣船需具備以下功能:①該自動采樣船裝有高精度GPS 定位系統(tǒng)可到達指定流域并完成自動采樣;②配備多參數(shù)分析探頭,可實時監(jiān)測水體的溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)、濁度和γ 劑量等參數(shù);③配備高清攝像頭;④配備無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,可實時查看視頻監(jiān)控和各種監(jiān)測數(shù)據(jù);⑤采樣軟件系統(tǒng)具有水體采樣數(shù)據(jù)存儲、采樣點位路線的布設(shè),可自定義采樣容量、采樣數(shù)量等功能[5-7]。
可進行γ 劑量測量的無人采樣船的整體設(shè)計如圖1 所示。
圖1 整體設(shè)計
船體形態(tài)采用雙M 船體,雙氣囊獨立封閉設(shè)計,具有防沉、防顛覆、防水特性,整船防水密封重心低、阻力小、速度快、航行穩(wěn)定。船體使用新型高強度復(fù)合材料制造,該材料是由S 級無堿玻璃纖維經(jīng)編復(fù)合氈、凱夫拉防彈裝甲材料及先進的納米級碳素纖維等構(gòu)成,使船體重量輕、方便攜帶,同時具有防撞、防磨損、防腐等特性。
船體使用2 個外置可拆卸涵道式推進器,與船殼底齊平形狀一致,可淺水投放;放置與行駛可以很好地避免碰傷、撞擊,有效地防止水草、漁網(wǎng)纏繞,安全可靠性高、安裝維護和攜帶方便;推進器使用直流無刷電機;船體尺寸1 200 mm×700 mm×400 mm,有效載荷30 kg,最大航速4 m/s。船體使用高能鋰離子電池供電,電池容量及規(guī)格為29.4 V-2×20 Ah;續(xù)航能力為2 m/s 滿載時2 h,空載2.5 h;船體外部有預(yù)留接口可直接充電。
2.3.1 多參數(shù)探頭
在雙M 船體中間部位,預(yù)留了一個可放置探頭的空洞,空洞上設(shè)置有固定裝置,可固定探頭保持穩(wěn)定,多參數(shù)探頭可通過該空洞直接與水體接觸,探頭入水深度固定保持在船體吃水線以下0.3 m,如圖2 所示。水質(zhì)多參數(shù)探頭可實時監(jiān)測水體的γ 劑量率,還根據(jù)客戶需求進行定制,測量水體的溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)及濁度等參數(shù),如圖3 所示。多參數(shù)擴展接口采用可拆卸提手,方便與無人船主體進行安裝。內(nèi)置可充電電池,傳感器接口采用6 針電纜接頭,支持多個同一規(guī)格的傳感器接口和一個用于防玷污清潔刷接口。
圖2 探頭固定孔
圖3 多參數(shù)探頭
2.3.2 采樣器
采樣器通過一根預(yù)留的采樣管與水體相連,采樣管可自動收放,采樣管伸入水中的長度可根據(jù)需要通過控制軟件和遙控器設(shè)置,深度范圍為0.1~1 m,滿足環(huán)保行業(yè)水質(zhì)采樣深度為水面下0.5 m 處的采樣要求;管路材質(zhì)為硅膠管;采樣管在船體運行時收縮,在采樣時深入水中;采樣器使用水泵通過采樣管抽吸水體完成采樣,水質(zhì)采樣時采樣器將水管放到指定位置,采樣時水泵抽吸流量保持不變,采水速度1 000 mL/min,通過控制采樣時間完成采樣到設(shè)置體積。同時,采樣器具有管路清潔功能,支持單點采樣、多點采樣(分瓶采樣),單次最大采樣量為6 L,如圖4 所示。
圖4 采樣器
2.3.3 攝像頭和衛(wèi)星定位
船體裝在有高精度GPS 接收器,水平定位精度小于等于2.5 m,速度精度小于等于0.1 m/s;為方便操作和查看采樣點周圍環(huán)境,船體裝有高清攝像頭,攝像頭清晰度為720 P,支持微光夜視功能,以保障在夜間也可完成采樣工作,確保全天候的采樣能力;衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)均通過地面站實時傳輸至控制軟件。
2.4.1 主控系統(tǒng)
采樣船可接收遙控器的指令并執(zhí)行,包括模式切換、手動運行控制;采樣船可以接收并執(zhí)行地面基站的任務(wù)指令,根據(jù)船載定位信息,自主導(dǎo)航行駛,并可在無人工干預(yù)下自動完成工作任務(wù),同時將采樣船的數(shù)據(jù)信息發(fā)送回地面控制基站;采樣船具備失聯(lián)保護功能,當?shù)孛嬲九c無人船通信失聯(lián)后,采樣船可自動回航至指定位置;采樣船具備一定的避障能力,當采樣船行駛中可實時探測與前方障礙物距離,并采取避障措施;最大探測距離不小于80 m,最多32 個目標,水平60°,垂直7°。
2.4.2 通信系統(tǒng)
遙控器與無人船采用RF 無線射頻點對點通信方式,工作頻率:2.4 GHz,開闊地段通信距離小于等于500 m;地面?zhèn)鬏敾静捎霉I(yè)混搭設(shè)計,是一種適用于無人船的無線通信基站,支持高達150 Mbps 的實際TCP/IP 吞吐量,工作頻率為5.8 GHz,通信距離小于等于2 km,通信范圍內(nèi)可進行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控,可遠程監(jiān)控無人船動態(tài)。地面?zhèn)鬏敾九c電腦之間連接支持有線和無線連接2 種方式,可根據(jù)客戶需求自行選擇。用戶可以用電腦通過網(wǎng)線與基站相連,在網(wǎng)口或網(wǎng)線出現(xiàn)故障時可切換用無線連接,最大程度保證連接的可靠性。
2.4.3 手持遙控器
遙控器可以控制無人船行駛,與地面基站對無人船控制權(quán)可切換;遙控器可隨時控制,隨時中斷或隨時改變工作任務(wù);遙控器配備2 個搖桿,搖桿旋轉(zhuǎn)范圍360°。
2.4.4 地面控制基站和控制軟件
地面操控平臺為安裝有控制軟件的筆記本電腦或者平板,與遙控器對無人船控制權(quán)可切換,支持Windows 操作系統(tǒng),使用研發(fā)的人機交互系統(tǒng);控制軟件可下載工作水域衛(wèi)星地圖,并存儲和管理;可設(shè)置無人船行駛路線、返航路線等任務(wù);可完成測流測繪、監(jiān)測任務(wù)的存儲,可進行歷史任務(wù)數(shù)據(jù)的查詢和反復(fù)調(diào)用。
地面操控平臺可接收和顯示無人船信息,實時顯示在線監(jiān)測結(jié)果;可通過圖形動態(tài)顯示無人船工作狀態(tài)、位置狀態(tài)、朝向,顯示無人船電池當前電壓、行駛速度等各類信息,對信號質(zhì)量、電源余量等工作狀態(tài)進行報警提示;控制軟件可完成水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)存儲、在岸端控制軟件地圖上進行采樣點位路線的布設(shè),可自定義采樣容量、采樣數(shù)量。
主要設(shè)備清單見表1。
表1 主要設(shè)備清單
船體外觀如圖5 所示,采樣船達到指定位置,完成充氣、電源檢查、連接天線配置服務(wù)器地址(如圖6 所示)、檢查遙控器功能情況(如圖7 所示)、采樣設(shè)置等工作。
圖5 船體
圖6 連接界面
圖7 遙控器
當輻射事故應(yīng)急采樣時,先使用采樣船對采樣區(qū)域進行γ 劑量率巡測,對采樣區(qū)域的γ 劑量率情況有基本了解,可推斷出水體的放射性大致情況;然后根據(jù)γ 劑量率水平,選擇高劑量點或者低劑量點進行采樣,具體采樣點可根據(jù)要求自行設(shè)置。如果現(xiàn)場可連接網(wǎng)絡(luò),地面控制軟件可直接下載采樣區(qū)域衛(wèi)星地圖,如無法下載地圖,可在人工操作下使用采樣船進行現(xiàn)場水域巡測,完成離線地圖數(shù)據(jù)繪制,根據(jù)繪制的離線地圖邊界經(jīng)緯度信息,自動畫出安全航線邊界后,可在離線地圖上設(shè)置自動采樣及監(jiān)測參數(shù),如圖8所示。
圖8 參數(shù)設(shè)置
根據(jù)作業(yè)需求,先選擇采水的航點勾選采水點,再設(shè)置各個采樣點的采水量和采水深度及巡航速度。設(shè)置完成后點擊發(fā)送設(shè)置,儀器將自動按照采樣設(shè)置進行自動采樣,如圖9 所示。
圖9 采樣設(shè)置
現(xiàn)場監(jiān)測完成后,原始監(jiān)測數(shù)據(jù)可根據(jù)需要導(dǎo)出,如圖10 所示。
圖10 數(shù)據(jù)導(dǎo)出
經(jīng)過多次采樣測試和現(xiàn)場監(jiān)測測試,該采樣船可穩(wěn)定實現(xiàn)設(shè)計功能需求,信號傳輸穩(wěn)定性、自動采樣、水體監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸功能等,均符合設(shè)計要求。
本文根據(jù)核與輻射事故應(yīng)急的需要,兼顧日常采樣需求,設(shè)計了可進行γ 劑量測量的無人采樣船,可在復(fù)雜環(huán)境下和一些人為無法到達的水域進行水體應(yīng)急采樣工作。該采樣船可對水體的γ 劑量率進行監(jiān)測,從而指導(dǎo)采樣點的設(shè)置,提高對水體放射性水平監(jiān)測的準確性;該系統(tǒng)具備的數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控、多點采樣等功能,有效提高了輻射事故應(yīng)急處置能力,避免了輻射工作人員的人工操作,提高了輻射工作人員的安全性,為四川省核與輻射應(yīng)急體系的建設(shè)提供技術(shù)支持,為其他省設(shè)計類似無人采樣系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。