在線水質監測無人船的設計與實現

苗飛，張波，劉楊

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

目前城市河道水質監測方法主要以物理化學監測技術為主，傳統的城市水體監測手段主要依靠布設的監測站點，利用人工或者半自動的監測手段來獲取站點上的水資源信息，或者采用人工現場采水回實驗室檢測的方法，這兩種方法需要投入的成本高、耗時長、覆蓋水域也有限，不能滿足城市水體監測監管的要求。而近年來逐步得到應用的遙感監測技術，主要應用于城市區域大中尺度的水環境監測，難以適應城市河道水域環境復雜多樣的特點。隨著自主控制技術的發展，以無人船為代表的無人搭載平臺，在河道水文測量、水環境監測等方面發揮著越來越重要的作用。通過無人船平臺搭載水質監測設備可以實現走航式的在線水質監測，不僅能夠降低作業環境條件的要求，還能夠顯著提高水質監測效率。基于此，設計一種智能在線水質監測無人船，開展無人船總體布局及集成、自主控制系統、一體化水質監測系統等的設計分析，并對無人船的在線監測功能進行實船驗證。

1 無人船系統組成

在線水質監測無人船主要針對城市河道的水體生活源有機污染問題，服務于城市水環境的監測與監管。采用小型無人船搭載多種水質檢測分析設備對城市水環境中的生物源有機污染指標進行原位在線監測。

無人船主要系統和設備包括船體結構、動力推進系統、電力系統、通信系統、導航設備、避障設備、船載控制系統、岸基控制系統及一體化水質監測系統等。船載控制系統是實現無人船自主航行的載體。岸基控制系統主要完成對無人船的監控和任務管理。避障設備為自主航行提供水面目標信息。導航設備為無人船高精度定位授時能力提供保障。通信系統是實現無人船與岸端信息交互的渠道。一體化水質監測系統集成自動水樣采集設備和多種水質檢測設備，可以實現對水樣快速在線處理及分析。

2 無人船總體布局設計

由于無人船所搭載的儀器設備較多，對搭載能力要求較高(>85 kg)，且無人船的尺寸受到吊放等因素的嚴格限制，綜合考慮船型、主尺度、航速、續航時間、載荷搭載能力、動力推進方式、使用方式等的要求，開展無人船總體布局優化與集成設計。如圖1所示，船體采用了淺槽道消波船型，在主尺度限制范圍內盡可能增大船體方形系數，滿足作業系統設備的搭載空間需求，同時也適合在城市河道淺水環境使用。船體結構采用凱夫拉復合材料，重量輕且強度高。無人船的主要技術參數見表1。

表1 無人船主要技術指標

圖1 淺槽道消波船型橫剖面圖

無人船總體布局如圖2所示。艙內中前部主要布置水質檢測分析設備，艙內后部設置控制盒和鋰電池組等設備，艙底設置推進軸系。甲板艏部設置組合慣導天線、毫米波雷達、高清攝像設備等，甲板尾部設置組合慣導天線、通信天線等。實船見圖3。

圖2 無人船總體布局

圖3 無人船實物

3 自主控制系統設計

自主控制系統作為無人船的控制核心，應相對獨立、可靠運行，同時與其他系統接口界面清晰。其硬件系統架構見圖4。

圖4 自主控制系統硬件架構

自主控制系統分為船載與岸基兩部分。船載部分包括控制器、導航定位單元、避障單元、執行單元、通信單元、觀測單元、作業單元等，岸基部分包括岸基控制器、通信單元等。船載的控制器是控制系統核心，主控制器負責接收來自導航定位單元與避障單元的位置、姿態、障礙距離等信息，作為控制回路的反饋輸入；主控制器利用建立的參考模型，根據實時的測量信息，計算得到航行指令，發送給運動控制器，同時負責數據存儲與通信，結合通信單元與岸基完成信息傳遞。運動控制器負責無人船運動控制，操縱推進裝置等執行機構動作。通信單元采用無線數傳電臺設備組建船岸無線通信鏈路，實現無線數據通信。岸基部分的控制器負責接收船載數據的復雜計算與處理，實現無人船的遙控、自主航行控制及無人船的監控等。無人船可根據需要選擇采用遙控/自主航行兩種工作模式。

無人船上搭載的一體化水質監測系統設備與船載主控之間采用RS485/RS232/CAN通信接口。

無人船自主控制系統軟件包括PLC軟件、船載主控制器軟件、岸基綜合信息顯控軟件。PLC軟件主要負責操縱機構運動控制、系統配電控制與主控制器通信；船載主控制器軟件主要負責與岸基系統通信、遙控指令解析、航跡跟蹤等算法運算、運動指令生成、設備狀態監測及信息采集、測量數據采集與存儲與PLC通信等；岸基綜合信息顯控軟件主要負責人機交互、軌跡顯示與船載主控制器通信，具備無人船岸基一體化集成通信功能，顯示功能，無人船航跡規劃、控制、配置及數據讀取，任務載荷控制、配置及數據讀取，圖像顯示存儲等功能。

岸基軟件與船載主控軟件之間可以采用無線通信，使用TCP/IP協議。軟件整體架構采用TCP/IP網絡協議組件服務器與客戶端，實現岸基軟件與船載主控軟件、船載主控軟件與PLC軟件之間的以太網通信。系統軟件通信架構如圖5所示，岸基軟件部署在岸基計算機上，船載主控軟件部署在船載主控制器上，PLC軟件部署在船載運動控制器上。

圖5 自主控制系統軟件架構

基于自主控制系統架構，進行無人船自主導航與控制策略設計，流程見圖6。

圖6 無人船自主導航與控制策略的流程

根據作業任務要求規劃無人船初始航線，無人船在接收到目標航線點后，調用軌跡跟蹤和運動控制算法控制船體沿著預設的路線航行。船載雷達等避障設備在航行過程中對水面環境進行實時探測，并對感知數據進行融合與處理，從而得到水面障礙物的狀態信息。通過計算無人船與障礙物之間的最近會遇距離(DCPA)和最近會遇時間(TCPA)，分析碰撞風險。若存在碰撞的可能，則調用速度障礙模型算法，計算局部最優避碰策略并發送給執行機構。在完成避碰后，重新調用視線法進行航跡跟蹤，控制無人船回到預設航線。

4 一體化水質監測系統設計

無人船的一體化水質監測系統主要包括自動采樣裝置、水質檢測分析設備和數據采集及集成系統，其中自動采樣裝置由標準采樣器、溢流池、廢液池和流通水路組成，水質檢測分析設備由1臺有機物在線分析儀、1臺光譜水質監測儀、2臺流動分析儀和1臺溶解氧設備組成。通過集成設計，無人船可以快速反演水體有機物、硝酸鹽氮及特征污染物的濃度，并可直接對水體中的氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數等物質的含量進行定量檢測。水質檢測分析設備的主要技術參數見表2。

表2 水質檢測分析設備主要技術指標

數據采集及集成系統用于連通標準采樣器和水質檢測分析設備，實現采樣裝置的自動控制，觸發水質檢測分析設備開始檢測，接收/發送命令，讀取、接收、處理及存儲載荷數據。主要由載荷控制單元和載荷控制端軟件組成，其中載荷控制單元與自主控制系統的控制模塊共用，主要用于接收載荷控制端軟件發送的命令，通過啟停電磁閥來控制電路的通斷，以實現電路的自動控制，同時作為數據存儲站，將各個硬件、水質檢測分析設備的數據聯通在一起；載荷控制單元在接收載荷控制端軟件命令后，啟停泵、控制閥等，進行自動水樣采集；載荷控制端軟件通過預置程序，來控制采樣時間、采樣動作，獲取各種水質檢測分析設備的數據，集成于綜合處理模塊中，傳輸到各對應位置，并實時監測載荷、設備連接情況。一體化水質監測系統作業流程如圖7所示。通過采樣泵將水樣抽取到溢流池中，采用集中供樣的方式將水樣分流給載各水質檢測分析設備。對水樣分析完成后，無污染的廢水直接排出船體外，有污染的用廢液瓶收集起來，集中處理。

圖7 一體化水質監測系統作業流程

5 實船應用測試

為了驗證設計的無人船的自主控制系統的可行性，在太湖水域進行水上試驗。測試結果顯示，無人船在遠程控制狀態下，可以實現按預設路徑的自主巡航。如圖8所示，無人船以4.0 kn的航速按預設的長方形路徑進行自主巡航，從圖8中可以看出，無人船具有較高的循跡精度。

圖8 無人船實現自主規劃路徑

為驗證無人船的在線水質監測功能，在鎮江、揚州兩地的河道進行實船作業測試(見圖9)，測試船速為2 m/s。實際測試結果顯示，有機物在線分析儀、光譜水質監測儀和溶解氧設備每2 min可以測得一組數據，流動分析儀每3 min測得一組數據，測得的水體氨氮、總磷、總氮、COD(Mn)指標和有機物濃度等水質參數部分結果見圖10。

圖9 無人船水上作業測試現場

圖10 無人船水質監測結果

為了更方便地對水質監測數據進行存儲和集中調取，開發了一體化水環境監測數據系統，該系統部署在云端，其中一個界面見圖11。圖中左側為采集位置地圖信息，右側為按水質檢測分析設備類別展示的水質監測數據信息。

圖11 一體化環境監測數據系統界面

6 結論

所提出的在線水質監測無人船系統，完成了無人船總體布局集成設計、自主控制系統設計及一體化水質監測系統設計，并基于搭建的無人船平臺進行了實船應用測試，測試結果表明，在線水質監測無人船可穩定運行，實現了無人船航行、采樣、檢測、數據處理的全自主和自動化控制運行，且可以通過船載無線將水質檢測數據傳輸至岸基，并上傳至云端進行展示和存儲。

在線監測無人船是對傳統水質監測方式的有效補充和智能升級，在復雜多變的城市河道作用明顯，可有效提升河道水體監測的效率，有助于增強水環境的整治與監管水平。

由于船體空間的限制，僅搭載了標準采樣設備，可通過進一步的優化設計，實現水華采樣、分層采樣等設備的模塊化搭載，滿足多樣化的作業場景需求。