一种用于水质监测与污染源追踪的无人船及污染源追踪方法与流程

本发明属于水质监测测领域，尤其涉及一种用于水质监测与污染源追踪的无人船及污染源追踪方法。

背景技术：

我国是一个淡水资源严重缺乏的国家，同时水环境污染形式严峻。水污染控制的关键环节是水质监测和预警，然而，我国现有的水质监测技术还存在着不足：一是监测站点数量少，往往不及被监测水域的数量，从而难以从整体上反映一个地区的水质状况；二是各个监测部门的监测能力不足，监测指标少、采样频率低等缺点；三是现场动态监测能力不足，移动水质监测设备太少，机动性能不足。近年来，水质移动监测集成平台，特别是无人驾驶无人船的发展得到重视，使得发展基于无人船的水质原位、移动、在线动态监测技术成为可能，同时以动态监测数据为基础的水污染预警也有得以革命性的发展。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于水质监测与污染源追踪的无人船及污染源追踪方法，具备自主规划、自主航行功能，同时可以实现针对水中温度、电导率、浊度、溶解氧和pH值等常规五参数，氨氮、总氮、磷酸盐、总磷等营养盐，TOC、COD等有机物，以及重金属等水质污染参数进行实时在线监测功能，进一步针对监测的水质数据进行水质模型分析，从而达到对水污染事故扩散具备早期预警目的。

本发明是通过下述技术方案来解决：

一种用于水质监测与污染源追踪的无人船，包括由两个封闭舱及连接板构成的双体船，所述双体船的上表面铺设有为锂电池充电的太阳能电池板，双体船上方架设有U形设备架，所述设备架上固设有视频摄像头、雷达和天线；无人船上分别设有控制舱、电池舱、发电机舱、水质采样舱和五个用于放置水质监测仪器的设备舱。

进一步方案，所述水监测仪器包括常规五参数模块、重金属检测模块、全光谱多参数水质分析仪、有机污染物检测模块、微生物检测模块、抗生素检测模块。

进一步方案，所述双体船中设有汽油/柴油发电机，所述汽油/柴油发电机对锂电池进行充电，所述锂电池的输出端连接有DC-DC变换器。

进一步方案，所述双体船上设有GPS、电子罗盘；所述双体船的材质为玻璃钢。

所述五个设备舱与水质采样舱依次设置在两个封闭舱内；而控制舱、电池舱和发电机舱依次设置在位于太阳能电池板下方的连接板上。

本发明的另一个发明目的是提供上述一种用于水质监测与污染源追踪的无人船的污染源追踪方法，包括用于检测无人船周边水域中污染物的全光谱多参数水质分析仪，其步骤如下：

1)采用全光谱多参数水质分析仪对以无人船为圆心、半径为10米范围内的水域进行取样、污染物检测；

2)当检测到污染物浓度超过阈值时，通过雷达波流速仪检测当前水域流体速度，并通过GPS获取当前的地理位置，从而确定无人船的位置，以及水域流速和流向随时间变化的时域信号；

3)全光谱多参数水质分析仪实时探测并获取水中污染物随水域流体扩散的羽流特征信号，从而确定扩散的羽流的时域和空间域信号；

4)根据步骤3)中羽流的时域和空间域信号，对探测到的污染水域进行网格化分割形成胞元；

5)根据污染水域历史监测数据库，给出贝叶斯推理概率算法的初始向量π，其中0≤π≤1，然后利用概率密度函数计算每个含有污染源的胞元被检测到的概率；

6)更新向量π，继续计算污染物或污染源在污染水域被检测到的概率，形成污染物概率地图；然后利用贝叶斯推理更新污染物概率地图，并评价已经更新的地图是否满足偏差要求；

7)若更新的污染物概率地图满足偏差要求，执行新的待巡航检测位置点规划图，若不满足，重新执行步骤5)、6)，直至满足要求，得出最佳的污染物概率地图；

8)根据最佳的污染物概率地图，生成无人船的溯源路径；然后再根据无人船当前的空间域信息和流体紊流信号，计算出无人船自动驾驶路径，对污染源进行实时追踪；

9)在实时追踪过程中，须不断更新污染物概率地图，并进一步调整和优化污染源追踪路径；

10)对污染源追踪过程中不断判断是否为污染源羽流的最高值，如果是即停止追踪，则当前位置为污染源的源头；如果不是则继续执行步骤8)、9)，直至找到污染源。

进一步方案，步骤4)中所述胞元的边长为50米的正方形。

进一步方案，步骤5)中所述初始向量π＝1/M，其中M＝n×m，n和m分别为胞元的长度和宽度。

步骤5)或步骤6)中所述概率密度函数为P(A_i|D_j(t_k))＝β_ij(t₀，t_k)，其中A_i为污染源在第i个胞元发生的污染事件，D_j(t_k)代表在j胞元中t_k时刻探测到污染物的事件，β_ij(t₀，t_k)代表i胞元从t_i时刻持续扩散污染物，并在j胞元中的t_k时刻探测到污染物的概率。

本发明中的羽流是专业术语是表示一柱流体在另一种流体中移动。

本发明无人船的双体船设为九个舱室，分别为控制舱、电池舱、水质采样舱、发电机舱和5个用于旋转水质监测仪器的设备舱。其中五个设备舱与水质采样舱依次设置在两个封闭舱内；而控制舱、电池舱、发电机舱设置在位于太阳能电池板下方的连接板上。

其中电池舱用于放置锂电池，控制舱用于安装工业平板电脑、嵌入式控制主板、电源控制器、驱动控制器、网络路由器、GPS导航模块、电子罗盘、数据总线接口模块；五个设备舱用于安装各类水质监测仪器；水质采样舱用于对监测水样的自动采集和留样。同时双体船的上表面铺设有为锂电池充电的太阳能电池板，双体船上端固设有U形设备架，在设备架固设激光雷达/毫米波雷达、天线、视频摄像头等。

电池舱安装有锂离子电池及供电系统，双体船的上表面平铺有用于收集太阳能并将其转化为电能的太阳能电池板，船体上的太阳能电池板吸收太阳能产生直流电流，直流电流进入锂电池中储存。锂电池的输出通过DC-DC变换，转化成不同等级的直流电，为平板电脑、控制主板、控制系统、通讯系统、水质监测系统、水路控制系统、视频系统、GPS、电子罗盘、激光雷达/毫米波雷达等提供电源。

发电机舱安装小型汽油/柴油发电机，为系统提供电源，同时为锂电池充电，增加无人船的持续巡航时间，弥补纯电池供电续航时间短的缺点。

无人船上设有自主巡航系统和自动避障系统，其中自主巡航系统包括GPS、电子罗盘，GPS用于获取无人船实时经纬度等坐标位置信息，电子罗盘用于获取无人船实时航向、倾斜和俯仰角度等姿态信息。具体实施方案为：通过手持平板电脑/个人电脑上无人船控制系统的人机界面的地图上设置需要巡航的点，船载平板电脑根据船体当前所在的GPS经纬度、姿态信息，以及拟巡航点的GPS经纬度信息，根据上述两点的数据计算出自主巡航的路径和方位角，拟合出自主巡航路线，进一步自动控制左右推进器动力大小和转向，让船体沿着拟合出的巡航路线包线行驶，达到第一个巡航目标点后，再按照上述方案自主巡航至下一个巡航目标点。

自动避障系统激光雷达和毫米波雷达，激光雷达是以激光为工作光束的雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。它是由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲信息数据通过串口送给平板电脑，本专利采用16线激光雷达，平板电脑根据激光雷达反射的光束数据拟合出以无人船为中心半径120米内障碍物的三维形状、轮廓、位置和散射强度。所述毫米波是一种波长介于厘米波和光波之间，通过发射与接收微波来感应物体的电子设备，用于探测以无人船为中心半径40米内移动目标的距离、速度、角度信息。

5个设备舱中放置多种型号水质监测仪器，所述水监测仪器可以根据水质监测的需求搭载不同类型仪器，可以搭载的水质监测仪器分别有：监测水的温度、PH值、电导率、浊度、电导率等常规五参数水质监测仪，监测水中铅、铜、锌、镉、砷、汞、六价铬等重金属含量的监测仪器，监测水中氨氮、总磷、总氮、硝酸盐、COD、TOC等营养盐和有机物的监测仪器，监测水中挥发酚、多环芳烃(PAH)、多氯联苯(PCBs)、可吸附有机卤化物、挥发性卤代烃、有机氯农药、有机磷农药、挥发性有机物(VOCs)、半挥发性有机物(SVOCs)、二恶英、总石油烃类(TPH)等有机污染物的监测仪器，监测总大肠菌群、菌落总数、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌等微生物监测仪器，监测水中抗生素含量的监测仪器等，以及单台仪器能同时监测水中多种有机物和营养盐含量的全光谱多参数水质监测仪，上述水中监测仪器采用积木式结构，可以根据水质监测需求任意组合和搭配。

全光谱多参数水质分析仪采用波长范围为190-900nm，分辨率为2nm的紫外和可见光光谱探测水样，通过不同波长光谱对水中有机物的吸收峰不同，获得吸光度指纹光谱，进一步对指纹光谱数据进行建模，通过模式识别自动识别水中多种有机污染物，本专利采用的模式识别算法为多通道阵列数据深度神经网络算法。

常规的水质监测仪器一台只能检测一种特定的污染物浓度，不能对未知污染物进行监测，目前对未知污染物的检测是取样后在实验室检测和分析，其检测周期长、成本高。但本发明采用全光谱多参数水质分析仪器，其具有指纹光谱数据，通过指纹光谱的建模和分析可以对水中多种未知有机污染物进行实时、快速和现场检测并自动识别，从而实现水污染事故的早期预警。

本发明的无人船具备水污染源的追踪和溯源，所述追踪和溯源功能通过全光谱水质分析仪检测水中污染物的浓度场，结合水流的高雷诺系数的紊流模型，采用最优向量π的贝叶斯推理算法，自主控制无人船巡航至污染源的源头，实现水污染的追踪和溯源。

附图说明

图1是本发明结构示意图，

图2是本发明中各舱布置示意图，

图3是对探测到的污染水域网格化分割示意图；

图4为全光谱多参数水质分析仪检测的无污染正常水质的指纹光谱数据图，

图5为全光谱多参数水质分析仪检测的污染水质的指纹光谱数据图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、2所示，一种用于水质监测与污染源追踪的无人船，包括由两个封闭舱1.1及连接板构成的双体船，所述双体船的上表面铺设有为锂电池充电的太阳能电池板1.2，双体船上方架设有U形设备架1.3，所述设备架1.3上固设有视频摄像头1.4、雷达1.5和天线1.6；无人船上分别设有控制舱1.9、电池舱1.10、发电机舱1.11、水质采样舱1.12和五个用于放置水质监测仪器的设备舱。

双体船上安装有雷达波流速仪1.7、推进器1.8。

各个舱排布方式如图2所示，五个设备舱与水质采样舱1.12依次设置在两个封闭舱1.1内；而控制舱1.9、电池舱1.10、发电机舱1.11设置在位于太阳能电池板1.2下方的连接板上。其中电池舱1.10用于放置锂电池，控制舱1.9用于安装工业平板电脑、嵌入式控制主板、电源控制器、驱动控制器、网络路由器、GPS导航模块、电子罗盘、数据总线接口模块；设备舱一1.131、设备舱二1.132、设备舱三1.133、设备舱四1.134设备舱五1.135用于安装各类水质监测仪器；水质采样舱用于对监测水样的自动采集和留样。同时双体船的上表面铺设有为锂电池充电的太阳能电池板，双体船上端固设有U形设备架，在设备架固设激光雷达/毫米波雷达、天线、视频摄像头等。发电机舱安装小型汽油/柴油发电机，为系统提供电源，同时为电池充电，增加无人船的持续巡航时间，弥补纯电池供电续航时间短的缺点。

进一步方案，所述水监测仪器包括常规五参数模块、重金属检测模块、全光谱多参数水质分析仪、有机污染物检测模块、微生物检测模块、抗生素检测模块。

进一步方案，所述双体船中设有汽油/柴油发电机，所述汽油/柴油发电机对锂电池进行充电，所述锂电池的输出端连接有DC-DC变换器。

进一步方案，所述双体船上设有GPS、电子罗盘；所述双体船的材质为玻璃钢。

实施例2：

一种用于水质监测与污染源追踪的无人船的污染源追踪方法，包括用于检测无人船周边水域中污染物的全光谱多参数水质分析仪，其步骤如下：

1)采用全光谱多参数水质分析仪对以无人船为圆心、半径为10米范围内的水域进行取样、污染物检测；

如图4所示为经全光谱多参数水质分析仪检测的无污染正常水质的指纹光谱数据，在200-700nm的吸收光谱范围内，计算出的苯类有机物浓度不超过0.1ppm，低于《生活饮用水卫生标准》国家标准随规定的限制；如图5所示是经全光谱多参数水质分析仪检测的污染水质的指纹光谱数据(饮用水乙苯含量标准为0.3mg/L)，则表明该水质中污染物浓度超过阈值。

2)当检测到污染物浓度超过阈值时，通过雷达波流速仪检测当前水域流体速度，并通过GPS获取当前的地理位置，从而确定无人船的位置，以及水域流速和流向随时间变化的时域信号；

3)全光谱多参数水质分析仪实时探测并获取水中污染物随水域流体扩散的羽流特征信号，从而确定扩散的羽流的时域和空间域信号；如图5所示为每个时间段苯类有机物实时浓度，每个时间段同时标记准确的河流断面地理位置，从图5中可以形成污染源扩散羽流的时域和空间域信号特征；

4)根据步骤3)中羽流的时域和空间域信号，对探测到的污染水域进行网格化分割形成胞元；如图3所示，将该污染水域划分成13个网格，即13个胞元，而每个网格的边长为50米，而无人船在7号网格内；

5)根据污染水域历史监测数据库，给出贝叶斯推理概率算法的初始向量π，其中0≤π≤1，然后利用概率密度函数计算每个含有污染源的胞元被检测到的概率；

6)更新向量π，继续计算污染物或污染源在污染水域被检测到的概率，形成污染物概率地图；然后利用贝叶斯推理更新污染物概率地图，并评价已经更新的地图是否满足偏差要求；

7)若更新的污染物概率地图满足偏差要求，执行新的待巡航检测位置点规划图，如图3所示污染源位于第13号网格内，巡航路线依据污染物的概率分布，从网格7到网格13；若不满足，重新执行步骤5)、6)，直至满足要求，得出最佳的污染物概率地图；

8)根据最佳的污染物概率地图，生成无人船的溯源路径；然后再根据无人船当前的空间域信息和流体紊流信号，计算出无人船自动驾驶路径，对污染源进行实时追踪；

9)在实时追踪过程中，须不断更新污染物概率地图，并进一步调整和优化污染源追踪路径；

10)对污染源追踪过程中不断判断是否为污染源羽流的最高值，如果是即停止追踪，则当前位置为污染源的源头；如果不是则继续执行步骤8)、9)，直至找到污染源。

进一步方案，步骤4)中所述胞元的边长为50米的正方形。

进一步方案，步骤5)中所述初始向量π＝1/M，其中M＝n×m，n和m分别为胞元的长度和宽度。

步骤5)或步骤6)中所述概率密度函数为P(A_i|D_j(t_k))＝β_ij(t₀，t_k)，其中A_i为污染源在第i个胞元发生的污染事件，D_j(t_k)代表在j胞元中t_k时刻探测到污染物的事件，β_ij(t₀，t_k)代表i胞元从t_i时刻持续扩散污染物，并在j胞元中的t_k时刻探测到污染物的概率。

上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。