一種無人船水質監測技術的運用

李倩倩

（南京市六合區環境監測站 江蘇南京 211500）

我國是一個嚴重缺乏淡水的國家，經濟發展客觀上加劇了工業污染的排放，日益增長的水資源需求和水污染增大造成了矛盾。因此水環境治理成為當務之急。無人船又被稱為幽靈船，近年來，結合多種高新技術已經在環保監測領域取得了廣泛的應用。無人船從本質說是一種自動化水上機器人，使用無人船技術監測數據精度高，成本低、測量及時、靈活性好、覆蓋范圍廣，可以實現對水質的實時監控。未來隨著智能化水平的不斷提升，無人船在危險河道和海洋代替人類進行重復性工作將會成為主要趨勢。

1 水質監測無人船總體設計方案

1.1 需求分析

該無人船的研發依托于環保局的環保項目，本著經濟實用的原則，全面補充環境監測部門現有的監測方法，確保監測長期性、水質代表性、系統安全性及運行經濟性。無人船要能夠提供水質采樣功能，水質監測功能，自主巡航功能，多視覺傳感功能，能夠滿足狹小水域作業的特點。除了自主巡航之外，無人船還應該具備遠程遙控功能，方便操作人員完成一些復雜的作業程序。

1.2 船身設計

船身采用雙體流線型，降低重心，確保航行平穩，為了增加船體的抗風功能，船身采用了防顛覆的設計，并且注入防水和防沉的等理念。為了提高抗腐蝕性，船身采用高強度耐腐蝕合金材料，在考慮經濟性的前提下，可以采用玻璃鋼等較輕的材料。為了提升環保意識，船身設計為綠色和藍色兩種，船上負載在30kg以下。

1.3 船上系統

上位機系統，通過衛星地圖進行定位，規劃水域巡航路線，用戶在上位機系統進行水位控制。無線傳輸系統，通過無線信號無人船與上位機之間的指令與數據之間的下達與傳輸。無人船控制單元，包括電機驅動模塊、通信模塊、定位模塊、電子羅盤模塊、超聲波避障模塊等。水樣采集單元，系統自動化收集水樣，船上要裝至少20個采水瓶。水質監測單元，比如藍綠藻、水中油、葉綠素A、濁度、氨氮等分析儀器，具體分析到溫度、pH值、電導率等因素。為了確保船上的系統絕對不受利益關系的困擾，數據絕對真實，信息系統采用聯網方式進入到多個終端，及時查閱和發布，這樣就能避免篡改數據等行為發生。

1.4 系統動力

為了實現節能的目的，本船不安置傳統柴油發動機或者是電池動力，而是采用了一種新式的漂流式動力系統，利用海浪的動力進行發電。同時配備太陽能系統，利用船載波浪系統進行發電。本船在行駛中主要依靠海浪動力和漂流的作用，同時在行駛中利用海浪進行發電，是一種高度清潔的能源，能夠避免行使過程帶來的污染。

2 無人船水質監測技術的運用

2.1 將應急管理和日常監測聯系起來

環保部門要建立日常監測和應急管理機制，一旦發現事故，要緊急啟動救援機制和治理機制。日常監測中要制定排查路線，比如對河道邊走邊測，采用分析同時推進，按照規劃路線系統部署。同時還可以采用漂流的方式讓無人船各個河口進行隨機檢測，檢測過程中如果出現重大問題，無人船要發出警報，比如在檢測過程中發現漏油事件，河面有油漂浮，為了避免出現更大的危害，要立刻發警報，然后緊急進行處理。個別無人船可以安裝部分緊急自動清理裝置，比如油污和重金屬污染等，無人船可以自動進行緊急清理，吸附油污。同時，還要考慮到極端天氣影響下或者水域環境高度復雜下的特殊情況，比如在雨雪冰雹天氣會對測繪產生什么影響，如何確保地理位置準確。

2.2 利用無人船監測技術判斷污染源

無人船監測的一個重要目的是及時判斷污染源，予以根治，2012年鎮江發生苯酚水源地污染事故就是一個典型事例。污染源找不到，不能根除污染的源頭弊病，那么污染的危害就會持續擴大。鎮江自來水事件是典型的一艘無人船改善一條工作線，無人船通過采集分析獲取數據，之后機器人繪制出污染物狀態分布圖，專業人員根據分布圖、氣象狀況和企業分析，就可以判斷哪里出現污染。鎮江自來水事件給無人船環保監測工作帶來了一定的啟示，未來只需要根據水污染物濃度變化就能夠逐漸發現污染源，通過對污染的連續跟蹤，能夠進一步全面掌握水質狀況，這樣就可以制定出應急方案。

2.3 利用無人船深入重污染區

在一些重污染地區，會因為人員無法進入而遲遲不能解決，而機器人就不存在這一問題所以只要規劃好無人船的路線，機器人就能夠自行分析。比如丹金槽河段常年受氮磷污染，這里的地理相關復雜，人工檢測難度非常高，即使是環保局進行大量排摸的工作，也很難招到門路，在采用無人監測船之后，只用GPS定位就發現了4個污染源。還有一些地區的污染對船也會造成傷害，比如高溫、輻射、有毒、爆炸、腐蝕等危險，這種情況下可以給無人船配備足夠的視覺系統，讓無人船能夠眾覽全局，操作人員通過屏幕就能夠獲取數據。

3 無人船監測技術未來的發展趨勢

3.1 采樣分析報表一體化

未來無人船監測技術越來越像一體化的方向發展，通過多個智能傳感器對現場進行檢測，同時系統還能夠分析檢測結果，形成系統的報表，方便決策人員進行具體分析。比如，無人船船身安裝溫度傳感器，直接感受水溫，將連續的溫度變化報告和PH值、礦物質含量等系統報告結合起來，研究人員直接就能夠獲得數據。因此，未來計算機的信息處理能力將會是無人船監測技術發展的核心內容。

3.2 監測工作智能化

智能機器人是未來大的發展趨勢，無人船將會和5G物聯網等技術接合在一起，通過搭載多種傳感器和多普勒剖面儀（ADCP）、單波束聲納、放射性檢測儀等設備，實現自動化的流量、水深、核輻射測量等工作。尤其是提高無人船的智能避險功能，比如強化視覺系統，對航行中的障礙物和危險物進行自主判斷，確保能夠安全航行。

3.3 動力方式清潔化

當前無人船的一個重大問題就是船體較小，抗風浪的能力較差，而且一般都是采用鋰電池續航，這種方式造成能源浪費，而且存在無人船一旦不能回收，就會造成嚴重污染的危險。因此，未來隨著技術水平的不斷提高，無人船使用風浪作為自身動力是一種可行的發展趨勢，這樣可以大大降低無人船二次污染的幾率，同時提高能源利用效率。

4 結論

無人船水質監測技術是未來的發展趨向，正如水上垃圾清理機器人一樣，無人船監測技術也會體現出智能化、清潔化和系統化的特征，因此必須要加大技術研發力度，推動我國環境改革步伐。