可進行γ 劑量率測量的無人采樣船設計

呂映賦，宋世彬，朱小鉸，周俊宇，謝林利，馬苛寧

（1.四川省輻射環境管理監測中心站，成都 611139；2.四川省輻射環境評價治理有限責任公司，成都 611139；3.四川省輻安環境監測有限公司，成都 611139）

四川省是我國主要的核工業大省，擁有核設施、核技術利用、伴生放射性礦等數量眾多、種類齊全的涉核單位，輻射環境質量監測和輻射預警任務重、責任大。四川省境內河流眾多，水系發達，加之擁有眾多工業工廠，水體中放射性的監測是四川省水體環境監測的重要內容之一[1]。對水體放射性水平實施監控，特別是在突發核與輻射事故狀態下能夠實時、快速、有效地監測環境水體中的放射性污染狀況顯得尤為迫切[2]。但普通的放射性監測系統只能用于某一固定流域水質放射性檢測，為及時、準確、全面地獲取監測水中γ 輻射劑量、溫度、PH、溶解氧、電導和濁度等各類參數，亟需設計一種自動無人采樣船，可用于日常環境和輻射事故應急監測中大型江河、湖泊的水體樣品采集，同時滿足在其他復雜環境下和一些人為無法到達的水域進行水體采樣工作和γ 劑量監測工作，為環境評價、核設施管理和核與輻射安全應急提供技術支撐[3-4]。

1 功能需求

為滿足監測、采樣工作需要，尤其是核與輻射應急時的特殊要求，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 定位系統可到達指定流域并完成自動采樣；②配備多參數分析探頭，可實時監測水體的溫度、pH、溶解氧、電導、濁度和γ 劑量等參數；③配備高清攝像頭；④配備無線數據傳輸模塊，可實時查看視頻監控和各種監測數據；⑤采樣軟件系統具有水體采樣數據存儲、采樣點位路線的布設，可自定義采樣容量、采樣數量等功能[5-7]。

2 系統設計

2.1 整體設計

可進行γ 劑量測量的無人采樣船的整體設計如圖1 所示。

圖1 整體設計

2.2 船體設計

船體形態采用雙M 船體，雙氣囊獨立封閉設計，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、航行穩定。船體使用新型高強度復合材料制造，該材料是由S 級無堿玻璃纖維經編復合氈、凱夫拉防彈裝甲材料及先進的納米級碳素纖維等構成，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，電池容量及規格為29.4 V-2×20 Ah；續航能力為2 m/s 滿載時2 h，空載2.5 h；船體外部有預留接口可直接充電。

2.3 儀器設備

2.3.1 多參數探頭

在雙M 船體中間部位，預留了一個可放置探頭的空洞，空洞上設置有固定裝置，可固定探頭保持穩定，多參數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。水質多參數探頭可實時監測水體的γ 劑量率，還根據客戶需求進行定制，測量水體的溫度、pH、溶解氧、電導及濁度等參數，如圖3 所示。多參數擴展接口采用可拆卸提手，方便與無人船主體進行安裝。內置可充電電池，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 多參數探頭

2.3.2 采樣器

采樣器通過一根預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需要通過控制軟件和遙控器設置，深度范圍為0.1～1 m，滿足環保行業水質采樣深度為水面下0.5 m 處的采樣要求；管路材質為硅膠管；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；衛星定位數據、視頻數據均通過地面站實時傳輸至控制軟件。

2.4 控制系統設計

2.4.1 主控系統

采樣船可接收遙控器的指令并執行，包括模式切換、手動運行控制；采樣船可以接收并執行地面基站的任務指令，根據船載定位信息，自主導航行駛，并可在無人工干預下自動完成工作任務，同時將采樣船的數據信息發送回地面控制基站；采樣船具備失聯保護功能，當地面站與無人船通信失聯后，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

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；地面傳輸基站采用工業混搭設計，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，通信范圍內可進行數據傳輸和監控，可遠程監控無人船動態。地面傳輸基站與電腦之間連接支持有線和無線連接2 種方式，可根據客戶需求自行選擇。用戶可以用電腦通過網線與基站相連，在網口或網線出現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可切換；遙控器可隨時控制，隨時中斷或隨時改變工作任務；遙控器配備2 個搖桿，搖桿旋轉范圍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可切換，支持Windows 操作系統，使用研發的人機交互系統；控制軟件可下載工作水域衛星地圖，并存儲和管理；可設置無人船行駛路線、返航路線等任務；可完成測流測繪、監測任務的存儲，可進行歷史任務數據的查詢和反復調用。

地面操控平臺可接收和顯示無人船信息，實時顯示在線監測結果；可通過圖形動態顯示無人船工作狀態、位置狀態、朝向，顯示無人船電池當前電壓、行駛速度等各類信息，對信號質量、電源余量等工作狀態進行報警提示；控制軟件可完成水質采樣數據存儲、在岸端控制軟件地圖上進行采樣點位路線的布設，可自定義采樣容量、采樣數量。

2.5 主要設備清單

主要設備清單見表1。

表1 主要設備清單

3 測試

3.1 準備

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）、采樣設置等工作。

圖5 船體

圖6 連接界面

圖7 遙控器

3.2 設置

當輻射事故應急采樣時，先使用采樣船對采樣區域進行γ 劑量率巡測，對采樣區域的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，具體采樣點可根據要求自行設置。如果現場可連接網絡，地面控制軟件可直接下載采樣區域衛星地圖，如無法下載地圖，可在人工操作下使用采樣船進行現場水域巡測，完成離線地圖數據繪制，根據繪制的離線地圖邊界經緯度信息，自動畫出安全航線邊界后，可在離線地圖上設置自動采樣及監測參數，如圖8所示。

圖8 參數設置

3.3 采樣

根據作業需求，先選擇采水的航點勾選采水點，再設置各個采樣點的采水量和采水深度及巡航速度。設置完成后點擊發送設置，儀器將自動按照采樣設置進行自動采樣，如圖9 所示。

圖9 采樣設置

3.4 數據展示

現場監測完成后，原始監測數據可根據需要導出，如圖10 所示。

圖10 數據導出

3.5 測試結論

經過多次采樣測試和現場監測測試，該采樣船可穩定實現設計功能需求，信號傳輸穩定性、自動采樣、水體監測、數據傳輸功能等，均符合設計要求。

4 結論

本文根據核與輻射事故應急的需要，兼顧日常采樣需求，設計了可進行γ 劑量測量的無人采樣船，可在復雜環境下和一些人為無法到達的水域進行水體應急采樣工作。該采樣船可對水體的γ 劑量率進行監測，從而指導采樣點的設置，提高對水體放射性水平監測的準確性；該系統具備的數據傳輸、視頻監控、多點采樣等功能，有效提高了輻射事故應急處置能力，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急體系的建設提供技術支持，為其他省設計類似無人采樣系統的設計提供參考。