无人船在城市水域管理养护中的应用

赵春宇,姜 皓,徐茂竹,满伟俊,杨伟明,陈范模

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 201100;2.上海十方生态园林股份有限公司,上海 201100)

我国是一个淡水资源极度匮乏的国家,人均淡水资源量仅为2 300 m3。随着工业技术的飞速发展,人类不加限制地向水中排放污染物,一些含有氮磷的废水或废弃物会直接或从土壤中进入水体,城市水域中的水环境受到严峻的挑战[1-2]。水域管养包括水质监测和污染治理等方面,传统的在线监测方式需要部署大量的传感器[3-6]。近年来,随着无人驾驶技术的发展,无人船开始被应用在水域管养领域[7]。其中,Demetillo等[8]结合商用传感器和定位系统,设计了能按照预先输入的导航路线进行水质测量的无人船。孙洪民等[9]设计了水质数据采集模块和ZigBee通信的电路,并将该系统搭载在无人船终端上完成了水质监测。江先亮等[10]融合无人船和多个传感器,提出以悬停采样为主的监测和低航速下的异常检测方案。这些无人船系统虽然在一定程度上增加了监测的面积,但是仅具有水质检测和数据传输的功能,在检测到污染后缺乏应急的自动处理能力。

笔者针对目前无人船系统功能单一的问题,设计了集城市水域管理养护于一体的智能无人船系统。该系统在水域区域巡航和检测的基础上,加入自动管养的功能,能够自动对水质异常点进行应急处理,以期为城市水域治理提供一种新的解决方案,进一步提高水域管养的智能化程度。

为了实现对无人船终端的远程控制以及通过监控获得数据,设计如图1所示的信息化系统架构。信息化系统分为移动端、云端以及无人船终端3部分。移动端作为可视化平台,在网络下能够实时呈现数据结果,并完成指令下发的功能;云端主要负责数据的运算以及持久化,并完成和移动端的远程通信,用以返回监测结果和接受控制指令;无人船终端作为作业的平台,负责搭载水质传感器按照规定

图1 信息化系统架构Fig.1 Information system architecture

的任务巡航并获取数据,终端上的树莓派作为现场主机负责下发指令以及解析数据。

无人船不仅需要集成多种作业设备,而且需要满足航行稳定的需求。设计船体的结构及外部设备如图2所示。无人船两侧各有一个船舱,船舱内装有直流无刷减速电机、气泵、水泵和传动结构。中控系统安装在尾部的船舱内,包括树莓派、测控板和移动Wi-Fi。

图2 无人船Fig.2 Unmanned surface vehicle

为了同时进行多种水质参数的测量,选用ZZ-WQS-MPA多参数自清洁传感器进行在线监测,具体性能和监测参数如表1所示。该传感器能够对溶解氧、浊度、pH和温度参数进行实时测量,其量程及精度符合内陆湖泊的监测需求。

表1 ZZ-WQS-MPA多参数自清洁传感器性能和监测参数Table 1 Performance and monitoring parameters of ZZ-WQS-MPA multi-parameter self-cleaning sensor

1.1 自动撒药和曝氧方案设计

絮凝沉降法是改善水质的一种重要方法,常用于黑臭水体应急处理[11]。为便于系统在检测到严重污染时作出快速响应,储药桶中装载了高浓度的絮凝剂溶液。船载作业装置如图3所示。其中A,B,C,D,E,F,G,H为电磁阀,由继电器控制。

图3 作业装置连接示意图Fig.3 Connection of working device

当检测装置检测到该水域浊度超标或氧质量浓度不足时,自动启动撒药或曝氧程序。

撒药具体流程如下：

1) 打开电磁阀A,D,H和水泵2,向储药桶6内注水,液位计3测定液位到达设定值后,关闭电磁阀D,H。

2) 打开电磁阀C,G,向储水桶5内注水,液位计4测定液位到达设定值后,关闭电磁阀A,C及水泵。

3) 打开气泵1及电磁阀B,D,待储药桶6内气压达到设定值时,打开电磁阀E,使储药桶6内的部分药水注入储水桶5中,达到设定值后关闭电磁阀E,G。

4) 打开电磁阀C,F,将稀释后的药水通过喷头7洒出,待撒药完毕后关闭电磁阀B,D,F。

5) 重复2)～4)步骤。

曝氧具体流程如下：

1) 打开水泵2及电磁阀A,向储水桶5中灌水，达到设定值时关闭电磁阀A。

2) 打开气泵1及电磁阀B,向储水桶5内加压,同时将喷头7转换为管口模式,通过高压水流落入水面增加水体与空气的接触

3) 重复1),2)步骤。

1.2 测控板设计

由于系统需要与多个设备进行通讯及控制,设计如图3所示的测控板。其主控芯片STM32F030C8T6外围电路包括2个量程可调的ADC接口、1个RS485通信接口、1个USB的串口通信接口、2个直流无刷电机输出控制信号组、8个可控24 V输出继电器。每块控制板输入电压为48 V,可分别向外围电路提供3.3,5,12 V电压。

图4 测控板Fig.4 Measurement and control board

测控板在接收到主机指令后的流程图如图5所示。上位机通过USB总线发送指令并经CH341T芯片转换为USART信号,单片机触发USART串口中断,并进入中断接收指令。单片机对接收到的指令进行判断,对合法指令作出响应。测控板在接收到完整传感器数据后,针对数据的内容进行准确性判断,并将准确数据发送给主控板并上传云端进行存储。

图5 测控板工作流程Fig.5 Work flow of measurement and control board

移动端APP界面如图6所示,用户可以查看各类型传感器实时监测的数据,包括各项水质指标、无人船当前所在位置及姿态。

图6 APP界面Fig.6 Interface of APP

同时,用户不仅可以查询指定日期和指定检测地点的历史数据,获取水质各项指标的历史变化趋势,而且可以指定目标检测点,查看系统规划的航行路径。

为使无人船具备自主航行能力,针对无人船的路径跟踪问题设计了双环PID控制器。

2.1 坐标转换

无人船在运行的过程中,船载控制中心会基于实时的GPS坐标,计算无人船当前位置和目标位置的距离,计算式为

(1)

(2)

同时,使用极坐标法求得两点间角度为

θ=atan2(sin(λ2-λ1)cosφ2,cosφ1sinφ2-
sinφ1cosφ2cos(λ2-λ1))

(3)

2.2 路径跟踪控制器设计

图7 路径跟踪控制器Fig.7 Path tracking controller

系统测试在上海交通大学闵行校区致远湖进行。测试前,通过卫星云图将目标河道的地图转换成栅格地图,并加载预设点的坐标。

首先,检验了无人船远程连接的稳定性和实时性,通过APP中的操控界面对无人船进行运动控制,结果证明无人船不仅能够在0.1 s内快速响应控制指令,而且能够将采集到的当前位置的水质参数实时显示在界面中。

然后,设定无人船进入自动航行状态,对设定的采样点进行数据采集。经过数据对比,无人船装载在线水质检测传感器测得的水质参数与采样后送检的水样测得的水质参数结果相近,部分数据如表2所示。由表2可知:氧质量浓度相对误差在1.0%以内,pH相对误差在0.9%以内,浊度相对误差在3.4%以内,以上数据均在该传感器的精度范围内,证明了在线检测的准确性。

表2 水质参数测量结果对比Table 2 Comparison of measurement results of water quality parameters

最后,系统对获得的水质参数进行实时处理和计算,并根据与整个水域检测平均值的偏离量标记出可能的水质异常点,在测试中,对浊度异常点进行单次洒药,结果如表3所示,喷洒的絮凝剂能够持续有效降低污染水体中的浊度。对溶解氧异常点进行持续0.5 h曝氧,结果如表4所示,在曝氧期间,水体中氧质量浓度明显提高,停止曝氧后,水中氧质量浓度又逐渐下降。

表3 浊度异常点管养结果Table 3 Results of turbidity-abnormal point management

表4 氧质量浓度异常点管养结果Table 4 Results of DO-abnormal point management

验证系统有效后,在上海市闵行区放鹤谷景观河道中进行实地部署,该水域为狭长形,长约300 m,宽约5 m。在更长的时间维度上,无人船系统采用每小时定点测量的方式对该水域进行监控,该水域从2021年7月19日15时开始共48 h的水质参数变化规律如图8所示。其中图8(a)为氧质量浓度的变化,过程中氧质量浓度为(8.12±0.28) mg/L,晚上的氧质量浓度略高于白天的氧质量浓度。图8(b)为温度的变化,过程中温度为(24.43±4.11) ℃。通过图8(a,b)的对比,湖泊中的氧质量浓度和水温呈现一定的负相关关系。图8(c)为浊度的变化,过程中浊度为(31.01±3.88) NTU。图8(d)为pH变化,过程中pH为8.07±0.3。浊度和pH都变化不大,说明该水域水质较为稳定。

图8 水质参数变化曲线Fig.8 Curve of water quality parameters

根据小型水域环境治理的需求,开发了一种无人船系统对城市水域进行水体管养。通过对船载测控板、航向控制器和云端平台等的设计,使该无人船具备实时采集水质参数、远程监控和开阔水域内自主导航等功能。实验结果表明:该系统可以对污染区域进行及时处理，不仅运行稳定,而且实时性好,获得的水质数据能满足监测要求。总体来说,该系统能在一定程度上解放人力,不仅有助于推动水质监测信息化的进步,而且有利于环境综合治理。

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