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原文传递一种河道水质监测系统及方法

专利名称：	一种河道水质监测系统及方法
摘要：	本发明提供了一种的河道水质自动监测系统与方法，该系统包括河道监测平台以及部署在监测区域的河道自动监测设备，其中河道自动监测设备包括太阳能监测站和无人监测船，河道监测平台用于对河道自动监测设备的综合管理、监测任务管理、监测数据的管理，太阳能监测站用于固定点位的水质监测以及无人监测船的停泊与充电，无人监测船用于对监测区域的河道水质、河道三维结构、地面情况进行自动监测。本发明将无人监测设备与传统的固定监测站结合，构建了一套完整河道水质自动监测系统，解决了固定监测站无机动性、监测范围有限、只能进行点监测的问题，以及无人监测船、无人机、水下机器人对河道水质监测的续航差、无法连续作业、时刻需要手动控制的问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	广东;44
申请人：	中山大学
发明人：	孙连鹏;林健新;邓欢忠;吕慧;左达任;金辉
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-05T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-15T00:00:00+0800
申请号：	CN201910488129.4
公开号：	CN110456013A
代理机构：	广州知顺知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	彭志坚
分类号：	G01N33/18(2006.01);G;G01;G01N;G01N33
申请人地址：	510275广东省广州市海珠区新港西路135号
主权项：	1.一种河道水质监测系统，其特征在于，包括河道监测平台和部署在河道上的多个河道自动监测设备，其中，河道自动监测设备，用于对河道进行自动水质监测，包括太阳能监测站、无人监测船，其中， 1)太阳能监测站，包括数据通信单元、电源管理单元、水质水量监测与变送单元，用于对河道的固定点位进行全天候的水质水量监测，以及向无人监测船提供停泊与充电的场所，其中， a)数据通信单元，用于将水质水量监测数据、电源管理数据发送至河道监测平台以及接收河道监测平台的监测参数配置值； b)电源管理单元，包括稳压模块、电池模块、太阳能板、无线充电发射模块，用于设备供电、太阳能充电、无人监测船无线充电； c)水质水量监测与变送单元，包括信号变送模块以及COD探头、氨氮探头、总磷探头、流速探头、液位探头、温度探头、pH探头、ORP探头、电导率探头、溶解氧探头，用于采集河道的水质水量数据，并将监测数据转化为电信号，发送至数据通信单元； 2)无人监测船，包括视频采集单元、电源管理单元、处理与控制单元、数据通信单元、定位单元、无人机单元、无人机管理单元、综合监测与变送单元，用于对河道进行自动或者手动巡航和综合水质监测、暗管排查、河道三维结构获取、水面情况拍摄、无人机停降与管理； a)视频采集单元，包括旋转云台、摄像照明一体模块，用于对水面情况以及排放口进行视频拍摄； b)电源管理单元，包括电池模块、无线充电接收模块，用于设备供电以及充电； c)处理与控制单元，包括处理器、视频处理模块、时钟模块、数模转换模块、存储模块，用于接收信号变送模块的电信号并转化了相应的数字信号，以及接收视频采集单元拍摄的视频数据，处理器与视频处理模块对监测数据以及视频进行分析处理，根据处理结果作出相应的设备调整，并将数据进行存储； d)数据通信单元，用于接收河道水质平台的监测任务、手动控制信号、设备参数配置值以及无人机数据，并将监测数据、视频数据、设备数据发送至河道监测平台； e)定位单元，包括RTK模块、GPS模块，用于无人监测船的高精度定位； f)无人机单元，包括通讯模块、飞控模块、GPS模块、旋转云台、摄像模块、动力能源模块、光流模块、避障模块、充电接收模块、固定模块、高光谱成像仪，用于对监测区域进行自动或者手动航拍以及高光谱成像，以及在无人监测船上定点停降和自动充电； g)无人机管理单元，包括停降甲板、辅助标识、充电输出模块、固定模块，用于向无人机提供停降空间以及停降时的定位参考标识，并在停降后对无人机进行充电以及固定功能； h)综合监测与变送单元，包括信号变送模块、主水质探头、潜水式监测模块、声呐探头，其中主水质探头由COD探头、氨氮探头、总磷探头、流速探头组成，潜水式监测模块由摄像照明一体模块、运动机构、测深模块、副水质探头组成，副水质探头由温度探头、pH探头、ORP探头、电导率探头、溶解氧探头、其它探头组成，主水质探头固定在无人监测船底部，用于对无人监测船所在位置的水质进行监测，潜水式监测模块用于对无人监测船所在位置的水质进行监测以及通过扩展运动对无人监测船周围一定范围的区域进行水质监测，声呐探头用于对于河道三维结构扫描与河道两侧的结构扫描，信号变送模块用于将水质监测数据转化为电信号并发送至处理与控制单元；河道监测平台，用于对河道自动监测设备的综合管理、监测任务管理、监测数据的管理，包括： 1)数据接收存储单元，用于接收各个河道自动监测设备的设备参数以及监测数据，并对数据进行存储； 2)数据处理与编辑单元，根据河道自动监测设备的设备参数以及监测数据，对数据进行分析处理，并进行扩展填报以及生成相应的监测报告； 3)用户操作交互界面，用于向管理员展示实时的水质监测数据以及设备状态，并提供设备参数设定、手动控制、数据管理的功能； 4)任务管理单元，用于管理员对各个河道自动监测设备下达监测任务，并查看历史任务详情以及相应的任务数据； 5)报警单元，用于将河道自动监测设备的运行状态和水质监测数据的处理结果转换成报警信号，包括设备电量报警、设备信号报警、防盗报警、设备故障报警、水质异常报警、其它报警，并向管理员发出报警信号； 6)辅助决策单元，用于根据预设的方案库对水质监测数据的处理结果对监测任务方案进行自动优化，以及对报警信号进行自主决策解决或向管理员提供解决方案。 2.根据权利要求1所述的河道水质监测系统，其特征在于，所述太阳能监测站的无线充电发射模块以及无人监测船的无线充电接收模块均采用功率在150-250W线圈。 3.根据权利要求1所述的河道水质监测系统，其特征在于，所述无人机单元的充电接收模块为安装在处于对角位置的两个脚架底部的金属触点，所述金属触点分别与无人机电源正负极相连。 4.根据权利要求1所述的河道水质监测系统，其特征在于，所述无人机管理单元的固定模块为安装在停降甲板上的电磁铁吸盘，所述电磁铁吸盘为断电带磁通电无磁，安装位置为无人机停降时不带充电接收模块的脚架所处的位置。 5.根据权利要求1所述的河道水质监测系统，其特征在于，所述无人监测船的潜水式监测模块安装在无人监测船底部的潜水艇，安装方向为垂直向下，无人监测船通过线缆向潜水式监测模块供电与传输信号。 6.根据权利要求1所述的河道水质监测系统，其特征在于，所述无人监测船的声呐探头安装在无人监测船底部，所述声呐探头与旋转电机相连，旋转中心轴与无人监测船前进方向平行。 7.一种应用权利要求1所述系统的河道水质监测方法，其特征在于，该方法包括： S1确定监测区域：并根据需要监测的河段框选出与监测河段相关的地面区域，共同组成需要监测区域，作为无人监测船与无人机的活动范围； S2获取监测区域基础数据：手动操控无人监测船及其搭载的无人机对监测范围进行全覆盖的巡航监测，得出监测区域的基本河道水质参数、地面基本情况、河道的三维结构以及暗管的分布情况； S3搭建河道监测平台：根据上一步的测量数据以及现有下垫面资料、管网资料、其它与污染源相关的资料构建监测区域的虚拟仿真模型，在虚拟仿真模型的基础上搭建河道监测平台； S4布置安装监测设备：在监测区域的河道上布置安装太阳能监测站，并投放无人监测船，进行一次监测区域全覆盖的无人值守巡航监测任务，确保设备的正常运行； S5下达监测任务：管理员在河道监测平台上下达监测任务，并设定河道自动监测设备的运行参数； S6自动完成监测任务：河道自动监测设备根据监测任务对河道进行自动监测，并根据监测数据自动选择常规自动巡航模式或者高级自动巡航模式，然后将监测数据与设备状态参数传回监测平台； S7监测数据分析与处理：河道监测平台接收监测数据与设备状态参数后进行储存与处理，然后在监测区域的虚拟仿真模型中展示，并将突发状况与异常数据向管理员发出警报； S8监测设备的后续维护：管理员通过河道监测平台管理监测任务、查看或导出监测数据、查看设备信息、配置设备参数以及其它操作，完成对监测区域的日常监测任务、监测设备的管理维护以及突发状况的处理。 8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中无人监测船对河道进行自动监测的工作方法流程如下： 1)无人监测船由待机状态中唤醒，进行设备自检，若自检不通过，进入维护模式，进行人工维护后重新自检； 2)设备自检通过后发送指令至河道监测平台，若接收到平台指令，根据指令执行任务配置、手动操作相关动作，否则，进入常规自动巡航模式，根据预设监测任务进行自动巡航； 3)进入巡航区域，持续判断是否存在安全风险，包括剩余电量风险、信号强度风险、气象条件风险，若存在风险，则立即返回至太阳能监测站，否则，进行水质与地理数据常规监测，并将监测数据进行初步处理、储存与发送至河道监测平台，其中，剩余电量风险判断计算方法如下：如无特殊说明，以下所有计算中i代表太阳能监测站编号或者其它设施编号，j代表无人监测船编号，k代表无人机编号，t代表时间排序，如t＝1表示最新获取的数值，i，j，k，t＝1、2… a)排除故障的太阳能监测站： If Mai＝0，Pdi＝1，if not，Pdi＝Pdi 其中， Mai为太阳能监测站工作模式状态值，0为停用维护，1为常规监测，2为密集监测； Pdi为太阳能监测站停泊无人监测船状态值，0代表无，1代表有， b)最近可充电监测站选取及剩余电量计算：其中， Qmj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值，％ Qbj1为当前无人监测船的电池电量值，％ Pbj1为当前无人监测船的耗电速度值，％/min Pdi为太阳能监测站停泊无人监测船状态值，0代表无，1代表有， Xbj1为当前无人监测船的x坐标值，m Xai为为太阳能监测站的x坐标值，m Ybj1为当前无人监测船的y坐标值，m Yai为太阳能监测站的y坐标值，m Vbj1为当前无人监测船航速值，m/s c)进行低电量报警： If Qmj-Qlj≤0，Wbj＝1，if not，Wbj＝0 其中， Qmj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值，％ Qlj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值下限，％ Wbj为无人监测船电量报警状态值，0代表无，1代表有， 4)当监测数据存在异常时，无人监测船向平台发出警报以及接管申请，若收到平台指令，则进入手动操作模式，否则，将进入高级自动巡航模式，其中，水质异常识别的计算方法如下：监测站：监测船：其中， Qditp为太阳能监测站水质水量各项监测值，p＝1-10，1为COD、2为氨氮、3为总磷、4为流速、5为液位、6为温度、7为pH、8为ORP、9为电导率、10为溶解氧， Qejtp为无人监测船水质水量各项监测值，p取值同上； Qhp为水质监测警戒值，p取值同上； Wap为水质监测波动幅度警戒触发值，％，p取值同上； Adip为太阳能监测站水质水量监测采集密度，次/s，p取值同上； Tap为水质监测波动时间间隔警戒设定值，min，p取值同上； Wdip为太阳能监测站水质报警状态值，0代表无，1代表有，p取值同上； Weip为无人监测船水质报警状态值，0代表无，1代表有，p取值同上； 5)完成监测任务后，无人监测船自动返回至太阳能监测站，并进入休眠状态。 9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中高级巡航模式的工作方法流程如下： 1)进行上游排放口识别，识别出距离数据异常位置最近的上游排放口，判断其是否为暗管排放口，若是，则启用潜水式水质监测模块对其进行水质监测，否则对其进行视频拍摄，其中上游排放口识别计算方法如下： a)计算无人监测船所在位置河道方向：其中， Ddjt为无人监测船所在位置河流预设走向，正东为0°，正北为90°，Ddjt∈[0，360) Xbjt为无人监测船的x坐标值，m Xei为河岸节点的x坐标值，m Ybjt为无人监测船的y坐标值，m Yei为河岸节点的y坐标值，m b)判断河道真实流向：其中， Dejt为无人监测船所在位置河流当前走向角度，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0，360) Dajt为无人监测船的偏航角，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0，360) Ddjt为无人监测船所在位置河流预设走向角度，正东为0°，正北为90°，Ddjt∈[0，360) Qejt4为无人监测船流速监测值，船头指向为负值； c)识别最近上游排放口：其中， Dfit为排放口相对于无人监测船的角度，正东为0°，正北为90°，Dfit∈[0，360) Xdi为排放口的x坐标值，m Xbjt为无人监测船的x坐标值，m Ydi为为排放口的y坐标值，m Ybjt为无人监测船的y坐标值 Dejt为无人监测船所在位置河流当前走向角度，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0，360) d)判断排放口状态： If Qfjt11-Hei-Hdi≥0，Oai＝1，if not，Oai＝0 其中， Qfjt11为无人监测船深度监测值，m Hei排放口高度值，m Hdi排放口管底距离河底高度值，m Oai排放口状态判断值，0为非暗管状态，1为暗管状态， 2)进行无人机自检，若自检不通过，进入维护模式，进行人工维护后重新自检； 3)通过自检后无人机启动，持续判断是否存在安全风险，包括剩余电量风险、信号强度风险、气象条件风险，若存在风险，则立即返回至无人监测船，否则，进行高光谱水质监测，其中，剩余电量风险判断计算方法如下： a)排除故障的无人船： If Mbi＝0，Pei＝1，if not，Pei＝Pei 其中， Mbi为无人监测船工作模式状态值，0为停用维护，1为常规监测，2为高级监测，3为自动回航，4为待机休眠，5为手动， Pei为无人监测船停降无人机状态值，0代表无，1代表有， b)最近可充电无人船选取及剩余电量计算：其中， Qpk为无人机停降时的剩余电量预测值，％ Qck1为当前无人机的电池电量值，％ Pck1为当前无人机的耗电速度值，％/min Pej为无人监测船停降无人机状态值，0代表无，1代表有， Xck1为当前无人机的x坐标值，m Xbj1为当前无人监测船的x坐标值，m Yck1为当前无人机的y坐标值，m Ybj1为当前无人监测船的y坐标值，m Hck1为当前无人机的高度值，m Vck1为当前无人机航速值，m/s c)进行低电量报警： If Qpk-Qok≤0，Wck＝1，if not，Wck＝0 其中， Qpk为无人机停降时的剩余电量预测值，％ Qok为无人机停降时的剩余电量预测值下限，％ Wck为无人机电量报警状态值，0代表无，1代表有， 4)判断附近是否存在支流口或者可疑对象，若有，则进入支流拍摄模式或者可疑对象跟踪拍摄模式，否则，无人机回航以及自动停降，并进入休眠状态。
所属类别：	发明专利