基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统技术方案

本发明专利技术属于环境监测技术领域，公开了一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，该方法是由船载重力仪持续获取途经的被监控河流区段内各水体坐标点的实测垂向重力数据，当重力仪采集的河流某坐标点的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比的变化率达到设定阈值时，初步判定该坐标点的水质存在异常，随机将该坐标点标记为随机采样点，自动触发无人船采样装置对该随机采样点进行深水采样、并记录组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息。本发明专利技术通过实时采集被监控河流水体的垂向重力数据，对动态检测到的水体重力数据变化率达到设定阈值的坐标点，自动定位、采样，并实现对不同深度水体的批量采样。体的批量采样。体的批量采样。

【技术实现步骤摘要】
基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统


[0001]本专利技术涉及环境水体污染检测
，尤其涉及一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统。

技术介绍

[0002]随着现代工业技术的快速发展，污染问题越来越突出，环境保护问题受到了全社会的高度关注。水是自然环境的重要资源，但随着其污染问题逐渐严重、水生态环境恶化，对依法监管和治理提出了更高的要求。为了全面了解和评估流域环境水体受到污染的影响程度，同时也为了及时应对各类突发的水环境污染事件，需要专业机构及主管部门定期（定时）开展对辖区内的河流、湖泊等环境水体进行巡检和水样采集，以获得准确流域内的环境水体浓度，针对性的提出水体污染治理措施有着重要意义，及时发现和惩治违法违规排污事件，保障水体生态环境安全。
[0003]目前各种环境水体的水质（污染）检测、监测方法，以及各种水质检测方法都逐渐兴起并得到了广泛的应用，并且能够解决大多数的问题。但是，在自然河流、湖泊等自然水体中，部分经营主体未经许可而采用深层、暗管排放污水的方式，具有极强的隐蔽性，难以被及时的发现和验证、并进行处理。
[0004]现有技术的无人船水样采集装置通过在无人船设置取水管伸入到监测水域中进行水样的采集，无法在对应河道断面不同深度水域的水样进行采集，同时也无法实现在单个采样点不同深度的批量采样，从而对单个河道断面上的水体采样不够准确，影响对水污染情况的了解和评估。更为重要的是，现有的无人船水样采集装置，只能根据预审的路径和坐标进行采样，无法自行检测环境水体的水质变化、不能发现深水中是否存在暗管排放的情况，也不能自行对暗管排放点进行深水采样。
[0005]当水污染事件发生时，污染物溶入或者混入正常水体中，会直接改变正常水体的密度、色彩等，因此对于采用沟渠、明管排放的污水，监测人员通过对表层水体的观察、采样，即可发现和处置。但是，对于采用深水沉管（通常在水面下深度5
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10米）、向流动水体（河流、湖泊）暗排的污水，由于其污染物多数是可溶于水、对受污染及其周边水体的密度影响较大、显著改变排污口的水体密度、流速和流向，但是由于深层水体的流动和稀释作用，监测人员难以通过表层水体上直观的观察到水体的变化，因而不能及时发现和处置深水沉管暗排事件；同时，现有采样设备也不支持不同深度的水体断面批量采样，不能准确的判断出排污口所处的深度，以及对于排污口附近不同深度水体的污染程度。
[0006]例如，现有技术，专利技术专利申请号为CN201821374895.5的文献公开了一种环境水体采集或应急的自动化无人船装置，其包括采样船、采样装置、动力装置、航行控制系统、岸边地面控制终端；采样装置包括按压式抽水泵，三通连接管，进水管，进水阀，接样阀门，样品保护罩，接样口，样品瓶，隔震抬升垫。该文献利用进水管伸入到监测水域中、进行常规采样点水样的采集，无法实现精准自动巡航，也不能自动发现存在水质异常情况的地点，并对该随机发现的水质异常位置作为随机采样点、自动触发采样。
[0007]因此，现有技术的无人船采样时，不能自动发现存在水质异常情况的地点，不能实现在单个河道（特别是可能存在暗管排放河道）断面上，对不同深度采样点的采样，也无法实现对单个采样点不同深度的批量采样；因而，不能实现在巡航过程中对环境水体水质的动态检测（以发现可疑排放点），对单个河道断面上的水体采样的坐标不够准确、不能兼顾不同的采样深度，影响对环境水体（河流、湖泊等）水污染情况的全面了解和评估，而且采样效率也不高。此外，现有技术对一次航行采集到的水样样品也缺乏有效的信息化管理，无法清楚的记录和区分各水样样品的采集位置，增加了后续的工作量。
[0008]因此，亟需开发一种基于重力测量检测深层水质变化、多模式触发采样的水体无人船自动采样方法及系统，其能基于组合导航和数据传感而进行全航程自动监测、自动发现可疑的暗管排放点，程序控制采样和自动触发采样相结合，实现一次航行、全河流（全流域）监测、全监测点自动批量采样，并能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，从而提高水体监测巡航和水样采集的效率，对环境监测和水污染违法事件处理提供强有力保证。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于针对上述的不足，提供一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法及系统，基于高精度船载重力仪机构对水体实测垂向重力数据的感知，全航程自动监测、自动发现可疑的暗管排放点并采样，能实现一次航行、全河流监测区段、全过程监测和自动化、批量采样，并对各采样点的水样样品进行标记标识，能清楚记录和区分各水样样品的采集位置，还能实现单个采样点不同深度的批量采样，能够准确获取污染水体不同深度的污染数据，批量采样提高采样效率。
[0010]本专利技术提供的技术方案如下：一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，其是在无人船上设置船载重力仪机构，由该船载重力仪机构内置的重力仪持续获取途经的被监控河流区段内水体各坐标点的实测垂向重力数据，当重力仪采集的河流某坐标点水体的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比的变化率达到设定阈值时，初步判定该坐标点水体的水质存在异常，随机将该坐标点标记为随机采样点，自动触发无人船采样装置对该随机采样点的水体进行深水采样、并记录组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息，其具体包括以下步骤：S1、设置无人船：设置一基于GNSS/MEMS组合惯性导航的环境水体无人船，该船上设有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器、PLC控制器、采样装置及船载重力仪机构，该船载重力仪机构中设有重力仪；预先规划被监控河流区段的巡航路径，并预先设置多个常规采样点的信息；S2、启动无人船巡航：启动无人船，通过岸边地面控制终端，控制无人船上的航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器，控制无人船按照预先规划的采样点航行路径，依次巡航、到达预设的各采样点；在此过程中，船载重力仪机构保持预先设置的固定间隔距离，依次获取途经的被监控河流区段内各坐标点的实测垂向重力数据，并自动进行比较计算；S3、持续测量定位并启动采样：无人船航行中，无人船上的GNSS/MEMS/红外测距传
感器组合导航器对无人船进行定位/测距，并且根据下列三种方式之一定位并采样：方式一：程序自动控制常规采样点的采样：无人船在航行中，当GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置与预先指定的任一常规采样点位置重合时，PLC控制器内置的采样程序发出采样指令，自动控制采样装置进行采样；方式二：船载重力仪机构触发随机采样点的自动采样：无人船在航行中，在任意坐标位置上，当船载重力仪机构采集途经的河流区段内某坐标点的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比变化率达到设定阈值时，随机即自动发送采样指令、触发PLC控制器启动采样装置对该随机采样点进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息；方式三：人工发送本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，其是在无人船上设置船载重力仪机构，由该船载重力仪机构内置的重力仪持续获取途经的被监控河流区段内水体各坐标点的实测垂向重力数据，当重力仪采集的河流某坐标点水体的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比的变化率达到设定阈值时，初步判定该坐标点水体的水质存在异常，随机将该坐标点标记为随机采样点，自动触发无人船采样装置对该随机采样点的水体进行深水采样、并记录组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息。2.根据权利要求1所述的基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设置无人船：设置一基于GNSS/MEMS组合惯性导航的环境水体无人船，该船上设有GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器、PLC控制器、采样装置及船载重力仪机构，该船载重力仪机构中设有重力仪；预先规划被监控河流区段的巡航路径，并预先设置多个常规采样点的信息；S2、启动无人船巡航：启动无人船，通过岸边地面控制终端，控制无人船上的航行控制装置，航行控制装置启动GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器，控制无人船按照预先规划的采样点航行路径，依次巡航、到达预设的各采样点；在此过程中，船载重力仪机构保持预先设置的固定间隔距离，依次获取途经的被监控河流区段内各坐标点的实测垂向重力数据，并自动进行比较计算；S3、持续测量定位并启动采样：无人船航行中，无人船上的GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器对无人船进行定位/测距，并且根据下列三种方式之一定位并采样：方式一：程序自动控制常规采样点的采样：无人船在航行中，当GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置与预先指定的任一常规采样点位置重合时，PLC控制器内置的采样程序发出采样指令，自动控制采样装置进行采样；方式二：船载重力仪机构触发随机采样点的自动采样：无人船在航行中，在任意坐标位置上，当船载重力仪机构采集途经的河流区段内某坐标点的实测垂向重力数据，与该坐标点隔日数据或当日相邻坐标点的数据相比变化率达到设定阈值时，随机即自动发送采样指令、触发PLC控制器启动采样装置对该随机采样点进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该随机采样点的坐标信息；方式三：人工发送指定采样点的自动采样：无人船在航行中，GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到无人船到达的坐标位置发送至岸边地面控制终端，岸边地面控制终端的操作人员，人工向无人船的PLC控制器发送对指定采样点的坐标信息和采样指令，PLC控制器启动采样装置进行采样、并记录GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器感知到的该指定采样点的坐标信息；S4、进行采样：当无人船的PLC控制器接收到采样指令时，航行控制装置控制无人船停止行驶，PLC控制器控制采样装置的水样采集管投进指定待采样的环境水体中，水样采集管下沉至所需深度时，采样装置控制水样采集管停止下沉，并将水样采集管下沉到位信息反馈至PLC控制器；同时，所述PLC控制器控制搬运机器手将多个空的样品瓶搬至传送装置的始端，PLC控制器控制传送装置正转，传送装置将多个空的样品瓶传送至加液样机构的多个加液样端口下方；
S5、不同深度的批量采样：当PLC控制器控制水样采集管下沉到第一深度，接收到水样采集管下沉到第一深度的到位信息后，控制水样采集管中的第一批多个采液管进水孔同时采样、完成后关闭各采液管的进水孔；第一深度采样完成后，再使水样采集管下沉到第二深度、控制水样采集管中的第二批多个采液样进水孔同时采样；如此类推完成多个深度的采样，将水样采集管收回到船上；所述各批水样采集管分别将采集到的该采样点多个深度的液样，转存至设有对应深度标记的样品瓶中，当各样品瓶均完成液样转存后，采样装置将采集液样完成的信息反馈至所述PLC控制器；S6、保存当前采样点的液样：当所述PLC控制器接收到采集液样完成的信息后，所述PLC控制器控制传送装置反转，所述传送装置将多个已装有液样的样品瓶传送至传送装置的始端，同时，所述PLC控制器控制标记扫码装置对该批次的多个已装有液样的样品瓶进行扫码标记，并将标记信息通过PLC控制器发送至岸边地面控制终端进行记录保存，完成当前采样点的液样采集；S7、依次完成巡航和采样：当前采样点的液样采集完成后，航行控制装置控制无人船恢复行驶，航行至被监控河流区段内的下一个采集点，重复步骤S3至S6，直至完成整个被监控河流区段的巡航和采样；S8、自动返航：无人船完成取样后，根据最后采样点的经纬度坐标，与无人船出发点间自动生成返航路线，自动返航。3.如权利要求2所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：S2
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1、信息获取，无人船的GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器与岸边地面控制终端通过频道建立网络连接，获得各预设采样点与出发点之间的地理卫星图数据，输入无人船出发点与各预设常规采样点的经纬度信息；S2
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2、路线规划，所述岸边地面控制终端按照最短路径算法规划无人船出发点至各预设常规采样点的航线路径，结合避障规则，规避障碍物，生成较为平滑的行驶路线；S2
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3、GNSS/MEMS/红外测距传感器组合导航器与航行控制装置控制无人船自动航行，在航行过程中随机定位，获取航行中无人船的航向、航速、姿态数据，并反馈至岸边地面控制终端，同时，水流流速传感器将收集到的无人船航速数据，船载重力仪机构将采集到的实测重力数据，实时传输回岸边地面控制终端。4.如权利要求2所述基于无人船重力测量的水质检测自动采样方法，其特征在于，所述步骤S3还包括以下步骤：步骤S3
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1：方式一与方式三中，若无人船当前位置坐标信息与对应预设常规采样点的坐标位置信息超过预设的采样点最大半径，则航行控制装置控制无人船进行位置纠正，然后再执行由程序自动触发的采样，或者执行岸边地面控制终端向无人船的PLC控制器发送采样指令的采样；步骤S3

【专利技术属性】
技术研发人员：石运刚，庄僖，卓丽，杜东伟，胡凤琦，郑晶，于云江，
申请(专利权)人：重庆市固体废物管理中心，
类型：发明
国别省市：