一種基于無人設備的水質巡檢、污染物溯源系統及其方法與流程

本發明屬于無人機和無人船技術領域，具體而言，涉及一種由無人船與無人機協同配合的水質巡檢、污染物溯源系統及其方法。

背景技術：

近年來，受人類活動的影響，水資源污染越來越嚴重，近半數水資源收到嚴重污染，因此，在水質管理的基礎上實現湖泊水庫水質的監測顯得格外重要。目前我國水質監測主要依靠人工監測和無人船監測及部分無人機巡檢。其中，人工監測需要實地采樣，周期很長且需要消耗大量人力物力。而利用無人船搭載的水質檢測設備已經實現移動監測水質情況，大部分水面水體監測的傳感器均可搭載在無人船上，無人船具有布放靈活、成本經濟等特點，但是在對應對大面積污染時無人船對水質的取樣監測數據仍然不能具有科學全面的代表性，在對污染源溯源方面具有相當的局限性。無人機在水質監測方面的應用可以提供大范圍的監測，能夠快速了解區域污染范圍情況，但是鑒于目前無人機發展情況，無人機面臨著巡航時間短的問題，而且無人機只對能引起水體顏色變化的污染源來區分水質。

技術實現要素：

為了克服現有技術無人機和無人船單獨作業監測水質的不足，本發明旨在提供一種由無人船與無人機協同配合的水質巡檢、污染物溯源系統及其方法，以實現路徑優化的水質監測以及科學合理地對水域污染源進行追蹤。

為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：

一種基于無人設備的水質巡檢、污染物溯源系統，由無人機、無人船和岸基監控系統組成；

所述無人機包括機體、飛行控制系統、無人機通信系統、螺旋槳、蓄電池、充電接口、無人機導航系統和機載視頻監測設備；

所述飛行控制系統通過所述無人機通信系統與所述無人船以及所述岸基監控系統通信連接，控制所述無人機的飛行路線和飛行姿態；所述機載視頻監測設備用于對排污口的搜尋并拍照取證，所述機載視頻監測設備通過所述無人機通信系統向所述岸基監控系統回傳高清視頻或照片；所述無人機導航系統用于對所述無人機的當前位置進行定位，并將位置坐標通過所述無人機通信系統發送至所述無人船，為所述無人船進行引導；

所述無人船包括船體以及設置在所述船體內的主控制系統、無人船通信系統、動力系統、無人船導航系統、水質檢測設備和船載視頻監測設備；所述無人船的船體上設置有供所述無人機停靠的停機坪以及可與所述無人機上的所述充電接口對接的充電裝置；

所述主控制系統通過所述無人船通信系統與所述岸基監控系統通信連接，用于控制所述無人船的航行以及控制水質數據信息采集流程；所述主控制系統通過所述無人船通信系統與所述無人機通信連接，用于控制所述無人機的飛行；所述船載視頻監測設備用于對水面污染情況的進行拍攝，并將拍攝到的視頻傳送至所述主控制系統；所述無人船導航系統用于對所述無人船進行定位，并將所述無人船的位置坐標傳送至所述主控制系統；所述在水質檢測設備用于對污染水域進行水質數據采集，并將采集到的水質數據傳送至所述主控制系統；所述主控制系統通過無人船通信系統分別將拍攝到的視頻、所述無人船的位置坐標以及采集到的水質數據發送至所述岸基監控系統，用于污染物濃度分布圖的繪制。

優選的，所述無人機為無人直升機、多軸飛行器、旋翼飛行器。

優選的，所述無人機通信系統和所述無人船通信系統均為3G/4G模塊。

優選的，所述無人機導航系統和所述無人船導航系統均為GPS模塊。

一種基于無人設備的水質巡檢、污染物溯源方法，包括以下步驟：

步驟1）無人船通過無人船導航系統航行至受污染水域的采集點，然后利用水質檢測設備進行水質數據信息的采集，并將采集點的坐標位置（X,Y）以及該采集點的污染物濃度數據（Z）通過無人船通信系統發送至岸基監控系統的服務器上；

步驟2）岸基監控系統將各個采集點的污染物濃度數據作為基礎，利用MATLAB軟件進行二維差值擬合，作出主要污染物在該受污染水域的濃度分布圖，并判斷出最大濃度可疑污染源的所在位置；

步驟3）岸基監控系統根據污染物濃度分布圖設計出優化路徑，通過無人船通信系統指揮無人船沿著優化路徑向最大濃度可疑污染源靠近，同時，無人船在航行途中繼續對水質進行檢測，并將這些水質數據進一步通過無人船通信系統上傳到岸基監控系統的服務器中，隨著無人船的航行，收集到的水質數據越來越多，擬合的數據也更加準確；

步驟4）當無人船到達污染源附近時，由于無人船視野不夠開闊，航行速度也相對較慢不利于對污染源排放口位置的尋找，此時岸基監控系統通過無人機通信系統啟動無人船上承載的無人機，并向無人機發送污染物濃度分布圖，無人機根據污染物濃度分布圖，并利用機載視頻監測設備對污染源排放口進行高空搜尋；

步驟5）無人機通過無人機通信系統將在高空拍攝到的視頻畫面直接回傳到岸基監控系統，由岸基監控系統對視頻畫面中的內容進行分析和判斷；

步驟6）當岸基監控系統在無人機傳回的視頻畫面中發現可疑目標后，無人機立刻通過無人機導航系統定位當前的位置坐標，并通過無人機通信系統將該位置坐標發送無人船，引導無人船駛近該可疑目標進行進一步確認；

步驟7）當無人船駛近可以目標后，通過無人船上的船載視頻監測設備對可疑目標進行視頻拍攝，視頻畫面通過無人船通信系統發送至岸基監控系統進行確認；

步驟8）當確認該可疑目標確實為污染物排放口時，岸基監控系統3控制無人機1上的機載視頻監測設備和無人船上的船載視頻監測設備對污染物排放口進行拍照取證；

步驟9）無人船通過無人船導航系統對該污染物排放口進行定位，并通過無人船通信系統將該污染物排放口的位置坐標信息上傳至岸基監控系統；

步驟10）當取證完成后，無人機著陸至無人船的停機坪上，無人機上的充電接口與無人船上的充電裝置對接，為無人機進行充電，等待下一次起飛任務。

本發明的有益效果是：

本發明在充分考慮了無人船和無人機在水質監測時的優缺點后，提供了一種全新的水質監測方式，采用無人船搭載無人機的方式對污染水域進行立體式巡檢。無人船可以對污染水域的水質數據進行采集，岸基監控系統利用監測到的水質數據繪制出該水域的污染物濃度分布圖，并優化無人船的巡檢路徑。無人機則作為補充手段，當無人船發現可以目標后，無人機可在高空進行搜尋，進一步確認污染源。無人船為無人機提供停機坪，能夠方便無人機靈活地應急啟動，并為無人機供電，可以最大限度地提高無人機的航程。二者的結合既利用了無人機視野較廣闊的特點，可以進一步對污染源實現追蹤，又較好地彌補了無人船（搜尋范圍狹小）或無人機（航程短）單獨巡檢的缺陷，有助于水質監測的高效化和精確化，提高了水質監測的信息化水平。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。本發明的具體實施方式由以下實施例及其附圖詳細給出。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明系統的結構框圖；

圖2為本發明方法的流程圖；

圖3a為Von.Ncumann型元胞鄰居模型示意圖；

圖3b為Moorc型元胞鄰居模型的示意圖；

圖3c為擴展的Moorc型元胞鄰居模型的示意圖；

圖4為本發明實施例中某個污染物元素的濃度分布圖；

圖5為本發明實施例中各個污染物元素的散點圖；

圖6為本發明實施例中各污染物元素主要污染源的散點圖。

圖中標號說明：1、無人機；2、無人船；3、岸基監控系統；11、機體；12、飛行控制系統；13、無人機通信系統；14、螺旋槳；15、蓄電池；16、充電接口；17、無人機導航系統；18、機載視頻監測設備；21、船體；22、主控制系統；23、無人船通信系統；24、動力系統；25、無人船導航系統；26、水質檢測設備；27、充電裝置；28船載視頻監測設備。

具體實施方式

下面將參考附圖并結合實施例，來詳細說明本發明。

參見圖1所示，一種基于無人設備的水質巡檢、污染物溯源系統，由無人機1、無人船2和岸基監控系統3組成；

所述無人機1包括機體11、飛行控制系統12、無人機通信系統13、螺旋槳14、蓄電池15、充電接口16、無人機導航系統17和機載視頻監測設備18；

所述蓄電池15的一端與所述充電接口16連接，所述蓄電池15的另一端與所述飛行控制系統12連接，為所述無人機1上所有的設備供電；所述飛行控制系統12分別與所述無人機通信系統13、所述螺旋槳14和所述無人機導航系統17連接；所述飛行控制系統12通過所述無人機通信系統13與所述無人船2以及所述岸基監控系統3通信連接，控制所述無人機1的飛行路線和飛行姿態；所述機載視頻監測設備18用于對排污口的搜尋并拍照取證，并通過所述無人機通信系統13向所述岸基監控系統3回傳高清視頻或照片；所述無人機導航系統17用于對所述無人機1的當前位置進行定位，并將位置坐標通過所述無人機通信系統13發送至所述無人船2，為所述無人船2進行引導；

所述無人船2包括船體21以及設置在所述船體21內的主控制系統22、無人船通信系統23、動力系統24、無人船導航系統25、水質檢測設備26和船載視頻監測設備28；所述無人船2的船體21上設置有供所述無人機1停靠的停機坪以及可與所述無人機1上的所述充電接口16對接的充電裝置27；

所述主控制系統22分別與所述無人船通信系統23、所述動力系統24、所述無人機導航系統25和所述水質檢測設備26連接；所述動力系統24為所述無人船2提供航行動力；所述主控制系統22通過所述無人船通信系統23與所述無人機1通信連接，用于控制所述無人機1的飛行；所述船載視頻監測設備28用于對水面污染情況的進行拍攝，并將拍攝到的視頻傳送至所述主控制系統22；所述無人船導航系統25用于對所述無人船2進行定位，并將所述無人船2的位置坐標傳送至所述主控制系統22；所述在水質檢測設備26用于對污染水域進行水質數據采集，并將采集到的水質數據傳送至所述主控制系統22；所述主控制系統22通過無人船通信系統23分別將拍攝到的視頻、所述無人船2的位置坐標以及采集到的水質數據發送至所述岸基監控系統3，用于污染物濃度分布圖的繪制。

優選的，所述無人機1為無人直升機、多軸飛行器、旋翼飛行器。

優選的，所述無人機通信系統13和所述無人船通信系統23均為3G/4G模塊。

優選的，所述無人機導航系統17和所述無人船導航系統25均為GPS模塊。

參見圖1和圖2所示，一種基于無人設備的水質巡檢、污染物溯源方法，包括以下步驟：

步驟1）無人船2通過無人船導航系統25航行至受污染水域的采集點，然后利用水質檢測設備26進行水質數據信息的采集，并將采集點的坐標位置X,Y以及該采集點的污染物濃度數據通過無人船通信系統23發送至岸基監控系統3的服務器上。

步驟2）岸基監控系統3將各個采集點的污染物濃度數據作為基礎，利用MATLAB軟件進行二維差值擬合，作出主要污染物在該受污染水域的濃度分布圖，并判斷出最大濃度可疑污染源的所在位置，具體方法如下：

由分析可知，污染物的分布是連續的，同時由于物質的擴散是從高濃度向低濃度進行的，在擴散模型中某區域濃度最高的點可能就是擴散源，所以各污染物空間分布中的極值點就可能是污染物的傳播模型中污染源。因此問題的求解就轉化為擬合出的污染物空間分布曲面上搜索極值的問題。搜索極值的現代算法有模擬退火、遺傳算法、魚群算法等多種。考慮的模型中所搜索的域有限，且目標解數目不確定，遍歷搜索是較好的方法。得出極值點后再結合視頻分析篩選出污染源。

依據各污染物元素濃度在該污染水域的空間分布，得到濃度分布矩陣Z，進而結合MATLAB軟件建立搜索模型。

Z是100×100的矩陣，借鑒元胞的思想建立一個100×100規模的二維網格，將污染物元素濃度分布矩陣對應放入，其中每一個污染物元素占據其中一個格子。根據問題分析可知：污染源存在于二維網格中的某些格子中，并且污染源所在格子元素濃度大于周圍格子的元素濃度。

參見圖3a-3c所示，二維元胞自動機(規則四方網格劃分)的鄰居模型通常有以幾種形式，圖中黑色元胞為中心元胞，灰色元胞為該元胞的鄰居。

分析上述三種元胞鄰居模型后發現，圖3b中的元胞鄰居模型最適合。圖3b中的元胞鄰居模型中污染源存在的格子z(i,j)應滿足：

（1）對于與外界不相鄰的格子理論上應滿足：

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（2）對于邊界處的格子理論上應滿足（以左邊界為例）：

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（3）對于頂角處的格子理論上應滿足（以左邊界為例）：

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為了簡化模型，在此認為對于邊界和頂角處不存在污染源。通過搜索模型可以求出污染物元素空間分布中的極值點，即可能的污染源。對極值點設定閾值進行篩選，減小可疑點的數量，無人船將針對性地行駛至可疑污染源位置。

以下提供一個具體實施例：

第一步：參見圖4所示，做出排放物中主要元素的污染物濃度分布圖（matlab二維差值擬合）；

第二步：根據第一步得出的元素在污染水域的空間分布分別得到每個元素的濃度分布矩陣Z（矩陣較大未附出），結合MATLAB軟件建立搜索模型進行搜索，分別得出每個元素在該污染水域的空間分布極大值的個數；

第三步：參見圖5所示，運用scatter函數畫出各個污染物元素空間分布極大值點的散點圖，使數據可視化；

第四步：參見圖6所示，對極值點進行篩選，如通過設定閾值，當該極值點位置污染物濃度大于閾值時，即為可疑污染源；運用scatter函數畫出各污染物元素主要污染源的散點圖，使數據可視化。

步驟3）岸基監控系統3根據污染物濃度分布圖（各污染物元素主要污染源的散點圖）設計出優化路徑，通過無人船通信系統23指揮無人船2沿著優化路徑向最大濃度可疑污染源靠近，同時，無人船2在航行途中繼續對水質進行檢測，并將這些水質數據進一步通過無人船通信系統23上傳到岸基監控系統3的服務器中，隨著無人船2的航行，收集到的水質數據越來越多，擬合的數據也更加準確。

步驟4）當無人船2到達污染源附近時，由于無人船2視野不夠開闊，航行速度也相對較慢不利于對污染源排放口位置的尋找，此時岸基監控系統3通過無人機通信系統13啟動無人船2上承載的無人機1，并向無人機1發送污染物濃度分布圖，無人機1根據污染物濃度分布圖，并利用機載視頻監測設備18對污染源排放口進行高空搜尋。

步驟5）無人機1通過無人機通信系統13將在高空拍攝到的視頻畫面直接回傳到岸基監控系統3，由岸基監控系統3對視頻畫面中的內容進行分析和判斷。

步驟6）當岸基監控系統3在無人機1傳回的視頻畫面中發現可疑目標后，無人機1立刻通過無人機導航系統17定位當前的位置坐標，并通過無人機通信系統13將該位置坐標發送無人船2，引導無人船2駛近該可疑目標。

步驟7）當無人船2駛近可以目標后，通過無人船2上的船載視頻監測設備對可疑目標進行視頻拍攝，視頻畫面通過無人船通信系統23發送至岸基監控系統3進行確認。

步驟8）當確認該可疑目標確實為污染物排放口時，岸基監控系統3控制無人機1上的機載視頻監測設備18和無人船2上的船載視頻監測設備28對污染物排放口進行拍照取證。

步驟9）無人船2通過無人船導航系統25對該污染物排放口進行定位，并通過無人船通信系統23將該污染物排放口的位置坐標信息上傳至岸基監控系統3。

步驟10）當取證完成后，無人機1著陸至無人船2的停機坪上，無人機1上的充電接口16與無人船2上的充電裝置27對接，為無人機1進行充電，等待下一次起飛任務。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。