CN106093333B - 一种水域污染源自动探测装置 - Google Patents

一种水域污染源自动探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水域污染源自动探测装置，包括：本体，以及安装于本体上的控制单元、驱动单元、采样单元和传感单元；传感单元用于采集方位、水质信息；驱动单元，用于驱动本体以及本体上搭载的各单元在水域上运送至目标方位；采样单元，用于水质取样；控制单元用于控制水质传感器采集水质信息的时间间隔、比较分析水质传感器采集的水质信息、储存方位、水质信息、确定污染源位置、控制驱动单元的运动、控制采样单元的采样行为。本发明的装置能够在水域自动巡游、自动定位、无人操作，自动搜寻水域污染源的位置并带回样本；可到达人们难以到达或高危险的水域；可自动实时监控检测大范围水域水质的情况，给出具体的水域污染物浓度。

Description

一种水域污染源自动探测装置
技术领域
本发明属于水域水质探测领域，更具体地，涉及一种水域污染源自动探测装置。
背景技术
随着工业化、城市化进程的不断加快，水域污染事件日益增多，对人民群众的日常生活和人类社会的可持续发展带来了严重的损害。因此，加大对水源的保护力度和对水污染行为的处罚力度已是刻不容缓。目前，各地普遍存在私设暗管偷排，或用软管直接排放或稀释排放等严重违法行为。如果不能确定河水中污染物的方位，污染物泄漏无疑将随着时间推移而变得愈发严重。
化工废水里含有大量有毒有害物质，排放在水体里虽然不一定会造成水体黑臭、富营养化，但很多无色无味物质造成的危害更大，例如，汞、铅、砷、镉、铬等重元素具有持久性的毒害污染。此外，有机污染物也在威胁着水体质量，例如常用农药中含有的敌敌畏，炼焦业中排出的多氯联苯、多含芳烃。这些化工产品、副产品进入水体后，造成的危害比富营养化厉害得多，这些污染物却难以凭肉眼观察发现。
常规的水质监测方法是在水域范围内布置大量的监测点，通过人工取样进行实时实地监测，监测和分析过程复杂、周期长，需要耗费大量人力物力，还受到气候和水文等自然条件的限制，并且这种方法只能了解监测断面上的表面水质状况，只具有局部和典型的代表意义。环境监测与环境管理工作“点多，面广、量大”，而且具有“全方面、全天候、全时制”的特点，为了彻底解决环境执法人员不足的问题，节约执法成本，提高监 察效能，亟需建设污染源自动查找系统，实现对水质参数进行连续自动监测、信号处理和传输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有水域污染源监测中的缺陷，提供一种无人自动水域污染源探测装置。探测装置能够在湖泊等水域自动巡游、自动定位、自动航行、无人操作，自动搜寻二维水域的污染源，实现水域污染源的位置检测并带回样本；探测装置小巧便捷，可携带仪器到达人们难以到达或高危险的水域；探测装置可自动检测大范围水域水质的情况，监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，记录水域情况，给出具体的水域污染物浓度数据。
为了实现上述目的，本发明提供了一种无人自动水域污染源探测装置，包括：本体，以及安装于本体上的控制单元、驱动单元、采样单元和传感单元；传感单元包括方位传感器、水质传感器，分别用于采集方位、水质信息；驱动单元，用于驱动本体以及本体上搭载的各单元在水域上运送至目标方位；采样单元，用于水质取样；控制单元，包括计时模块、数据处理模块、存储模块；计时模块用于控制水质传感器采集水质信息的时间间隔；数据处理模块用于比较分析水质传感器采集的水质信息；存储模块用于储存方位、水质信息；控制单元结合方位传感器采集的位置信息以及数据处理模块的水质信息处理结果确定污染源位置、控制驱动单元的运动、控制采样单元的采样行为。
进一步地，驱动单元包括左叶轮、右叶轮、弹性联轴器和电机，左、右叶轮布置于本体的两侧，电机通过弹性联轴器连接叶轮，叶轮的桨叶全部或者部分浸入水中。
进一步地，叶轮的外面有保护罩，保护罩固定在本体上，保护罩对应叶轮的下方留有开口。
进一步地，水质检测传感器可根据检测内容更换，检测内容包括水温、 pH值、电导率、溶解氧、铵离子、氰离子、硝酸根、COD、TOC、浊度、叶绿素a及蓝绿藻中的一项或多项。
进一步地，采样单元包括电磁铁、阀门、样品槽；控制单元控制电磁铁的通断，电磁铁用于控制阀门的开合，阀门打开后样品槽浸于水中采集水样，阀门闭合后，样品槽与水域隔离。
进一步地，控制单元还包括电量监控模块，当电量较低时，发出报警信号并通过控制单元控制驱动单元返程。
进一步地，控制单元还包括通讯模块，用于实时与远程控制系统进行数据交换，并接收远程控制系统的指令。
进一步地，本体还搭载有障碍检测传感器，实时向控制单元上传障碍检测信息，控制单元根据接收的障碍检测信息，控制驱动单元改变方向。
进一步地，障碍检测传感器的检测区域为扇形区域，扇形区域能够敏感检测到障碍物的那部分的宽度不小于探测装置的最大宽度。
进一步地，本体搭载太阳能电池板，用于电力续航。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)可自动定位至水域污染源，用于水域的环境保护；
2)增加港口管理部门监视船舶污染、其他类型有害污染物和来自水下管道排放污染物质的灵活性和适应性；
3)掌握水域水质分布情况，掌握污染物的来源、扩撒、迁移、反应、转化，了解污染物对环境质量的影响程度；
4)实施准确可靠的污染监测，为环境执法部门提供执法依据；
5)能够自动巡游工作和监测水域水质，为水质监测提供一种快捷、省力的新型装备。
附图说明
图1是系统组成框图示意图；
图2是第一实施例外部结构立体俯视示意图；
图3是图2的仰视示意图；
图4是图2的内部布局俯视图；
图5是图2的立体分解示意图；
图6是探测装置搜索总体流程示意图；
图7是污染物浓度测量传感器布置和编号示意图；
图8是探测装置范围搜索示意图；
图9是探测装置精确搜索流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
控制单元1 驱动单元2 左、右叶轮21、22
弹性联轴器23 电机24 采样单元3
阀门31 样品槽32 电磁铁33
方位传感器4 定位模块41 电子罗盘42
水质传感器5 障碍检测传感器6 本体7
电源模块8
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。在附图当中，为表达简明，对各部件之间的常规线路连接进行了省略。
图1是本发明无人自动水域污染源探测装置的系统组成框图示意图，图2至图5分别显示了本发明第一实施例的无人自动水域污染源探测装置的外部和内部结构。本发明第一实施例包括：本体，以及安装于本体上的 控制单元、驱动单元、采样单元和传感单元；传感单元包括方位传感器、水质传感器、障碍检测传感器，分别用于采集方位、水质、障碍信息；驱动单元，用于驱动本体以及本体上搭载的各单元在水域上运送至目标方位；采样单元，用于水质取样；控制单元，包括计时模块、数据处理模块、存储模块；计时模块用于控制水质传感器采集水质信息的时间间隔；数据处理模块用于比较分析水质传感器采集的水质信息；存储模块用于储存方位、水质信息；控制单元结合方位传感器采集的位置信息以及数据处理模块的水质信息处理结果确定污染源位置、控制驱动单元的运动、控制采样单元的采样行为。
驱动单元包括左右叶轮、弹性联轴器和电机，左右叶轮布置于本体的两侧。电机通过弹性联轴器连接叶轮，将转动输出至叶轮，叶轮的桨叶全部或者部分浸入水中。探测装置的前进、后退和转向依靠两个叶轮的转动方向来实现。当两叶轮分别正反转，则实现探测装置的转向，两叶轮同时正转或者反转，则实现探测装置的前进或后退。可以理解，当探测装置需要180°转向(或者反向前进)时，直接两叶轮同时反转即可，比转动180°再前进更加的便捷。转向操作也可以由两叶轮转动的速度差异来实现。
叶轮的外面有保护罩(未图示)，保护罩固定在本体上，保护罩位于叶轮的外面，在叶轮的下方留有开口以使叶轮与水正常接触实现驱动。保护罩是防止叶轮碰触到岸边、障碍物等。
采样单元与水质传感器的数量一致且位置一一对应，保证采样的水质数据与水质传感器读取的数据一致。在本实施例中，采样单元作为水质传感器的附件。采样单元包括阀门、样品槽、电磁铁，电磁铁根据控制单元的指令控制阀门的开合，阀门打开时，水样进入样品槽；阀门关闭后，停止采样。在阀门上有橡胶圈(未图示)，能防止因探测装置周围的水渗透而影响采样水质。根据需要，采样单元可以设置多个，同时采集多个位置的水质样本。本实施例的样品槽是直接设置在阀门上，在其他实施例中(未 图示)，样品槽也可以设在本体内，阀门仅作为水质样品进入样品槽的入口。
传感单元、采样单元和驱动单元均设置了密封结构(未图示)，避免水进入本体内部；控制单元和电源模块固定于本体的内部，电源模块为控制单元提供能量，从而驱动其他部件进行工作。
探测装置用到的传感单元主要包括水质检测传感器、方位传感器、障碍检测传感器。水质传感器布置在本体的前、后、左、右边缘处。方位传感器布置在本体的上部中心处，包括定位模块和电子罗盘，障碍检测传感器布置在本体前进和后退的方位上。使用以上传感器，可以完成探测装置所需要的检测、定位，以及在运动过程中要实现运行方向的精确控制与避障功能。
水质传感器对经过的水域进行水质检测并将检测数据上传至控制单元的数据处理模块，进行污染物浓度的分析。水质传感器可根据需要更换，选择测量的内容包括水温、pH值、电导率、溶解氧、铵离子、氰离子、硝酸根、COD、TOC、浊度、叶绿素a及蓝绿藻等水污染因素中的一项或多项。
方位传感器实现探测装置运行轨迹的跟踪及污染源位置的确定，并在检测到污染源之后，利用当前检测到的位置信息返回初始出发点，定位模块在本实施例中采用的是GPS传感器。方位传感器的电子罗盘检测探测装置的方向，在控制单元的调控下，与驱动单元一起控制探测装置的转角。
本体还搭载有障碍检测传感器，检测与障碍物的距离并实时向控制单元上传障碍检测信息，检测到靠近障碍物一定距离后，控制单元根据接收的障碍检测信息，控制驱动单元改变方向，实现探测装置的避障。障碍检测传感器可以使用激光测距仪，也可基于超声波测距的方法进行障碍距离测量。
在本实施例中，两个超声波传感器分别位于左、右叶轮连线的中垂线 两端。超声传感器具有大散射角度，超声波检测区域为扇形，扇形区域能够敏感检测到障碍物的那部分的宽度不小于探测装置的最大宽度，以保证探测装置运行的前方区域内能够通行。由于障碍物具体形状的不确定性，障碍物也有可能是出现在前进方向两侧，此时障碍物之间的空隙有可能允许探测装置直接通过而不需要转向，扇形区域能够敏感检测到障碍物的那部分的宽度不小于探测装置的最大宽度，则可以保证在障碍物的空隙允许通过的时候不转向就直接通过，提高探测效率，节约能源。
上述方式也可以通过在探测装置上布置多个散射角度较小超声传感器或者多个激光测距仪来实现探测装置前进区域内障碍物的判断。进一步地，根据检测水域的环境、水情特点需要，可在探测装置的上部、中部和底部分别同时安装障碍检测传感器，更加准确全面地判断探测装置前进方向的障碍物情况。
控制单元还包括：电量监控模块，当电量较低时，发出报警信号并通过控制单元控制驱动单元返程；通讯模块，用于实时与远程控制系统进行数据交换，并接收远程控制系统的指令。控制单元的数据处理模块通过通讯模块实时与远程控制系统交换数据，可以实时在远程控制系统上监控水质信息或实时绘制水质分布图。控制单元的存储模块实时记录水质信息和位置信息，上述信息也可通过控制单元的外部直接导出，用来绘制水域水质分布图。
本体搭载太阳能电池板，用于电力续航，增加工作时间。
在搜寻污染源时，探测装置以水中污染物的浓度为依据，越靠近污染源污染物的浓度越大。探测装置根据采集的污染物浓度自动规划路径，自动寻找污染源。总体搜索过程如图6所示，进一步说明如下：
(1)在数据处理模块中设定污染物检测阈值S0作为标准值，探测装置按照初始方向前进；S0的值根据所检测的污染物和污染标准进行设定。
(2)在控制单元的计时模块调控下，多个水质传感器每隔ΔT同时采 集一次污染物浓度并上传至数据处理模块，存储模块实时记录经过路径的水质和位置信息；
当多个水质传感器同时采集的污染物浓度相近或相同时，探测装置沿原方向运动；相近是指，按照本领域的一般标准，由于水是流动的，污染物浓度一般不会完全均匀一致，因此通常会将一定数值范围内的浓度波动视为正常现象，将该范围内的数值视为近似值；
当多个水质传感器同时采集的污染物浓度存在一个最大值S时，数据处理模块取S与S0进行比较，
当S≤S0时，探测装置采用范围搜索模式进行搜索；
当S>S0时，探测装置采用精确搜索模式进行搜索，直至到达污染源所在区域，确认污染源位置。
更具体的探测过程，如图7～图9所示。在本实施例中，在探测装置四个方向分别布置了水质传感器，分别命名为A、B、C、D，其中A为前进的方向，如图7所示。
当探测装置为范围搜索模式时，始终向前运动，直到遇见障碍物或者检测到S>S0，其所示过程如图8所示。外面的实线圈表示检测水域，如水库。探测装置从起点出发，向预设定的初始方向前进。在搜索开始时，设定污染物检测阈值S0。进行搜索时，每隔ΔT记录一次数据(浓度、温度、pH值等)，取当前位置记录的数据的最大值为S，当S≤S0时，说明离污染源较远，此时探测装置处于巡航模式，继续沿原方向前进，如虚线箭头a所示；当检测到靠近障碍物一定距离后，探测装置自动转向，如虚线箭头b所示；当运行到水域边界时也自动转向(因为水域边界也是阻挡探测装置运行的“障碍”)，如虚线箭头c、d所示；直到检测到S>S0。当S>S0时，进入精确搜索模式。
精索搜索模式可以有两种，第一种如下。
探测装置始终向着最大值S所对应的水质传感器所在的方向前进，直 到进入靠近污染源的核心区域，如图8中虚线圆圈区域，此时探测装置会表现为在一定时间内，在该区域往返，如果只需粗略估计污染源位置，此时即可预估污染源在此区域内(即图8中虚线区域)。如需精确探测污染源位置，当探测装置在某一区域多次往返(例如图8中虚线区域)，则利用存储模块记录下的数据，以检测到该区域内污染物浓度的最大值Smax所在位置为污染源位置。确定污染源位置后，探测装置到达污染源位置进行采样，随后根据方位传感器以及存储模块记录的方位信息找到原始位置，直线返回。
精确搜索模式的第二种搜索过程如图9所示。在这种搜索模式下，探测装置始终向着污染物浓度最大的方向前进，具体可以有如下几种判断规则，
当检测的污染物浓度值中只有一个最大值：
(a)最大值为B传感器，则采集B传感器位置的样本并返回初始位置；
(b)A传感器仍为最大值，则可继续前进；
(c)C或者D传感器为最大值，探测装置转向至最大污染物浓度所在方位。
当传感器中有两个或者两个以上位置检测的污染物浓度值为最大值且相等：
(d)A＝B或者A＝B＝C或A＝B＝C＝D，采集A或B传感器位置的样本并返回初始位置；
(e)C＝D或者A＝C＝D或B＝C＝D，采集C或者D传感器位置的样本并返回初始位置；
(f)A＝C，则由A向C偏转45°后前进，经ΔT之后重新判定A、B、C、D检测的污染物浓度最大值；
(g)如果A＝D，则由A向D偏转45°后前进，经ΔT之后重新判定A、B、C、D检测的污染物浓度最大值。
可以看出，上述规则的核心在于，找准污染物浓度最大的方向并朝该方向前进，直到在前进方向上不再发生污染物浓度变化，即可准确定位污染源位置。
在上述过程中，探测装置每次的转向角度，可以是预设的固定值，也可以是预设一个随机范围，也可以直接在远程控制系统中人工干预。
本发明的探测装置也可用于水域的水质分布测量，可事先规划探测装置的运行路径，探测装置按预设的运行路径由水质传感器和方位传感器实时采集污染物浓度和坐标数据，直接上传至远程控制系统上，自动或人工绘制水质分布图，或存储进存储模块，环境监测工作人员再根据存储的信息绘制水质分布图。如果在该水域有多个污染源，则还可以通过水质分布图确认各个污染源的位置。
在其他实施例中(未图示)，采样单元也可以独立设置，不与水质传感器有直接的位置对应关系，对污染物浓度稳定的区域的采样准确性没有影响。
在其他实施例中(未图示)，障碍检测传感器也可以位于本体上部中心位置，向四周或仅向运行方向的前后方向发射和接收探测信号。
在其他实施例中(未图示)，水质传感器的数量不限于四个，只要均匀分布在本体周围，能对应不同方位，有利于根据污染物浓度比较、确认最大值S所在的方位即可。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)可自动定位至水域污染源，由于是自动探测定位，可以到达人类无法直接到达的、或虽能直接到达但环境危险的地带；
2)水质传感器可集成、可更换，增加港口管理部门监视船舶污染、其他类型有害污染物和来自水下管道排放污染物质的灵活性和适应性；
3)通过通讯模块与远程控制系统的交互，可以实时掌握水域水质分布 情况，掌握污染物的来源、扩撒、迁移、反应、转化，了解污染物对环境质量的影响程度；通过存储模块存储的信息，也能掌握指定时间段的上述情况。
4)由于能够实时检测或进行数据存储，且能进行采样，可以实施准确可靠的污染监测，为环境执法部门提供有力的执法依据；
5)搭载障碍检测传感器，实时向控制单元上传障碍检测信息，控制单元根据接收的障碍检测信息，控制驱动单元改变方向，可以有效避障，保证探测过程的稳定性及连续性；
6)能够自动巡游工作和监测水域水质，为水质监测提供一种快捷、省力的新型装备。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水域污染源自动探测装置，其特征在于，包括：本体，以及安装于本体上的控制单元、驱动单元、采样单元和传感单元；
传感单元包括方位传感器、多个水质传感器，分别用于采集方位、水质信息；多个水质传感器均匀分布在本体周围；
驱动单元，用于驱动本体以及本体上搭载的各单元在水域上运送至目标方位；
采样单元，用于水质取样；
控制单元，包括计时模块、数据处理模块、存储模块；计时模块用于控制水质传感器采集水质信息的时间间隔；数据处理模块用于比较分析水质传感器采集的水质信息；存储模块用于储存方位、水质信息；控制单元结合方位传感器采集的位置信息以及数据处理模块的水质信息处理结果确定污染源位置、控制驱动单元的运动、控制采样单元的采样行为；
其中，精确搜索时，控制单元用于按照如下方式控制驱动单元的运动方向：多个水质传感器在计时模块控制下同时采集水质信息并上传至数据处理模块，数据处理模块比较多个水质传感器上传的水质信息中的污染物浓度，根据多个水质传感器同时采集的污染物浓度的最大值所对应的水质传感器所在的方向确定污染源方向，作为驱动单元的前进方向。
2.如权利要求1所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：驱动单元包括左叶轮、右叶轮、弹性联轴器和电机，左、右叶轮布置于本体的两侧，电机通过弹性联轴器连接叶轮，叶轮的桨叶全部或者部分浸入水中。
3.如权利要求2所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：叶轮的外面有保护罩，保护罩固定在本体上，保护罩对应叶轮的下方留有开口。
4.如权利要求1所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：水质检测传感器可根据检测内容更换，检测内容包括水温、pH值、电导率、溶解氧、铵离子、氰离子、硝酸根、COD、TOC、浊度、叶绿素a及蓝绿藻中的一项或多项。
5.如权利要求1所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：采样单元包括电磁铁、阀门、样品槽；控制单元控制电磁铁的通断，电磁铁用于控制阀门的开合，阀门打开后样品槽浸于水中采集水样，阀门闭合后，样品槽与水域隔离。
6.如权利要求1所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：控制单元还包括电量监控模块，当电量较低时，发出报警信号并通过控制单元控制驱动单元返程。
7.如权利要求1所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：控制单元还包括通讯模块，用于实时与远程控制系统进行数据交换，并接收远程控制系统的指令。
8.如权利要求1所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：本体还搭载有障碍检测传感器，实时向控制单元上传障碍检测信息，控制单元根据接收的障碍检测信息，控制驱动单元改变方向。
9.如权利要求8所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：障碍检测传感器的检测区域为扇形区域，扇形区域能够敏感检测到障碍物的那部分的宽度不小于探测装置的最大宽度。
10.如权利要求1所述的一种水域污染源自动探测装置，其特征在于：本体搭载太阳能电池板，用于电力续航。
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