CN108828646B - 基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，该系统以波浪能滑翔器为平台，搭载海洋放射性探测器，实现开阔海域放射性监测。该系统依托波浪能滑翔器的大范围、远距离、长时间走航测量和可虚拟锚系的特点，通过空气、水体的放射性监测数据与智能走航路径优化算法相结合，实现海洋水体与空气的γ射线原位、实时监测与数据实时回传。可用于海上核动力平台、核动力破冰船、滨海核施设外围的放射性环境监测与应急监测。主要包括海洋波浪能滑翔器、γ射线探测系统、γ射线数据处理系统。

Description

基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统

技术领域

本发明属于监测技术领域，尤其是涉及一种基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统。

背景技术

核安全与辐射环境保护越来越受到世界各国的重视，而我国在海上放射性监测能力较为薄弱，放射性监测人员需现场采样然后回实验室中进行测量分析。进行大面积的采样和分析势必需要投入大量人力、物力，同时存在效率低以及时效性差等问题。为保证有效的在核事故及其邻近海域的进行放射性活度监测，需要可实时、大范围、抗风浪能力强的放射性监测探测器。

由于现有海洋监测平台难以实现对海况进行大范围、长时间的放射性监测，因此可利用波浪能滑翔机作为放射性探测器的载体，完全依靠波浪能和太阳能作为动力推进，采用人工智能路径规划算法完成海洋监测任务。

传统的海洋放射性监测方案，难以利用环境中的能量，时效性差，不易实现。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，以解决上述背景技术中提到的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案实现如下：

基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，系统包括海洋波浪能滑翔器、γ辐射探测模块、以及与γ辐射探测模块相连的γ辐射数据处理模块；

所述波浪能滑翔机包括太阳能供电模块、水面母船、4-7米柔性吊缆、水下牵引机、转向尾舵、综合气象模块、控制模块和通信模块；

所述水面母船通过柔性吊缆连接水下牵引机，由水下牵引机通过柔性吊缆牵引水面母船航行前进，所述γ辐射探测模块包括水下的γ能谱探测器和大气γ剂量率探测器，所述水下γ能谱探测器固定于牵引机中部，所述大气γ剂量率探测器安装于水面母船，所述水面母船尾端设有水面转向尾舵，所述γ辐射数据处理模块与控制模块相连，控制模块利用γ辐射数据进行路径规划；

所述综合气象模块与控制模块相连，测量要素包括温度、湿度、风速、风向，能够长时间、连续、实时为其他海洋大气放射性测量提供气象资料；所述大气剂量率探测器测量要素为环境吸收剂量率，所述水下γ能谱探测器要素包括环境吸收剂量率、全谱计数率、目标核素的活度浓度，其中，目标核素根据不同测量目的确定；

所述控制模块与转向尾舵相连，利用路径规划数据，控制水面母船尾端设有的转向尾舵，实现波浪能滑翔器的运动控制；

所述控制模块与通信模块相连，将γ辐射测量信息、路径信息、设备自身信息实时传输至岸基站；

所述水面母船表面还安装有太阳能电池板，用于为转向尾舵、γ辐射探测模块、γ辐射数据处理模块、控制模块、通讯模块供电。

进一步的，大气γ剂量率探测器和水下γ能谱探测器可选用气体、闪烁体、半导体探测器。

进一步的，水下γ能谱探测器数据处理采用最小二乘拟合、傅里叶变换、小波变换平滑原始谱数据，采用二阶导数法、对称零面积法寻峰，采用非线性最小二乘高斯拟合计算面积及重峰分析，采用G函数法通过能谱转换为剂量率数据。

进一步的，各部件之间的连接接口都采用水密接插件。

进一步的，所述通信模块可以采用卫星通讯，近岸可采用广播、3G/4G信号。

进一步的，所述路径规划算法具体包括如下步骤：

步骤1)，建立海面航行路径规划的环境模型，利用栅格法将路径信息离散化，任意两栅格之间的距离为栅格构成区域S,O＝{O₁，O₂，O_n}表示障碍物区域；

步骤2)，第k只监测系统在t时刻的位置记为g_i(k)；Wg_i(k)＝{g_i(k)∈S S∩O S∩tabu_k},其中tabu区域存放的是t时刻，第k只监测系统在时间[t₀,t_k-1]内已经走过的栅格；

步骤3)设置m只监测系统的出发点为Gstar，对于当前的每只监测系统以当前栅格为中心，按一定的概率选择并走到下一个栅格，当所有的监测系统均到达目标点Gstar时，找出最短路径的监测系统k，并对其最短路径进行全局信息素更新，且将该路径保存为当前最优路径；

步骤4)确定一条路径是最佳路径，需要考虑转向代价对最佳路径的影响，需要将转弯次数加权后再放到路径代价的计算中，代价计算如下：

W＝λ₁L+λ₂K

其中，W表示路径的代价函数，是由路径长度L和转弯次数K以及加权系数λ₁、λ₂共同确定，运用人工智能路径规划算法，可对参数K进行如下定义，一次转弯20度的算一次，一次40度的转弯算两次，由此类推，200度的转弯算10次，λ₁为路径长度的加权系数，λ₂为转弯加权系数，其范围控制在0.6-1；

步骤5)为提高搜索效率，设定惩罚函数的方式代替局部信息素的更新，保证陷阱区域信息素的减少，避免落入陷阱时出现路径死点，同时提高最优路径的搜索效率。

进一步的，路径规划可以选定模式是以水体放射性异常为输入项或以大气剂量率异常为输入项。

相对于现有技术，本发明所述的基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统具有以下优势：

(1)本发明采用波浪能滑翔机作为整个监测系统的载体，具有很强的抗风浪能力，不需要安装电池供电，其动力可由太阳能电池和波浪能直接提供，同时具有超长的续航能力，可在海面长时间航行，在海面能够进行面积的监测活动；

(2)本发明采用单元模块化安装方式，整个安装过程十分快速简便。放射性监测系统采用水面探测器和水下探测器两个探测器进行协同配合工作，能够有效的缩短探测时间以及增加探测的精准度；

(3)本发明采用人工智能路径规划算法，该算法能够极大力度的缩减规划时间，同时规划出的路径安全性很高，能够在最短路径内快速准确的找到目标物质。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统的路径规划流程示意图；

附图标记说明：

1-太阳能电池板，2-连接杆，3-大气γ剂量率探测器，4-控制模块，5-水面转向尾舵，6-水面母船，7-柔性吊缆，8-水下牵引机，9-摆动水翼，10-水下转向尾舵，11-γ能谱探测器，12-综合气象模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

本发明实施例提供了基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，如图1所示，系统包括海洋波浪能滑翔器、γ辐射探测模块、γ辐射数据处理模块；

所述波浪能滑翔机包括太阳能供电模块1、水面母船6、4-7米柔性吊缆7、水下牵引机8、转向尾舵10、综合气象模块12、控制模块4和通信模块；

水面母船6安装有所述太阳能电池板1，且所述太阳能电池板1固定在所述水面母船6表面，所述太阳能电池板1通过多块等面积的光伏电池串并联所组成；

所述大气γ剂量率探测器3通过连接杆2固定在水面母船6船体中间；

所述水面母船6通过柔性吊缆7连接水下牵引机8，由水下牵引机8通过柔性吊缆7牵引水面母6航行前进，所述γ辐射探测模块包括水下的γ能谱探测器11和大气γ剂量率探测器3，所述水下γ能谱探测器11固定于水下牵引机8中部，所述大气γ剂量率探测器3安装于水面母船6，所述水面母船6尾端设有水面转向尾舵10，所述γ辐射数据处理模块与控制模块4相连，控制模块4利用γ辐射数据进行路径规划；

所述水下牵引机8利用其具有固定转角限位的摆动水翼9将上下运动转换为前向推进，从而拉拽所述水面母船6前向运动；

所述综合气象模块12与控制模块4相连，测量要素包括温度、湿度、风速、风向，所述大气γ剂量率探测器3测量要素为环境吸收剂量率，所述水下γ能谱探测器11要素包括环境吸收剂量率、全谱计数率、目标核素的活度浓度，其中，目标核素根据不同测量目的确定；

所述控制模块4与转向尾舵10相连，利用路径规划数据，控制水面母船6尾端设有的转向尾舵10，实现波浪能滑翔器的运动控制；

所述控制模块4与通信模块相连，将γ辐射测量信息、路径信息、设备自身信息实时传输至岸基站；

所述水面母船4表面还安装有太阳能电池板1，用于为转向尾舵10、γ辐射探测模块、γ辐射数据处理模块、控制模块4、通信模块供电。

大气γ剂量率探测器3和水下γ能谱探测器11可选用气体、闪烁体、半导体探测器。

水下γ能谱探测器数据处理采用最小二乘拟合、傅里叶变换、小波变换平滑原始谱数据，采用二阶导数法、对称零面积法寻峰，采用非线性最小二乘高斯拟合计算面积及重峰分析，采用G函数法通过能谱转换为剂量率数据。

各部件之间的连接接口都采用水密接插件。

所述通信模块可以采用卫星通讯，近岸可采用广播、3G/4G信号。

其中，路径规划算法具体包括如下步骤：

步骤1)，建立海面航行路径规划的环境模型，利用栅格法将路径信息离散化，任意两栅格之间的距离为栅格构成区域S,O＝{O₁，O₂，O_n}表示障碍物区域；

步骤2)，第k只监测系统在t时刻的位置记为g_i(k)；Wg_i(k)＝{g_i(k)∈S S∩O S∩tabu_k},其中tabu区域存放的是t时刻，第k只监测系统在时间[t₀,t_k-1]内已经走过的栅格；

步骤3)设置m只监测系统的出发点为Gstar，对于当前的每只监测系统以当前栅格为中心，按一定的概率选择并走到下一个栅格，当所有的监测系统均到达目标点Gstar时，找出最短路径的监测系统k，并对其最短路径进行全局信息素更新，且将该路径保存为当前最优路径；

步骤4)确定一条路径是最佳路径，需要考虑转向代价对最佳路径的影响，需要将转弯次数加权后再放到路径代价的计算中，代价计算如下：

W＝λ₁L+λ₂K

其中，W表示路径的代价函数，是由路径长度L和转弯次数K以及加权系数λ₁、λ₂共同确定，运用人工智能路径规划算法，可对参数K进行如下定义，一次转弯20度的算一次，一次40度的转弯算两次，由此类推，200度的转弯算10次，λ₁为路径长度的加权系数，λ₂为转弯加权系数，其范围控制在0.6-1；

步骤5)为提高搜索效率，设定惩罚函数的方式代替局部信息素的更新，保证陷阱区域信息素的减少，避免落入陷阱时出现路径死点，同时提高最优路径的搜索效率。

本发明在使用过程中，利用γ辐射探测模块探测放射源，采用人工智能路径规划算法进行自动导航至放射源位置，整套系统无需工作人员值守，支持长时间运行，系统操作简单，采用水面探测器和水下探测器两个探测器进行协同配合工作，能够使系统快速准确的找出放射源所在位置。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，其特征在于：

系统包括海洋波浪能滑翔器、γ辐射探测模块、以及与γ辐射探测模块相连的γ辐射数据处理模块；

波浪能滑翔机包括太阳能供电模块、水面母船、4-7米柔性吊缆、水下牵引机、转向尾舵、综合气象模块、控制模块和通信模块；

所述水面母船通过柔性吊缆连接水下牵引机，由水下牵引机通过柔性吊缆牵引水面母船航行前进，所述γ辐射探测模块包括水下的γ能谱探测器和大气γ剂量率探测器，所述水下γ能谱探测器固定于牵引机中部，所述大气γ剂量率探测器安装于水面母船，所述水面母船尾端设有水面转向尾舵，所述γ辐射数据处理模块与控制模块相连，控制模块利用γ辐射数据进行路径规划；

所述综合气象模块与控制模块相连，测量要素包括温度、湿度、风速、风向，能够长时间、连续、实时为其他海洋大气放射性测量提供气象资料；所述大气剂量率探测器测量要素为环境吸收剂量率，所述水下γ能谱探测器要素包括环境吸收剂量率、全谱计数率、目标核素的活度浓度，其中，目标核素根据不同测量目的确定；

所述控制模块与转向尾舵相连，利用路径规划数据，控制水面母船尾端设有的转向尾舵，实现波浪能滑翔器的运动控制；

所述控制模块与通信模块相连，将γ辐射测量信息、路径信息、设备自身信息实时传输至岸基站；

所述水面母船表面还安装有太阳能电池板，用于为转向尾舵、γ辐射探测模块、γ辐射数据处理模块、控制模块、通讯模块供电；

系统还包括路径规划算法，所述路径规划算法具体包括如下步骤：

步骤1)，建立海面航行路径规划的环境模型，利用栅格法将路径信息离散化，任意两栅格之间的距离为栅格构成区域S,O＝{O1，O2，On}表示障碍物区域；

步骤2)，第k只监测系统在t时刻的位置记为gi(k)；Wgi(k)＝{gi(k)∈S S∩O S∩tabuk},其中tabu区域存放的是t时刻，第k只监测系统在时间[t_0,t_k-1]内已经走过的栅格；

步骤3)设置m只监测系统的出发点为Gstar，对于当前的每只监测系统以当前栅格为中心，按一定的概率选择并走到下一个栅格，当所有的监测系统均到达目标点Gstar时，找出最短路径的监测系统k，并对其最短路径进行全局信息素更新，且将该路径保存为当前最优路径；

步骤4)确定一条路径是最佳路径，需要考虑转向代价对最佳路径的影响，需要将转弯次数加权后再放到路径代价的计算中，代价计算如下：

W＝λ1L+λ2K

其中，W表示路径的代价函数，是由路径长度L和转弯次数K以及加权系数λ1、λ2共同确定，运用人工智能路径规划算法，可对参数K进行如下定义，一次转弯20度的算一次，一次40度的转弯算两次，由此类推，200度的转弯算10次，λ1为路径长度的加权系数，λ2为转弯加权系数，其范围控制在0.6-1；

步骤5)为提高搜索效率，设定惩罚函数的方式代替局部信息素的更新，保证陷阱区域信息素的减少，避免落入陷阱时出现路径死点，同时提高最优路径的搜索效率。

2.根据权利要求1所述的基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，其特征在于：

大气γ剂量率探测器和水下γ能谱探测器能够选用气体或闪烁体或半导体探测器。

3.根据权利要求1所述的基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，其特征在于：

水下γ能谱探测器数据处理采用最小二乘拟合、傅里叶变换、小波变换平滑原始谱数据，采用二阶导数法、对称零面积法寻峰，采用非线性最小二乘高斯拟合计算面积及重峰分析，采用G函数法通过能谱转换为剂量率数据。

4.根据权利要求1所述的基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，其特征在于：

各部件之间的连接接口都采用水密接插件。

5.根据权利要求1所述的基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，其特征在于：

所述通信模块可以采用卫星通讯，近岸可采用广播或3G/4G信号。

6.根据权利要求1所述的基于波浪能滑翔器的开阔海域放射性监测系统，其特征在于：

路径规划可以选定模式是以水体放射性异常为输入项或以大气剂量率异常为输入项。