CN109856668B - 一种海洋放射性污染的多机协同监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海洋放射性污染的多机协同监测方法，涉及核辐射探测技术领域。所述方法由携带辐射传感器的自主式水下航行器编队协作共同完成。针对目标海域的放射性污染探测，编队航行器利用辐射探测器进行放射性污染强度数据获取，计算放射性污染强度梯度，领航器对数据进行融合，并向编队航行器发送航向指令，编队将航向调整为梯度上升最大的方向，实现对放射性污染严重海域的优先探测；针对单个航行器无法完成海域探测任务，利用航行器编队分布在不同位置实现目标海域的检测；编队中水下自主航行器协同编队，通过信息融合形成覆盖面积较大的实时探测区域，弥补传统方法效率低、实时性差、人力耗费大等缺点，以及单个航行器探测能力不足的问题。

Description

一种海洋放射性污染的多机协同监测方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种海洋放射性污染的多机协同监测方法，尤其是一种利用水下航行器编队携带辐射传感器，采集目标海域内的放射性污染数据，通过多机协同监测海洋放射性污染的方法。

背景技术

放射性污染物会对生态环境，特别是对土壤和水体造成放射性污染，这就是核污染。在海洋核污染中，海洋生物能直接从海水或通过摄食的途径吸收和累积核素，核素沿着海洋食物链(网)转移，有的还能沿着食物链扩大。在受放射性污染的环境中，海洋生物受到体内外射线的照射，尤其是胚胎和幼体对射线辐射的敏感性高于成体，容易发生病变和畸形。人类食用体内积累核素的海洋生物，也可能对人体健康造成间接地损害。监测海洋放射性污染是监控污染物、防护污染物和治理污染物的必要手段。

海洋放射性污染具有海域扩散范围广、转移变化快、持续性强等特点，而陆地的放射性污染通常是围绕固定的放射源呈点状辐射污染，因而陆地环境中的放射性监测技术并不适合海洋核污染监测。目前，海洋放射性监测主要围绕采样、制样、测量以及数据分析等过程进行调查，通过测量海洋中各种介质放射性污染强度判断分析污染程度、污染范围。这种监测方法存在多个缺点：1、在海域多点采样后到室内分析，或者针对目标海域进行长期定点式监测，都使采样范围和采样数量受到较大限制，数据不充分，难以满足广阔海域的监测需求；2、采样和测量都具有繁琐的工序，耗费人力，用时长；3、在突发性放射性污染发生时，不能及时、高效地完成污染区域内的放射性污染监测技术，监测结果迟滞、参考价值不高。

海洋探测型水下自主航行器是远距离多功能海洋探测作业装置的重要内容和组成部分，使其携带辐射传感器能够以母船或海洋某平台为基地，在其周围数百公里的范围内完成多功能、全方位的海洋放射性污染探测任务。航行器的智能控制模块、目标探测与环境数据采集模块、导航单元、通讯单元、推进与操纵模块、安全检测与自救单元以及能源单元，能够保证航行器的各项性能指标的完成，便于使用和维修。充分利用海洋探测型水下自主航行器的优点，结合海洋环境，研究一种及时、高效、范围广的海洋放射性污染监测方法是解决本领域传统难题的有效方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种海洋放射性污染的多机协同监测方法。该方法利用目标海域中携带辐射传感器的水下自主航行器编队进行放射性污染协同监测，通过对编队航行器中传感器采集到的信息进行协同信息融合和事件决策处理，用于计算放射性污染强度梯度上升方向并使得编队沿着该方向前进探测，从而提高编队对放射性污染监测的效率。

本发明的技术方案如下：

一种海洋放射性污染的多机协同监测方法，包括以下过程：

步骤1：工作母船将携带辐射传感器的探测编队搭载至探测海域，吊放至海中，在一个较大区域进行大范围的探测；

步骤2：编队初始化，编队内航行器以随机漫游形式在编队所在区域内进行探测，获取多点位置的辐射剂量率；

步骤3:领航器搭载的数据处理单元对编队航行器多点位置获取到的探测信息进行收集，计算各点放射性污染强度，获得强度梯度上升最大方向，共享给其他航行器，所述领航器为编队中心位置或最靠近中心位置的航行器；

步骤4：编队航行器根据领航器共享的信息，沿着强度梯度上升最大的方向前进预设距离，各个航行器之间以一定的距离保持稳定通信和信息交互；

步骤5：重复步骤2～4，直至完成海域探测。

进一步的，上述海洋放射性污染的多机协同监测方法，所述步骤3包括：

步骤31：编队中所有航行器搭载的数据处理单元获取多点位置的包括位置、角度、速度和放射性污染强度在内的探测信息；

步骤32：编队领航器搭载的数据处理单元计算每个位置和领航器位置之间的放射性核素强度差，获取当前位置的污染强度梯度上升最大的方向，并共享给其他航行器。

进一步的，上述海洋放射性污染的多机协同监测方法，所述步骤4包括以下过程：

步骤41：编队内各航行器接收到领航器共享的污染强度梯度上升最大方向信息；

步骤42：控制自身本体前进方向，沿着强度梯度上升最大的方向前进预设距离；

步骤43：编队航行器把自身最新的位置信息和速度信息进行编队内部共享；计算编队分布中心点位置，将位于该位置或离该位置最近的航行器自动定为领航器。

进一步地，上述海洋放射性污染的多机协同监测方法，所述探测编队的通信系统包括编队各航行器之间的通信系统和航行器自身的通信系统；所述自身通信系统主负责航行器内部各个软件模块之间的通信，所述软件模块包括污染数据采集模块、导航模块行为融合与任务规划模块；所述航行器之间的通信采用短距离通信模块实现。

进一步地，上述海洋放射性污染的多机协同监测方法，各航行器之间的通信系统采用水声通信。

进一步地，上述海洋放射性污染的多机协同监测方法，航行器编队保持为楔形队形。所述楔形队形利用领航器来控制整个编队的运动趋势，楔形队形尺寸适用于大海域范围内的污染探测。

进一步地，上述海洋放射性污染的多机协同监测方法，在编队投放和探测过程中，对编队所获取的污染强度信息、污染强度梯度上升最大方向信息进行实时更新记录，并注明绝对位置信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)针对海洋区域放射性污染监测任务，编队航行器可以形成覆盖面积较大的实时探测区域，通过编队信息、数据共享，能够快速完成较大范围的探测任务，节省作业时间，这是单个监测航行器无法完成的；

(2)编队领航器通过编队随机获取多点位置的放射性污染数据，计算出辐射强度梯度上升最大的方向，引领编队快速向放射性污染严重的地方前进探测；通过信息共享和编队控制，编队在辐射强度上升慢的区域实行快速探测，在辐射强度上升较快的区域实行慢速探测，保证较高的探测精度。

附图说明

图1是本发明探测编队获取污染强度梯度上升最大的方向信息示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的发明内容做进一步的阐释。

为了能够克服现有方法在检测海洋放射性污染中的不足，实现快速、高效、及时、全面的监测，本发明的发明人利用海洋探测型水下自主航行器提供了一种多机协同监测方法，该方法包括以下主要步骤：

步骤1：工作母船将携带辐射传感器的探测编队搭载至探测海域，吊放至海中，在一个较大区域进行大范围的探测；

步骤2：编队初始化，编队内航行器以随机漫游形式在编队所在区域内进行探测，获取多点位置的辐射剂量率；

步骤3:领航器搭载的数据处理单元对编队航行器多点位置获取到的探测信息进行收集，计算各点放射性污染强度，获得强度梯度上升最大方向，共享给其他航行器，所述领航器为编队中心位置或最靠近中心位置的航行器；

步骤4：编队航行器根据领航器共享的信息，沿着强度梯度上升最大的方向前进预设距离，各个航行器之间以一定的距离保持稳定通信和信息交互；

步骤5：重复步骤2～4，直至完成海域探测。

本发明所述探测编队是指由若干海洋航行器形成的对海域进行探测的编队。

上述检测方法中所述的编队领航器是位于组网编队中心位置的航行器。在初次探测时，该领航器由母船放在编队的中心位置，之后随着编队的位置变化，在下一次初始化后，根据所有航行器所在位置信息进行领航器的重新确定，并由新的领航器完成放射性污染强度差计算和数据收发。始终用领航器完成步骤3，根据组网编队中心点位置或离中心位置最近的航行器自动切换为领航器，选择最优位置航行器作为领航器进行数据收发，这样做可以提高编队内部通信效率，避免了利用北斗卫星等设备进行中转传输，提高通信效率、减少数据传输损失。

作为一种优选的实施方式，上述方法的步骤3包括：

步骤31：编队领航器搭载的数据处理单元获取随机多点位置的包括位置、角度、速度和放射性污染核素数据在内的探测信息；

步骤32：编队领航器搭载的数据处理单元计算其他航行器和领航器之间的放射性污染强度差，得出当前位置污染强度梯度上升最大的方向，并共享给其他航行器。

上述步骤31的位置、角度、速度信息为航行器的前进方向和速度调整等提供依据。

作为一种优选的实施方式，上述方法的步骤4包括以下过程：

步骤41：编队航行器接收上一时刻领航器共享的探测信息和污染强度梯度上升最大方向的信息；

步骤42：控制自身本体的前进方向，沿着强度梯度上升最大的方向前进预设距离；

步骤43：编队航行器把自身最新的位置信息和速度信息进行编队内部共享；计算编队分布中心点位置，将该位置或离该位置最近的航行器自动切换为领航器。

本发明方法的步骤5所述预设距离根据监测的具体要求进行设置，预设距离越小，采集数据越多，越精细和准确。

所述探测编队的通信系统包括编队各航行器之间的通信系统和航行器自身的通信系统。

实施例

一种海洋放射性污染协同监测方法，参考图1，包括以下步骤：

步骤1：工作母船将携带辐射传感器的探测编队搭载至探测海域，吊放至海中，在一个较大区域进行大范围的探测；

步骤2：编队初始化，编队内航行器以随机漫游形式在编队所在区域内进行多位置(A，B，C，D，E)探测，获取多点位置的放射性污染核素数据；

步骤3:编队领航器搭载的数据处理单元对编队航行器多点位置获取到的探测信息进行收集，并对放射性污染强度进行计算，得出污染强度梯度上升最大的方向信息，共享给其他航行器；

步骤4：编队航行器根据领航器共享的信息，沿着强度梯度上升最大的方向前进预设距离，并保持一定队形(如楔形)，各个航行器之间以一定的距离保持稳定通信，信息融合共享；

步骤5：重复步骤2～4，直至完成海域探测。

航行器在初始位置周边进行随机多点快速探测，获取一定范围内的多点辐射强度信息，通过领航器搭载的计算单元，得出区域放射性污染强度梯度图，如图1所示，多点之间的梯度上升值通过计算绘制出来，通过比较，得出初始点位置强度梯度上升最大方向，并通过编队内协同导航，将相关信息传输给编队内其他航行器，实现信息共享。

当编队开始进行探测时，编队航行器快速沿着强度梯度上升最大方向前进探测，重复步骤2～4，周期性的获取多位置的辐射强度，最终快速实现目标海域辐射强度监测。

水下航行器编队通信系统分为编队内航行器之间的通信系统和航行器自身的通信系统。

航行器编队协同导航很大程度上依赖于彼此间的通信，通过共享探测信息来提高整个编队的探测效率和精度。编队内航行器把自身最新的位置、速度信息以及所需要发送的数据(放射性污染处理数据)通过数据传输给相邻航行器；内部传输的信息主要是编队协同完成任务所需要的信息，受到海洋内部环境障碍物和外部干扰信号等的影响，编队本身运动和通信范围限制容易影响航行器之间的通信质量。在领航器发送给其他航行器前进方向信息时，需要自适应切换领航器，以保证通信距离最短、通信质量最佳。

通过本发明以上方法可以实现快速、高效、及时的海洋放射性污染监测。

本发明并不局限于前述的具体实施方法。本领域技术人员在不脱离本发明的精神下所做的非实质性改变或改进，都应属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种海洋放射性污染的多机协同监测方法，其特征在于，包括以下过程：

步骤1：工作母船将携带辐射传感器的探测编队搭载至探测海域，吊放至海中，在一个较大区域进行大范围的探测；

步骤2：编队初始化，编队内航行器以随机漫游形式在编队所在区域内进行探测，获取多点位置的辐射剂量率；

步骤3:领航器搭载的数据处理单元对编队航行器多点位置获取到的探测信息进行收集，计算各点放射性污染强度，获得污染强度梯度上升最大方向，共享给其他航行器，所述领航器为位于编队中心位置或最靠近中心位置的航行器；

所述步骤3包括：

步骤31：编队中所有航行器搭载的数据处理单元获取多点位置的包括位置、角度、速度和放射性污染强度在内的探测信息；

步骤32：编队领航器搭载的数据处理单元计算每个位置和领航器位置之间的放射性污染强度差，获取当前位置的污染强度梯度上升最大的方向，并共享给其他航行器；

步骤4：编队航行器根据领航器共享的信息，沿着强度梯度上升最大的方向前进预设距离，各个航行器之间以一定的距离保持稳定通信和信息交互；

所述步骤4包括以下过程：

步骤41：编队内各航行器接收到领航器共享的污染强度梯度上升最大方向信息；

步骤42：控制自身本体前进方向，沿着强度梯度上升最大的方向前进预设距离；

步骤43：编队航行器把自身最新的位置信息和速度信息进行编队内部共享；计算编队分布中心点位置，将位于该位置或离该位置最近的航行器自动定为领航器；

步骤5：重复步骤2～4，直至完成海域探测。

2.根据权利要求1所述的海洋放射性污染的多机协同监测方法，其特征在于，所述探测编队的通信系统包括编队各航行器之间的通信系统和航行器自身的通信系统；所述自身通信系统主负责航行器内部各个软件模块之间的通信，所述软件模块包括污染数据采集模块、导航模块行为融合与任务规划模块；所述航行器之间的通信采用短距离通信模块实现。

3.根据权利要求1所述的海洋放射性污染的多机协同监测方法，其特征在于，编队航行器保持为楔形队形；所述楔形队形利用领航器来控制整个编队的运动趋势，楔形队形尺寸适用于大海域范围内的污染探测。

4.根据权利要求1所述的海洋放射性污染的多机协同监测方法，其特征在于，在编队投放和探测过程中，对编队所获取的污染强度信息、污染强度梯度上升最大方向信息进行实时更新记录，并注明绝对位置信息。

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