CN110456013B - 一种河道水质监测系统及方法 - Google Patents

一种河道水质监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种的河道水质自动监测系统与方法，该系统包括河道监测平台以及部署在监测区域的河道自动监测设备，其中河道自动监测设备包括太阳能监测站和无人监测船，河道监测平台用于对河道自动监测设备的综合管理、监测任务管理、监测数据的管理，太阳能监测站用于固定点位的水质监测以及无人监测船的停泊与充电，无人监测船用于对监测区域的河道水质、河道三维结构、地面情况进行自动监测。本发明将无人监测设备与传统的固定监测站结合，构建了一套完整河道水质自动监测系统，解决了固定监测站无机动性、监测范围有限、只能进行点监测的问题，以及无人监测船、无人机、水下机器人对河道水质监测的续航差、无法连续作业、时刻需要手动控制的问题。

Description

一种河道水质监测系统及方法
技术领域
本发明涉及环境保护领域，具体涉及一种河道水环境质量监测系统及方法。
背景技术
除了控源截污、内源治理、生态恢复、科学调水等治理技术，河道的水质监测对黑臭水 体的治理同样具有重要的作用，河道的水质监测是发现污染、分析污染的数据来源，同时也 是评价黑臭水体整治效果的最主要手段。一套高效可靠的河道水质监测系统能够确保对河道 水质的全面把控，实现及时发现污染，迅速进行污染物溯源，有针对性的进行污染治理，为 黑臭水体的整治以及河道水环境污染防治提供强有力的管控手段。
现阶段河道的水质监测手段主要为采用水质监测站进行监测、使用无人监测船进行监测 以及使用无人机进行监测。其中，基于固定的水质监测探头的水质监测站应用的时间较长， 其结构较为简单并且能全天候进行监测，但无机动性，只能进行单点的水质监测，而且由于 取电、占地、成本等因素的限制不能大量建设。随着无人控制技术的发展，基于水质监测探 头的无人监测船和基于高光谱成像仪的无人机逐渐应用在河道的水质监测，目前已经在一些 河道的水质监测以及河湖的富营养化研究中有所应用，相较于水质监测站，无人监测船和无 人机具有较强的机动性，能够对需要监测的区域进行有针对性的监测，因此其监测范围较广， 但其存在续航差、无法连续作业、依赖人员现场操作、高光谱数据转化成水质数据准确度不 高等问题，无法进行大规模应用。
基于以上的河道水质监测设施设备现状特点，目前河道的水质监测存在数据源不够全面 且相对孤立，数据联动性较差，无法做到污染的及时发现和有效的污染源分析，在水质监测 站检测到水质发生异常后再使用无人监测船或者无人机进行监测，具有一定的滞后性，使得 无法准确发现真正的污染源，致使黑臭水体的整治缺乏针对性，整治成本较高和效果不理想。
发明内容
针对现有河道水质监测技术及的不足，结合现有的监测设备的特点，本发明提供了一种 河道水质监测系统及方法，将水质监测站、无人监测船、无人机进行有机结合，使其优势互 补，形成了“站-船-机”一体的河道监测技术体系，解决了现有技术中对河道水质监测不全 面、缺乏针对性和数据联动性差、对污染源的溯源能力不足的问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种河道水质监测系统，包括河道监测平台和部署在河道上的多个河道自动监测设备， 其中，
河道自动监测设备，用于对河道进行自动水质监测，包括太阳能监测站、无人监测船， 其中，
1)太阳能监测站，包括数据通信单元、电源管理单元、水质水量监测与变送单元，用 于对河道的固定点位进行全天候的水质水量监测，以及向无人监测船提供停泊与充电的场所， 其中，
a)数据通信单元，用于将水质水量监测数据、电源管理数据发送至河道监测平台以及 接收河道监测平台的监测参数配置值；
b)电源管理单元，包括稳压模块、电池模块、太阳能板、无线充电发射模块，用于设备供电、太阳能充电、无人监测船无线充电；
c)水质水量监测与变送单元，包括信号变送模块以及COD探头、氨氮探头、总磷探头、 流速探头、液位探头、温度探头、pH探头、ORP探头、电导率探头、溶解氧探头、其它探头按监测需求的组合方案，用于采集河道的水质水量数据，并将监测数据转化为电信号，发送至数据通信单元；
2)无人监测船，包括视频采集单元、电源管理单元、处理与控制单元、数据通信单元、 定位单元、无人机单元、无人机管理单元、综合监测与变送单元，用于对河道进行自动或者 手动巡航和综合水质监测、暗管排查、河道三维结构获取、水面情况拍摄、无人机停降与管 理；
a)视频采集单元，包括旋转云台、摄像照明一体模块，用于对水面情况以及排放口进 行视频拍摄；
b)电源管理单元，包括电池模块、无线充电接收模块，用于设备供电以及充电；
c)处理与控制单元，包括处理器、视频处理模块、时钟模块、数模转换模块、存储模块，用于接收信号变送模块的电信号并转化了相应的数字信号，以及接收视频采集单元拍摄 的视频数据，处理器与视频处理模块对监测数据以及视频进行分析处理，根据处理结果作出 相应的设备调整，并将数据进行存储；
d)数据通信单元，用于接收河道水质平台的监测任务、手动控制信号、设备参数配置 值以及无人机数据，并将监测数据、视频数据、设备数据发送至河道监测平台；
e)定位单元，包括RTK模块、GPS模块，用于无人监测船的高精度定位；
f)无人机单元，包括通讯模块、飞控模块、GPS模块、旋转云台、摄像模块、动力能源模块、光流模块、避障模块、充电接收模块、固定模块、高光谱成像仪，用于对监测区域 进行自动或者手动航拍以及高光谱成像，以及在无人监测船上定点停降和自动充电；
g)无人机管理单元，包括停降甲板、辅助标识、充电输出模块、固定模块，用于向无人机提供停降空间以及停降时的定位参考标识，并在停降后对无人机进行充电以及固定功能；
h)综合监测与变送单元，包括信号变送模块、主水质探头、潜水式监测模块、声呐探 头，其中主水质探头由COD探头、氨氮探头、总磷探头、流速探头组成，潜水式监测模块由摄像照明一体模块、运动机构、测深模块、副水质探头组成，副水质探头由温度探头、pH 探头、ORP探头、电导率探头、溶解氧探头、其它探头组成，主水质探头固定在无人监测船 底部，用于对无人监测船所在位置的水质进行监测，潜水式监测模块用于对无人监测船所在位置的水质进行监测以及通过扩展运动对无人监测船周围一定范围的区域进行水质监测，声 呐探头用于对于河道三维结构扫描与河道两侧的结构扫描，信号变送模块用于将水质监测数 据转化为电信号并发送至处理与控制单元。
河道监测平台，用于对河道自动监测设备的综合管理、监测任务管理、监测数据的管理， 包括：
1)数据接收存储单元，用于接收各个河道自动监测设备的设备参数以及监测数据，并 对数据进行存储；
2)数据处理与编辑单元，根据河道自动监测设备的设备参数以及监测数据，对数据进 行分析处理，并进行扩展填报以及生成相应的监测报告；
3)用户操作交互界面，用于向管理员展示实时的水质监测数据以及设备状态，并提供 设备参数设定、手动控制、数据管理的功能；
4)任务管理单元，用于管理员对各个河道自动监测设备下达监测任务，并查看历史任 务详情以及相应的任务数据；
5)报警单元，用于将河道自动监测设备的运行状态和水质监测数据的处理结果转换成 报警信号，包括设备电量报警、设备信号报警、防盗报警、设备故障报警、水质异常报警、 其它报警，并向管理员发出报警信号；
6)辅助决策单元，用于根据预设的方案库对水质监测数据的处理结果对监测任务方案 进行自动优化，以及对报警信号进行自主决策解决或向管理员提供解决方案。
优选地，所述太阳能监测站的无线充电发射模块以及无人监测船的无线充电接收模块均 采用大功率线圈。
优选地，所述无人机单元的充电接收模块为安装在处于对角位置的两个脚架底部的金属 触点，所述金属触点分别与无人机电源正负极相连。
优选地，所述无人机管理单元的固定模块为安装在停降甲板上的电磁铁吸盘，所述电磁 铁吸盘为断电带磁通电无磁，安装位置为无人机停降时不带充电接收模块的脚架所处的位置。
优选地，所述无人监测船的潜水式监测模块安装在无人监测船底部的潜水艇，安装方向 为垂直向下，无人监测船通过线缆向潜水式监测模块供电与传输信号。
优选地，所述无人监测船的声呐探头安装在无人监测船底部，所述声呐探头与旋转电机 相连，旋转中心轴与无人监测船前进方向平行。
一种应用所述系统的河道水质监测方法，该方法包括：
S1确定监测区域：并根据需要监测的河段框选出与监测河段相关的地面区域，共同组 成需要监测区域，作为无人监测船与无人机的活动范围；
S2获取监测区域基础数据：手动操控无人监测船及其搭载的无人机对监测范围进行全 覆盖的巡航监测，得出监测区域的基本河道水质参数、地面基本情况、河道的三维结构以及 暗管的分布情况；
S3搭建河道监测平台：根据上一步的测量数据以及现有下垫面资料、管网资料、其它 与污染源相关的资料构建监测区域的虚拟仿真模型，在虚拟仿真模型的基础上搭建河道监测 平台；
S4布置安装监测设备：在监测区域的河道上布置安装太阳能监测站，并投放无人监测 船，进行一次监测区域全覆盖的无人值守巡航监测任务，确保设备的正常运行；
S5下达监测任务：管理员在河道监测平台上下达监测任务，并设定河道自动监测设备 的运行参数；
S6自动完成监测任务：河道自动监测设备根据监测任务对河道进行自动监测，并根据 监测数据自动选择常规自动巡航模式或者高级自动巡航模式，然后将监测数据与设备状态参 数传回监测平台；
S7监测数据分析与处理：河道监测平台接收监测数据与设备状态参数后进行储存与处 理，然后在监测区域的虚拟仿真模型中展示，并将突发状况与异常数据向管理员发出警报；
S8监测设备的后续维护：管理员通过河道监测平台管理监测任务、查看或导出监测数 据、查看设备信息、配置设备参数以及其它操作，完成对监测区域的日常监测任务、监测设 备的管理维护以及突发状况的处理。
优选地，所述步骤S6中无人监测船对河道进行自动监测的工作方法流程如下：
1)无人监测船由待机状态中唤醒，进行设备自检，若自检不通过，进入维护模式，进 行人工维护后重新自检；
2)设备自检通过后发送指令至河道监测平台，若接收到平台指令，根据指令执行任务 配置、手动操作相关动作，否则，进入常规自动巡航模式，根据预设监测任务进行自动巡航；
3)进入巡航区域，持续判断是否存在安全风险，包括剩余电量风险、信号强度风险、 气象条件风险，若存在风险，则立即返回至太阳能监测站，否则，进行水质与地理数据常规 监测，并将监测数据进行初步处理、储存与发送至河道监测平台，其中，剩余电量风险判断 计算方法如下(如无特殊说明，以下所有计算中i代表太阳能监测站编号或者其它设施编号， j代表无人监测船编号，k代表无人机编号，t代表时间排序，如t＝1表示最新获取的数值， i，j，k，t＝1、2…)：
a)排除故障的太阳能监测站：
IfMai＝0,Pdi＝1,ifnot,Pdi＝Pdi
其中，
Mai为太阳能监测站工作模式状态值(0为停用维护，1为常规监测，2为密集监测)；
Pdi为太阳能监测站停泊无人监测船状态值(0代表无，1代表有)
b)最近可充电监测站选取及剩余电量计算：
Figure BDA0002086072200000041
其中，
Qmj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值，％
Qbj1为当前无人监测船的电池电量值，％
Pbj1为当前无人监测船的耗电速度值，％/min
Pdi为太阳能监测站停泊无人监测船状态值(0代表无，1代表有)
Xbj1为当前无人监测船的x坐标值，m
Xai为为太阳能监测站的x坐标值，m
Ybj1为当前无人监测船的y坐标值，m
Yai为太阳能监测站的y坐标值，m
Vbj1为当前无人监测船航速值，m/s
c)进行低电量报警：
IfQmj-Qlj≤0,Wbj＝1,if not,Wbj＝0
其中，
Qmj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值，％
Qlj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值下限，％
Wbj为无人监测船电量报警状态值(0代表无，1代表有)
4)当监测数据存在异常时，无人监测船向平台发出警报以及接管申请，若收到平台指 令，则进入手动操作模式，否则，将进入高级自动巡航模式，其中，水质异常识别的计算方 法如下：
监测站：
Figure BDA0002086072200000042
监测船：
Figure BDA0002086072200000051
其中，
Qditp为太阳能监测站水质水量各项监测值(p＝1-10，1为COD、2为氨氮、3为总磷、4为流速、5为液位、6为温度、7为pH、8为ORP、9为电导率、10为溶解氧)
Qejtp为无人监测船水质水量各项监测值(p同上)
Qhp为水质监测警戒值(p同上)
Wap为水质监测波动幅度警戒触发值，％(p同上)
Adip为太阳能监测站水质水量监测采集密度，次/s(p同上)
Tap为水质监测波动时间间隔警戒设定值，min(p同上)
Wdip为太阳能监测站水质报警状态值(0代表无，1代表有，p同上)
Wejp为无人监测船水质报警状态值(0代表无，1代表有，p同上)
5)完成监测任务后，无人监测船自动返回至太阳能监测站，并进入休眠状态。
优选地，所述步骤S6中高级巡航模式的工作方法流程如下：
1)进行上游排放口识别，识别出距离数据异常位置最近的上游排放口，判断其是否为 暗管排放口，若是，则启用潜水式水质监测模块对其进行水质监测，否则对其进行视频拍摄， 其中上游排放口识别计算方法如下：
a)计算无人监测船所在位置河流预设走向角度：
Figure BDA0002086072200000052
其中，
Ddjt为无人监测船所在位置河流预设走向角度，正东为0°，正北为90°，Ddjt∈[0,360)
Xbjt为无人监测船的x坐标值，m
Xei为河岸节点的x坐标值，m
Ybjt为无人监测船的y坐标值，m
Yei为河岸节点的y坐标值，m
b)判断河道真实流向：
Figure BDA0002086072200000053
其中，
Dejt为无人监测船所在位置河流当前走向角度，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0,360)
Dajt为无人监测船的偏航角，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0,360)
Ddjt为无人监测船所在位置河流预设走向角度，正东为0°，正北为90°，Ddjt∈[0,360)
Qejt4为无人监测船流速监测值(船头指向为负值)
c)识别最近上游排放口：
Figure BDA0002086072200000061
其中，
Dfit为排放口相对于无人监测船的角度，正东为0°，正北为90°，Dfit∈[0,360)
Xdi为排放口的x坐标值，m
Xbjt为无人监测船的x坐标值，m
Ydi为为排放口的y坐标值，m
Ybjt为无人监测船的y坐标值
Dejt为无人监测船所在位置河流当前走向角度，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0,360)
d)判断排放口状态：
If Qfjt11-Hei-Hdi≥0,Oai＝1,if not,Oai＝0
其中，
Qfjt11为无人监测船深度监测值，m
Hei排放口高度值，m
Hdi排放口管底距离河底高度值，m
Oai排放口状态判断值(0为非暗管状态，1为暗管状态)
2)进行无人机自检，若自检不通过，进入维护模式，进行人工维护后重新自检；
3)通过自检后无人机启动，持续判断是否存在安全风险，包括剩余电量风险、信号强 度风险、气象条件风险，若存在风险，则立即返回至无人监测船，否则，进行高光谱水质监 测，其中，剩余电量风险判断计算方法如下：
a)排除故障的无人船：
If Mbi＝0,Pei＝1,if not,Pei＝Pei
其中，
Mbi为无人监测船工作模式状态值(0为停用维护，1为常规监测，2为高级监测，3为自动回航，4为待机休眠，5为手动)
Pei为无人监测船停降无人机状态值(0代表无，1代表有)
b)最近可充电无人船选取及剩余电量计算：
Figure BDA0002086072200000062
其中，
Qpk为无人机停降时的剩余电量预测值，％
Qck1为当前无人机的电池电量值，％
Pck1为当前无人机的耗电速度值，％/min
Pej为无人监测船停降无人机状态值(0代表无，1代表有)
Xck1为当前无人机的x坐标值，m
Xbj1为当前无人监测船的x坐标值，m
Yck1为当前无人机的y坐标值，m
Ybj1为当前无人监测船的y坐标值，m
Hck1为当前无人机的高度值，m
Vck1为当前无人机航速值，m/s
c)进行低电量报警：
IfQpk-Qok≤0,Wck＝1,if not,Wck＝0
其中，
Qpk为无人机停降时的剩余电量预测值，％
Qok为无人机停降时的剩余电量预测值下限，％
Wck为无人机电量报警状态值(0代表无，1代表有)
4)判断附近是否存在支流口或者可疑对象，若有，则进入支流拍摄模式或者可疑对象 跟踪拍摄模式，否则，无人机回航以及自动停降，并进入休眠状态。
本发明至少具有如下的有益效果：
通过构建一套完整河道水质自动监测系统，解决了固定监测站无机动性、监测范围有限、 只能进行点监测的问题，以及无人监测船、无人机、水下机器人对河道水质监测的续航差、 无法连续作业、时刻需要手动控制的问题。进而解决了现阶段黑臭水体水质监测范围有限、 对突发状况缺乏针对性的监测措施、各项监测数据之间的联动性差、对污染源的溯源能力不 足的问题。
附图说明
为了更清晰地说明本发明的技术方案，下面对实施例描述中所需要的附图进行说明介绍， 明显地，以下附图仅仅是本发明实施过程中的部分实施例，对于该领域的技术人员，还能根 据本发明内容轻易地获得其他实施例的附图。
图1是本发明一个实施例中河道水质自动监测系统的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中河道水质监测系统布置图；
图3是本发明一个实施例中河道水质自动监测方法的流程图；
图4是本发明一个实施例中无人监测船的总工作流程图；
图5是本发明一个实施例中无人监测船高级巡航模式工作流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附 图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出了一种河道水质监测系统，参见图1，包括河道监测平台101和部署 在河道上的多个河道自动监测设备102，其中，
河道自动监测设备102，用于对河道进行自动水质监测，包括太阳能监测站109、无人 监测船110，其中，
1)太阳能监测站109，包括数据通信单元111、电源管理单元112、水质水量监测与变 送单元120，用于对河道的固定点位进行全天候的水质水量监测，以及向无人监测船110提 供停泊与充电的场所，其中，
a)数据通信单元，用于将水质水量监测数据、电源管理数据发送至河道监测平台以及 接收河道监测平台101的监测参数配置值；
b)电源管理单元，包括稳压模块、电池模块、太阳能板、无线充电发射模块，用于设备供电、太阳能充电、无人监测船110无线充电；
优选地，电池模块采用24V锂电池，总容量不小于45Ah，太阳能板面积不小于1m2，输 出功率不小于150W；
优选地，所述太阳能监测站109的无线充电发射模块以及无人监测船110的无线充电接 收模块均采用大功率线圈；
c)水质水量监测与变送单元，包括信号变送模块以及COD探头、氨氮探头、总磷探头、 流速探头、液位探头、温度探头、pH探头、ORP探头、电导率探头、溶解氧探头、其它探头按监测需求的组合方案，用于采集河道的水质水量数据，并将监测数据转化为电信号，发送至数据通信单元，信号变送模块一般输出为4-20mA电流信号或0-5V电压信号。
优选地，COD的量程不小于20-300mg/L，精度不大于1mg/L，分辨率不大于1mg/L；氨氮的量程不小于0-20mg/L，精度不大于0.1mg/L，分辨率不大于0.01mg/L；总磷的量程不 小于0-5.0mg/L，精度不大于0.05mg/L，分辨率不大于0.01mg/L；流速的量程不小于[-5m/s，5m/s]，精度不大于0.1m/s，分辨率不大于0.01m/s；温度探头的量程不小于0-50℃，精度 不大于0.1℃，分辨率不大于0.01℃；pH探头的量程不小于0-14，精度大于0.1，分辨率 不大于0.01；ORP探头的量程不小于[-500mV,500mV]，精度与分辨率不大于1mV；电导率探 头的量程不小于0-5000uS/cm，精度不大于5uS/cm，分辨率不大于1uS/cm；溶解氧探头的 量程不小于0-20mg/L，精度不大于0.6mg/L，分辨率不大于0.01mg/L。
2)无人监测船110，包括视频采集单元113、电源管理单元114、处理与控制单元115、 数据通信单元116、定位单元117、无人机单元118、无人机管理单元119、综合监测与变送 单元120，用于对河道进行自动或者手动巡航和综合水质监测、暗管排查、河道三维结构获 取、水面情况拍摄、无人机停降与管理；
优选地，无人监测船110的采用采用单体船体设计，船体的长度不应小于0.8m，以满 足设计的设备搭载能力。
a)视频采集单元113，包括旋转云台、摄像照明一体模块，用于对水面情况以及排放 口进行视频拍摄；
优选地，摄像照明一体模块的视频拍摄质量不低于1080p60fps，照明距离不低于10m， 旋转云台的俯仰与左右转动角度不小于+-60°；
b)电源管理单元114，包括电池模块、无线充电接收模块，用于设备供电以及充电；
优选地，电池模块采用24V锂电池，总容量不小于24000mAh；
c)处理与控制单元115，包括处理器、视频处理模块、时钟模块、数模转换模块、存储模块，用于接收信号变送模块的电信号并转化了相应的数字信号，以及接收视频采集单元 拍摄的视频数据，处理器与视频处理模块对监测数据以及视频进行分析处理，根据处理结果 作出相应的设备调整，并将数据进行存储；
优选地，处理器采用x86架构处理器，视频加速模块采用独立视频显示卡；
d)数据通信单元116，用于接收河道水质平台的监测任务、手动控制信号、设备参数 配置值以及无人机数据，并将监测数据、视频数据、设备数据发送至河道监测平台101；
优选地，数据通信单元116的通讯方式采用4g网络与433m无线电双信号传输；
e)定位单元117，包括RTK模块、GPS模块，用于无人监测船110的高精度定位；
优选地，RTK模块采用分体式模块，电路部分安装在船体内，信号传输部分安装在船顶 部，精度不大于2cm，GPS模块精度不大于5m；
f)无人机单元118，包括通讯模块、飞控模块、GPS模块、旋转云台、摄像模块、动 力能源模块、光流模块、避障模块、充电接收模块、固定模块、高光谱成像仪，用于对监测 区域进行自动或者手动航拍以及高光谱成像，以及在无人监测船110上定点停降和自动充电；
优选地，无人机单元118采用多旋翼无人机，更优选地，其采用四旋翼无人机；旋转云 台采用三轴云台，俯仰转动角度不小于+-90°，水平转动角度为360°；高光谱成像仪的光谱范围不小于400-1000nm，波段数不小于270，重量不大于0.5kg；
g)无人机管理单元119，包括停降甲板、辅助标识、充电输出模块、固定模块，用于向无人机提供停降空间以及停降时的定位参考标识，并在停降后对无人机进行充电以及固定 功能；
优选地，停降甲板的四周宜设有L型标识以限定其区域，辅助标识用于无人机停降时进 行识别定位，以实现其精准停降在停降甲板的中央，优选地，辅助标识宜采用红色环形喷漆 图案，按五点分布设置在停降甲板的中央。充电输出模块和固定模块设置在停降甲板内，优 选地，充电输出模块和固定模块各设置2个，按正方形边角位置对角分布；
优选地，充电输出模块采用铜板，固定模块采用12V或者24V直流电磁铁吸盘，所述电 磁铁吸盘为通电无磁式；
h)综合监测与变送单元120，包括信号变送模块、主水质探头、潜水式监测模块、声呐探头，其中主水质探头由COD探头、氨氮探头、总磷探头、流速探头组成，潜水式监测模 块由摄像照明一体模块、运动机构、测深模块、副水质探头组成，副水质探头由温度探头、 pH探头、ORP探头、电导率探头、溶解氧探头、其它探头组成，主水质探头固定在无人监测 船110底部，用于对无人监测船110所在位置的水质进行监测，潜水式监测模块用于对无人 监测船110所在位置的水质进行监测以及通过扩展运动对无人监测船110周围一定范围的区域进行水质监测，声呐探头用于对于河道三维结构扫描与河道两侧的结构扫描，信号变送模 块用于将水质监测数据转化为电信号并发送至处理与控制单元。
优选地，潜水式监测模块的主体为无人潜水艇。
优选地，COD的量程不小于20-300mg/L，精度不大于1mg/L，分辨率不大于1mg/L；氨氮的量程不小于0-20mg/L，精度不大于0.1mg/L，分辨率不大于0.01mg/L；总磷的量程不 小于0-5.0mg/L，精度不大于0.05mg/L，分辨率不大于0.01mg/L；流速的量程不小于[-5m/s，5m/s]，精度不大于0.1m/s，分辨率不大于0.01m/s；温度探头的量程不小于0-50℃，精度 不大于0.1℃，分辨率不大于0.01℃；pH探头的量程不小于0-14，精度大于0.1，分辨率 不大于0.01；ORP探头的量程不小于[-500mV,500mV]，精度与分辨率不大于1mV；电导率探 头的量程不小于0-5000uS/cm，精度不大于5uS/cm，分辨率不大于1uS/cm；溶解氧探头的 量程不小于0-20mg/L，精度不大于0.6mg/L，分辨率不大于0.01mg/L；
优选地，声呐探头采用多波束探头，扫描角度不小于120°，分辨率不大于5cm，扫描距离不小于20m；
优选地，所述无人监测船110的声呐探头安装在无人监测船110底部，所述声呐探头与 旋转电机相连，旋转中心轴与无人监测船110前进方向平行，旋转电机采用12V或者24V 的直流步进电机，控制精度不大于1°。
河道监测平台101，用于对河道自动监测设备的综合管理、监测任务管理、监测数据的 管理，包括：
1)数据接收存储单元103，用于接收各个河道自动监测设备的设备参数以及监测数据， 并对数据进行存储，所述数据接收存储单元103支持多种通信方式，包括3G/GPRS、以太网、 Zigbee、WIFI和RS232/485有线通信
2)数据处理与编辑单元104，根据河道自动监测设备的设备参数以及监测数据，对数 据进行分析处理，并进行扩展填报以及生成相应的监测报告；
3)用户操作交互界面105，用于向管理员展示实时的水质监测数据以及设备状态，并 提供设备参数设定、手动控制、数据管理的功能；
4)任务管理单元106，用于管理员对各个河道自动监测设备下达监测任务，并查看历 史任务详情以及相应的任务数据；
5)报警单元107，用于将河道自动监测设备的运行状态和水质监测数据的处理结果转 换成报警信号，包括设备电量报警、设备信号报警、防盗报警、设备故障报警、水质异常报 警、其它报警，并向管理员发出报警信号；
其中，报警信号，包括网页报警提示与短信报警提示，在网页端根据河道的流域流向， 提示目前水质超标出现的区域范围，并根据超标程度设定不同的报警显示方式，轻微超标为 橙色、严重超标为红色。
6)辅助决策单元108，用于根据预设的方案库对水质监测数据的处理结果对监测任务 方案进行自动优化，以及对报警信号进行自主决策解决或向管理员提供解决方案。
本发明一个实施例中河道水质监测系统的空间布置如图2所示，一种河道水质监测系统， 包括河道监测平台101，和布置在河岸的多个太阳能监测站109和布置在河中的多个无人监 测船110，以及无人监测船110上的无人机单元118。所述系统监测区域内的主要对象为监 测河道201、河岸节点202、支流口203和排放口204。
河岸节点202为监测河道201栅格化的结果，作用是将监测河道201划分为有限的栅格 区域，便于数据管理与数据分析，优选地，河岸节点202的间隔不应大于100m，编号顺序 为先干流后支流，先一侧河岸后另一侧河岸，支流口203和排放口204的编号顺序同河岸节 点202。
本发明一个实施例提出了一种河道水质监测方法，参见图3，该方法包括：
步骤S1：确定监测区域：并根据需要监测的河段框选出与监测河段相关的地面区域， 共同组成需要监测区域，作为无人监测船110与无人机的活动范围。
在本步骤中，需要监测的河段应是一个相对完整的河道系统，地面区域主要包括监测河 段所接纳的雨水汇水范围。
步骤S2：获取监测区域基础数据：手动操控无人监测船110及其搭载的无人机对监测 范围进行全覆盖的巡航监测，得出监测区域的基本河道水质参数、地面基本情况、河道的三 维结构以及暗管的分布情况。
本步骤中，河道水质监测的点位间隔不应大于5m，河道三维结构数据主要为河道深度， 深度测量点位间隔不应大于5m，地面基本情况主要为拍照和录制视频，主要获取监测河段 周边的作业条件情况，暗管数据包括直径、坐标、以及高度。
步骤S3：搭建河道监测平台101：根据上一步的测量数据以及现有下垫面资料、管网资 料、其它与污染源相关的资料构建监测区域的虚拟仿真模型，在虚拟仿真模型的基础上搭建 河道监测平台101。
本步骤中，所述下垫面资料包括用地类型以及下垫面形状，管网资料包括污水管、雨水 管和合流管，所述虚拟仿真软件为三维仿真软件，并具有水力水质模拟功能。
步骤S4：布置安装监测设备：在监测区域的河道上布置安装太阳能监测站109，并投放 无人监测船110，进行一次监测区域全覆盖的无人值守巡航监测任务，确保设备的正常运行。
本步骤中，太阳能监测站109的布置距离不应大于2km，河道水质监测的点位间隔不应 大于5m。
步骤S5：下达监测任务：管理员在河道监测平台101上下达监测任务，并设定河道自 动监测设备的运行参数。
本步骤中，河道自动监测设备的运行参数设定包括无人监测船110停泊时的剩余电量预 测值下限、水质监测警戒值、水质监测波动幅度警戒触发值、太阳能监测站109水质水量监 测采集密度、水质监测波动时间间隔警戒设定值、无人机停降时的剩余电量预测值下限，并 且能够对每一个设备进行单独设置。
步骤S6：自动完成监测任务：河道自动监测设备根据监测任务对河道进行自动监测， 并根据监测数据自动选择常规自动巡航模式或者高级自动巡航模式，然后将监测数据与设备 状态参数传回监测平台。
本步骤中，常规自动巡航模式或者高级自动巡航模式的选择依据为水质是否发生异常。
步骤S7：监测数据分析与处理：河道监测平台101接收监测数据与设备状态参数后进 行储存与处理，然后在监测区域的虚拟仿真模型中展示，并将突发状况与异常数据向管理员 发出警报。
本步骤中，异常数据包括水质异常、设备电量异常、设备动力异常、传感器异常、设备 被盗、信号异常。
步骤S8：监测设备的后续维护：管理员通过河道监测平台101管理监测任务、查看或 导出监测数据、查看设备信息、配置设备参数以及其它操作，完成对监测区域的日常监测任 务、监测设备的管理维护以及突发状况的处理。
为了更好地说明本发明所述的河道水质监测方法，下面对上述步骤6的常规自动巡航模 式进行详细说明，其具体步骤参见图3：
1)首先，无人监测船110由待机状态中唤醒，为保证设备正常运作，先进行设备自检， 若自检不通过，进入维护模式，进行人工维护后重新自检。
优选地，设备自检包括信号检测、动力检测、监测模块检测。
2)设备自检通过后发送指令至河道监测平台101，若接收到平台指令，等待时间为10s， 根据指令执行任务配置、手动操作相关动作，否则，进入常规自动巡航模式，根据预设监测 任务进行自动巡航。
优选地，手动操作采用与计算机连接的专业手持操作器进行操作，自动巡航模式包括规 定线路巡航、划定范围巡航、规定时间段巡航、规定起始点巡航。
3)进入巡航区域，持续判断是否存在安全风险，包括剩余电量风险、信号强度风险、 气象条件风险，若存在风险，则立即返回至太阳能监测站109，否则，进行水质与地理数据 常规监测，并将监测数据进行初步处理、储存与发送至河道监测平台101。
为了对剩余电量进行风险判断，先对以下参数进行定义：
如无特殊说明，以下所有计算中i代表太阳能监测站编号或者其它设施编号，j代表无 人监测船编号，k代表无人机编号，t代表时间排序，如t＝1表示最新获取的数值，i，j，k， t＝1、2…
a)先排除故障的太阳能监测站109，使用条件判断：
IfMai＝0,Pdi＝1,if not,Pdi＝Pdi
即当太阳能监测站109处于停用维护状态时，其停泊无人监测船状态自动切换至有，当 太阳能监测站109处于正常监测状态时，其停泊无人监测船状态保持原值。
其中，
Mai为太阳能监测站工作模式状态值(0为停用维护，1为常规监测，2为密集监测)；
Pdi为太阳能监测站停泊无人监测船状态值(0代表无，1代表有)
b)最近可充电监测站选取及剩余电量计算：
Figure BDA0002086072200000121
该式子中，已知各个太阳能监测站109的坐标(Xai，Yai)、各个无人监测船110当前的坐标(Xbj1，Ybj1)，通过
Figure BDA0002086072200000122
计算出各个太阳能监测站109与 无人监测船110的距离，再通过(1+999×Pdi)将已经有无人监测船停泊或者处于停用维护 状态的太阳能监测站109排除，当该太阳能监测站109已经有无人监测船停泊或者处于停用 维护状态时，计算出的距离为实际距离的1000倍，通过取
Figure BDA0002086072200000123
的最小值得出(i,j)，即每一个无人监测船 最近的且可用的太阳能监测站，然后再将该值乘以当前无人监测船的耗电速度值Pbj1、除以 (60×Vbj1)得出其返回至太阳能监测站所需的电量，进而得出其停泊至太阳能监测站时的剩 余电量。
其中，
Qmj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值，％
Qbj1为当前无人监测船的电池电量值，％
Pbj1为当前无人监测船的耗电速度值，％/min
Pdi为太阳能监测站停泊无人监测船状态值(0代表无，1代表有)
Xbj1为当前无人监测船的x坐标值，m
Xai为为太阳能监测站的x坐标值，m
Ybj1为当前无人监测船的y坐标值，m
Yai为太阳能监测站的y坐标值，m
Vbj1为当前无人监测船航速值，m/s
c)进行低电量报警，使用条件判断：
IfQmj-Qlj≤0,Wbj＝1,if not,Wbj＝0
即当无人监测船停泊时的剩余电量预测值不大于无人监测船停泊时的剩余电量预测值 下限时，无人监测船电量将处于报警状态，优选地，无人监测船停泊时的剩余电量预测值下 限设置在10-20％，以确保无人监测船110的正常返航。
其中，
Qmj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值，％
Qlj为无人监测船停泊时的剩余电量预测值下限，％
Wbj为无人监测船电量报警状态值(0代表无，1代表有)
4)当监测数据存在异常时，无人监测船110向平台发出警报以及接管申请，若收到平 台指令，则进入手动操作模式，否则，将进入高级自动巡航模式，其中，水质异常识别的计 算方法如下：
监测站：
Figure BDA0002086072200000124
监测船：
Figure BDA0002086072200000131
以太阳能监测站109的计算方法为例，该式子中，水质监测警戒值Qhp、水质监测波动 幅度警戒触发值Wap、水质监测波动时间间隔警戒设定值Tap、太阳能监测站水质水量监测 采集密度Adip均为管理人员在河道监测平台101中进行预设，触发水质异常的条件有两个， 一是太阳能监测站水质水量各项监测值Qditp达到水质监测警戒值Qhp，二是水质监测的实际 波动幅度
Figure BDA0002086072200000132
达到警戒触发值Wap，上述两个条件满足其中一个即可触发水质异常， 得到水质异常的太阳能监测站的编号以及异常水质指标(j,p)。
优选地，水质监测警戒值Qhp按监测河道所在区域的地表水质量标准规定的各项指标的 上限值进行设置，太阳能监测站水质水量监测采集密度Adip不小于0.2次/s，水质监测波动 幅度警戒触发值Wap取10％-20％，水质监测波动时间间隔警戒设定值Tap取5-10min。
其中，
Qditp为太阳能监测站水质水量各项监测值(p＝1-10，1为COD、2为氨氮、3为总磷、4为流速、5为液位、6为温度、7为pH、8为ORP、9为电导率、10为溶解氧)
Qejtp为无人监测船水质水量各项监测值(p同上)
Qhp为水质监测警戒值(p同上)
Wap为水质监测波动幅度警戒触发值，％(p同上)
Adip为太阳能监测站水质水量监测采集密度，次/s(p同上)
Tap为水质监测波动时间间隔警戒设定值，min(p同上)
Wdip为太阳能监测站水质报警状态值(0代表无，1代表有，p同上)
Wejp为无人监测船水质报警状态值(0代表无，1代表有，p同上)
5)完成监测任务后，无人监测船110自动返回至太阳能监测站109，并进入休眠状态， 切断动力电源，但保持基本的通讯功能的开启。
本发明一个实施例中无人监测船110高级巡航模式工作流程参见图5，该工作流程具体 如下：
1)根据污染物一般来自排放口的情况，对监测区域进行上游排放口识别，识别出距离 数据异常位置最近的上游排放口，并航行至排放口处进行水质监测，以确定污染物是否来自 该排放口，并判断其是否为暗管排放口，若是，则启用潜水式水质监测模块对其进行水质监 测，否则对其进行视频拍摄，其中上游排放口识别计算方法如下：
a)计算无人监测船110所在位置河流预设走向角度：
Figure BDA0002086072200000133
该式子中，通过
Figure BDA0002086072200000134
计算得出距离无人监测船110最近的河 岸节点编号，然后根据相邻的两个河岸节点坐标(Xei，Yei)、(Xei+1，Yei+1)计算得出无人监测船所在位置河流预设走向角度Ddjt。
其中，
Ddjt为无人监测船所在位置河流预设走向角度，正东为0°，正北为90°，Ddjt∈[0,360)
Xbjt为无人监测船的x坐标值，m
Xei为河岸节点的x坐标值，m
Ybjt为无人监测船的y坐标值，m
Yei为河岸节点的y坐标值，m
b)由于潮汐或者其它原因，河道的真实流向与其预设流向不一定相同，需要判断河道 真实流向：
Figure BDA0002086072200000141
该式子中，根据无人监测船流速监测值Qejt4进行判断，当无人监测船流速监测值Qeit4为 0时，无人监测船所在位置河流当前走向角度Dejt与预设走向角度Ddjt相同，当无人监测船 流速监测值Qejt4不为0时，先通过[90-|Ddjt-Dajt|]的正负来判断无人监测船所在位置河 流预设走向角度Ddjt与无人监测船的偏航角Dajt是否大于90°，再通过无人监测船流速监测 值Qejt4的正负来判断无人监测船所在位置河流当前走向角度Dejt与预设走向角度Ddjt是否 一致。
其中，
Dejt为无人监测船所在位置河流当前走向角度，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0,360)
Dajt为无人监测船的偏航角，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0,360)
Ddjt为无人监测船所在位置河流预设走向角度，正东为0°，正北为90°，Ddjt∈[0,360)
Qejt4为无人监测船流速监测值(船头指向为负值)
c)识别最近上游排放口：
Figure BDA0002086072200000142
该式子中，先计算得出排放口相对于无人监测船的角度Dfit，再通过
Figure BDA0002086072200000143
排除处于无人监测船下游的排放口，当无人监测船所在位置河流当前走向角度Dejt与排放口 相对于无人监测船的角度Dfit相差小于90°，即排放口处于无人监测船110下游时，
Figure BDA0002086072200000144
结果为10000，其计算得出距离值是实际值的10000倍，通过取 排除掉下游排放口后的
Figure BDA0002086072200000145
的最小值得出距离无人监测船最近 的上游排放口的编号i。
其中，
Dfit为排放口相对于无人监测船的角度，正东为0°，正北为90°，Dfit∈[0,360)
Xdi为排放口的x坐标值，m
Xbjt为无人监测船的x坐标值，m
Ydi为为排放口的y坐标值，m
Ybjt为无人监测船的y坐标值
Dejt为无人监测船所在位置河流当前走向角度，正东为0°，正北为90°，Dejt∈[0,360)
d)由于河道水位是不断发生变化的，所以需要判断排放口状态，使用条件判断：
IfQfjt11-Hei-Hdi≥0,Oai＝1,if not,Oai＝0
即当无人监测船深度监测值Qfjt11不小于排放口高度值Hei与排放口管底距离河底高度 值Hdi时，排放口处于暗管状态。
其中，
Qfjt11为无人监测船深度监测值，m
Hei排放口高度值，m
Hdi排放口管底距离河底高度值，m
Oai排放口状态判断值(0为非暗管状态，1为暗管状态)
2)进行无人机自检，若自检不通过，进入维护模式，进行人工维护后重新自检；
3)通过自检后无人机启动，持续判断是否存在安全风险，包括剩余电量风险、信号强 度风险、气象条件风险，若存在风险，则立即返回至无人监测船110，否则，进行高光谱水质监测，其中，剩余电量风险判断计算方法如下，该计算原理参见无人监测船110的剩余电量风险判断：
a)排除故障的无人船：
IfMbi＝0,Pei＝1,if not,Pei＝Pei
其中，
Mbi为无人监测船工作模式状态值(0为停用维护，1为常规监测，2为高级监测，3为自动回航，4为待机休眠，5为手动)
Pei为无人监测船停降无人机状态值(0代表无，1代表有)
b)最近可充电无人船选取及剩余电量计算：
Figure BDA0002086072200000151
其中，
Qpk为无人机停降时的剩余电量预测值，％
Qck1为当前无人机的电池电量值，％
Pck1为当前无人机的耗电速度值，％/min
Pej为无人监测船停降无人机状态值(0代表无，1代表有)
Xck1为当前无人机的x坐标值，m
Xbj1为当前无人监测船的x坐标值，m
Yck1为当前无人机的y坐标值，m
Ybj1为当前无人监测船的y坐标值，m
Hck1为当前无人机的高度值，m
Vck1为当前无人机航速值，m/s
c)进行低电量报警：
IfQpk-Qok≤0,Wck＝1,if not,Wck＝0
其中，
Qpk为无人机停降时的剩余电量预测值，％
Qok为无人机停降时的剩余电量预测值下限，％
Wck为无人机电量报警状态值(0代表无，1代表有)
优选地，无人机停降时的剩余电量预测值下限设置在10-20％，以确保无人机的正常返 航。
4)判断附近是否存在支流口或者可疑对象，若有，则进入支流拍摄模式或者可疑对象 跟踪拍摄模式，否则，无人机回航以及自动停降，并进入休眠状态。
本发明通过构建一套完整河道水质自动监测系统，解决了固定监测站无机动性、监测范 围有限、只能进行点监测的问题，以及无人监测船、无人机、水下机器人对河道水质监测的 续航差、无法连续作业、时刻需要手动控制的问题。进而解决了现阶段黑臭水体水质监测范 围有限、对突发状况缺乏针对性的监测措施、各项监测数据之间的联动性差、对污染源的溯 源能力不足的问题。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发 明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载 的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使 相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于河道水质监测系统的方法，所述河道水质监测系统包括河道监测平台和部署在河道上的多个河道自动监测设备，其特征在于，所述河道自动监测设备用于对河道进行自动水质监测，包括太阳能监测站及无人监测船，其中，
1）太阳能监测站，包括数据通信单元、电源管理单元、水质水量监测及变送单元，用于对河道的固定点位进行全天候的水质水量监测，以及向无人监测船提供停泊与充电的场所，其中，
a)数据通信单元，用于将水质水量监测数据与电源管理数据发送至河道监测平台以及接收河道监测平台的监测参数配置值；
b)电源管理单元，包括稳压模块、电池模块、太阳能板及无线充电发射模块，用于设备供电、太阳能充电及无人监测船无线充电；
c)水质水量监测与变送单元，包括信号变送模块、COD探头、氨氮探头、总磷探头、流速探头、液位探头、温度探头、pH探头、ORP探头、电导率探头及溶解氧探头，用于采集河道的水质水量数据，并将监测数据转化为电信号，发送至数据通信单元；
2）无人监测船，包括视频采集单元、电源管理单元、处理与控制单元、数据通信单元、定位单元、无人机单元、无人机管理单元、综合监测与变送单元，用于对河道进行自动或者手动巡航和综合水质监测、暗管排查、河道三维结构获取、水面情况拍摄、以及无人机停降与管理；
a)视频采集单元，包括旋转云台及摄像照明一体模块，用于对水面情况以及排放口进行视频拍摄；
b)电源管理单元，包括电池模块及无线充电接收模块，用于设备供电以及充电；
c)处理与控制单元，包括处理器、视频处理模块、时钟模块、数模转换模块及存储模块，用于接收信号变送模块的电信号并转化成相应的数字信号，以及接收视频采集单元拍摄的视频数据，处理器与视频处理模块对监测数据以及视频进行分析处理，根据处理结果作出相应的设备调整，并将数据进行存储；
d)数据通信单元，用于接收河道水质平台的监测任务、手动控制信号、设备参数配置值以及无人机数据，并将监测数据、视频数据及设备数据发送至河道监测平台；
e)定位单元，包括RTK模块及GPS模块，用于无人监测船的高精度定位；
f)无人机单元，包括通讯模块、飞控模块、GPS模块、旋转云台、摄像模块、动力能源模块、光流模块、避障模块、充电接收模块、固定模块及高光谱成像仪，用于对监测区域进行自动或者手动航拍以及高光谱成像，以及在无人监测船上定点停降和自动充电；
g)无人机管理单元，包括停降甲板、辅助标识、充电输出模块及固定模块，用于向无人机提供停降空间以及停降时的定位参考标识，并在停降后对无人机进行充电以及固定功能；
h)综合监测与变送单元，包括信号变送模块、主水质探头、潜水式监测模块及声呐探头，其中主水质探头由COD探头、氨氮探头、总磷探头及流速探头组成，潜水式监测模块由摄像照明一体模块、运动机构、测深模块及副水质探头组成，副水质探头由温度探头、pH探头、ORP探头、电导率探头及溶解氧探头组成，主水质探头固定在无人监测船底部，用于对无人监测船所在位置的水质进行监测，潜水式监测模块用于对无人监测船所在位置的水质进行监测以及通过扩展运动对无人监测船周围一定范围的区域进行水质监测，声呐探头用于对于河道三维结构扫描与河道两侧的结构扫描，信号变送模块用于将水质监测数据转化为电信号并发送至处理与控制单元；
河道监测平台，用于对河道自动监测设备的综合管理、监测任务管理及监测数据的管理，包括：
1)数据接收存储单元，用于接收各个河道自动监测设备的设备参数以及监测数据，并对数据进行存储；
2)数据处理与编辑单元，根据河道自动监测设备的设备参数以及监测数据，对数据进行分析处理，并进行扩展填报以及生成相应的监测报告；
3)用户操作交互界面，用于向管理员展示实时的水质监测数据以及设备状态，并提供设备参数设定、手动控制及数据管理的功能；
4)任务管理单元，用于管理员对各个河道自动监测设备下达监测任务，并查看历史任务详情以及相应的任务数据；
5)报警单元，用于将河道自动监测设备的运行状态和水质监测数据的处理结果转换成报警信号，包括设备电量报警、设备信号报警、防盗报警、设备故障报警及水质异常报警，并向管理员发出报警信号；
辅助决策单元，用于根据预设的方案和水质监测数据的处理结果对监测任务方案进行自动优化，以及对报警信号进行自主决策解决或向管理员提供解决方案；
基于河道水质监测系统的方法包括：
S1确定监测区域：并根据需要监测的河段框选出与监测河段相关的地面区域，共同组成需要监测区域，作为无人监测船与无人机的活动范围；
S2获取监测区域基础数据：手动操控无人监测船及其搭载的无人机对监测范围进行全覆盖的巡航监测，得出监测区域的基本河道水质参数、地面基本情况、河道的三维结构以及暗管的分布情况；
S3搭建河道监测平台：根据上一步的测量数据以及现有下垫面资料及管网资料构建监测区域的虚拟仿真模型，在虚拟仿真模型的基础上搭建河道监测平台；
S4布置安装监测设备：在监测区域的河道上布置安装太阳能监测站，并投放无人监测船，进行一次监测区域全覆盖的无人值守巡航监测任务，确保设备的正常运行；
S5下达监测任务：管理员在河道监测平台上下达监测任务，并设定河道自动监测设备的运行参数；
S6自动完成监测任务：河道自动监测设备根据监测任务对河道进行自动监测，并根据监测数据自动选择常规自动巡航模式或者高级自动巡航模式，然后将监测数据与设备状态参数传回监测平台；
S7监测数据分析与处理：河道监测平台接收监测数据与设备状态参数后进行储存与处理，然后在监测区域的虚拟仿真模型中展示，并将突发状况与异常数据向管理员发出警报；
S8监测设备的后续维护：管理员通过河道监测平台管理监测任务、查看或导出监测数据、查看设备信息及配置设备参数，完成对监测区域的日常监测任务、监测设备的管理维护以及突发状况的处理。
2.根据权利要求1所述的基于河道水质监测系统的方法，其特征在于，步骤S6中无人监测船对河道进行自动监测的工作方法流程如下：
1)无人监测船由待机状态中唤醒，进行设备自检，若自检不通过，进入维护模式，进行人工维护后重新自检；
2)设备自检通过后发送指令至河道监测平台，若接收到平台指令，根据指令执行任务配置及手动操作相关动作，否则，进入常规自动巡航模式，根据预设监测任务进行自动巡航；
3)进入巡航区域，持续判断是否存在安全风险，包括剩余电量风险、信号强度风险及气象条件风险，若存在风险，则立即返回至太阳能监测站，否则，进行水质与地理数据常规监测，并将监测数据进行初步处理、储存与发送至河道监测平台，其中，剩余电量风险判断计算方法如下：以下所有计算中i代表太阳能监测站编号，j代表无人监测船编号，k代表无人机编号，t代表时间排序，i，j，k，t取值为1、2…
a)排除故障的太阳能监测站：
Figure 670783DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为太阳能监测站工作模式状态值，0为停用维护，1为常规监测，2为密集监测；
Figure 601830DEST_PATH_IMAGE004
为太阳能监测站停泊无人监测船状态值，0代表无，1代表有；
b)最近可充电监测站选取及剩余电量计算：
Figure 356159DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为无人监测船停泊时的剩余电量预测值，单位为%；
Figure 968537DEST_PATH_IMAGE008
为当前无人监测船的电池电量值，单位为%；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为当前无人监测船的耗电速度值，单位为%/min；
Figure 491922DEST_PATH_IMAGE010
为太阳能监测站停泊无人监测船状态值，0代表无，1代表有；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为当前无人监测船的x坐标值，单位为m；
Figure 794203DEST_PATH_IMAGE012
为太阳能监测站的x坐标值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为当前无人监测船的y坐标值，单位为m；
Figure 973512DEST_PATH_IMAGE014
为太阳能监测站的y坐标值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为当前无人监测船航速值，单位为m/s；
c)进行低电量报警：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 186318DEST_PATH_IMAGE018
为无人监测船停泊时的剩余电量预测值，单位为%；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为无人监测船停泊时的剩余电量预测值下限，单位为%；
Figure 705156DEST_PATH_IMAGE020
为无人监测船电量报警状态值，0代表无，1代表有；
4)当监测数据存在异常时，无人监测船向平台发出警报以及接管申请，若收到平台指令，则进入手动操作模式，否则，将进入高级自动巡航模式，其中，水质异常识别的计算方法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 915688DEST_PATH_IMAGE024
为太阳能监测站水质水量各项监测值，p取值为1-10，1为COD、2为氨氮、3为总磷、4为流速、5为液位、6为温度、7为pH、8为ORP、9为电导率、10为溶解氧；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为无人监测船水质水量各项监测值，p取值同上；
Figure 579363DEST_PATH_IMAGE026
为水质监测警戒值，p取值同上；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为水质监测波动幅度警戒触发值，单位为%，p取值同上；
Figure 595861DEST_PATH_IMAGE028
为太阳能监测站水质水量监测采集密度，单位为次/s，p取值同上；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为水质监测波动时间间隔警戒设定值，单位为min，p取值同上；
Figure 93838DEST_PATH_IMAGE030
为太阳能监测站水质报警状态值，0代表无，1代表有，p取值同上；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为无人监测船水质报警状态值，0代表无，1代表有，p取值同上；
完成监测任务后，无人监测船自动返回至太阳能监测站，并进入休眠状态。
3.根据权利要求2所述的基于河道水质监测系统的方法，其特征在于，步骤S6中高级巡航模式的工作方法流程如下：
1)进行上游排放口识别，识别出距离数据异常位置最近的上游排放口，判断其是否为暗管排放口，若是，则启用潜水式水质监测模块对其进行水质监测，否则对其进行视频拍摄，其中上游排放口识别计算方法如下：
a)计算无人监测船所在位置河道方向：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 740851DEST_PATH_IMAGE034
为无人监测船所在位置河流预设走向，正东为0°，正北为90°，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
；
Figure 691490DEST_PATH_IMAGE036
为无人监测船的x坐标值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为河岸节点的x坐标值，单位为m；
Figure 511678DEST_PATH_IMAGE038
为无人监测船的y坐标值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为河岸节点的y坐标值，单位为m；
b)判断河道真实流向：
Figure 801845DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为无人监测船所在位置河流当前走向角度，正东为0°，正北为90°，
Figure 682077DEST_PATH_IMAGE042
；
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为无人监测船的偏航角，正东为0°，正北为90°，
Figure 57694DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 478311DEST_PATH_IMAGE034
为无人监测船所在位置河流预设走向角度，正东为0°，正北为90°，
Figure 950881DEST_PATH_IMAGE035
；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为无人监测船流速监测值，船头指向为负值；
c)识别最近上游排放口：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 960204DEST_PATH_IMAGE048
为排放口相对于无人监测船的角度，正东为0°，正北为90°，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
；
Figure 885435DEST_PATH_IMAGE050
为排放口的x坐标值，单位为m；
Figure 47426DEST_PATH_IMAGE036
为无人监测船的x坐标值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为排放口的y坐标值，单位为m；
Figure 46606DEST_PATH_IMAGE038
为无人监测船的y坐标值，单位为m；
Figure 330957DEST_PATH_IMAGE041
为无人监测船所在位置河流当前走向角度，正东为0°，正北为90°，
Figure 743484DEST_PATH_IMAGE042
；
d)判断排放口状态：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
其中，
Figure 709166DEST_PATH_IMAGE054
为无人监测船深度监测值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE055
排放口高度值，单位为m；
Figure 828432DEST_PATH_IMAGE056
排放口管底距离河底高度值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE057
排放口状态判断值，0为非暗管状态，1为暗管状态；
2)进行无人机自检，若自检不通过，进入维护模式，进行人工维护后重新自检；
3)通过自检后无人机启动，持续判断是否存在安全风险，包括剩余电量风险、信号强度风险及气象条件风险，若存在风险，则立即返回至无人监测船，否则，进行高光谱水质监测，其中，剩余电量风险判断计算方法如下：
a)排除故障的无人船：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 955788DEST_PATH_IMAGE060
为无人监测船工作模式状态值，0为停用维护，1为常规监测，2为高级监测，3为自动回航，4为待机休眠，5为手动；
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为无人监测船停降无人机状态值，0代表无，1代表有；
b)最近可充电无人船选取及剩余电量计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
其中，
Figure 793294DEST_PATH_IMAGE064
为无人机停降时的剩余电量预测值，单位为%；
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为当前无人机的电池电量值，单位为%；
Figure 294158DEST_PATH_IMAGE066
为当前无人机的耗电速度值，单位为%/min；
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为无人监测船停降无人机状态值，0代表无，1代表有；
Figure 533509DEST_PATH_IMAGE068
为当前无人机的x坐标值，单位为m；
Figure 894083DEST_PATH_IMAGE011
为当前无人监测船的x坐标值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE069
为当前无人机的y坐标值，单位为m；
Figure 218885DEST_PATH_IMAGE013
为当前无人监测船的y坐标值，单位为m；
Figure 526370DEST_PATH_IMAGE070
为当前无人机的高度值，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE071
为当前无人机航速值，单位为m/s；
c)进行低电量报警：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
其中，
Figure 354649DEST_PATH_IMAGE074
为无人机停降时的剩余电量预测值，单位为%；
Figure DEST_PATH_IMAGE075
为无人机停降时的剩余电量预测值下限，单位为%；
Figure 89386DEST_PATH_IMAGE076
为无人机电量报警状态值，0代表无，1代表有；
判断附近是否存在支流口或者可疑对象，若有，则进入支流拍摄模式或者可疑对象跟踪拍摄模式，否则，无人机回航以及自动停降，并进入休眠状态。
4.根据权利要求1所述的基于河道水质监测系统的方法，其特征在于，所述太阳能监测站的无线充电发射模块以及无人监测船的无线充电接收模块均采用功率在150-250W的线圈。
5.根据权利要求1所述的基于河道水质监测系统的方法，其特征在于，所述无人机单元的充电接收模块为安装在处于对角位置的两个脚架底部的金属触点，所述金属触点分别与无人机电源正负极相连。
6.根据权利要求1所述的基于河道水质监测系统的方法，其特征在于，所述无人机管理单元的固定模块为安装在停降甲板上的电磁铁吸盘，所述电磁铁吸盘为断电带磁通电无磁，安装位置为无人机停降时不带充电接收模块的脚架所处的位置。
7.根据权利要求1所述的基于河道水质监测系统的方法，其特征在于，所述无人监测船的潜水式监测模块安装在无人监测船底部的潜水艇，安装方向为垂直向下，无人监测船通过线缆向潜水式监测模块供电与传输信号。
8.根据权利要求1所述的基于河道水质监测系统的方法，其特征在于，所述无人监测船的声呐探头安装在无人监测船底部，所述声呐探头与旋转电机相连，旋转中心轴与无人监测船前进方向平行。
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