CN111516808A - 一种环境监测巡河机器人系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环境监测巡河机器人系统和方法，包括：地面工作站与船载平台连接，船载平台设有智能控制终端，智能控制终端与设有姿态控制传感器和卫星定位装置的自动驾驶单元、无线通讯单元、数据存储单元、雷达测量仪、声呐探测仪、激光测量仪，水质监测仪，流速仪，摄像机群、综合气象监测仪连接，智能控制终端设有河道状态分析装置和鱼群分析装置。本发明自动化对河流进行污染进行监测，除常规的污染监测外还采用鱼群观测的方式对河流的污染情况进行大体判断，一旦发现问题则进一步进行检测判别，避免了专项监测不能面面俱到的问题，将监测简单化。本发明具有自动化程度高，现场自主操控能力强，灵活多变的反应能力，以及全天候工作能力。

Description

一种环境监测巡河机器人系统和方法

技术领域

本发明涉及一种环境监测巡河机器人系统和方法，是一种环保监测的设备和方法，是一种无人化全天候监测河道水环境的自动化监测船和综合监测监管河道水质的方法。

背景技术

对于河网地区的水环境监测是一项艰巨和繁复的工作，需要全天候24小时不断的密切监测。现有的自动化监测船由于其自动化程度不高，往往还需要人工的监视，只能在一段较短的时间内放入水中工作，如遇到意外情况，如遇到坏天气或被无关者打捞等问题，都无法自行应对，需要人工处理。因此，无法进行无人值守的完全自动化连续监测。水环境的监测过程有个十分重要的问题是，从大量的水环境指标中优选出最能够反映河道水环境的指标进行监测，以提高检测的效率。河道中的水污染可能有各种各样的情况，如：微生物污染，重金属污染等。如果将各种指标全部进行监测是完全不可能的，不要说在一条船这样受到体积限制的环境中，即便是一个完备的实验室也很难做到。因此，选择什么样的监测指标能够实际反映河道的水环境状态，是自动化监测船需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种环境监测巡河机器人系统和方法。所述的机器人和水环境监测方法采用鱼群监测结合其他几个监测数据的方式对河道的水质进行全面综合监测，同时对天候以及运动轨迹进行综合监测，在意外情况下自动进行封闭和发出定位信号并告警。

本发明的目的是这样实现的：一种环境监测巡河机器人系统，包括：能够服务于多个环境监测巡河机器人的地面工作站，所述的地面工作站与设置在作为环境监测巡河机器人载体的船体上的船载平台通过无线通讯网连接，所述的船体还包括：设置在船体内的能源动力单元，所述的船载平台设有智能控制终端，所述的智能控制终端与设有姿态控制传感器和卫星定位装置的自动驾驶单元、无线通讯单元、数据存储单元、播音单元连接；所述的智能控制终端还与雷达测量仪、声呐探测仪、激光测量仪，水质监测仪，流速仪，摄像机群、综合气象监测仪连接，所述的智能控制终端设有河道状态分析装置和鱼群分析装置；所述的摄像机群包括至少一台能够360度环绕摄像的环境监测摄像机和至少一台能够读取图像或文字的判读摄像机，以及图像分析装置。

进一步的，所述的地面工作站设有巡航路线记录和分析装置，所述的巡航路线记录和分析装置带有河道数据库、地形数据库、重点监测数据库、鱼群分布数据库、水环境状况数据库。

进一步的，所述的动力单元包括：动力电池、太阳能电池板和推进装置。

进一步的，所述的无线通讯网是4G和5G手机无线通讯网。

进一步的，所述的播音单元设有语音装置，所述的语言装置连接音响放大器和广播喇叭。

进一步的，所述的雷达测量仪、激光测量仪，水质监测仪，流速仪，综合气象监测仪避险防水的开合装置，所述摄像机群的各个摄像机设有坚实的防水抗冲击的防护罩。

进一步的，所述的船体设有防止侧翻的自动平衡装置和防盗报警装置。

进一步的，所述的船体甲板后部设有中央控制舱，所述的中央控制仓前方并排设置监测舱和雷达舱，所述的监测舱和雷达舱前方设有激光测量舱，所述船体甲板前部设有姿态控制传感器和广播喇叭以及判读摄像机，所述的中央控制舱顶部设有环境监测摄像机，所述的监测舱一侧设有取样水泵和探针。

一种使用上述环境监测巡河机器人系统的环境监测巡河方法，所述方法的步骤如下：

所述的步骤分为：准备过程、巡河作业过程、意外应对过程：

准备过程：是巡河作业之前的工作；

步骤1：储存资料：搜集和下载准备巡测河段及河段周围的地形资料和水文资料，所述的水文资料包括：流速、流量、水位、水质、鱼群分布、水生植物分布的资料，存储在河道数据库、地形数据库、重点监测数据库、鱼群分布数据库、水环境状况数据库中；

步骤2：规划巡河路线：根据水位和地形资料以及重点监测对象的位置，预先设计巡河路线，找到能够达到所有观测点的最短巡河路线，巡河路线至少包括三种路线：正常巡河路线，应急巡河路线，紧急巡河路线；

步骤3：初步巡河作业：机器人下水，依据规划的巡河路线进行实验性巡河作业，以确定规划的巡河路线能否实现，并根据现场情况对巡河路线进行调整；

常规巡河作业过程：是日常的工作过程；

步骤4，巡游作业：沿巡河路线经过各个重点监测对象和各个水位标尺；

步骤5，监测作业：监测包括综合监测、水质监测、鱼群监测和水位标尺判读；

综合监测：对当前河道的地形进行测量，包括当前河道的水面宽度、水深，水生植物的分布；对气候进行测量，包括水温，气温；

水质监测：将巡河路线分为串联或并联的多个网格，每进入一个网格则对水体进行取样，测量水体的各项水质指标；如发现有水质指标发生明显变化，则通知地面工作站，同时开启溯源航行；地面工作站或继续监测或增派其他环境监测巡河机器人，发起应急巡河作业；

鱼群监测：利用鱼群分析法对当前河道中的鱼类进行分析以判断当前河道的水质量变化；

水位标尺判读：经过水位标尺时，对水位标尺进行判读，得到当前水位数据；

步骤6，记录作业：记录巡游作业的路线和时间，记录监测作业所监测的项目取样时间点和地点，将记录的数据存储在数据存储单元中，到岸后将数据上传至地面工作站的各个数据库中；

应急巡河过程：是几种常见紧急情况的应对策略，在不同情况下选择不同策略；

步骤7，污染溯源：如果当前网格处于串联状态下，则进入下一网格，对水质进行测量，如污染状况增加则继续前行，如相反则返回；如当前网格处于并联状态下，则进入任意一个网格监测水质变化，如污染减轻则返回进入平行的另一个网格，如污染加重则进入下一个网格；

步骤8，防污染应急巡河：当正常巡河路线中发现有污染情况，但污染源不明时，地面工作站增派环境监测巡河机器人对可能出现的污染源位置进行探测；如果污染源已经初步确定，则根据情况或将正常巡河的环境监测巡河机器人派往污染源现场，或增派其他环境监测巡河机器人前往污染源进行确认并现场监测；在现场监测过程中观察现场情况，测量这种地形地物数据，为地面工作站提供防止污染进一步扩大的防治方案提供依据，同时在现场通过播音单元的广播喇叭，对污染源周围进行喊话，以制止污染行为；

步骤9，极端天候应对：当地面工作站接到发生极端天候的天气预报时，则对所有正在巡河的环境监测巡河机器人进行位置评估，以确定是否能够在极端天候发生之前回收；环境监测巡河机器人在巡游过程中，智能化终端通过综合气象监测仪和姿态控制传感器对当前所处位置的天候、风浪和水流进行评估，确定是否关闭开合装置，以确保各项仪器的安全；

步骤10，防捕捞应对：环境监测巡河机器人的自动驾驶单元通过卫星定位装置发现巡河过程中脱离自动驾驶的控制方向和控制速度，紧急开启摄像机群对周围环境进行扫描，判定是否被捕捞，同时关闭所有测量仪器并收起各个探测设备关闭开合装置，播音单元对现场自动发出告警音响或告知语音；如果摄像机群被单独或部分非正常遮挡则立即地面站发出警报，如果没有遮挡则告知地面站操作人员通过发回的现场图像对周围观察，以判断是否被捕捞，如果无线通讯被切断，环境监测巡河机器人则利用卫星定位发出求救信号，地面工作站则记录告警后的环境监测巡河机器人位置，直至所有信息被切断。

进一步的，所述的鱼群分析法包括如下子步骤：

子步骤1，环境测量：根据综合测量结果获取当前河道的地形数据和气候数据；

子步骤2，鱼群测量：对水中鱼类进行探测，记录鱼的数量和大小，并根据鱼群的位移，判断鱼群的活动能力；

子步骤3，对比：将当前环境数据和鱼群数据与历史记录进行对比，分析鱼类数量的增减和活动能力的变化，以此判断水质的变化。

本发明产生的有益效果是：本发明自动化对河流进行污染进行监测，除去常规的污染监测外还采用鱼群观测的方式对河流的污染情况进行大体判断，一旦发现问题则进一步进行检测判别，避免了专项监测不能面面俱到的问题，将监测简单化。本发明具有自动化程度高，现场自主操控能力强，灵活多变的反应能力，以及全天候工作能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述的环境监测巡河机器人系统的结构原理图；

图2是本发明的实施例一所述的环境监测巡河机器人系统的原理框图；

图3是本发明的实施例八所述的环境监测巡河机器人系统的船体结构示意图；

图4是本发明的实施例九所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种环境监测巡河机器人系统，如图1、2所示。本实施例包括：能够服务于多个环境监测巡河机器人的地面工作站，所述的地面工作站与设置在作为环境监测巡河机器人载体的船体上的船载平台通过无线通讯网连接，所述的船体还包括：设置在船体内的能源动力单元，所述的船载平台设有智能控制终端，所述的智能控制终端与设有姿态控制传感器和卫星定位装置的自动驾驶单元、无线通讯单元、数据存储单元、播音单元连接；所述的智能控制终端还与雷达测量仪、声呐探测仪、激光测量仪，水质监测仪，流速仪，摄像机群、综合气象监测仪连接，所述的智能控制终端设有河道状态分析装置和鱼群分析装置；所述的摄像机群包括至少一台能够360度环绕摄像的环境监测摄像机和至少一台能够读取图像或文字的判读摄像机，以及图像分析装置。

本实施例所述的系统包括两个主要部分，地面工作站和环境监测巡河机器人。

地面工作站是独立于环境监测巡河机器人的综合调度中心和回收港，具有服务和控制多个环境监测巡河机器人的能力。地面工作站可通过人工操作或程序对船载平台的智能控制终端发布巡航指令，实现对环境监测巡河机器人的实时操控并可对其进行实时监测。地面工作站可配备各种数据库，以便存储大量环境监测巡河机器人所换取的资料和数据，并带有各种分析装置，用以对各种数据进行分析和归类。

环境监测巡河机器人的主体是一个船体，船体中所设置的设备使船体成为一艘能够自动航行的无人驾驶船。这艘无人驾驶船能够自动的沿预定的航线行驶并能够自动的规避浅滩、水生植物，寻找事宜航行的水域，并能够自动的规避往来的船只。船体可以是各种形式，如采用带有甲板的传统船体形式，也可以使用没有甲板的半潜形式等。

动力单元可以采用传统的内燃机或者先进的电推系统。内燃机的续航能力超强，电源供应充足，尽管能够将排放控制在极低的水平，但无法达到零排放，环保性能不理想，与环境监测的环保功能有理念上的冲突，因此只有在十分特殊的情况下才予以使用。由于近年来动力电池发展迅速，能量密度快速增长，且电池的管理系统日趋成熟，再加上可以配备太阳能电池随时充电，电推系统的续航能力也大大增加，且使用电推基本可以达到零排放，因此，电推的应用前景广泛。动力电池装配有充电接口的大容量可拆卸电池，巡航机器人在返回地面工作站后可更换电池或充电。

船载平台是一个设置在船体中的智能化系统，承担了所有的控制、监测等任务。船载平台可以连接许多种仪器设备，进行各种监测，但限于成本和体积，不可能将所有的水质监测设备都安装在船体中，因此，本实施例采用了鱼群监测的方式，以鱼群的活动状态大致判断河流的污染情况，如发现鱼群的动向发生变化，则进一步对水质进行化验，以取得精确的污染数据。

智能控制终端相当于中央处理装置对各个监测仪器、航行过程、通讯等进行控制，使环境监测巡河机器人如同人一样进行各种工作。智能控制终端可以使用工控计算机、嵌入式系统等具有电子储存和处理能力的电子装置。

船载平台无线通讯单元可以使用各种无线通讯手段，如在水域较窄的河道上设置多个无线通讯接续器，组建局域网，当水域较大时可以使用手机通讯网络，利用现成的通讯网络组建系统内的通讯连接。

船载平台还设置综合气象监测仪，对现场的气温、大气压，湿度、风向、风速等进行实时探测，了解巡测河段的气象状况，遇极端天气可及时对环境监测巡河机器人发布避险指令。

自动驾驶单元可自动识别并避让河道中的其他船只，通过环境监测摄像机巡测河段的实时情景进行监测；搭载的声呐探测仪对河道中的鱼群进行探测，通过鱼的数量反应出巡航河段的生态情况，配有的综合气象监测仪对巡测河段的风速、风向、温湿度等气象数据进行采集保存并实时传输至地面工作站；在遇雷雨大风等极端天气情况时，中央控制仓在接收地面工作站发出的避险指令后，即可控制各种仪器设备降至仓内避免受损。配置的激光测量仪、流速仪、水质监测仪等设备可对巡测河道的水位、流速、流量、水质等信息进行实时采集并保存至数据储存单元。配置的5G通讯模块，可以显著降低网络延时性，通过地面控制中心可方便派遣并操控。

环境监测巡河机器人在使用过程中，首先由地面工作站发布巡航命令，将巡航路线、巡测指标等通过5G无线通信模块传输至船载平台的中央控制单元，在5G基站未覆盖的偏远监测区域可利用4G网络通讯，接受命令后，巡航机器人开始自动巡航任务并依据指令对各监测设备进行相应控制。所有监测数据保存至数据存储单元中，并可通过无线通信单元和无线通讯网实时传输至地面工作站或回到地面工作站后进行数据上传。

声呐探测仪根据智能控制终端的指令，向巡测河段发出声呐信号并接收，从而探测出河道中鱼的数量，为河道生态情况提供判别指标。

船载平台搭载的水质检测仪及流速仪用以对水质和流速进行监测。水质监测时根据智能控制终端的指令，水质监测仪将取样水泵下放至河道水中并启动，通过水管抽水至水质检测仪中进行监测，同时可留存水样。流速的监测：将探针下放至河道水中，通过连接的流速仪可以实时测出流速。

姿态控制传感器用以感知船体的航行姿态，并实时反馈至自动驾驶单元，自动驾驶单元发布姿态调整指令，用以保证巡航的稳定性。

激光测量仪根据智能控制终端的指令，向河岸发射激光并接收，从而获取河道宽度等数据。由所监测的河道截面尺寸及流速，智能控制终端可自动计算河道流量数据。

摄像机群包括至少两台以上的摄像机，一台环境监测摄像机所搭载的360°全方位摄像头可对巡测河段进行实时实景监测，即可以通过图像分析找到污染源，也可以将图像传输至地面工作站，使操作人员能够对现场进行全方位的了解。另一台判读摄像机用于拍摄河道中定点监测站处水位标尺，并可自行读出水位高度。摄像机群的所有摄像机及其云台都应当是水密的，能够抗严寒的，并设有能够抗冲击和反拆卸的坚实透明外罩。

播音单元可根据所监测的水文水质数据对洪涝灾害、污染情况进行预警并实时传播地面工作站的语音指示。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于地面工作站的细化。本实施例所述的地面工作站设有巡航路线记录和分析装置，所述的巡航路线记录和分析装置带有河道数据库、地形数据库、重点监测数据库、鱼群分布数据库、水环境状况数据库，如图2所示。

数据库是各种智能化系统的常用设施，本实施例所述的环境监测巡河机器人系统也不例外，只有通过将当前获取的数据与以往的数据进行比较才能察觉其中的变化，而且各种数据必须分门别类的储存，才能达到快速查找的效果。本实施例中将数据库分为五个。这五个数据库中的数据即互相独立又互相关联，如鱼群分布数据库与河道数据库、地形数据库是关联的，相互支持才能得到正确的结论。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于动力单元的细化。本实施例所述的动力单元包括：动力电池、太阳能电池板和推进装置，如图1所示。

为减少对河道的污染，采用电驱动是既经济又环保的驱动方式。动力电池可以采用太阳能充电，也可以在保障船或陆地上进行充电。推进装置可以采用传统的电动机带动螺旋桨的方式，也可以采用适应在浅水中活动的水泵喷射推进的方式，采用喷射推进方式能够避免水草等水生植物的干扰，在船体周围设置多个喷口，还能使船体更加灵活的在复杂的河道环境中运行。

太阳能电池板可以铺设在各个舱室和甲板的表面。动力电池可以分为多组进行分别管理，并配有大电流充电插口。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于无线通讯网络的细化。本实施例所述的无线通讯网是4G和5G手机无线通讯网。

同时配备5G和4G无线通信模块的作用是在5G基站未覆盖的偏远监测区域可利用4G网络通讯，必要时在水域中设置漂浮的无线通讯基站，以增强通讯能力。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于播音单元的细化。本实施例所述的播音单元设有语音装置，所述的语言装置连接音响放大器和广播喇叭。

语音装置是产生语音模拟信号的信号源，语音模拟信号可以是人声合成的人工信号，也可以是地面工作站的工作人员直接发出的自然人声。语音模拟信号通过音响放大器在广播喇叭中播出。在巡游河段时如果发现污染源就可以对其喊话，制止污染行为。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于船载平台所连接的仪器安全的细化。本实施例所述的雷达测量仪、激光测量仪，水质监测仪，流速仪，综合气象监测仪避险防水的开合装置，所述摄像机群的各个摄像机设有坚实的防水抗冲击的防护罩。

当出现极端天气变化或非正常移动时，所有的仪器均收起，收进船体或舱室中，实现紧急避险。开合装置是一个总称，包含各个仪器进入船体或舱室的闭合或收放设施，以及水密的舱盖和舱室等设施。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于船体的细化。本实施例所述的船体设有防止侧翻的自动平衡装置和防盗报警装置。

自动平衡装置的作用是防止在风浪或任何颠簸的状态下，船体倾覆和倾斜，以保证甲板上的姿态控制传感器处于水平状态，保障巡航的稳定性。自动平衡装置可以是压仓的重物，在本实施例中可以采用动力电池作用压舱物，也可以采用专门的摇动式平衡物等。

防盗报警装置是专门为巡航机器人这种无人看管的设备设置的，除了船体上所有的螺栓等紧固件都应当采用反拆卸设计外，还要有防止被恶意打捞或拖走等措施，包括卫星定位或移动通信网定位等将巡航机器人的位置显示在地面工作站上，并在地面工作站上使用声光电等方式对操作人员进行报警，告知环境监测巡河机器人被非正常移动。在环境监测巡河机器人被非正常移动的现场，语音装置可以自动发出告知语音，告知非正常移动者将环境监测巡河机器人放回，任其自由航行。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于船体的细化。本实施例所述的船体1甲板后部设有中央控制舱2，所述的中央控制仓前方并排设置监测舱3和雷达舱4，所述的监测舱和雷达舱前方设有激光测量舱5，所述船体甲板前部设有姿态控制传感器6和广播喇叭7以及判读摄像机8，所述的中央控制舱顶部设有环境监测摄像机9，所述的监测舱一侧设有取样水泵10和探针11，如图3所示。

本实施例所述的船体是一种带有甲板的传统船体，甲板上的设置主要是中央控制舱和一些容纳探测仪器和相应传感器的舱室。中央控制舱中设有智能控制终端、数据存储单元、无线通讯单元、自动驾驶单元等设施。

监测舱则设置水质监测仪、流速仪、综合气象监测仪等仪器，设有探针和水泵等探测传感器。

甲板上的设施全部为水密设置和防拆卸设置，能够抗击风浪和非正常捕捞。

实施例九：

本实施例是一种使用上述实施例所述环境监测巡河机器人系统的环境监测巡河方法，所述的方法的步骤如下，流程如图4所示：

所述的步骤分为：准备过程、巡河作业过程、意外应对过程：

本实施例所述方法的步骤对应的是一个地面工作站能够对应多个环境监测巡河机器人的过程。各个环境监测巡河机器人多数时间只是根据地面工作站发出的路线指令在自巡航的状态下工作，地面工作站只是监视和接收环境监测巡河机器人发回的数据，除非需要干涉，如进行喊话等，以及其他紧急情况地面站一般并不对机器人的活动进行直接的控制。

准备过程：准备过程包括步骤1—3三个步骤，是巡河作业之前的工作。

步骤1：储存资料：搜集和下载准备巡测河段及河段周围的地形资料和水文资料，所述的水文资料包括：流速、流量、水位、水质、鱼群分布、水生植物分布的资料，存储在河道数据库、地形数据库、重点监测数据库、鱼群分布数据库、水环境状况数据库中。

地形资料十分关键，可以使用GIS地形数据，并与当前水位对比找到精确的河道状态，在巡河过程中利用激光测量、雷达测量和声呐测量可以测定精确的河道情况，同时补充和修正河道和地形数据。本实施例中鱼群分布的数据十分重要，因为本实施例中一个十分重要的环境监测项目就是监测鱼群的分布情况。由于鱼群的动态的，因此也需要在现场不断的监测和修改数据。鱼群分布还需要了解鱼群的种类，以及习性，以便根据鱼群的这些特点判断水质和污染情况。

步骤2：规划巡河路线：根据水位和地形资料以及重点监测对象的位置，预先设计巡河路线，找到能够达到所有观测点的最短巡河路线，巡河路线至少包括三种路线：正常巡河路线，应急巡河路线，紧急巡河路线。

环境监测巡河机器人不但要在河道的主流中巡视，还要在河叉中巡视，这些河叉随着水位的变化而变化。规划巡河路线除了兼顾主河道和一些主要的河叉以外，还要兼顾设置水位标尺的位置，还有一些重点需要监测的位置需要兼顾，合理的规划巡游路线需要照顾到所有这些因素。

三种巡河路线包含的内容是：正常巡河路线是在正常情况下进行的巡河，路线中包含所有监测点。应急巡河路线是在发生污染等情况下，由于污染源不明而对所有可能污染源进行快速监测的情况下使用的路线。紧急巡河路线则是对已经明确的污染源进行监测的路线，即使环境监测巡河机器人以最快最短的路线达到污染源，并在污染源周围进行监测的路线。

步骤3：初步巡河作业：机器人下水，依据规划的巡河路线进行实验性巡河作业，以确定规划的巡河路线能否实现，并根据现场情况对巡河路线进行调整。

现场情况是复杂的，河流中的各种因素都会影响机器人在水中的巡游。初步巡河作业主要是对规划的巡河路径进行实验，以确定能否实现，以及对巡游路线中所进行的观测能否有效的进行。例如对水位标尺的观察角度是否能够达到清晰判读的位置，对重点污染源的监测能否达到取样的位置等。在实际工作中，水位的变化是影响巡河路线最大的要素，因此，在通常情况下应当规划多条巡河路线，以应对不同季节水位的变化，并在正常的巡河作业中不断的调整。

巡航路线的确定是一个机器人自学习的过程。机器人来到一个新的河段进行监测使首先通过网络下载这一河段的河道数据和周围的地形数据，以及可能需要重点监测的位置，将这些信息放置在河道数据库、地形数据库和重点监测数据库中，通过这些信息并根据当前的水位情况初步制定巡航路线。巡航路线是一个动态变化的路线，在日常巡航过程中需要不断的调整变化。

常规巡河作业过程：包括步骤4-6三个步骤，三个步骤同时进行，是日常的工作过程。

步骤4，巡游作业：沿巡河路线经过各个重点监测对象和各个水位标尺。

巡游作业不是简单的按照路线行进，而是不断地改变巡游路线和时间，不断的对沿岸情况进行扫描，对于重点监测点还要进行反复的扫描，以确认其没有产生污染。巡游路线不能太有规律，包括时间规律和路线规律，都要经常变化，以防故意规避监测。

步骤5，监测作业：监测包括综合监测、水质监测、鱼群监测和水位标尺判读。

综合监测：对当前河道的地形进行测量，包括当前河道的水面宽度、水深，水生植物的分布，对气候进行测量，包括水温，气温。

综合监测是对河岸和河道等地形的环境监测，以及水生植物的分布情况等的监测，这一过程主要是为其他监测，特别是鱼群分析做数据支撑，因为水域环境是鱼群生存的重要条件，除水质之外，水域的大小、深度、流量、流速、温度、光线等等对鱼群都有影响，要进行鱼群受污染影响的比较，则必须以相同的条件才能进行，以排出多种因素的干扰。所以对于鱼群的监测，环境的监测具有十分重要的地位。环境的监测仅仅依靠已有的地形图是不够的，必须进行现场探测，并将探测到的数据进行加权才能够得到比较精确的数据。

水质监测：将巡河路线分为串联或并联的多个网格，每进入一个网格则对水体进行取样，测量水体的各项水质指标，如发现有水质指标发生明显变化，则通知地面工作站，同时开启溯源航行，地面工作站或继续监测或增派其他环境监测巡河机器人，发起应急巡河作业。

水质的监测主要依靠常规的一些仪器，测量一些常规的项目，如：水的透明度、含沙量、对于一些可能接近的矿区监测相应的重金属含量或其他矿物质含量等。

鱼群监测：利用鱼群分析法对当前河道中的鱼类进行分析以判断当前河道的水质量变化。

在一些河道中，洄游鱼群占主体，但同时也有一些鱼类则喜欢群居在河道的某些位置，这些鱼群对水体的质量十分敏感，一旦出现污染这些鱼类就会出现异动，如异常的快速游动、逃离污染现场，或无缘由的静止甚至死亡。利用对鱼群的观测，能够查出水质监测仪无法探测到的污染情况，毕竟环境监测巡河机器人所能够承载的水质监测仪只能检测有限的几项污染指标，不可能检测到所有的污染指标，而通过鱼群监测能够弥补这一缺失。

水位标尺判读：经过水位标尺时，对水位标尺进行判读，得到当前水位数据。

水位标尺的判读主要依靠判读摄像机，对水位标尺的数据进行拍摄和图像分析。由于水位标尺是一种传统的测量方式，通常有着长久的记录，有些甚至是很深的历史渊源，在水文资料中占有十分重要的地位，因此，判读水位标尺的资料是环境监测巡河机器人的重要任务之一。

步骤6，记录作业：记录巡游作业的路线和时间，记录监测作业所监测的项目取样时间点和地点，将记录的数据存储在数据存储单元中，到岸后将数据上传至地面工作站的各个数据库中。

记录作业是十分重要的环节，每次巡游所产生数据都不会相同，因此就需要进行详细的记录，并将记录分门别类的进行处理和分析，并分门别类的进行存储，一旦需要可以方便的提取应用。常规的巡河需要记录，应急的过程也都要详细的记录，以备为后续的工作做好准备。

应急巡河过程：包括7-10四个步骤，是几种常见紧急情况的应对策略，在不同情况下选择不同策略。

步骤7，污染溯源：如果当前网格处于串联状态下，则进入下一网格，对水质进行测量，如污染状况增加则继续前行，如相反则返回，如当前网格处于并联状态下，则进入任意一个网格监测水质变化，如污染减轻则返回进入平行的另一个网格，如污染加重则进入下一个网格。

污染溯源是一个相对复杂的过程，本实施例的方式是将河道分为网格，形成网格链，前后衔接，对于较宽的水面则采取并排设置网格，形成纵横排列的形式，重点监测沿岸水域，对于离岸较远的网格则主要监测鱼群的变化，并根据鱼群的变化判断近岸区域的污染情况。

步骤8，防污染应急巡河：当正常巡河路线中发现有污染情况，但污染源不明时，地面工作站增派环境监测巡河机器人对可能出现的污染源位置进行探测，如果污染源已经初步确定，则根据情况或将正常巡河的环境监测巡河机器人派往污染源现场，或增派其他环境监测巡河机器人前往污染源进行确认并现场监测。在现场监测过程中观察现场情况，测量这种地形地物数据，为地面工作站提供防止污染进一步扩大的防治方案提供依据，同时在现场通过播音单元的广播喇叭，对污染源周围进行喊话，以制止污染行为。

对污染源现场进行监督，制止污染行为，并防止污染扩散是环境监测巡河机器人最重要的工作之一，当环境监测巡河机器人赶到污染现场时，首先对污染源周围的环境进行观察和测量，并将数据及时发送至地面工作站，为地面工作站制定防治计划。同时环境监测巡河机器人利用自身的播音单元对污染现场喊话，以制止污染行为继续。

步骤9，极端天候应对：当地面工作站接到发生极端天候的天气预报时，则对所有正在巡河的环境监测巡河机器人进行位置评估，以确定是否能够在极端天候发生之前回收。环境监测巡河机器人在巡游过程中，智能化终端通过综合气象监测仪和姿态控制传感器对当前所处位置的天候、风浪和水流进行评估，确定是否关闭开合装置，以确保各项仪器的安全。

地面工作站是对整个系统在天气变化时的应对，在这一过程中地面站主要根据天气预报做出决策。在可能发生极端天候，如狂风暴雨，大风等，遇到这样的天候，如不采取措施在水中的环境监测巡河机器人容易遭到破坏。这时可以将距离地面站较近的环境监测巡河机器人回收，而距离较远的环境监测巡河机器人则收起各种仪器关闭开合装置，寻找相对安全的避风处停留，并通过卫星定位装置监控其位置，避免被水流冲走。

对于单个环境监测巡河机器人在巡河过程中，有些河段由于当地地形或其他原因，会发生局部的气候强烈变化，也会造成设备的损坏，在遇到这些强烈天候时就要将所有仪器探出的部分收起，关闭开合装置，保护各种仪器设备，并寻找能够避险的位置停靠。这时可以通过姿态控制传感器感知外部的风浪情况，当姿态控制传感器所收到的信息是风浪平稳之后，再打开综合气象监测仪进行探测，如进一步证实天候已经转好，则开启其他仪器继续进行正常巡游。

步骤10，防捕捞应对：环境监测巡河机器人的自动驾驶单元通过卫星定位装置发现巡河过程中脱离自动驾驶的控制方向和控制速度，紧急开启摄像机群对周围环境进行扫描，判定是否被捕捞，同时关闭所有测量仪器并收起各个探测设备关闭开合装置，播音单元对现场自动发出告警音响或告知语音。如果摄像机群被单独或部分非正常遮挡则立即地面站发出警报，如果没有遮挡则告知地面站操作人员通过发回的现场图像对周围观察，以判断是否被捕捞，如果无线通讯被切断，环境监测巡河机器人则利用卫星定位发出求救信号，地面工作站则记录告警后的环境监测巡河机器人位置，直至所有信息被切断。

由于环境监测巡河机器人是一个无人管理的自动化装置，在巡河过程中不可避免的被有意或无意的捕捞。出现这种情况的应对措施：在现场环境监测巡河机器人发出音响或自动的发出语音告知，告知现场捕捞人员这是他人财产，不得随意的处置，必须放回到水中。同时通知地面站工作人员，记录位置和快速进行其他的处置方案。

实施例十：

本实施例是实施例九的改进，是实施例九关于鱼群分析法的细化。本实施例所述的鱼群分析法包括如下子步骤：

子步骤1，环境测量：根据综合测量结果获取当前河道的地形数据和气候数据。

环境测量是了解鱼群的生活环境，对于当前被监测的河段有哪些特殊的地形地貌，哪些适于鱼群生活的水域，哪些不适应鱼群生活的水域，这些水域的特点，并追寻鱼群的习性，以此排除污染以外的因素，使观察鱼群的变化而推导出污染的变化更加精确。

子步骤2，鱼群测量：对水中鱼类进行探测，记录鱼的数量和大小，并根据鱼群的位移，判断鱼群的活动能力。

鱼类的种群不同，其生活习性也不同，在大多数情况下，鱼群是混杂的，尤其在内河环境中，各种鱼类混杂在一起，但总的情况还是容易判别的。

子步骤3，对比：将当前环境数据和鱼群数据与历史记录进行对比，分析鱼类数量的增减和活动能力的变化，以此判断水质的变化。

本步骤是鱼群分析法的关键：当前河道的水文和气候条件下的鱼群状况以当前河道和类似水文气候条件下的鱼群数据进行比较，其中数量和活动能力是十分容易得到的数据，如果能够探测鱼类的大小，则对判断更加有利。

鱼群分析是对河流状况的整体分析，使监测大大简化，不需要监测过多的数据，一旦出现鱼群变化再通过进一步的取样分析查出污染的确切物质。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如船体的形式、各种仪器的设置和运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种环境监测巡河机器人系统，其特征在于，包括：能够服务于多个环境监测巡河机器人的地面工作站，所述的地面工作站与设置在作为环境监测巡河机器人载体的船体上的船载平台通过无线通讯网连接，所述的船体还包括：设置在船体内的能源动力单元，所述的船载平台设有智能控制终端，所述的智能控制终端与设有姿态控制传感器和卫星定位装置的自动驾驶单元、无线通讯单元、数据存储单元、播音单元连接；所述的智能控制终端还与雷达测量仪、声呐探测仪、激光测量仪，水质监测仪，流速仪，摄像机群、综合气象监测仪连接，所述的智能控制终端设有河道状态分析装置和鱼群分析装置；所述的摄像机群包括至少一台能够360度环绕摄像的环境监测摄像机和至少一台能够读取图像或文字的判读摄像机，以及图像分析装置。

2.根据权利要求1所述的环境监测巡河机器人系统，其特征在于，所述的地面工作站设有巡航路线记录和分析装置，所述的巡航路线记录和分析装置带有河道数据库、地形数据库、重点监测数据库、鱼群分布数据库、水环境状况数据库。

3.根据权利要求2所述的环境监测巡河机器人系统，其特征在于，所述的动力单元包括：动力电池、太阳能电池板和推进装置。

4.根据权利要求3所述的环境监测巡河机器人系统，其特征在于，所述的无线通讯网是4G和5G手机无线通讯网。

5.根据权利要求4所述的环境监测巡河机器人系统，其特征在于，所述的播音单元设有语音装置，所述的语言装置连接音响放大器和广播喇叭。

6.根据权利要求5所述的环境监测巡河机器人系统，其特征在于，所述的雷达测量仪、激光测量仪，水质监测仪，流速仪，综合气象监测仪避险防水的开合装置，所述摄像机群的各个摄像机设有坚实的防水抗冲击的防护罩。

7.根据权利要求6所述的环境监测巡河机器人系统，其特征在于，所述的船体设有防止侧翻的自动平衡装置和防盗报警装置。

8.根据权利要求7所述的环境监测巡河机器人系统，其特征在于，所述的船体甲板后部设有中央控制舱，所述的中央控制仓前方并排设置监测舱和雷达舱，所述的监测舱和雷达舱前方设有激光测量舱，所述船体甲板前部设有姿态控制传感器和广播喇叭以及判读摄像机，所述的中央控制舱顶部设有环境监测摄像机，所述的监测舱一侧设有取样水泵和探针。

9.一种使用权利要求8所述环境监测巡河机器人系统的环境监测巡河方法，其特征在于，所述的方法的步骤如下：

所述的步骤分为：准备过程、巡河作业过程、意外应对过程：

准备过程：是巡河作业之前的工作；

步骤1：储存资料：搜集和下载准备巡测河段及河段周围的地形资料和水文资料，所述的水文资料包括：流速、流量、水位、水质、鱼群分布、水生植物分布的资料，存储在河道数据库、地形数据库、重点监测数据库、鱼群分布数据库、水环境状况数据库中；

步骤2：规划巡河路线：根据水位和地形资料以及重点监测对象的位置，预先设计巡河路线，找到能够达到所有观测点的最短巡河路线，巡河路线至少包括三种路线：正常巡河路线，应急巡河路线，紧急巡河路线；

步骤3：初步巡河作业：机器人下水，依据规划的巡河路线进行实验性巡河作业，以确定规划的巡河路线能否实现，并根据现场情况对巡河路线进行调整；

常规巡河作业过程：是日常的工作过程；

步骤4，巡游作业：沿巡河路线经过各个重点监测对象和各个水位标尺；

步骤5，监测作业：监测包括综合监测、水质监测、鱼群监测和水位标尺判读；

综合监测：对当前河道的地形进行测量，包括当前河道的水面宽度、水深，水生植物的分布；对气候进行测量，包括水温，气温；

水质监测：将巡河路线分为串联或并联的多个网格，每进入一个网格则对水体进行取样，测量水体的各项水质指标；如发现有水质指标发生明显变化，则通知地面工作站，同时开启溯源航行；地面工作站或继续监测或增派其他环境监测巡河机器人，发起应急巡河作业；

鱼群监测：利用鱼群分析法对当前河道中的鱼类进行分析以判断当前河道的水质量变化；

水位标尺判读：经过水位标尺时，对水位标尺进行判读，得到当前水位数据；

步骤6，记录作业：记录巡游作业的路线和时间，记录监测作业所监测的项目取样时间点和地点，将记录的数据存储在数据存储单元中，到岸后将数据上传至地面工作站的各个数据库中；

应急巡河过程：是几种常见紧急情况的应对策略，在不同情况下选择不同策略；

步骤7，污染溯源：如果当前网格处于串联状态下，则进入下一网格，对水质进行测量，如污染状况增加则继续前行，如相反则返回；如当前网格处于并联状态下，则进入任意一个网格监测水质变化，如污染减轻则返回进入平行的另一个网格，如污染加重则进入下一个网格；

步骤8，防污染应急巡河：当正常巡河路线中发现有污染情况，但污染源不明时，地面工作站增派环境监测巡河机器人对可能出现的污染源位置进行探测；如果污染源已经初步确定，则根据情况或将正常巡河的环境监测巡河机器人派往污染源现场，或增派其他环境监测巡河机器人前往污染源进行确认并现场监测；在现场监测过程中观察现场情况，测量这种地形地物数据，为地面工作站提供防止污染进一步扩大的防治方案提供依据，同时在现场通过播音单元的广播喇叭，对污染源周围进行喊话，以制止污染行为；

步骤9，极端天候应对：当地面工作站接到发生极端天候的天气预报时，则对所有正在巡河的环境监测巡河机器人进行位置评估，以确定是否能够在极端天候发生之前回收；环境监测巡河机器人在巡游过程中，智能化终端通过综合气象监测仪和姿态控制传感器对当前所处位置的天候、风浪和水流进行评估，确定是否关闭开合装置，以确保各项仪器的安全；

步骤10，防捕捞应对：环境监测巡河机器人的自动驾驶单元通过卫星定位装置发现巡河过程中脱离自动驾驶的控制方向和控制速度，紧急开启摄像机群对周围环境进行扫描，判定是否被捕捞，同时关闭所有测量仪器并收起各个探测设备关闭开合装置，播音单元对现场自动发出告警音响或告知语音；如果摄像机群被单独或部分非正常遮挡则立即地面站发出警报，如果没有遮挡则告知地面站操作人员通过发回的现场图像对周围观察，以判断是否被捕捞，如果无线通讯被切断，环境监测巡河机器人则利用卫星定位发出求救信号，地面工作站则记录告警后的环境监测巡河机器人位置，直至所有信息被切断。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的鱼群分析法包括如下子步骤：

子步骤1，环境测量：根据综合测量结果获取当前河道的地形数据和气候数据；

子步骤2，鱼群测量：对水中鱼类进行探测，记录鱼的数量和大小，并根据鱼群的位移，判断鱼群的活动能力；

子步骤3，对比：将当前环境数据和鱼群数据与历史记录进行对比，分析鱼类数量的增减和活动能力的变化，以此判断水质的变化。

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