CN111650001B - 一种水质分层采样系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水质监测的技术领域，提出了一种水质分层采样系统及控制方法，在无人船上设置自动取样机构、自动储样机构以及移位机构，取样机构通过移位机构到达采样垂线上的不同采样点完成采样，再通过移位机构将水样储存至储样机构；此外，还设置探测传感模块和控制模块，探测传感模块实时采集采样垂线处的水环境数据信息并反馈至控制模块，控制模块对数据信息进行分析得到水质分层取样决策，根据取样决策控制移位机构、取样机构以及储样机构完成水样采集。通过高度集成测量检测、取样决策、机械控制、样品管理等功能部件，实现了复杂水体中采样垂线上多点分层取样的连续自动操作。

Description

一种水质分层采样系统及控制方法

技术领域

本发明涉及水质监测的技术领域，更具体地说，是涉及一种水质分层采样系统及控制方法。

背景技术

随着国家经济社会的高速发展，工业化水平持续提高，农业面源污染问题逐步显现，城市化进程明显加快，生活污水、工业废水排放总量持续加大，人们对河流湖泊的水环境质量问题日益重视。开展水质监测，准确的采集河流湖泊等水环境各类技术指标参数，了解河流湖泊水体污染物在时间和空间上的分布，掌握污染物来源、扩散转移、反应转化，及时评价河流湖泊的水环境质量，可为当前开展水资源利用、水环境保护、水污染控制等管理工作提供可靠科学依据。

目前水质监测主要有自动监测和采样检测两种方式。自动监测因其受现场条件限制和自动控制要求影响，使得自动监测数据与传统实验室检测数据仍存在一定差距，导致现阶段水质自动监测仍无法代替人工采样检测，因而，现阶段现场采样检测所获取的数据依然是水质分析评价的最重要参考依据。

随着现代控制技术以及无人船技术的发展，部分环境条件下人工采样检测已逐步被无人船自动采样检测代替，如在宽阔湖面上无人船远程采样可很大程度上提高水质监测人员的工作效率，在环境比较复杂的水库湖泊中采样，可极大地降低人员的操作风险，同时，全自动的采样设备也降低了对操作人员技术素养方面的要求，因此，现阶段依托无人船的水质取样技术已在水环境监测领域得到了广泛使用。

在实际采样检测过程中，由于受河流湖泊环境条件和水的迁移运动特征影响，污染物会在水体中不断扩散甚至溶变，因而河湖水体中污染物的浓度分布是不均匀的，水体环境质量不仅在平面维度存在变化，而且沿深度方向也存在一定差异，特别在水深大、温度差异高、水流流态复杂的水域尤为明显。而现有的船载水质自动采样设备主要针对河流湖泊表层水体进行取样，无人船一旦出航其取样深度不能随意改变，依靠无人船的机动性仅能解决河流和湖泊取样断面和采样垂线平面位置上的水质代表性问题，而无法满足复杂水体环境中采样垂线上的不同水深检测点分层取样的实际需求，因此现有移动作业条件下的水质分层采样仍需人工辅助才能完成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水质分层采样系统及控制方法，旨在解决现有技术中船载采样设备无法实现复杂水体环境中采样垂线上的不同水深检测点分层取样的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种水质分层采样系统，包括无人船，所述无人船上设置用于自动采集水样的取样机构，用于自动储存水样的储样机构，用于带动所述取样机构平移和升降的移位机构，所述取样机构通过所述移位机构的带动依次到达采样垂线上的多个采样点，完成多个所述采样点的水样采集后，通过所述移位机构的带动将所采集的水样储存至所述储样机构；

所述水质分层采样系统还包括探测传感模块和控制模块，所述探测传感模块用于实时采集所述采样垂线处的水环境数据信息，并将所述数据信息反馈至所述控制模块，所述控制模块用于接收所述探测传感模块反馈的所述数据信息，并对所述数据信息进行分析处理得到水质分层取样决策，根据所述水质分层取样决策控制所述移位机构、所述取样机构以及所述储样机构完成所述采样垂线上多个所述采样点的水样采集。

进一步地，所述无人船上还设置用于供所述取样机构通行的安全筒，所述安全筒的下端面连接于所述无人船的船底板上，所述安全筒的高度与所述无人船的设计吃水深度一致。

进一步地，所述取样机构包括取样控制器和至少一个取样罐，所述取样控制器控制至少一个所述取样罐的采样动作。

进一步地，所述移位机构包括多功能线缆、收放线部以及水平移位部，所述收放线部用于所述多功能线缆的收线、理线、绕线及放线，所述水平移位部与所述收放线部配合用于所述取样机构平移和升降。

进一步地，所述收放线部包括绕线转盘、绕线电机、理线轮、计数轮，所述计数轮用于计量所述多功能线缆的长度数值。

进一步地，所述储样机构包括至少一个储样瓶，所述储样瓶放置于样瓶套上，所述样瓶套对所述储样瓶进行定位管理和满样管理。

进一步地，所述探测传感模块包括声呐探测传感器、压力传感器和温度传感器，所述声呐探测传感器设置于所述无人船底部用于实时探测河湖水底的深度，所述压力传感器和所述温度传感器设置于所述取样控制器上，用于实时测量所述采样垂线上不同深度的水温分布特征，所述控制模块对所述水温分布特征数据进行分析得到所述水质分层取样决策。

进一步地，本发明还提供一种水质分层采样系统的控制方法，包括：

通过所述控制模块控制所述无人船到达采样河湖上所述采样垂线的所在位置；

通过所述探测传感模块实时采集所述采样垂线处的水环境数据信息，并将所述数据信息反馈至所述控制模块；

所述控制模块接收所述探测传感模块反馈的所述数据信息，并对所述数据信息进行分析处理得到所述水质分层取样决策；

所述控制模块根据所述水质分层取样决策控制所述移位机构、所述取样机构以及所述储样机构完成所述采样垂线上多个所述采样点的水样采集。

进一步地，所述数据信息包括所述采样垂线所在处的河湖水深以及所述采样垂线上的水温分布特性；所述水质分层取样决策包括所述采样垂线上的取样点数和取样深度。

进一步地，所述控制模块根据所述水质分层取样决策控制所述移位机构、所述取样机构以及所述储样机构完成所述采样垂线上多个所述采样点的水样采集，包括：

所述控制模块控制所述移位机构移动，所述移位机构带动所述取样机构水平移动至所述采样垂线所在位置；

所述移位机构带动所述取样机构沿所述采样垂线下降到设定的采样点；

所述控制模块控制所述取样机构依次完成所述采样垂线上多个所述采样点的水样采集；

所述移位机构带动所述取样机构先垂直上升远离水面，后水平移动至所述储样机构所在位置；

所述控制模块控制所述储样机构选定储样位置，所述取样机构将所采集的水样依次储存至选定的所述储样位置。

本发明提供的水质分层采样系统及控制方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的水质分层采样系统为船载式水质采样系统，在无人船上分别设置自动采集水样的取样机构、自动储存水样的储样机构以及控制取样机构平移和升降的移位机构，取样机构通过移位机构依次到达采样垂线上的不同采样点，完成各采样点的水样采集后，再通过移位机构将所采集的水样储存至储样机构；此外，还设置探测传感模块和控制模块，探测传感模块实时采集采样垂线处的水环境数据信息，并将数据信息反馈至控制模块，控制模块接收探测传感模块反馈的数据信息，并对数据信息进行分析处理得到水质分层取样决策，根据水质分层取样决策控制移位机构、取样机构以及储样机构完成采样垂线上不同位置的水样采集。本发明的水质分层采样系统高度集成了测量检测、取样决策、机械控制、协同控制、样品管理等功能部件，实现了河湖环境监测、取样自动决策、取样动作规划与联合协同控制等智能集成应用，实现了复杂水体环境中采样垂线上多点分层取样的连续自动操作，全流程自动控制与管理，达到了采样设备与实际业务需求的深度融合，提高了水质分层采样的工作效率，降低了仪器设备对操作人员的技术能力要求，且全过程的智能自动化操作也降低了复杂水体环境中取样带来的操作风险。

本发明的系统控制方法能够实现本发明的水质分层采样系统在复杂水体环境中连续自动地完成采样垂线上的多点分层取样。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1是本发明实施例中的水质分层采样系统侧视示意图；

图2是一实施例中取样罐侧视示意图；

图3是一实施例中取样机构俯视示意图；

图4是图3所示取样机构的侧视示意图；

图5是一实施例中储样机构的侧视示意图；

图6是本发明实施例中水质分层采样系统控制方法的步骤图；

图7是图6所示实施例中步骤104实现的方法步骤图。

附图标记说明：

11、船底板；2、取样机构；21、取样控制器；22、取样罐；221、取样筒；222、上止水阀；223、下止水阀；224、取样步进电机；2241、转轴；225、电机驱动器；226、电机控制区；227、通气区；228、密封区；229、进(出)水口；23、取样罐固定架；231、固定架顶板；232、固定架中板；233、固定架底板；24、连接螺栓；3、移位机构；31、多功能线缆；32、收放线部；321、绕线转盘；322、绕线电机；323、理线轮；324、计数轮；33、水平移位部；331、工作轮；332、吊轨；333、电动推杆；334、第一限位器；335、第二限位器；34、安装板；4、储样机构；41、储样瓶；411、外环储样瓶；412、内环储样瓶；42、水平旋转云台；43、承样斗；431、固定支架；432、第一出水管；433、第二出水管；434、出水管电磁阀；5、安全筒。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，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的限制。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“连通”等术语应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

下面参照附图说明本发明的优选实施方式：

如图1所示，本实施例中，水质分层采样系统为全自动无人船载式采样系统，包括无人船，无人船上分别设置能够自动采集水样的取样机构2，能够自动储存水样的储样机构4，以及带动取样机构2平移和升降的移位机构3，取样机构2通过移位机构3的带动依次到达采样垂线上的不同采样点，完成各采样点的水样采集后，再通过移位机构3的带动将所采集的水样储存至储样机构4；水质分层采样系统还包括探测传感模块和控制模块，探测传感模块实时采集采样垂线处的水环境数据信息，并将采集到的数据信息反馈至控制模块，控制模块接收探测传感模块反馈的数据信息，并对接收到的数据信息进行分析处理从而得到水质分层取样决策，根据水质分层取样决策控制移位机构3、取样机构2以及储样机构4完成采样垂线上不同位置的水样采集。

具体的，根据国家地面水环境影响评价有关技术要求，对河流和湖泊上的水质取样点应先设置取样断面，然后根据水面的宽度确定断面上的采样垂线，再根据采样垂线的深度决定采样点的位置和数目。本发明上述实施例的水质分层采样系统可结合河流水深、水温情况自动完成监测断面或测验垂线上指定深度处的水质采样。通过高度集成量测检测、取样决策、机械控制、协同控制、样品管理等功能部件，实现了河湖环境监测、取样自动决策、取样动作规划与联合协同控制等智能集成应用，实现了复杂水体环境中采样垂线上多点分层取样的连续自动操作，全流程自动控制与管理，达到了采样设备与实际业务需求的深度融合，提高了水质分层采样的工作效率，降低了仪器设备对操作人员的技术能力要求，且全过程的智能自动化操作也降低了复杂水体环境中取样带来的操作风险。

如图1所示，在本实施例中，无人船上还设置用于供取样机构2通行的安全筒5，安全筒5的下端面安装在无人船的船底板11上，且安全筒5的高度与无人船的设计吃水深度一致。优选地，安全筒5为圆柱形筒，且安全筒5的横截面积大小以能确保取样机构2顺畅通行为宜。当然，根据实际需要，安全筒5也可设计为其它形状，此处不作唯一限制。通常可选直径为D300㎜的安全筒5，其开口直径与水文监测常用的ADCP设备孔径保持一致，可保证船载水文水资源监测装置及系统适用安装的通用性。

常规的监测用无人船体积大小有限，如果从船头进行取样机构2的下放和提升，会影响整个无人船在水中的稳定性和安全性，且船头通常需要防撞或者设置其它监测器件，另一方面船头相比于船舱和船尾往往处于上翘状态，会使得采样深度的数据测量产生误差；而如果从船尾进行取样机构2的下放和提升，则会影响整个无人船的动力。因此，在船舱内部设置安全筒5，一方面为取样机构2提供进出河湖水面的通道，另一方面可实现无人船设计吃水条件下的舱内防水，也能提高无人船整体在水中的稳定性和安全性。

如图2所示，上述取样机构2包括取样控制器21和至少一个取样罐22，取样控制器21控制至少一个取样罐22完成水体采样。

可选地，在一实施例中，取样机构2包括4个大小相同的取样罐22，4个取样罐22竖直环绕放置，彼此贴靠，且通过取样罐固定架23进行固定，取样罐固定架23包括固定架顶板231、固定架中板232以及固定架底板233，固定架顶板231、固定架中板232以及固定架底板233用连接螺栓24或螺杆进行固定连接。取样控制器21设置在4个取样罐22所围出的中间区域中，并通过控制电缆分别与各取样罐22连接。

优选地，如图2所示，上述取样罐22包括取样筒221、上止水阀222、下止水阀223、取样步进电机224和电机驱动器225等部件。取样筒221为圆形薄壁结构，优选地，可选直径尺寸为D140㎜的圆筒，取样筒221由4个隔板从上到下依次划分为电机控制区226、通气区227和密封区228，其中，4个隔板包括设置于取样筒221最顶端的顶盖板，设置于取样筒221最底端的底盖板以及设置于顶盖板下方的第一隔板和第二隔板，顶盖板与第一隔板围合成电机控制区226，第一隔板与第二隔板围合成通气区227，第二隔板和底盖板围合成密封区228。其中，取样步进电机224、电机驱动器225、电源稳压模块等器件安装在电机控制区226，密封区228提供水质样品的存储容积，通气区227外壁开孔以适应外部气压和水压变化。优选地，用于划分取样筒221密封区228的两个隔板处可加装密封垫用于增强密封区228的密封效果。用于围合成密封区228的第二隔板和底盖板上开设进(出)水口229以方便水样和空气进入，上止水阀222、下止水阀223为铜制倒三角结构，上止水阀222和下止水阀223安装在与取样步进电机224相连的转轴2241上，可随着转轴2241的转动而旋转。优选地，上止水阀222和下止水阀223顶部设密封橡胶圈用于增强密封效果，上止水阀222和下止水阀223压紧进(出)水口229时，则密封区228处于密闭状态，上止水阀222和下止水阀223离开进(出)水口229时，则密封区228处于进水或排水状态。

取样控制器21分别与各取样罐22的电机控制区226连通。取样操作时，取样机构2由缆绳牵引着整体浸没于水下指定深度，在取样控制器21的控制下，取样罐22中的取样步进电机224运行，转轴2241转动，带动下止水阀223旋离进(出)水口229，密封区228处于进水状态，系统开始计时，经过设定时间后，转轴2241转动，带动下止水阀223旋进至压紧进(出)水口229，密封区228处于密闭状态，完成指定取样罐22的单次水质取样操作。根据控制模块的水质分层取样决策，由取样控制器21控制其它各取样罐22依次完成采样垂线上的其它点的水样采集，取样机构2通过一次下放和提升实现全部水样采集工作。

优选地，在一实施例中，取样控制器21可配置压力传感器和温度传感器，用于测量采样垂线上的水温分布特征，从而支撑控制模块根据水温特性完成分层水质取样决策和调度。取样控制器21配置的压力传感器和温度传感器可选择数字传感器。

优选地，在一实施例中，取样控制器21配置取样控制芯片和低压直流载波芯片，低压直流载波芯片完成系统通讯信息的调制和解调工作；取样控制芯片管理取样机构2的信息化操作，包括采集压力和水温数字量信息、生成支持取样罐22内部的电机驱动器225所需的脉冲信息等。

在具体操作时，优选地，可先采集浅水层的水样，之后取样机构2不断下降，依次采集深水层的水样，由浅到深的采样顺序，可充分利用所采集的水样的重力作用，使得牵引取样机构2的缆绳始终保持相对垂直状态，减小深水区采集水样时，水深测量所产生的误差，通过对压力换算所得的水深测值和计数轮324计数所得多功能线缆31的长度测值，融合分析并判定取样机构2所处水深，由此可提高和保证采样系统装置的位置控制精度，提高测量精度和准确性。

上述实施例中，根据控制模块的取样决策，取样机构2中单独的取样罐22能够进行独立的电控管理，可依次完成采样垂线上的各个点的水样采集，通过一次下放和提升实现全部水样的采集工作，全流程自动化操作，无需人工干预，不同水深处的采样点独立采样，相互之间无干扰，在确保采样精度的同时体现了高度的智能化。

如图1所示，用于带动取样机构2平移和升降的移位机构3也为自动化控制，自动化的移位机构3包括多功能线缆31、收放线部32以及水平移位部33，多功能线缆31为水上设施与水下取样机构2之间的连接线缆，多功能线缆31兼具缆绳、供电和通讯功能，其材质优选为带加强筋的2芯屏蔽软线。收放线部32用于完成多功能线缆31的收线、理线、绕线及放线等操作，水平移位部33与收放线部32配合可实现取样机构2的平移和升降。

优选地，在一实施例中，水上设施和水下取样机构2之间通过在设施两端分别配置低压直流载波器来实现通讯连接，实现水深、水温和采集时间等数据信息与控制模块的互联互通，实现采样动作控制指令集的上传下达。

优选地，如图1所示，移位机构3中的收放线部32以及水平移位部33通过安装板34进行固定。收放线部32包括绕线转盘321、绕线电机322、驱动器、理线轮323、计数轮324等部件。绕线电机322优选为步进电机，其输出轴与绕线转盘321连接，驱动器接收控制模块的指令，控制绕线电机322转动，从而实现多功能线缆31的自动收线和放线操作。理线轮323为辅助多功能线缆31实现其在绕线转盘321上均匀收放线的集成转轮。计数轮324为带编码器的长度计数传感器，实时采集多功能线缆31的收、放长度。

水平移位部33包括工作轮331、吊轨332及电动推杆333等部件，工作轮331由一组吊轮和辅助多功能线缆31变换方向的定滑轮封装组成，其吊轮安装在吊轨332的滑道内，其外壳与电动推杆333相连。电动推杆333可接收控制模块的指令，推动工作轮331在吊轨332的滑道内沿水平方向精确运动。多功能线缆31经工作轮331内的定滑轮绕转后与取样机构2的取样控制器21连接，故电动推杆333可支持取样机构2在无人监测船船舱内水平移动后切换工作位。

优选地，如图1所示，上述水平移位部33设定“取样”和“放样”两个工作位，分别通过第一限位器334和第二限位器335进行限定，取样位设置于安全筒5中心处，放样位设置于储样机构4的中心处；取样位与放样位之间的直线距离即为电动推杆333的控制行程。当水平移位部33处于取样位时，取样机构2正好位于安全筒5的中心处，此时继续放线，取样机构2将通过安全筒5下降浸入水中；当水平移位部33处于放样位时，取样机构2正好位于储样机构4的中心处，此时可将所采集的水样转移至储样机构4内。

如图1所示，上述储样机构4包括至少一个储样瓶41，储样瓶41放置于样瓶套内，样瓶套对储样瓶41进行定位管理和满样管理。

具体的，如图5所示，在一实施例中，储样机构4包括底板、水平旋转云台42、样瓶套、储样瓶41、承样斗43等部件。优选地，储样机构4的底板为圆形的水平放置的铝合金板，直径尺寸可选为D600㎜，水平旋转云台42安装在底板中心的原点处，样瓶套安装在水平旋转云台42外侧环形区域内，可分别放置内、外两圈储样瓶41，包括外圈的外环储样瓶411和内圈的内环储样瓶412，承样斗43安装在水平旋转云台42上部。

水平旋转云台42为具有360旋转功能的数控云台，集成有驱动器，可直接接受控制模块指令从而完成旋转操作。水平旋转云台42的旋转动作通过软件限定为360度范围内往复运动，从而避免多功能线缆31缠绕、绷紧或限制运动。

可选地，承样斗43通过固定支架431固定在水平旋转云台42上部，为倒锥形漏斗结构，可选锥高为100㎜，顶部锥口直径为300㎜，顶部锥口距底板之间的高度为300㎜，承样斗43底部的锥尖处对称布置有两个长度不同的出水管，即第一出水管432和第二出水管433，例如，可选两个出水管水平投影长度分别为150㎜和250㎜，分别对应于内环储样瓶412和外环储样瓶411，两个出水管靠近承样斗43的端部分别设置出水管电磁阀434，可选地，两个出水管远离承样斗43的另一端出水管口距储样机构4底板的高度为180㎜。

水平旋转云台42的零角度位为承样斗43的250㎜长的第二出水管433的射线方向，250㎜的第二出水管433用于向外环储样瓶411内进行存样排水操作，150㎜的第一出水管432用于向内环储样瓶412内进行存样排水操作。

优选地，样瓶套按链式结构相互固定连接。样瓶套用于对储样瓶41进行定位管理，同时对各瓶位是否放置储样瓶41和各瓶位液位高度是否满足满样标准等状态信息进行检测。

对应于内环储样瓶412和外环储样瓶411，相应的样瓶套也呈双层圆环结构布置，可选地，其内环设置8个样瓶套，外环设置12个样瓶套。具体操作时，可将内环样瓶套、外环样瓶套分别进行编号以区分不同的样品，例如，可将内环样瓶套瓶位编号为N1～N8，外环样瓶套瓶位编号为W1～W12。

优选地，在一实施例中，储样机构4的底板、样瓶套及储样瓶41的标注对应相同的瓶位及瓶号。例如，储样机构4的底板、水平旋转云台42和样瓶套统一设定零角度位，对应记录和管理水质水样以及储样瓶41清单。样瓶套内环N1号瓶位放置在距离储样机构4底板圆心150㎜处的0°方向，N2号～N8号瓶位按逆时针方向分别布置于45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°方向；样瓶套外环W1号瓶位放置在距离储样机构4底板圆心250㎜处的10°方向，W2号～W12号瓶位按逆时针方向分别布置在40°、70°、100°、130°、160°、190°、220°、250°、280°、310°、340°方向。在实际应用中，可根据实际需求，进行相应的编号和瓶位布置，上述仅进行举例说明，并不作唯一限制。

优选地，在一实施例中，可在样瓶套侧面设凸起式接触开关，用于检测并输出该瓶位是否放置储样瓶41。可在样瓶套顶部瓶口高度处设光电对射检测传感器，用于检测并输出各储样瓶41液位高度是否满足满样标准，从而实现对储样瓶41的定位管理和满样管理。当然，也可以通过其它手段实现对储样瓶41的定位检测和满样检测，例如压力传感器、红外线检测等手段，此处仅以设置接触开关和光电开关为例进行说明，不作唯一限制。

可选地，储样瓶41采用透明设计，根据采样标准的不同，可选用不同大小的储样瓶41，例如，可选外径为D100㎜，瓶高为150㎜的储样瓶41。储样瓶41侧面设带橡皮套和夹子的出水口；储样瓶41顶部收口设计。

优选地，在另一实施例中，空置的储样瓶41内可放置经清洗后的黑色橡皮球。橡皮球一方面能配合样瓶套对应的各瓶位安装的光电对射检测传感器实现是否满样检测，另一方面，随着储样瓶41内部水位上升而上浮至瓶口的橡皮球可起到对储样瓶41的封口作用，从而减少对储样瓶41内部样品的污染，提高检测结果的准确性。

上述储样机构4的工作流程为：收到控制模块的存样指令，控制模块结合存样记录自动确定存样位；计算水平旋转云台42的旋转角度；控制出水管旋转至存样位顶部；检查并关闭两个出水管电磁阀434；检测取样机构2的状态信息、确认取样机构2位于“放样”位，依次启动存样操作并将水样排入承样斗43、记录取样罐22开启和关闭时间信息；确认取样罐22排水时间满足要求后，承样斗43指定出水管端部的出水管电磁阀434开启，进行存样排水，待完成存样排水后，关闭出水管电磁阀434；对下一个取样罐22执行重复动作，检测取样机构2已全部完成存样操作；恢复取样机构2至“取样”位。

在另一实施例中，探测传感模块包括声呐探测传感器、压力传感器、温度传感器，声呐探测传感器设置于无人船的船底板11上，用于实时探测河湖水底的深度，压力传感器和温度传感器设置于取样控制器21上，用于实时测量采样垂线上不同深度的水温分布特征，控制模块对水温分布特征数据进行分析得到水质分层取样决策。

优选地，控制模块通过对压力换算所得水深测值和计数轮324计数所得多功能线缆31长度测值，融合分析并判定取样机构2所处水深，由此可提高和保证采样系统装置的位置控制精度。

可选地，在另一实施例中，采样系统设自动排水系统，用于自动抽取无人监测船船舱内的积水。自动排水系统主要包括水泵及浮球感应装置，其动作设计为独立自动控制运行，即舱内积水深度超标触动浮球感应装置后，水泵自动接通电源，开启向舱外排水操作，积水深度满足要求后，自动断电停止抽水。

在上述实施例中，控制模块主要包括工控控制器及配套安装的装置控制软件。工控控制器具有数字输入输出接口，可采集接收声呐、压力、水温、开关等信息，可输出电动推杆333、水平旋转云台42和电磁阀所需动作指令信息；工控控制器具有与外部进行通讯的网络接口，及时接受其他水位计软件传输的作业任务和GPS坐标等信息。装置控制软件包含采集传输管理、设备控制、任务管理、样瓶管理、配置管理等功能模块。

如图6所示，本实施例中，采用上述任一水质分层采样系统的系统控制方法，主要包括以下步骤：

步骤101：通过控制模块控制无人船到达采样河湖上采样垂线的所在位置；

步骤102：通过探测传感模块实时采集采样垂线处的水环境数据信息，并将数据信息反馈至控制模块；

步骤103：控制模块接收探测传感模块反馈的数据信息，并对数据信息进行分析处理得到水质分层取样决策；

步骤104：控制模块根据水质分层取样决策控制移位机构3、取样机构2以及储样机构4完成采样垂线上不同位置的水样采集。

优选地，上述数据信息包括采样垂线所在处的河湖水深以及采样垂线上的水温分布特性；水质分层取样决策包括采样垂线上的取样点数和取样深度。

如图7所示，控制模块根据水质分层取样决策控制移位机构3、取样机构2以及储样机构4完成采样垂线上不同位置的水样采集，包括以下步骤：

1041：控制模块控制移位机构3移动，移位机构3带动取样机构2水平移动至所述采样垂线所在位置；

1042：移位机构3带动取样机构2沿采样垂线下降到设定的采样点；

1043：控制模块控制取样机构2依次完成采样垂线上不同位置采样点的水样采集；

1044：移位机构3带动取样机构2先垂直上升远离水面，后水平移动至储样机构4所在位置；

1045：控制模块控制储样机构4选定储样位置，取样机构2将所采集的水样依次储存至选定的储样位置。

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 (6)

1.一种水质分层采样系统，包括无人船，其特征在于，所述无人船上设置用于自动采集水样的取样机构，用于自动储存水样的储样机构，用于带动所述取样机构平移和升降的移位机构，用于供所述取样机构通行的安全筒；

所述储样机构包括水平旋转云台，安装于所述水平旋转云台外侧环形区域内的样瓶套，放置于所述样瓶套内的储样瓶，以及安装于所述水平旋转云台上的承样斗，所述承样斗底部设置出水管，所述样瓶套对所述储样瓶进行定位管理和满样管理；

所述取样机构包括取样控制器和多个取样罐，所述取样罐内设置有电机控制区，所述取样控制器与所述电机控制区连通以控制所述取样罐的采样动作；所述取样机构通过所述移位机构的带动依次到达采样垂线上的多个采样点，完成多个所述采样点的水样采集后，通过所述移位机构的带动将所采集的水样排入所述承样斗，并经过所述出水管储存至所述储样瓶中；

所述安全筒的下端面连接于所述无人船的船底板上，所述安全筒的高度与所述无人船的设计吃水深度一致；

所述水质分层采样系统还包括探测传感模块和控制模块，所述探测传感模块用于实时采集所述采样垂线处的水环境数据信息，并将所述数据信息反馈至所述控制模块，所述控制模块用于接收所述探测传感模块反馈的所述数据信息，并对所述数据信息进行分析处理得到水质分层取样决策，根据所述水质分层取样决策控制所述移位机构、所述取样机构以及所述储样机构完成所述采样垂线上多个所述采样点的水样采集；

其中，所述探测传感模块包括声呐探测传感器、压力传感器和温度传感器，所述声呐探测传感器设置于所述无人船底部用于实时探测河湖水底的深度，所述压力传感器和所述温度传感器设置于所述取样控制器上，用于实时测量所述采样垂线上不同深度的水温分布特征，所述控制模块对所述水温分布特征进行分析得到所述水质分层取样决策；

所述取样罐包括取样筒、上止水阀、下止水阀、取样步进电机和电机驱动器；取样筒为圆形薄壁结构，取样筒由4个隔板从上到下依次划分为电机控制区、通气区和密封区，其中，4个隔板包括设置于取样筒最顶端的顶盖板、设置于取样筒最底端的底盖板以及设置于顶盖板下方的第一隔板和第二隔板，顶盖板与第一隔板围合成电机控制区，第一隔板与第二隔板围合成通气区，第二隔板和底盖板围合成密封区；其中，取样步进电机、电机驱动器、电源稳压模块安装在电机控制区，密封区提供水质样品的存储容积，通气区外壁开孔以适应外部气压和水压变化；用于围合成密封区的第二隔板和底盖板上开设进出水口以方便水样和空气进入，上止水阀和下止水阀安装在与取样步进电机相连的转轴上，随着转轴的转动而旋转；上止水阀和下止水阀压紧进出水口时，则密封区处于密闭状态，上止水阀和下止水阀离开进出水口时，则密封区处于进水或排水状态。

2.如权利要求1所述的水质分层采样系统，其特征在于，所述移位机构包括多功能线缆、收放线部以及水平移位部，所述收放线部用于所述多功能线缆的收线、理线、绕线及放线，所述水平移位部与所述收放线部配合用于所述取样机构平移和升降。

3.如权利要求2所述的水质分层采样系统，其特征在于，所述收放线部包括绕线转盘、绕线电机、理线轮、计数轮，所述计数轮用于计量所述多功能线缆的长度数值。

4.一种采用权利要求1至3任一项所述的水质分层采样系统的控制方法，其特征在于，包括：

通过所述控制模块控制所述无人船到达采样河湖上所述采样垂线的所在位置；

通过所述探测传感模块实时采集所述采样垂线处的水环境数据信息，并将所述数据信息反馈至所述控制模块；

所述控制模块接收所述探测传感模块反馈的所述数据信息，并对所述数据信息进行分析处理得到所述水质分层取样决策；

所述控制模块根据所述水质分层取样决策控制所述移位机构、所述取样机构以及所述储样机构完成所述采样垂线上多个所述采样点的水样采集。

5.如权利要求4所述的水质分层采样系统的控制方法，其特征在于，所述数据信息包括所述采样垂线所在处的河湖水深以及所述采样垂线上的水温分布特性；所述水质分层取样决策包括所述采样垂线上的取样点数和取样深度。

6.如权利要求5所述的水质分层采样系统的控制方法，其特征在于，所述控制模块根据所述水质分层取样决策控制所述移位机构、所述取样机构以及所述储样机构完成所述采样垂线上多个所述采样点的水样采集，包括：

所述控制模块控制所述移位机构移动，所述移位机构带动所述取样机构水平移动至所述采样垂线所在位置；

所述移位机构带动所述取样机构沿所述采样垂线下降到设定的采样点；

所述控制模块控制所述取样机构依次完成所述采样垂线上多个所述采样点的水样采集；

所述移位机构带动所述取样机构先垂直上升远离水面，后水平移动至所述储样机构所在位置；

所述控制模块控制所述储样机构选定储样位置，所述取样机构将所采集的水样依次储存至选定的所述储样位置。

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