CN112947130B - 无人自动污水处理船蜂群控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无人自动污水处理船蜂群控制系统，其特征是包括指挥中心和若干污水处理船。提供了一整套完整的无人污水处理船的控制系统及控制方法，具有功能全面，适应大流域、污染情况复杂的区域，为全天候的污水处理提供了解决方案，通过同时能够通过指挥中心的综合调度和污水处理船自响应两种控制模式，能够实现多船只的集群作业，同时能够提高污水处理船的响应效率，且具有实时监测功能，大大提高了污水的及时处理的能力，从而大大提高了大流域水体的污水处理效率，具有推广应用价值。

Description

无人自动污水处理船蜂群控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种污水治理自动化设备领域，特别是涉及一种无人自动污水处理船蜂群控制系统及控制方法。

背景技术

目前，随着湖泊流域内的城镇化发展，流域内人口的迅速增长，城市区域范围对湖泊的自然环境侵占的不断扩大，同时由于工业的快速发展，经济规模的急剧扩张，湖泊水体污染也日益严重，由于湖泊流域内的生态脆弱性和经济发展对生态资源过度消耗，大量湖泊流域内的生态环境承载力已经达到极限，导致水质恶化，严重影响到流域内人民的生活和社会经济的发展。由于湖泊本身较为封闭，湖水更新循环慢，自我净化能力不足，因此湖泊水体治理通常需要采用污水处理船辅助进行净化，加强其净化能力，例如：公开号为CN110067242A的水体富营养化治理船，但是湖泊的面积一般比较广阔，以巢湖为例，其东西长55公里、南北宽21公里， 湖岸线周长176公里，面积780平方公里，容积20.7亿立方米，由于范围广，单单依靠单一船只无法对其进行有效的治理，而且人工操作治理效率低下，无法适应长时间、大规模的集中作业。

目前，对单个船只进行的远程控制，或船只自动化控制的技术也很成熟，能够解决人工操作的种种缺陷，例如珠海云洲智能科技有限公司针对海洋调查应用的产品MB08海底探测无人船、M40A多用途无人船、ME120多用途无人船和L30高速无人船，这些都是成熟的控制平台，但大多只能实现对单一船只的远程智能控制，无法有效的实现船只规模化的集群控制。

发明内容

本发明的目的是：为了解决背景技术中提出的问题而提供的一种能够全面实现污水处理船集群控制，提高污水处理效率的无人自动污水处理船蜂群控制系统及控制方法。

本发明的技术方案是：一种无人自动污水处理船蜂群控制系统，其特征是包括指挥中心和若干污水处理船；

所述的指挥中心包括主控制器和通信系统；所述的主控制器包括交互界面、数据处理器和搭载了控制指令软件的控制模块，所述的交互界面用于管理人员查看档案数据和手动发送控制指令，所述的数据处理器用于计算分析和归档整理由上位单元传输的数据，所述的控制模块根据数据处理器的计算分析结果向下位单元发送控制指令；所述的通信系统用于接收污水处理船发出的其工作部件的工作状态数据，并发送给数据处理器进行数据分析，并将控制模块发出的控制指令发送给污水处理船；

所述的污水处理船包括污水处理系统、水质监测系统、卫星定位系统、雷达避障系统、船载控制器、船载通信系统和供能系统；所述的污水处理系统采用组合式复合生物滤池结构，用于收集污染湖水经过沉淀、复合式生物过滤、水质监测、调节pH后排入湖中；所述的水质监测系统用于实时监测污水处理船收集的污水的污染参数，并通过船载通信系统发送给指挥中心；所述的卫星定位系统为北斗卫星定位系统，用于实时记录污水处理船的位置信息，并船载通信系统发送给指挥中心；所述的雷达避障系统，包括若干个毫米波雷达，设置在污水处理船前进方向边缘，用于监测污水处理船前进方向的水面障碍物；所述的船载控制器，用于根据控制指令或雷达避障系统监测到的水面障碍物信息对污水处理船进行启停、减速和转向等控制动作；所述的船载通讯系统，用于收集水质监测信息、船只位置信息、船上设备状态信息发送给指挥中心并且接收其根据数据处理结果得出的控制指令发送给船载控制器。

进一步的方案是：所述的船载控制器还包括数据分析模块，用于处理分析本船上的水质监测数据、船只位置数据、船上设备状态数据，并进行数据分析，并根据分析结果直接向船载控制器发送控制指令。污水处理船本身具有数据分析能力，能够在指挥中心发出污染处理需求时根据本船的状态进行及时响应，无需重新从指挥中心所在的港口调拨船只进行作业，提高了污水处理船的工作效率。

进一步的方案是：所述的水质监测系统包括SC1000控制器、LDO光学溶解氧分析仪、差分pH分析仪、感应式电导率分析仪、浊度分析仪、氨氮分析仪和有机物分析仪，控制器和所有分析装置的探头均集成在一块安装背板上，安装背板下方装有一个流通池，各个探头采用插入式安装，水样从流通池的一头流入，另外一头流出。

在此过程中，所有探头都可以实时监测相应水质参数的变化，并将相应参数传输到上面的SC1000 控制器中储存实时显示，并通过船载通信系统发送给指挥中心。

进一步的方案是：所述的供能系统包括太阳能供电系统及电量监测装置，所述的太阳能供电系统用于提供船上设备的工作电力，并将多余的电力通过自带的电池存储备用，所述的电量监测装置用于监测太阳能供电系统中的电池电量，并实时发送给指挥中心。

在此过程中，得出的供能系统数据作为判断船只污水处理能力的一个判断要素。

一种无人自动污水处理船控制方法，其特征包括以下步骤：

步骤1、将根据工作区域的大小和污水处理船处理能力计算，将一定数量的污水处理船先放入工作区域中，污水处理船先利用水质监测系统对工作区域的进行取样检测，并将结果传输到指挥中心，同时船载卫星定位系统会实时传输本船的位置信息给指挥中心；

步骤2、指挥中心的主控制器在接收到水质监测数据和各污水处理船的位置数据后，其中的数据处理器开始对数据进行分析处理，判断污染情况，根据污染情况量化工作区域内所需的污水处理能力，并结合定位系统回传数据，形成水质污染情况分区图显示在交互界面上，同时将水质污染情况分布信息和所需的污水处理能力信息通过通信系统发送给各污水处理船；

步骤3、每艘污水处理船上的船载通信系统在接收到水质污染情况分区信息和各区域所需的污水处理能力信息后，会发送给船载控制器，船载控制器会据此启动污水处理船，同时向指挥中心发出响应信号，将本船的响应工作区域和船只编号发送给指挥中心，然后当某一工作区域内的污水处理船的总污水处理能力能够满足该区域内所需污水处理能力时，其他污水处理船会前往其他工作区域并重新发送响应信号，直至所有污水处理船到达工作区域；

步骤4、在系统正常工作过程中，相同区域内多船只协同工作时的分工方法是，工作区域同时分布着一艘仅开启水质监测功能的船只作为监测船，和若干艘污水处理和水质监测功能同时开启的船只作为工作船，监测船负责实时监测水质和在必要时候提供支援；工作船负责进行污水处理和处理效果监测；

步骤5、当工作区域内的开启污水处理功能的工作船，污水处理能力达到处理上限后，船载控制器会停止污水处理功能，仅开启水质监测功能，并通过船载通信系统将检测数据上传，指挥中心的数据处理器经过数据分析后，如果水质符合预期处理目标后，通过指挥中心的主控制器发送返航指令，船载控制器控制目标区域内的船只返航，进行耗材更换和养护；

步骤6、经过数据分析后，如果水质未达到预期目标，则监测船开启污水处理能力变为工作船，继续进行污水处理，而工作船变为新的监测船继续进行工作，如果工作船只无法完成剩余的污水处理任务时，指挥中心会派出更多的工作船进行协助，直至水质监测达到预期目标后，指挥中心发出返航指令到船载通信系统，通过船载控制器控制工作区域内的船只返航。

进一步的方案是：在步骤6中工作区域内的水质达到预期处理目标后，剩余污水处理能力最高的污水处理船作为监测站停留在工作区域进行水质的实时监测，同时指挥中心的数据处理器进行实时分析，得出实时的水质动态信息。

进一步的方案是：当作为监测站的污水处理船监测到某区域内水体重污染物明显增加时，主控制器会在水质情况分布示意图中突出显示该区域水质，提醒管理人员注意，主控制器会通过指挥中心的通讯系统将信号传递给船载通信系统，船载通信系统在接收到信号后，会通过船载控制器启动作为监测站的污水处理船污水处理功能，作为新的工作船，并根据历史数据，计算出该区域污染情况对应的污水处理能力需求，派出对应的污水处理船，按照步骤4中的所述的船只分工方法进行污水处理作业。

进一步的方案是：指挥中心的数据处理器会分析污染区域邻近区域内的船只的水质监测数据、位置数据、污水处理能力数据，通过指挥中心的主控制器发送控制指令到目标船只的船载通信系统，通过船载控制器就近调用污水处理船前往污染区域进行工作。

进一步的方案是：还包括当突发恶劣天气、自然灾害或其他不适和污水处理船工作的情况时，指挥中心通过主控制器发送返回指令给所有的工作船只返回停靠点的步骤。

本发明与与现有技术相比，提供了一整套完整的无人污水处理船的控制系统及控制方法，具有功能全面，适应大流域、污染情况复杂的区域，为全天候的污水处理提供了解决方案，通过同时能够通过指挥中心的综合调度和污水处理船自响应两种控制模式，能够实现多船只的集群作业，同时能够提高污水处理船的响应效率，且具有实时监测功能，大大提高了污水的及时处理的能力，从而大大提高了大流域水体的污水处理效率，具有推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

如图所示，一种无人自动污水处理船蜂群控制系统，其特征是包括指挥中心和若干污水处理船3；

所述的指挥中心包括主控制器1和通信系统2；所述的主控制器1包括交互界面101、数据处理器102和搭载了控制指令软件的控制模块103，所述的交互界面101用于管理人员查看档案数据和手动发送控制指令，所述的数据处理器102用于计算分析和归档整理由上位单元传输的数据，所述的控制模块103根据数据处理器102的计算分析结果向下位单元发送控制指令；所述的通信系统2用于接收污水处理船发出的其工作部件的工作状态数据，并发送给数据处理器102进行数据分析，并将控制模块103发出的控制指令发送给污水处理船；

所述的污水处理船3包括污水处理系统301、水质监测系统302、卫星定位系统303、雷达避障系统304、船载控制器305、船载通信系统306和供能系统307；所述的污水处理系统301采用组合式复合生物滤池结构，用于收集污染湖水经过沉淀、复合式生物过滤、水质监测、调节pH后排入湖中；所述的水质监测系统302用于实时监测污水处理船收集的污水的污染参数，并通过船载通信系统306发送给指挥中心；所述的卫星定位系统303为北斗卫星定位系统，用于实时记录污水处理船的位置信息，并船载通信系统发送给指挥中心；所述的雷达避障系统304，包括若干个毫米波雷达，设置在污水处理船3前进方向边缘，用于监测污水处理船3前进方向的水面障碍物；所述的船载控制器305，用于根据控制指令或雷达避障系统304监测到的水面障碍物信息对污水处理船进行启停、减速和转向等控制动作；所述的船载通讯系统306，用于收集水质监测信息、船只位置信息、船上设备状态信息发送给指挥中心并且接收其根据数据处理结果得出的控制指令发送给船载控制器305。

所述的船载控制器305还包括数据分析模块，用于处理分析本船上的水质监测数据、船只位置数据、船上设备状态数据，并进行数据分析，并根据分析结果直接向船载控制器305发送控制指令。

所述的水质监测系统301包括SC1000控制器、LDO光学溶解氧分析仪、差分pH分析仪、感应式电导率分析仪、浊度分析仪、氨氮分析仪和有机物分析仪，控制器和所有分析装置的探头均集成在一块安装背板上，安装背板下方装有一个流通池，各个探头采用插入式安装，水样从流通池的一头流入，另外一头流出。

所述的供能系统307包括太阳能供电系统及电量监测装置，所述的太阳能供电系统用于提供船上设备的工作电力，并将多余的电力通过自带的电池存储备用，所述的电量监测装置用于监测太阳能供电系统中的电池电量，并实时发送给指挥中心。

Claims (6)

1.一种无人自动污水处理船控制方法，其特征包括以下步骤：

步骤1、根据工作区域的大小和污水处理船处理能力计算，将一定数量的污水处理船先放入工作区域中，污水处理船先利用水质监测系统对工作区域的进行取样检测，并将结果传输到指挥中心，同时船载卫星定位系统会实时传输本船的位置信息给指挥中心；

步骤2、指挥中心的主控制器在接收到水质监测数据和各污水处理船的位置数据后，其中的数据处理器开始对数据进行分析处理，判断污染情况，根据污染情况量化工作区域内所需的污水处理能力，并结合定位系统回传数据，形成水质污染情况分区图显示在交互界面上，同时将水质污染情况分布信息和所需的污水处理能力信息通过通信系统发送给各污水处理船；

步骤3、每艘污水处理船上的船载通信系统在接收到水质污染情况分区信息和各区域所需的污水处理能力信息后，会发送给船载控制器，船载控制器会据此启动污水处理船，同时向指挥中心发出响应信号，将本船的响应工作区域和船只编号发送给指挥中心，然后当某一工作区域内的污水处理船的总污水处理能力能够满足该区域内所需污水处理能力时，其他污水处理船会前往其他工作区域并重新发送响应信号，直至所有污水处理船到达工作区域；

步骤4、在系统正常工作过程中，相同区域内多船只协同工作时的分工方法是，工作区域同时分布着一艘仅开启水质监测功能的船只作为监测船，和若干艘污水处理和水质监测功能同时开启的船只作为工作船，监测船负责实时监测水质和在必要时候提供支援；工作船负责进行污水处理和处理效果监测；

步骤5、当工作区域内的开启污水处理功能的工作船，污水处理能力达到处理上限后，船载控制器会停止污水处理功能，仅开启水质监测功能，并通过船载通信系统将检测数据上传，指挥中心的数据处理器经过数据分析后，如果水质符合预期处理目标后，通过指挥中心的主控制器发送返航指令，船载控制器控制目标区域内的船只返航，进行耗材更换和养护；

步骤6、经过数据分析后，如果水质未达到预期目标，则监测船开启污水处理能力变为工作船，继续进行污水处理，而工作船变为新的监测船继续进行工作，如果工作船只无法完成剩余的污水处理任务时，指挥中心会派出更多的工作船进行协助，直至水质监测达到预期目标后，指挥中心发出返航指令到船载通信系统，通过船载控制器控制工作区域内的船只返航。

2.如权利要求1所述的一种无人自动污水处理船控制方法，其特征在于：所述的步骤6中，工作区域内的水质达到预期处理目标后，剩余污水处理能力最高的污水处理船作为监测站停留在工作区域进行水质的实时监测，同时指挥中心的数据处理器进行实时分析，得出实时的水质动态信息。

3.如权利要求2所述的一种无人自动污水处理船控制方法，其特征在于：当作为监测站的污水处理船监测到某区域内水体重污染物明显增加时，主控制器会在水质情况分布示意图中突出显示该区域水质，提醒管理人员注意，主控制器会通过指挥中心的通讯系统将信号传递给船载通信系统，船载通信系统在接收到信号后，会通过船载控制器启动作为监测站的污水处理船污水处理功能，作为新的工作船，并根据历史数据，计算出该区域污染情况对应的污水处理能力需求，派出对应的污水处理船，按照步骤4中所述的船只分工方法进行污水处理作业。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的一种无人自动污水处理船控制方法，其特征在于：指挥中心的数据处理器会分析污染区域邻近区域内的船只的水质监测数据、位置数据、污水处理能力数据，通过指挥中心的主控制器发送控制指令到目标船只的船载通信系统，通过船载控制器就近调用污水处理船前往污染区域进行工作。

5.如权利要求1至3中任意一项所述的一种无人自动污水处理船控制方法，其特征在于：当突发恶劣天气、自然灾害时，指挥中心通过主控制器发送返回指令给所有的工作船只返回停靠点。

6.如权利要求4中所述的一种无人自动污水处理船控制方法，其特征在于：当突发恶劣天气、自然灾害时，指挥中心通过主控制器发送返回指令给所有的工作船只返回停靠点。

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