CN113387450B - 河道黑臭水体原位修复无人船及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河道黑臭水体原位修复无人船及其控制方法，包括船体，以及安装于船体上的水质监测传感器、曝气增氧装置、微生物菌剂投放装置等，所述控制系统包括通讯模块、处理器和主控制器，所述船体上还设有超声波传感器和碳纤维生态草投放装置，所述处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量，所述主控制器根据计算结果控制投放量进行水质的治理；当超声波传感器感应到船体某侧靠近河道岸边时，主控制器根据相应的传感器信号控制船体避开河岸，使船体在河道中以S型轨迹航行。本发明结合了物理和生物方法以达到无人化治理黑臭河道的目的，全过程无需人工参与，修复效果佳。

Description

河道黑臭水体原位修复无人船及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种水体修复装置，尤其涉及一种河道黑臭水体原位修复无人船及其控制方法。

背景技术

随着城镇化的推进，人们的生活水平越来越高，但是环境污染问题却是越来越严重。其中，水质的污染是一个重要的问题，由于缺乏有效治理，致使原本清澈的河水渐渐变成了黑臭水体。这样的黑臭水体除了散发出阵阵怪味、影响市容市貌以外，还严重影响了人们的生产及生活用水。因此，黑臭河道的治理已经成为迫在眉睫的问题。目前，针对黑臭河道的治理主要有物理方法、化学方法和生物方法三种。比如清淤、曝气充氧等是物理方法，投絮凝剂和强氧化剂等是化学方法，微生物强化修复、水生植物修复等是生物方法。但是无论使用哪种方法，都需要人工进行操作，但人长时间处于黑臭河道内会影响身体健康。

采用无人船替代人工进行黑臭河道的治理是大势所趋，中国专利CN211893585U，苑辉，曹映东，李海明，陈继跃，赵立伟.《一种用于黑臭地表水水体的自动检测无人船》中，提供了一种自动检测水体数据的无人船，包括遥控船单元和检测单元，遥控船单元包括检测船和遥控手柄；检测单元包括传感器、中继器、采集器、智能终端；采集器、传感器搭载在检测船上，采集器与传感器相连，中继器与采集器双向通信，中继器与智能终端双向通信；测量人员可以利用这种无人船在岸边或更远的区域遥控测量船完成水体面积、深度等基本数据的检测，也可以根据需要定点对COD、氨氮等常用污染指标进行快速检测，快速获得目标水体的相关参数。中国专利CN211198830U，范蓉芳，李艳丽.《一种河道修复系统》中，提供了一种用于河道修复的无人船系统，主要包括水质监测传感器、GPS定位模块、信号调理电路、信号发射模块、处理器、控制器、存储模块、无人船装置，其中无人船装置包括惯导系统、电源模块、曝气增氧装置和药剂投放装置，信号调理电路通过对水质监测传感器的信号处理后，通过信号发射模块发送至处理器，处理器将当前水域的水质信息存储于存储模块中，由控制器控制无人船装置进行水质的治理，其中惯导系统根据GPS定位模块的定位信息引导无人船行驶至水质污染严重水域进行水质治理工作。

但是，上述河道修复系统是通过实时监测水体参数来判断投放药剂，直到当水体的各项参数指标在预设值范围内时，处理器控制药剂投放装置停止工作。投入使用后发现按照这种方案投放的药剂或微生物常常过量，治理水体的效果往往不佳，有时候甚至导致了水体质量的进一步恶化。首先化学药剂的过量投放会造成一定的污染，其次针对微生物的投放，由于微生物本身具有成长性，其作用在投入水体当时并不直接显现，一旦投放过量，严重的将会导致水体生态失衡。再次，河道通常较宽，而现有的无人船只能在一个较小的范围内投料治理，因此上述河道修复系统往往还需要人工遥控无人船到达不同位置投放来实现全河道的治理，尚无法实现全自动投放。最后，在进行河道治理时单一依靠药剂的效果不理想。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种河道黑臭水体原位修复无人船及其控制方法，能够计算最佳的微生物菌剂投放量以提高水体治理效果，整个治理过程无需人工参与，达到全自动原位水体修复的目的。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种河道黑臭水体原位修复无人船，包括船体，以及安装于船体上的水质监测传感器、曝气增氧装置、微生物菌剂投放装置、控制系统以及电源模块，所述控制系统包括通讯模块、处理器和主控制器，其特征在于：所述船体上还设有超声波传感器和碳纤维生态草投放装置，所述处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量，所述主控制器根据计算结果控制微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量进行水质的治理；当超声波传感器感应到船体某侧靠近河道岸边时，主控制器根据相应的传感器信号控制船体避开河岸，使船体在河道中以S型轨迹航行。

所述主控制器根据计算结果控制微生物菌剂的投放量进行水质的治理，是以计算结果为控制目标采用PID控制算法实现对微生物菌剂的投放量的控制。

所述处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算碳纤维生态草的投放量，是先获得若干次水质传感器采集的水质信息，根据灰色预测模型预测得到下一地点的水质信息，然后根据水质信息预测值投入相应的碳纤维生态草。

为实现船体在河道中以S型轨迹航行，所述超声波传感器优选设有四个，分别安装于船身四周，分别位于船头、船尾和船身两侧的中部。

本发明还提出一种应用于上述河道黑臭水体原位修复无人船的控制方法，包括以下步骤：

(1)主控制器启动电机，控制无人船加速至一定速度前进；

(2)在前进过程中，每间隔一段航行时间投放微生物菌剂和碳纤维生态草一次，处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量，主控制器根据计算结果控制微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量进行水质的治理；同时，主控制器判断是否接收到船身左侧超声波传感器信号，如果是，控制无人船右转，如果否，则进入下一步；

(3)主控制器判断是否接收到船身右侧超声波传感器信号，如果是，控制无人船左转，如果否，则进入下一步；

(4)主控制器判断是否接收到船头超声波传感器信号，如果是，控制无人船后退，如果否，则进入下一步；

(5)主控制器判断是否接收到船尾超声波传感器信号，如果是，控制无人船停止，航行结束，如果否，则继续以原速度前进。

其中，所述主控制器根据计算结果控制微生物菌剂的投放量进行水质的治理，是以计算结果为控制目标采用PID控制算法实现对微生物菌剂的投放量的控制。

所述处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算碳纤维生态草的投放量，包括以下步骤：

(21)将某一水域获得的一系列水质传感器数据记为x⁽⁰⁾原始数列，x⁽⁰⁾＝[x⁽⁰⁾(1)，x⁽⁰⁾(2)，…，x⁽⁰⁾(n)]，

(22)根据所述原始数列计算下一地点的水质信息预测值：

式中，n为原始数列项数，

其中

式中，z⁽¹⁾(t)＝0.5x⁽¹⁾(t)+0.5x⁽¹⁾(t-1)，t＝2，3，…，n，x⁽¹⁾是将原始数列x⁽⁰⁾进行逐项累加得到的新数列。

(23)将水质信息预测值换算成对应的碳纤维生态草投放数据，由此可以计算出下一地点碳纤维生态草投放量。

在无人船前进的过程中，主控制器可以同时控制曝气增氧装置开启，为河道增氧。

有益效果：针对本地区黑臭河水的特点，本发明所述的无人船在进行黑臭河道治理时采用了物理方法和生物方法两种对环境友好的绿色治理手段相结合，在河道内曝气增氧，并且根据需要精准控制投入合适量的微生物菌剂以及碳纤维生态草，以达到无人化治理黑臭河道的目的。全过程无需人工参与，达到全自动原位水体修复的目的，修复效果相比现有技术更佳，修复过程绿色环保，不会导致环境污染。

附图说明

图1是本发明所述无人船的航行轨迹示意图；

图2是本发明所述无人船的航行控制系统流程图；

图3是曝气增氧控制系统流程图；

图4是本发明所述无人船的微生物菌剂和碳纤维生态草投放控制系统流程图；

图5是本发明所述无人船的控制系统框架图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的河道黑臭水体原位修复无人船，采用PLC作为主控制器完成无人船的自主航行、曝气增氧、微生物菌剂和碳纤维生态草的自动投放。所述无人船包括：船体，安装于船体上的水质监测传感器、通讯模块、处理器、型号为S7-200 SMART PLC的主控制器、超声波传感器、曝气增氧装置、微生物菌剂投放装置、碳纤维生态草投放装置以及电源模块，处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量，由控制器控制无人船装置进行水质的治理。超声波传感器感应到船体某侧靠近河道岸边时，控制器根据具体的传感器信号控制船体避开河岸，使船体在河道中以S型轨迹航行。

无人船在航行过程中会根据其航行轨迹实时获取当地的水质情况，若水质变化不大，营养成分充足的情况下可以不用频繁的添加微生物菌剂。但若是水质变化较大或者不稳定时，需要加大添加微生物菌剂的量，一般选择船航行每1分钟投放一次。而且微生物的代谢产物有些是有毒性的，长时间积累也会抑制细菌的生长添加量也不能过大。因此，无人船在进行微生物菌剂投放时，需要实时进行流量阀的调节。

PID是比例、积分、微分运算的简称，本实施例优选PID控制算法用以维持微生物菌剂投放量的稳定。具体方法是首先利用COD传感器测得河道内COD余量，再换算得到目前河道内微生物菌剂的含量。这里的换算是将不同COD值范围对应的微生物菌剂投放经验值存储在控制系统中，处理器检索得到实测COD值相应的微生物菌剂投放量，并发送至控制器执行控制目标。河道内最佳的微生物菌剂含量通常在3％～4％之间，本实施例采用4％为标准。

碳纤维生态草的投放量根据水质传感器获得的信息进行投放。需要先获得10次水质传感器的信息，根据灰色预测模型，预测下一次的水质信息，然后根据水质信息预测值投入相应的碳纤维生态草，具体的灰色预测算法计算碳纤维生态草投放量过程如下。

将某一水域获得的一系列水质传感器数据，这里选择水体COD测量值，记为x⁽⁰⁾原始数列，x⁽⁰⁾＝[x⁽⁰⁾(1)，x⁽⁰⁾(2)，…，x⁽⁰⁾(n)]，

将原始数列进行累加得到新数列为x⁽¹⁾，x⁽¹⁾＝[x⁽¹⁾(1)，x⁽¹⁾(2)，…，x⁽¹⁾(n)]，这里的累加是指逐项累加，如第二项是前两项之和，第三项是前三项之和，以此类推。并且x⁽¹⁾数列满足方程

用最小二乘法得到方程系数a和u组成的向量为：

其中

z⁽¹⁾(t)＝0.5x⁽¹⁾(t)+0.5x⁽¹⁾(t-1)，t＝2，3，…，n。

则灰色模型的解为：

对上式作累减还原，得原始数列预测值为：

将水质信息预测值换算成碳纤维生态草投放数据，由此可以计算出某一水域的综合碳纤维生态草投放量。本实施例中，换算碳纤维生态草投放数据是将不同水质信息对应的碳纤维生态草投放经验值存储在控制系统中，处理器检索得到水质信息预测值相对应的微生物菌剂投放量，并发送至控制器执行控制目标。

无人船在作业时，控制系统完成以下动作：

(1)驱动电机速度可调，分为前进2档和后退2档，每档分别用相应的遥控控制或者由控制器自主控制；

(2)舵机控制无人船左转或右转，左转和右转之间互锁，防止舵机短路；

(3)无人船在河道内采用“S”型轨迹进行航行，尽可能全面修复河道内的黑臭水体，如图1所示。

(4)船两侧的曝气杆由电推杆推入或推出水中，曝气杆推入到位后，由限位开关控制电推杆停止工作；

(5)在电推杆启动的同时需同时启动曝气机的电磁阀，保证曝气杆入水时能排出氧气，曝气机由电磁阀控制其氧气的排出；

(6)需要进行微生物菌剂混合时，则启动搅拌桶内的搅拌电机，当搅拌充足后，开启流量阀将液体流入河道，流量阀根据需要采用PID自动控制；当需要进行碳纤维生态草混合时，启动碳纤维生态草拨动电机，根据需要打开电磁阀向河道内排入碳纤维生态草；也可以同时投放微生物菌剂和碳纤维生态草。

(7)船身四周装有四个超声波传感器，分别位于船头、船尾、船身左侧和右侧的中间位置。当船身左侧传感器检测到障碍物时，启动舵机右转，当船身前方检测到障碍物时，启动驱动电机的后退1档，以此类推。

无人船的控制系统分为三个部分，分别为：无人船航行控制系统、曝气增氧控制系统、微生物菌剂和碳纤维生态草投放控制系统。三个部分的控制流程图分别见图2、图3和图4。流程图均表示在自动条件下运行过程，手动运行在此不详细阐述。

如图2所示为无人船航行控制系统，图中Ml为船驱动电机，M2为舵机，SQ3为船头超声波传感器，SQ4为船尾超声波传感器，SQ5为船身左侧超声波传感器，SQ6为船身右方超声波传感器。控制方法如下：

(1)主控制器启动电机，控制无人船加速至一定速度前进；

(2)主控制器判断是否接收到船身左侧超声波传感器信号，如果是，控制无人船右转，如果否，则进入下一步；

(3)主控制器判断是否接收到船身右侧超声波传感器信号，如果是，控制无人船左转，如果否，则进入下一步；

(4)主控制器判断是否接收到船头超声波传感器信号，如果是，控制无人船后退，如果否，则进入下一步；

(5)主控制器判断是否接收到船尾超声波传感器信号，如果是，控制无人船停止，航行结束，如果否，则继续以原速度前进。

图3为曝气增氧控制系统，图中M3为左电推杆，M4为右电推杆，M5为曝气机，SQ1为左曝气杆限位，SQ2为右曝气杆限位。

微生物菌剂和碳纤维生态草投放控制系统如图4所示，图中M6为搅拌电机，M7为拨动电机。

无人船航行控制系统中，当按下遥控按钮SB1时，驱动电机启动，接着按下遥控按钮SB2，无人船以低速航行，10s后将自动转为高速航行。在高速航行时，船身四周的超声波传感器实时检测周围有无障碍物，若有，将改变航行方向，根据需要启动舵机进行左转或右转。

曝气增氧控制系统中，在驱动电机运行到高速档时，同时启动左右电推杆到达指定位置，按照无人船航行轨迹进行曝气增氧。

微生物菌剂和碳纤维生态草投放控制系统中，在无人船航行时，按照航行轨迹定时投放微生物菌剂，当达到投放位置时，无人船停止运行，并开始投放微生物菌剂和碳纤维生态草，投放时间可以设置为3min，以保证完成全部投放，停止投放后，再按照轨迹继续航行，如此重复若干次后无人船返航充电。

本发明所述的河道黑臭水体原位修复无人船在进行修复作业时，要求控制系统稳定可靠，修复效率高，优选手动和自动两种模式，在无人船作业时可在两种模式间进行切换，提高操作的灵活性。在手动模式下，可以自主控制无人船的速度、转向、曝气增氧的启停、微生物菌剂的投放和碳纤维生态草的投放。在自动模式下，无人船能自主航行、自动进行曝气增氧、定点进行微生物菌剂和碳纤维生态草的投放。采用蓄电池和光伏板作为电源，MCGS触摸屏作为人机交互界面。样机经过调试，整个控制系统稳定可靠，作业效率高，大大降低了工人工作强度。

Claims (3)

1.一种应用于河道黑臭水体原位修复无人船的控制方法，所述河道黑臭水体原位修复无人船，包括船体，以及安装于船体上的水质监测传感器、曝气增氧装置、微生物菌剂投放装置、控制系统以及电源模块，所述控制系统包括通讯模块、处理器和主控制器，所述船体上还设有超声波传感器和碳纤维生态草投放装置，所述处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量，所述主控制器根据计算结果控制微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量进行水质的治理；当超声波传感器感应到船体某侧靠近河道岸边时，主控制器根据相应的传感器信号控制船体避开河岸，使船体在河道中以S型轨迹航行，其特征在于，包括以下步骤：

(1)主控制器启动电机，控制无人船加速至一定速度前进；

(2)在前进过程中，每间隔一段航行时间投放微生物菌剂和碳纤维生态草一次，处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量，主控制器根据计算结果控制微生物菌剂和碳纤维生态草的投放量进行水质的治理；同时，主控制器判断是否接收到船身左侧超声波传感器信号，如果是，控制无人船右转，如果否，则进入下一步；所述处理器对水质监测传感器所获取的当前水域的水质信息进行处理并计算碳纤维生态草的投放量，包括以下步骤：

(21)将某一水域获得的一系列水质传感器数据记为x⁽⁰⁾原始数列，x⁽⁰⁾＝[x⁽⁰⁾(1)，x⁽⁰⁾(2)，…，x⁽⁰⁾(n)]，

(22)根据所述原始数列计算下一地点的水质信息预测值：

式中，n为原始数列项数，

其中

式中，z⁽¹⁾(t)＝0.5x⁽¹⁾(t)+0.5x⁽¹⁾(t-1)，t＝2，3，…，n，x⁽¹⁾是将原始数列x⁽⁰⁾进行逐项累加得到的新数列；

(23)将水质信息预测值换算成对应的碳纤维生态草投放数据，由此可以计算出下一地点碳纤维生态草投放量；

(3)主控制器判断是否接收到船身右侧超声波传感器信号，如果是，控制无人船左转，如果否，则进入下一步；

(4)主控制器判断是否接收到船头超声波传感器信号，如果是，控制无人船后退，如果否，则进入下一步；

(5)主控制器判断是否接收到船尾超声波传感器信号，如果是，控制无人船停止，航行结束，如果否，则继续以原速度前进。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述主控制器根据计算结果控制微生物菌剂的投放量进行水质的治理，是以计算结果为控制目标采用PID控制算法实现对微生物菌剂的投放量的控制。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在无人船前进的过程中主控制器控制曝气增氧装置开启，为河道增氧。

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