CN105158431B - 一种无人污染物溯源***及其溯源方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人污染物溯源***及其溯源方法。它包括无人污染物溯源船、手持遥控器和远程监控基站，无人污染物溯源船通过GPRS与远程监控基站通信，无人污染物溯源船通过射频通信的方式与手持遥控器无线通信。本发明采用采用嵌入式微机***和污染物浓度检测装置，位置位姿传感器，GPS模块等实现了搜索污染流域的固定排污口的功能，为提高了工厂偷排时间发生后污染源定位的速度，节省了人力和资金投入；嵌入式***为核心的***配合立体采样装置也可以实现定点定深度的采样，这样也方便了污染水体的采样工作，使得后水质分析部门的水样有了来源，也使得政府部门对排污企业的处罚有了依据。

Description

一种无人污染物溯源***及其溯源方法

技术领域

本发明涉及污染物溯源领域，尤其涉及一种无人污染物溯源***及其溯源方法。

背景技术

水是生态***的血液，充足、优质的水资源是生态***健康发展的物质基础。我国是一个资源型缺水的国家，据统计：2013年上半年，我国十大流域Ⅰ～Ⅲ类水质断面占69.3％，Ⅳ～Ⅴ类占19.9％，劣Ⅴ类占10.8％。全国超过30％的重要流域受到不同程度的污染。造成这种局面的最为突出的一方面是工业排污没有规范化、合理化，企业偷排现象较为严重。提高企业偷排问题的整治成效，一方面需要加强地方环境监管、行政执法、刑事司法的联动性和打击力度；另一方面需要提升环境监测能力：能够在污染严重之前尽早发现问题，在发现问题之后及时找出根源、获取证据、落实责任。然而，企业污染的偷排口往往非常隐蔽，在发现污染问题之后，有关部门通常需要花大量时间确定污染来源而耽误最佳治理时机；有时甚至因为无法确认源头位置而放弃追究责任单位。

在申请号为201410216892.9的中国发明专利中，所述的移动式水污染数据采集***能能够监测流域水质变化趋势，仅需要少量该装置在流域上检测水污染指标，但是该***只有采集河道水质数据和在GIS平台上可视化流域的水质情况的功能，并不具备污染物溯源的功能，无法自动的追踪和定位污染源。在申请号为号201410390303.9的中国发明专利中，所述的基于无人机的工业水体污染源检测方法，其可通过无人机对企业排水进行图像监测与取样抽查，完成对企业对水体影响的分析，但是污染物没有引起水体颜色变化时，该发明内容无法实现污染物追踪定位的要求。

针对污染负荷较高、可提升整治空间较大的企业偷排，设计开发移动一种无人污染物溯源***，能够搜索污染流域的固定排污口，为有关部门对受污染流域及周边环境进行整治提供强有力的帮助；同时还能灵活应对突发污染事故，快速跟踪污染源的扩散情况，协助事故的紧急治理。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种无人污染物溯源***及其溯源方法。

一种无人污染物溯源***包括无人污染物溯源船、手持遥控器和远程监控基站，无人污染物溯源船通过GPRS与远程监控基站通信，无人污染物溯源船通过射频通信的方式与手持遥控器无线通信；无人污染物溯源船包括船身、主控单元、水体采样装置和水质在线检测装置，所述船身由船体外壳，动力装置和电源模块组成，采用双体船式，所述主控单元由主控芯片、GPRS模块、RF无线模块、GPS模块、电子罗盘、舵机驱动直流电机驱动、步进电机驱动及JTAG接口组成，其中，所述GPRS模块、RF无线模块、GPS模块与主控芯片以RS232接口相连，所述电子罗盘与主控芯片使用I²C接口连接；所述水体采样装置由升降装置、抽样装置和分流装置组成，升降装置由采样软管、步进电机、卷盘、传动装置组成，抽样装置由蠕动泵、二向接头组成，分流装置由舵机、分流盘和水箱组成。所述水质在线检测装置主要由浸没式探头和信号采集电路组成，在线检测装置通过RS485接口与主控单元连接，将检测信息传送给主控单元；所述手持遥控器由主控芯片、RF无线模块、可编程摇杆、可编程按键、液晶显示屏、RS232接口电路、JTAG接口和电源模块组成，所述RF无线模块通过RS232接口电路与主控芯片连接，可编程摇杆、可编程按键、液晶显示屏均与主控芯片连接。所述远程监控基站可以由具有固定外网IP的普通PC机和监控中心软件构成。

一种无人污染物溯源方法的步骤如下：

1)启动：无人污染物溯源船启动后，当用户知道大致的污染带位置，通过手动控制或自主航行的方式使其快速达到污染带，缩小搜索范围，加快污染源定位进度，如果用户不知道污染源所在的位置，则无人溯源船会逆流或斜逆流前进数米，当作污染物溯源的起点；

2)污染带搜寻：无人污染物溯源船启动后经过初始步长仍未发现污染物的情况下，此时无人污染物溯源船会逆流而上对整个河道断面进行搜索，直到无人污染物溯源船搭载的在线检测装置检测出污染物，然后进入“污染源跟踪”模式；

3)污染源跟踪：无人污染物溯源船利用保存在主控芯片中的历史污染物浓度数据、历史方向数据、历史步长数据和当前的污染物浓度数据制定当期的方向策略和步长策略，追踪过程若没有偏离污染带，在线检测装置检测的当前污染物浓度、方向和步长数据存入主控芯片，变为历史数据，并进入下一个污染物跟踪循环，若偏离了污染带，则进入“污染带偏离”模式；

4)污染带偏离：防止追踪路径发散，进入该模式后，无人污染物溯源船首先要进行污染源确认，若不符合条件，则重新搜寻到污染带，再次进入“污染源跟踪”模式；

5)污染源确认：使污染物浓度值、浓度变化率值和偏离污染带前最后检出污染物的点之间的距离阈值作为污染源确认的依据，判断该位置是否是污染源，若不是再次进入“污染带搜寻”，若是污染源，则将GPS定位的该位置的坐标发送至远程监控中心，污染物溯源过程结束。

所述的步骤1)为：启动有两种控制模式，即：手动遥控和自主航行两种运动控制模式，两种控制方式能通过手持遥控器上的手自动切换按键切换，并且在手动模式时，无人污染物溯源船会定时进行的通信校验，若发现长时间未接收到控制信号，无人污染物溯源船切换到自主航行模式，会根据之前记录在主控模块Flash中的行驶的轨迹的途径点坐标，返回到能接收到手持遥控器信号的水域。自主航行运动控制模式中使用的GPS定位方法，为提高GPS定位的精准度，在定位算法上也有创新：使用差分GPS定位方法，差分后的GPS定位数据，减少了因太阳活动、天气变化、周边环境影响等带来的公共误差。

本发明采用采用嵌入式微机***和污染物浓度检测装置，位置位姿传感器，GPS模块等实现了搜索污染流域的固定排污口的功能，为提高了工厂偷排时间发生后污染源定位的速度，节省了人力和资金投入；嵌入式***为核心的***配合立体采样装置也可以实现定点定深度的采样，这样也方便了污染水体的采样工作，使得后水质分析部门的水样有了来源，也使得政府部门对排污企业的处罚有了依据。

附图说明

图1是无人污染物溯源***结构框图；

图2是本发明的主控单元的电路原理图；

图3是本发明的立体采样装置示意图；

图4是本发明的手持遥控器示意图；

图5是本发明的远程监控基站的监控中心软件示意图；

图6是本发明的污染源溯源方法工作流程图；

图7是污染源溯源方法中启动步骤流程图；

图8是污染源溯源方法中污染源跟踪流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种无人污染物溯源***包括无人污染物溯源船7、手持遥控器5和远程监控基站6，无人污染物溯源船7通过GPRS与远程监控基站6通信，无人污染物溯源船7通过射频通信的方式与手持遥控器5无线通信；无人污染物溯源船包括船身4、主控单元1、水体采样装置2和水质在线检测装置3，所述船身4由船体外壳，动力装置和电源模块组成，采用双体船式，所述主控单元1由主控芯片、GPRS模块、RF无线模块、GPS模块、电子罗盘、舵机驱动直流电机驱动、步进电机驱动及JTAG接口组成，其中，所述GPRS模块、RF无线模块、GPS模块与主控芯片以RS232接口相连，所述电子罗盘与主控芯片使用I²C接口连接；所述水体采样装置2由升降装置、抽样装置和分流装置组成，升降装置由采样软管、步进电机、卷盘、传动装置组成，抽样装置由蠕动泵、二向接头组成，分流装置由舵机、分流盘和水箱组成；所述水质在线检测装置3主要由浸没式探头和信号采集电路组成，在线检测装置3通过RS485接口与主控单元1连接，将检测信息传送给主控单元1；所述手持遥控器由主控芯片、RF无线模块、可编程摇杆、可编程按键、液晶显示屏、RS232接口电路、JTAG接口和电源模块组成，所述RF无线模块通过RS232接口电路与主控芯片连接，可编程摇杆、可编程按键、液晶显示屏均与主控芯片连接。所述远程监控基站可以由具有固定外网IP的普通PC机和监控中心软件构成。

所述主控芯片由意法半导体公司(ST)的STM32F103RBT6P型号的单片机来实现，它有着体积小、计算速度快、模块化性能好、高可靠性等优点。传感器数据读取处理分析程序、无线通讯、各种驱动程序和无人污染物溯源船自主航行的控制程序和污染物溯源方法程序都存储在主控芯片的Flash里，它负责对基本参数进行设定，控制程序流程以及与各模块及单元之间进行常规通讯等功能。所述GPRS模块、RF无线模块、GPS模块与主控芯片以RS232接口相连，所述电子罗盘与主控芯片使用I²C接口连接，水质传感器与主控单元通过RS485通讯接口相连接，电机驱动模块通过PWM波信号转换电路与主控单元相连接。电子罗盘通过I²C接口与主控芯片相连接。

图3所示的是无人污染物溯源船水样采集装置，水体采样的关键在于能够对不同深度的水样进行采集并存储到对应的水箱中，无人污染物溯源船共搭载三个水箱，每个容量4L，即一次出行，可以最多采取三个水样本。该装置由升降装置、抽样装置和分流装置三部分构成，升降装置包括采样软管、步进电机、卷盘和传动装置，抽样装置由茹东本和二向接头组成，儿分流装置由舵机、分流盘和水箱组成。其工作原理是是卷盘带动采样软管入水端升降，同时保证卷盘出口端固定不动，连接蠕动泵，并且将不同水样通过分流盘，存储到对应的水箱。具体实现是采样软管的入水端套上过滤网与250g重物浸入待测水域中，并缠绕于卷盘。整个卷盘在步进电机和传动装置的作用下转动，实现采样软管水端的升降。蠕动泵出水后连接二向接头，其在舵机作用下转动，将水样引入分流盘的不同引流槽内，注入对应的水箱。

如图4所示，手持遥控器由主控芯片、RF无线模块、可编程摇杆、可编程按键、液晶显示屏、RS232接口电路、JTAG接口和电源模块组成；所述RF无线模块通过RS232接口电路与主控芯片连接，可编程摇杆、可编程按键、液晶显示屏均与主控芯片连接，电源模块为各模块供电。

远程监控基站可以由具有固定外网IP的普通PC机和监控中心软件构成，监控中心软件见图5，它主要由菜单栏、地图、参数配置、工作状态、实时监测数据5个部分构成，地图使用的是百度地图的API实现。

如图5所示，一种无人污染物溯源方法的步骤如下：

1)启动：无人污染物溯源船启动后，当用户知道大致的污染带位置，通过手动控制或自主航行的方式使其快速达到污染带，缩小搜索范围，加快污染源定位进度，如果用户不知道污染源所在的位置，则无人溯源船会逆流或斜逆流前进数米，当作污染物溯源的起点；

2)污染带搜寻：无人污染物溯源船启动后经过初始步长仍未发现污染物的情况下，此时无人污染物溯源船会逆流而上对整个河道断面进行搜索，直到无人污染物溯源船搭载的在线检测装置检测出污染物，然后进入“污染源跟踪”模式；

3)污染源跟踪：无人污染物溯源船利用保存在主控芯片中的历史污染物浓度数据、历史方向数据、历史步长数据和当前的污染物浓度数据制定当期的方向策略和步长策略，追踪过程若没有偏离污染带，在线检测装置检测的当前污染物浓度、方向和步长数据存入主控芯片，变为历史数据，并进入下一个污染物跟踪循环，若偏离了污染带，则进入“污染带偏离”模式；

4)污染带偏离：防止追踪路径发散，进入该模式后，无人污染物溯源船首先要进行污染源确认，若不符合条件，则重新搜寻到污染带，再次进入“污染源跟踪”模式；

5)污染源确认：使污染物浓度值、浓度变化率值和偏离污染带前最后检出污染物的点之间的距离阈值作为污染源确认的依据，判断该位置是否是污染源，若不是再次进入“污染带搜寻”，若是污染源，则将GPS定位的该位置的坐标发送至远程监控中心，污染物溯源过程结束。

所述的步骤1)为：启动有两种控制模式，即：手动遥控和自主航行两种运动控制模式，两种控制方式能通过手持遥控器5上的手自动切换按键切换，并且在手动模式时，无人污染物溯源船7会定时进行的通信校验，若发现长时间未接收到控制信号，无人污染物溯源船切换到自主航行模式，会根据之前记录在主控模块Flash中的行驶的轨迹的途径点坐标，返回到能接收到手持遥控器5信号的水域。自主航行运动控制模式中使用的GPS定位方法，为提高GPS定位的精准度，在定位算法上也有创新：使用差分GPS定位方法，差分后的GPS定位数据，减少了因太阳活动、天气变化、周边环境影响等带来的公共误差。

实施例：

上述无人污染物溯源方法步骤1)启动，有两种控制方案：(1)用户已知污染源的大概位置，则可以通过监控中心向无人溯源船发送目的地经纬度坐标，由无人溯源船进行自主导航至目的地，然后开始污染源追踪定位的步骤。(2)用户也通过手持终端对无人溯源船进行人工遥控，遥控至目的地。这样可以节省下污染带搜索的时间，加速污染物追踪定位的过程。具体的工作流程如图7所示，具体的每一步的含义如下所述：

①无人污染物溯源船上电初始化，通过远程监控基站对无人污染物溯源船的各个参数进行配置，若没有配置，则使用主控芯片中预设的默认参数。

②等待控制指令，通过接收手持终端发送的控制指令判断是手动还是自主航行模式(默认是手动模式)。如果是自主航行模式，就执行步骤③，如果是手动模式，执行步骤④。

③主控芯片通过I²C总线读取电子罗盘的三轴磁场强度，以此来计算当前无人污染物溯源船的朝向，然后读取监控中心参数配置时发送的目标点经纬度和GPS模块测得的当前位置经纬度，把这些参数作为自主航行的输入参数，来控制无人污染物溯源船的动力***输出，得到程序下一个循环前的航行轨迹。在行驶的过程中时刻从电子罗盘读取无人溯源船当前运动方向和获取当前GPS坐标，不断修正无人溯源船的运动方向，直到无人溯源船到达目的地。到达目的地后，停止动力电机，开始污染物追踪步骤。

④如果是手动控制，用户可以操作手持遥控器的摇杆，非常直观的操作无人污染物溯源船的航行方向和速度，无人污染物溯源船的RF无线模块通过接收解析手持遥控器发送的指令，由主控芯片输出对应的控制信号给动力***，从而完成无人溯源船的前进、后退、左转、右转、加速和减速。无人污染物溯源船会定时进行的通信校验，若发现长时间未接收到控制信号，则表示无人污染物溯源船行驶出了手持遥控器的遥控范围，手持遥控器的信号灯会变红色，无人污染物溯源船切换到自主返航模式，会根据之前记录在主控模块Flash中的行驶的轨迹的途径点坐标，返回到能接收到手持遥控器信号的水域，此时手持遥控器的信号灯会变成绿色闪烁信号，表示船又可以手动控制了。

⑤在运行过程中，通过GPRS无线通信模块实时上传当前位置信息给监控中心，并在监控中心软件调用百度地图接口，在软件界面上显示无人污染物溯源船的实时位置，以便用户知道无人溯源船所处的位置。

运行过程中，为了提高GPS定位的精准度，在定位算法上有创新，使用了差分GPS定位方法，差分后的GPS定位数据，可以，减少因太阳活动、天气变化、周边环境影响等带来的公共误差。其具体实现方式如下：

无人污染物溯源船启动后，在岸边设置基准站，配一个与船载GPS模块型号相同的设备连续接收GPS定位信号，获得实测坐标，同时通过百度地图API查询基准站的精确坐标，以此计算坐标修正值：

式中(X₀,Y₀)为基准站的精确坐标，(X^*,Y^*)为基准站的实测坐标，(ΔX,ΔY)为坐标修正值。基准站通过无线传输将修正值发送给无人污染物溯源船，船载主控板接收后将对船体GPS定位坐标进行修正：

式中，为无人污染物溯源船GPS模块的实测坐标，(X_U,Y_U)为经过修正后的船体坐标。若修正值是时变的，则t₀代表修正值产生的时刻，若修正值不变，则式中(X_U,Y_U)的第三项为0。

为使检测到污染物之后尽可能快的沿着污染带追踪到源头位置附近，在“污染源跟踪”这个模块的算法，在传统浓度梯度法的基础上进行完善，充分利用历史检测信息和当前检测信息分别制定方向策略和步长策略。其算法流程如图8所示。具体步骤如下：

①确认无人污染物溯源船前进一步之后所在节点能否检测出污染物，以确定是否需要切换模式，若所在节点不能检测出污染物则进入“污染带偏离”模式，同时记录偏离方向、历史最大浓度值、最后检测出污染物的3个点之间的距离；若能够检测出污染物则进行绕圈判断。

②通过记录前几次的转向可知无人污染物溯源船是否在绕圈，若发现绕圈，此时按比例缩小前进步长以打破绕圈行为；此时step_n＝step_n-1*p，step_n表示当前的步长，step_n-1表示上一次循环的步长，其中p(p＜1)为衰减系数，测试表明，取值0.9时效果较为理想。若没有绕圈执行步骤③，若绕圈执行步骤⑤。

③计算浓度的变化率，在污染源附近，受水流影响，河流下游浓度很高，相比之下，上游浓度会急速降低，形成了较大的浓度变化，浓度变化率会在此形成一个峰值，判断公式如下：其中c_n表示当前点的检测浓度，c_n-1，c_n-2表示前一个和前两个状态的污染物检测浓度，如果变化率没有超限，则执行步骤④，若超限则有可能到达污染源，进行污染源确认步骤⑥。

④按浓度变化率调整前进步长。具体的策略如下：如果则否则step_n＝step_n-1。

⑤判断步长是否比最小步长小，若根据上述的步长调整策略，如果无人污染物溯源船在污染源附近，步长会急剧减小，所以如果步长小于最下步长，进行污染物确认(步骤⑥)，如果大于最小步长，则按照方向策略规划前进路线，策略如下：如果，同时n-1处逆时针转或者c_n-2＜c_n-1同时n-1处顺时针转，则n点处逆时针旋转45°，前进一步，否则n点处顺时针旋转45°。

⑥“污染源确认”模式发生在“污染源跟踪”模式向“污染带偏离”模式转换的过程中，具体由以下三个因素决定：浓度变化率、浓度值、偏离污染带前最后检出污染物的点之间的距离(步长)。

⑦进行下一个循环，执行步骤①。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种无人污染物溯源方法，其使用无人污染物溯源***，该***包括无人污染物溯源船（7）、手持遥控器（5）和远程监控基站（6），无人污染物溯源船（7）通过GPRS与远程监控基站（6）通信，无人污染物溯源船（7）通过射频通信的方式与手持遥控器（5）无线通信；无人污染物溯源船包括船身（4）、主控单元（1）、水体采样装置（2）和水质在线检测装置（3），所述船身（4）由船体外壳，动力装置和电源模块组成，采用双体船式，所述主控单元（1）由主控芯片、GPRS模块、RF无线模块、GPS模块、电子罗盘、舵机驱动直流电机驱动、步进电机驱动及JTAG接口组成，其中，所述GPRS模块、RF无线模块、GPS模块与主控芯片以RS232接口相连，所述电子罗盘与主控芯片使用I²C接口连接；所述水体采样装置（2）由升降装置、抽样装置和分流装置组成，升降装置由采样软管、步进电机、卷盘、传动装置组成，抽样装置由蠕动泵、二向接头组成，分流装置由舵机、分流盘和水箱组成，所述水质在线检测装置（3）：主要由浸没式探头和信号采集电路组成，在线检测装置（3）通过RS485接口与主控单元（1）连接，将检测信息传送给主控单元（1）；所述手持遥控器由主控芯片、RF无线模块、可编程摇杆、可编程按键、液晶显示屏、RS232接口电路、JTAG接口和电源模块组成，所述RF无线模块通过RS232接口电路与主控芯片连接，可编程摇杆、可编程按键、液晶显示屏均与主控芯片连接，所述远程监控基站可以由具有固定外网IP的普通PC机和监控中心软件构成；其特征在于，它的步骤如下：

1)启动：无人污染物溯源船启动后，当用户知道大致的污染带位置，通过手动控制或自主航行的方式使其快速达到污染带，缩小搜索范围，加快污染源定位进度，如果用户不知道污染源所在的位置，则无人溯源船会逆流或斜逆流前进数米，当作污染物溯源的起点；

2)污染带搜寻：无人污染物溯源船启动后经过初始步长仍未发现污染物的情况下，此时无人污染物溯源船会逆流而上对整个河道断面进行搜索，直到无人污染物溯源船搭载的在线检测装置检测出污染物，然后进入“污染源跟踪”模式；

3)污染源跟踪： 无人污染物溯源船利用保存在主控芯片中的历史污染物浓度数据、历史方向数据、历史步长数据和当前的污染物浓度数据制定当期的方向策略和步长策略，追踪过程若没有偏离污染带，在线检测装置检测的当前污染物浓度、方向和步长数据存入主控芯片，变为历史数据，并进入下一个污染物跟踪循环，若偏离了污染带，则进入“污染带偏离”模式；

4)污染带偏离：防止追踪路径发散，进入该模式后，无人污染物溯源船首先要进行污染源确认，若不符合条件，则重新搜寻到污染带，再次进入“污染源跟踪”模式；

5)污染源确认：使污染物浓度值、浓度变化率值和偏离污染带前最后检出污染物的点之间的距离阈值作为污染源确认的依据，判断该位置是否是污染源，若不是再次进入“污染带搜寻”，若是污染源，则将GPS定位的该位置的坐标发送至远程监控中心，污染物溯源过程结束。