水质监测无人船方案(3)

一、项目背景

1. “绿水青山就是金山银山”的国家环保战略

       改革开放至今，中国经济高速发展，创造了世界经济的奇迹，使得综合国力飞速提高，然而，我们在环保层面的发展远远落后于我们的经济发展，甚至很多经济的发展带来了环境污染，进入新世纪，中国经济从粗放型转向集约型，再到科技引领驱动型发展战略，党和国家越来越关注中国环境的历史问题，提出了“不要带血的GDP，不要污染的GDP”，树立新的绿色环保经济发展战略。特别是党的十九大报告中指出，坚持人与自然和谐共生。必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策。在此方针的引领下，我们实行了河长制和湖长制，特别在城市河道水域管理方面，越来越多的高标准水质要求应运而生。随着城镇化的发展和工业的飞速增长，城市河道水质问题尤其突出，偷排漏排时有发生，给城市带来巨大的环境灾难的同时也给河长们带来了巨大压力，综合分析我们可以得出难以管理偷排漏排的主要原因是河长管理达不到全天候监测和企业排污的隐蔽性和随机性。具体来说，就是现有的河长制不能全天候的监控河道的水质健康状况和排污口的偷排漏排时间，很难进行证据锁定和实时执法，因此能否寻找一种能够全天候河道巡航的智能河长将成为城市水质监测的重要议题。

2. 人工智能时代无人船成为了智能河长的最佳选项

       伴随着人工智能的不断兴起，技术上的发展进步，在很多行业领域，有越来越多的人工智能产品慢慢的出现在行业服务当中。“无人化”是成为了智能时代的一大发展趋势，无人船在此背景下，应运而生。无人船应用背景广泛，在远洋集装箱船、海洋救援、水质监测和洪涝救援领域拥有着巨大的应用市场。特别是在城市河道水质监测领域，具有重大的工程应用市场。通过无人水质监测无人船的应用，城市将拥有具有媲美智能交通系统的智慧城市组网，全天候的自主河道巡航、基于人工智能的运动避障、云端数据传输与分析以及自动充电等功能给城市水质监测带来了智能保障，给排污企业带来了强有力的震慑，城市各河道的水质大数据管理大大的减轻了河长的压力的同时，也增大了城市的智能保障，使得绿水青山就是金山银山成为了现实，让城市更美好，让城市更宜居，让人民更健康。

二、项目介绍

       无人船是一种可以无需遥控，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人，其主要有导航系统、控制系统、传感器系统以及云端监控系统等组成。

图1. 无人船系统组成

1. 无人船导航系统

图2. 无人船导航系统

       导航系统在无人机、无人车和无人船领域应用广泛，其能够帮助无人运载器实时定位，知道自己的位置信息，帮助无人系统规划路径和定位。现有全球导航系统主要有三类，美国的全球定位导航系统（GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。目前市场上主导的是GPS，但是随着中国北斗定位系统完成全球组网，我国自主研发的BDS正式全球服务运营。在无人船领域，BDS和GPS在当今应用最为广泛，成为了无人船主流的定位系统。在水质监测无人船中，该套系统可以帮助无人船制定规划巡航路线和实时定位。
2. 无人船自动驾驶系统

图3. 无人船自动驾驶示意图

       环境感知、决策规划和反馈控制是智能无人船的核心关键技术。相对于传统的有人驾驶系统，无人船系统是一种不需要人工驾驶的运载器，能够自主规划行驶路径，通过传感器识别各种河道障碍物并自行采取避障策略的一种智能无人系统。无人船系统拥有自己的大脑也就是我们所谓的“云脑”，载装传感器相当于系统的眼睛，这就造就了它拥有人工驾驶无法比拟的优点，诸如能够实时解析运载器所在的位置、运动学和动力学等信息，以及不知疲惫等特点。类似于人类的自然感知，无人船系统的环境感知技术使得无人装备更好地理解自身和外界环境信息，是无人系统能够自主安全运行的必要条件。根据全局路径规划，结合深度强化学习方法，解决无人系统在多障碍物下的局部轨迹跟踪问题。通过最短航线、最省油耗、最低风险等性能指标，建立起无人系统的最佳轨迹跟踪路径方案。

3. 无人船自主避障系统

图4. 无人船自主避障示意图

       避障是无人船的基本功能，本质上是在作路径规划。对于静态障碍物，无人船可做全局航迹规划，通常是离线的。因为不必考虑实时性，可以采用很多优化方法。针对动态障碍物或者未知静态障碍物，则要实时做动态局部航迹规划，对实时性要求很高。现有避障，主要根据航海雷达、激光雷达、超声波以及视觉算法来感知障碍物位置和姿态信息，通过算法解析障碍物和船舶位置，以及预测障碍物运行轨迹，从而通过规控算法进行局部规划，达到避障功能。

4. 机艇系统控制系统

图5. 机艇协同控制系统

       基于水质监测排污点搜查、无人海上救援、水面自主巡逻、远洋勘探和航母战斗群等未来新兴行业和国防需求，开发智能化的无人机—无人船协同系统。以城市河道复杂水域环境中自主巡逻监控任务的需求为例，开展水空协同海面巡逻无人系统关键技术研究，实现长航时、大范围和异构水空无人系统的控制与协同。项目将研究复杂天气环境条件下河道弱小目标的识别定位方法，实现无人机对大范围河道水域排污口目标的追踪观察；研究河流强气流扰动下的无人机稳定性控制方法及飞行路径优化方法，实现无人机的稳定精确飞行；研究无人船的多源信息融合及路径规划方法，实现复杂环境下无人船的可靠避障、航迹优化及目标自主追踪；研究不稳定环境下无人机/无人船的协同精准自主起降技术，实现无人机在无人船上的准确降落；当水质出现异常时，在河道沿岸开展无人机/无人船的协同巡逻示范应用。

5. 无人船自动泊船系统

图6. 无人船自主泊船系统

       泊位信息对于无人船来说，就相当于机场的停机坪、车库的停车位，这类信息是自动泊船的基础，通过河道港口泊位信息一体化技术，建立无人船泊位的实时信息，将其作为自动泊船系统的参考信息和规划数据库。
6. 无人船自动充电系统
       智能水质监测无人船系统将根据绿水环保方针，采用电力推进方式，无人船通过自主泊船，进入停船方舱，采用AI视觉引导对接技术，实现船舶充电装置的自主对接和自动充电功能。

图7. 无人船自主充电系统

7. 无人机自主充电系统

图8. 无人机自动充电系统

船载无人机降通过视觉和红外引导技术，在降落到无人船船载停机坪上，自动换电系统会自动开始工作，通过推拉杆将无人机推送至机库中，自动机械臂取下耗尽的电池，放到充电坞中，并将另一块备用电池会将会装回无人机。完成无人机电池更换和充电功能，更换后的无人机将继续开展排污口巡查工作。
8. 数据存储和传输系统

图9. 水质监测无人船数据传输与存储系统

       由于视觉数据和其他个传感器数据总量较大，无人船数据传输将通过5G传输，采用多波束、窄波束工作，拓展更高频段，提高信息传输距离以及信息传输容量，主要用于传输运载器的作业进展、侦测得到的有效信息、基站下达的指令信息等，为水质监测无人船系统提供安全可靠的高速数据传输通信能力。
9. 云端监控系统

图10. 城市智能水质监测系统无人船姿态数据系统

       相对于智能交通系统，智能城市水质监测系统也配备水质监测无人船姿态数据系统，该套系统能够实时给出无人船的运行参数，管理者可以通过该套系统实施监控无人船的健康状况并提前进行出仓工作的健康检查，当无人船系统出现问题时，管理者可以清晰的得出无人船故障源并根据使用说明或者联系厂家进行船舶维修和维护。

图11. 城市智能水质监测系统河道实时数据系统

       智能无人船水质监测系统可以通过远程视觉等传感器信息传输，将无人船工作区域视频信息实时的传输到控制台，以达到远程监控河道信息的功能，大大的提高了水质监测的可视化和对河道沿岸监测的实时化功能。

三、海之韵技术有限公司产品简介
1. 公司水质监测无人船功能
相比于传统的水资源管理和监督，无人水质监测船有以下特点：
全自动水质采样: 多点，定点、定量全自动水质采样；
集成最新人工智能视觉识别技术，实现智能感知，能够识别与定位水上物体；
专业功能集成，集水质检测、任务规划和避障等功能于一体，提高水质检测作业效率；
优良的用户交互：跨平台用户交互系统，能够在电脑、平板、手机等移动终端获取无人艇信息以及环境感知信息，全天候实时掌握水域信息；
智能云端数据平台：水质数据实时上传至云端服务器，实现量化分析与一键报告生成，同时搭载船载摄像头，可在办公室实时监控水质监测情况。
搭载云端大数据监控平台，能够在多区域布局无人艇水质检测点，集中调度，实时监控；
构建基于web的无人艇云端服务器，能够在电脑、平板、手机等移动终端通过浏览器即可获取无人艇信息以及环境感知信息，全天候实时掌握水域信息。
2.技术含量及优势

表1.技术含量及优势

3.公司产品清单（一套系统）

表2. 公司产品清单（一套系统）

4.产品参数