船载水质高密度在线监测系统设计与应用

科 技 天 地60INTELLIGENCE无人自动测量船水质采样及在线监测系统探究分析山西省临汾市环境监测站 贺艳峰摘 要：目前，在国内的水质采样和在线监测中，无人自动测量船因具有智能化、自动化等优点，而得到了广泛的应用。

本文对国内常用无人自动测量船的主要功能与特点，水质采样中的注意事项，在线监测系统中的作用等进行探究和分析，旨在进一步提升我国水质监测和质量的水平。

关键词：无人自动测量船 水质采样 在线监测系统引言近年来，随着我国社会经济的不断发展，以及城市规模的扩大，越来越多的有毒、有害物质被排放到河流、湖泊、海洋中，严重危及到人们的饮水安全和身体健康。

据我国水质监督部门统计：目前，国内在不同水域中发现的有毒、有害化学物质已经超过50万种，与人们生存质量息息相关的自然水质遭受了严重的破坏。

在我国传统的水质监测工作中，所采用的水质采样方法多为人工现场取样，并且通过实验室的仪器、设备分析等方法对区域水质状况进行检测，这样不但增加了人力、物力的投入，而且增加了相关实验室和工作人员的工作量，不利于现代水质监测工作的科学发展。

同时，采取人工采样和实验室分析等手段，还存在采样误差大、监测频次低、监测数据分散等弊端，难以准确反映区域水质的实际污染和变化状况，对于水质管理部门开展相关防治工作也是极其不利的。

为了有效解决传统水质采样和监测的问题，国内现在主要使用无人自动测量船进行水质采样和在线监测，其适用于较大面积的河流、湖泊或海洋局部区域的样品采集和在线监测。

无人自动测量船的广泛应用，有利于促进水利保护工作的有序开展，而且是我国现代环境监控体系构建的重要基础。

一、无人自动测量船的主要功能与特点目前，在我国的水质采样工作，以及在线监测系统的构建中，无人自动测量船得到了广泛的应用。

与传统的水质采样和监测手段相比，无人自动测量船的主要功能与特点主要表现在以下几个方面：1、无人自动测量船使用无线电技术遥控和测量船的实际航行情况，并且利用较为先进的GPS 及时进行定位和布点。

基于无人船的水质监测及控制系统设计王柏林;唐梦奇;李佳;刘云平【摘要】针对执行水质监测任务过程中固定浮标监测站单点监测存在局限性、船载观测人员取样耗时耗力等问题,本文设计了一种搭载多点、分层自动采水取样装置的智能无人船水质监测系统,可实现目标水域的多点、分层连续水质数据测量及取样.该智能无人船具备基于快速随机树(Rapid Random Tree)算法的自主避障和快速路径规划功能,解决了现有无人船技术存在的多障碍自主路径规划难等问题.同时,本设计结合了ARM9控制芯片、M5310无线传输模块,通过可视化的显示界面和远程WEB访问的功能,大大提升了科研人员及时处理特殊情况便捷性.通过实验测试及比对分析,证明本设计具有智能高效、稳定可靠等优点,能够满足职能部门对于水质监测工作的需要.【期刊名称】《海洋技术》【年(卷),期】2019(038)004【总页数】7页(P32-38)【关键词】水质数据;定点、分层采水;无人船;无线传输【作者】王柏林;唐梦奇;李佳;刘云平【作者单位】中国华云气象科技集团公司,北京100081;南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044;中国华云气象科技集团公司,北京100081;南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】TP39目前国家特别注重水质管理和监测工作，强调要加强水域环境保护的策略。

随着水域污染问题日趋严重，我国政府采取了一系列预防和管理措施，保护水域生物资源和生态系统。

我国水质环境监测技术也在不断提高和进步。

最近几年，国家的水质环境监测机构已经对相关水域采取了全方位监控，以确保能够有效地监测水域环境状况。

以往，我国针对水质监测，主要采用人工采样分析和浮标定点监测两种方式。

对于人工采样，排污口等往往是水质监测的重点区域，还有水域情况复杂的区域，大船往往不能驶入，通常的做法是监测人员租用小木筏或者小渔船到定点区域采样，这对人员工作造成一定的危险[1]。

无人船水质监测系统的设计与实现发布时间：2023-04-10T05:59:32.171Z 来源：《科技潮》2023年3期作者：刘晓樑郭伟明刘恬潘燕航李儒健王榜扬蒙尤曦[导读] 随着城市化、工业化的生产发展，港口、河流、湖泊的水质环境日益遭到破坏，从而会导致大量的水面污染、鱼类死亡、环境日益恶化，给人民生活带来了极大的影响和破，水质保护面临巨大压力。

因此针对目前的水体污染现象，对河流、湖泊、灌溉水质、城市河道进行水体数据的采集和实时监测便显得尤为重要。

韶关学院广东韶关 51200摘要：我国拥有众多河流湖泊，在工业化发展迅速的背景下，水污染成为了不可忽视的问题。

为了有效地保护水资源，定期对河流湖泊等水域进行水体参数监测和水质样本采样研究尤为重要。

针对传统水质监测存在的问题，本文设计研究了一种无人船水质监测系统，实现了监控视频作业、地图定位轨迹、水质数据走势，并在地图上标定异常水质区域，具有很好的前景。

关键字：无人船；水质采样；数据可视化1 引言随着城市化、工业化的生产发展，港口、河流、湖泊的水质环境日益遭到破坏，从而会导致大量的水面污染、鱼类死亡、环境日益恶化，给人民生活带来了极大的影响和破，水质保护面临巨大压力。

因此针对目前的水体污染现象，对河流、湖泊、灌溉水质、城市河道进行水体数据的采集和实时监测便显得尤为重要。

河道水质监测的方式主要为人工取样后实验室测试分析和水质自动监测站监测。

受到城市的地理形貌、自然条件、发展状况等的影响，难以实现人工取样，人工取样难以保证监测数据的准确性和时效性。

水质自动监测站则存在位置固定、数量有限、监测覆盖率不足、污染源难以精准查找等缺陷。

随着人工智能技术的发展，智能设备的移动监测逐渐成为水质监测技术的新兴热点.。

相比传统的监测方式，移动监测效率高、操作简单、准确性高. 现有的移动监测技术类型多样，包括大型的水面监测船、陆地检测车和小型的无人智能船，其中水面监测船成本较高，对城市的河流地形也有较高的要求，因此难以对城市河流进行长期连续监测。

船舶在线监测系统掌握船舶在线监测系统的功能与应用船舶在线监测系统（Ship Online Monitoring System）是一种用于实时监测船舶状态并进行远程控制的系统。

它结合了传感器、通讯技术和数据处理技术，能够及时获取船舶各种参数信息，实现对船舶的全面监测与管理。

本文将介绍船舶在线监测系统的功能与应用。

一、船舶在线监测系统的功能1. 实时监测船舶参数船舶在线监测系统可以通过传感器实时监测船舶的姿态、航向、船速、推进器状态、燃油消耗等各项参数。

通过这些数据的采集和分析，船舶管理人员可以了解到船舶的运行状态，并及时做出相应的调整和决策。

2. 船舶安全警报船舶在线监测系统可以根据设定的安全参数，实时监测船舶的状况，并在发生异常时发出警报。

例如，当船舶偏离航线、船舶倾斜角度过大、船舶燃油消耗超过设定值等情况发生时，系统会通过声音、声光等方式进行报警，提醒船员和管理人员采取相应的措施。

3. 船舶位置追踪船舶在线监测系统配备了定位功能，可以通过全球卫星导航系统（如GPS）定位船舶的具体位置。

船舶管理人员可以实时了解到船舶的位置信息，对航线进行监控和调整，确保船舶安全运行。

4. 船舶维护管理船舶在线监测系统可以对船舶的设备状态进行监测，并提供设备维护保养的建议。

通过监测船舶各个设备的运行状况，及时检修和更换故障设备，可以减少船舶故障的发生，提高船舶的可靠性和使用寿命。

二、船舶在线监测系统的应用1. 船舶安全管理船舶在线监测系统广泛应用于船舶的安全管理中。

通过实时监测船舶的各项参数和位置信息，船舶管理人员可以及时发现潜在的安全隐患，并采取相应的措施进行预防和应对。

同时，在船舶发生事故时，船舶在线监测系统可以提供详细的数据支持，协助相关部门进行事故的调查和分析。

2. 节能减排船舶在线监测系统可以监测船舶燃油消耗和排放的情况，帮助船舶管理人员掌握船舶的能源使用情况，并提供相应的节能减排建议。

通过优化船舶的航速和航线，合理调整船舶的负载和航行参数，可以降低能源消耗和环境污染，实现可持续发展的目标。

水质在线监测系统在水环境保护中的应用研究
马云涛;王文娟;孙亚男
【期刊名称】《区域治理》
【年(卷),期】2024()11
【摘要】水质是人类生存和发展的基本需求之一,而水环境保护则是确保水资源可持续利用的重要任务。

随着工业化和城市化进程的加速发展,水污染问题日益严重,对于水环境的实时监测和及时预警成为解决环境问题的关键。

水质在线监测系统作为一种先进的监测技术,具有快速、准确、连续监测水体的特点,已经广泛应用于水环境保护领域。

这一技术能够帮助我们及时了解水质状况,及时采取相应的控制措施,保护水资源的可持续利用,为保护生态环境提供有力支撑。

本研究旨在探讨水质在线监测系统在水环境保护中的应用,从而推动水质在线监测系统的进一步发展与应用。

【总页数】3页(P0136-0138)
【作者】马云涛;王文娟;孙亚男
【作者单位】滨州市生态环境局邹平分局
【正文语种】中文
【中图分类】X832
【相关文献】
1.水质实时(在线)多参数自动监测系统在水环境监测中的应用
2.基于分布式紫外-可见光谱法水质在线检测监测系统研究——面向地表水环境
3.水质自动监测系统
在水环境保护中的应用研究4.长江流域水环境监测中心船载水质高密度在线监测系统顺利通过验收5.水质自动监测技术在水环境保护中的应用研究
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当今我国社会经济水平不断提高，人们生活质量节节攀升，饮食方面对高端海洋蛋白的需求也是不断增加，相关报道称，未来十年全球将有2000万t 的水产品缺口。

但是，众所周知的是，受到环保压力的影响，我国近海渔业资源逐渐萎缩，养殖环境不断恶化，水体污染严重，养殖空间不断被压缩，发展深远海养殖已是必然趋势[1]。

其中，养殖工船以其可游弋养殖的强灵活性、抵抗台风及其他自然灾害侵袭的高安全性，成为实现深远海养殖规模化生产的重要装备。

最近几年，我国的水产养殖行业联合船舶工业的专家们从提出大型养殖工船的创意想法到2022年5月20日全球首艘10万t 级智慧渔业大型养殖工船“国信1号”在青岛交付运营，标志着我国深远海大型养殖工船产业实现了由0到1的巨大突破。

而循环水养殖模式以其特有的高工业化程度、节水节地、节能减排、环境友好等特点，在水产养殖诸多模式中占有重要的一席之地[2]。

对于陆基循环水养殖系统的技术探索，西方发达国家的水产专家早已开始了相关研究，例如Yossi 等在研究MBBR 生物滤器生物群落和氮物质流的文章中称金头鲷的养殖（giltheadseabream ）密度达到了80kg·m -3[3]。

Ebeling 等构建的海鳟鱼（sea trout ）全封闭循环水养殖系统的养殖密度达到了112kg·m -3[4]。

本世纪以来，我国陆基循环水养殖技术快速发展，尤其是环保水处理技术的更新迭代带动了行业技术模式的发展。

我国相关部委也通过顶层策划对陆基循环水养殖的关键技术进行科研预研[5]。

未来深远海大型养殖工船的生产运营需要结合循环水养殖系统的优势特点，利用深远海优势水质资源，开展高经济附加值鱼类的养殖生产活动，突破我国深远海养殖产业瓶颈。

虽然目前行业内不乏一些关于陆基循环水养殖系统的设计资料，刘鹰等[6]及刘晃等[7]业内专家通过物质平衡关系建立了养殖关键水质指标（氨氮、溶解氧）的方程式，对部分养殖参数给出了建议，但是至今鲜有关于高密度船载舱养式循环水养殖系统设计的报道。

摘要在21世纪，我国踏入经济高速发展时期，各类大大小小企业随之建立，全方面塑造我国进入工业化时代。

但我国大部分企业忽视对排放污水的治理，随意将工业废水排放湖泊河流中，致使大量可饮用水源遭受，水环境污染问题愈发严重，水质监测也显得愈发重要。

本文结合国内外移动在线水质监测系统的研究现状，设计了一种基于无人船的水质监测系统。

该新型水质监测移动系统可以用于处理突发的水质污染事件，实时移动追踪污染源，监测可饮用水源的日常水质。

该基于无人船的水质监测系统具有体积小可被放入车辆携带、低成本、高精度和高速度检测和可远程控制等优点，丰富我国的水质监测方式。

但由于水的流动性导致水会流经多种复杂地形，工作人员无法探测，如水流经洞穴等。

或又由于天气的多变，如水域长期处于多雾天气，使工作人员视线受阻，无法准确对无人船实时操作。

可以利用无人船的自主航行到达目标水位进行检测，则可以通过路径规划技术加以实现。

本文的主要研究内容如下：（1）完成基于无人船的水质监测系统的整体设计。

系统由监测终端、监控中心和手持终端等部分所组成，其能实现高精度、高速度的移动水质检测，并实时记录水质监测系统上传的水质数据。

（2）完成基于神经网络和Q学习相结合的无人船路径规划方法研究，使该方法加快收敛速度从而路径达到最优化，并对无人船在不同场景条件下对路径规划仿真结果进行分析。

（3）对水质监测系统进行各项模块功能测试。

利用路径规划方法进行实地环境测试，分析导致无人船故障的原因，及时修复测试期间出现的各种故障，提高无人船整体性能。

该基于无人船的水质监测系统在浙江农林大学东湖进行了实际环境测试，结果表明，该水质监测系统与路径规划设计均能按照预期实现。

关键词：水质监测；无人船；路径规划；控制系统ABSTRACTIn the 21st century, China entered the period of rapid economic development, and all kinds of enterprises are established, and all aspects of China's entry into the industrialized era. However, most enterprises in China neglect the treatment of discharged sewage, and arbitrarily discharg industrial waste water into lakes and rivers. What result in a large number of drinking water sources, water pollution problems become more serious. So water quality monitoring is becoming more and more important.Based on the research status of mobile online water quality monitoring system at home and abroad, this paper design a water quality monitoring system based on unmanned ship. The new water quality monitoring mobile system can be used to handle sudden water pollution incidents, to track pollution sources in real time, and to monitor the daily water quality of potable water sources. The unmanned ship based on water quality monitoring system has the advantages of small size, which can be carried in the vehicle, low cost, high precision, high speed detection and remote control. The system enrich the existing water quality monitoring methods in China.Due to the fluidity of the water, the water would flow through a variety of complex terrain, and the staff cannot detect it, such as water flow through caves. And because of the changing weather, such as the long-term foggy weather made the staff's line of sight is blocked, and result what impossible to accurately operate the unmanned ship in real time. The staffs can use the unmanned ship's autonomous navigation to reach the target water level for detection, which can be achieved through path planning techniques.The main research contents of this paper are listed as follows:(1) This work complete the overall design of the water quality monitoring system based on the unmanned ship. The system consist of monitoring terminal, monitoring center and handheld terminal, which can realize high-precision and high-speed mobile water quality detection. Furthermore, the system can record the data of water quality in real time.(2) The research on the unmanned ship path planning method based on the combination of neural network and Q learning is completed, which make the method accelerate the convergence speed and optimize the path. The simulation results of the path planning of the unmanned ship under different scene conditions are analyzed.(3) The test of each functional modules has been completed. The path planning method is used to test the real environment, and the causes of the failure of the unmanned ship are analyzed. And repair all kinds of faults during the test in time to improve the overall performance of the unmanned ship.The water quality monitoring system in the unmanned ship is tested in the East Lake of Zhejiang Agriculture & Forestry University. The results show that the water quality monitoring system and path planning design can be achieved as expected.Keywords:water quality monitoring; the unmanned ship; path planning; control system目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 研究背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 基于无人船的水质监测方法研究现状 (2)1.2.2 基于无人船的路径规划方法研究现状 (6)1.3研究内容与论文结构安排 (9)1.4 本章小结 (10)2 基于无人船的水质监测系统硬件平台设计方案 (11)2.1水质监测无人船总体结构 (11)2.2 无人船船体结构设计 (12)2.2.1 船体模型设计 (12)2.2.2 动力模块与转向控制模块 (14)2.3 无人船核心控制模块 (14)2.4 水质参数采集模块 (16)2.4.1 溶解氧传感器及接口电路 (16)2.4.2 电导率传感器及接口电路 (16)2.4.3 PH传感器及接口电路 (17)2.4.4 浊度传感器及接口电路 (18)2.5 无人船GPS定位模块 (19)2.6 数据存储模块 (21)2.6.1 SD卡模块 (21)2.6.2 RS232接口 (22)2.7 超声波模块 (22)2.8 手持终端模块 (23)2.9 电源模块 (24)2.10本章小结 (24)3 基于无人船的路径规划方法 (25)3.1 问题描述 (25)3.2基于传统Q学习的路径规划方法 (25)3.3 改进的Q学习路径规划算法 (27)3.4 本章小结 (29)4 无人船路径规划与水质监测实验 (30)4.1 路径规划仿真实验与分析 (30)4.2 水质监测试验与分析 (33)4.3 本章小结 (39)5 总结和展望 (40)5.1 总结 (40)5.2 展望 (40)参考文献 (42)作者在读期间发表的学术论文 (46)致谢 (47)1 绪论1.1 研究背景和意义水资源在地球表面的占用面积多达72%，是生物体的生命构成和生存活动的物质基础，也是生态系统得以持续发展的重要条件，故地球上生物的生存无法脱离水的存在[1]。

基于DSP的无人船水质检测系统设计随着人们对环境保护意识的提高，水质检测变得越来越重要。

为了实现高效准确的水质检测，无人船水质检测系统应用了数字信号处理（DSP）技术。

本文将详细介绍基于DSP的无人船水质检测系统的设计。

一、系统概述基于DSP的无人船水质检测系统主要由以下几个部分组成：水质传感器、DSP开发板、无人船控制系统和数据处理模块。

水质传感器用于实时检测水中的各项指标，将检测数据传输到DSP开发板上进行处理。

无人船控制系统根据DSP处理的数据实时调整船只航向和速度，以实现水质检测航行路径的规划和控制。

数据处理模块用于接收和存储DSP处理的数据，并通过可视化界面展示和分析检测结果。

二、系统设计1.水质传感器：水质传感器是实现水质检测的关键设备，可以检测水中的各项指标，如PH值、溶解氧、浊度等。

常用的水质传感器有PH传感器、溶解氧传感器和浊度传感器等。

传感器将检测到的数据以模拟信号的形式传输给DSP开发板。

2.DSP开发板：DSP开发板是系统的核心部分，负责接收和处理水质传感器传输过来的数据。

DSP开发板具备高性能的数字信号处理能力，可以对传感器数据进行滤波、放大、AD转换等处理操作。

通过已经预先编程的算法，DSP可以对水中的各项指标进行计算和分析，并判断水质是否合格。

3.无人船控制系统：无人船控制系统根据DSP处理的数据实时调整船只的航向和速度。

根据水质检测要求将目标检测区域划分为一系列航行路径，并通过无人船控制系统控制船只按照预定的路径进行航行。

当无人船控制系统接收到DSP处理的数据后，会根据水质检测结果调整船只的航向和速度，以达到最佳检测效果。

4.数据处理模块：数据处理模块用于接收和存储DSP处理的数据，并通过可视化界面展示和分析检测结果。

该模块可以将检测结果以图表、曲线等形式展示给用户，让用户直观地了解水质情况。

用户可以通过该模块对检测数据进行进一步分析和处理。

三、系统优势1.高效准确：DSP具备高性能的数字信号处理能力，可以对海量数据进行实时处理和分析，提高水质检测的效率和准确性。

海洋水质监测系统的研发与应用随着工业化和人口增长的加速，环境问题成为全球关注的焦点。

其中，海洋污染问题是近年来备受关注的问题之一。

如何科学地监测海洋水质并采取有效措施进行治理，已经成为保护海洋环境和维护人类健康的紧迫任务。

本文将围绕海洋水质监测系统的研发与应用展开探讨。

一、海洋水质监测系统的意义海洋水质监测系统是指通过各种技术手段对海洋水质进行连续、高效、准确、可靠的监测，以便及时发现和掌握海洋污染的情况，为治理和防治海洋污染提供科学依据和技术支撑。

其意义在于：1、及时发现和掌握海洋污染状况。

通过海洋水质监测系统，可以快速、准确地掌握海洋水质的变化情况，及时发现并判断海洋中的污染物类型、来源及其对海洋生态环境的影响程度，为采取及时、有效的治理措施提供科学依据。

2、为科学制定海洋环境保护政策提供支撑。

海洋水质监测系统不仅能够监测海洋中的化学物质、微生物等参数，还能对海洋生态系统及其生物多样性进行综合监测。

通过这些监测数据可以科学分析海洋环境变化趋势，制定科学的海洋环境保护政策。

3、对海洋环境保护和资源管理起到重要支持作用。

海洋水质监测系统可以监测海洋生态系统的健康程度，及时发现水生生物的死亡、外形畸型等异常情况，并对海洋浮游植物、浮游动物等进行面积估算，为海洋资源管理和保护提供科学支持。

二、海洋水质监测技术的发展现状随着科学技术的发展和进步，海洋水质监测技术也在不断更新换代。

大致可以分为以下几种：1、传统采样法。

采用人工采集海水样品的方法，分别将不同深度、不同温度、不同位置的海水样品分析，适用于研究海水溶解氧、盐度、温度、浊度等参数。

2、自动化监测系统。

采用遥控、通讯、自动采样、在线监测等现代化技术手段，能够实现连续、高效、准确地监测海洋中的多种物质、参数。

3、卫星遥感技术。

通过卫星遥感探测，可以获取海洋环境的图像、辐射等数据，可以及时发现海洋中的污染物。

4、生物传感技术。

采用生物技术手段，运用细菌、酵母等生物材料对海水中的有毒、有害物质进行精准检测。