多功能水下自走式监测系统的引进与应用

邓鹏鑫，王银堂，王磊之，刘 勇，崔婷婷，胡庆芳

（南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029）

多功能水下自走式监测系统的引进与应用

邓鹏鑫，王银堂，王磊之，刘 勇，崔婷婷，胡庆芳

（南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029）

介绍德国弗劳恩霍夫系统技术应用中心最新研发的多功能水下自走式监测与分析系统，分析主要结构和功能，通过试点水库的应用，验证设备及核心部件的适宜性，经过二次开发，构建能适应我国特点的在线水下地形、水环境、水工结构等监测与分析系统。设备试运行结果表明：该设备具有体积小、分辨率高、开放性好、操作灵活、适宜性强的特点，可在水下不同位置悬停，以稳定测定不同水深处的水质、水温等参数，可快速生成水质（溶解氧、硝酸盐等）及水温、水下地形三维结构图，较好地反映出水域监测信息的立体分布情况。

水下自走式 ；监测系统；ExAUV；水质；水下地形；水温

0 引言

流域水资源现代化管理是水利现代化的重要组成部分，也是水资源利用全过程严格管理的核心之一，这需要先进的水文水资源监测与分析技术作为基础支撑和保障[1]。水利现代化进程对大型水域全方位主体信息的监测提出新的需求，使得融合现代电子、传感、通信和计算机等技术于一体的水下自走式监测设备日新月异。当前国际上较先进的监测设备有：美国海军研制的 AUV-AUSS 水下自走潜水器[2]、欧盟“Ferry Box”技术开发的自动水质测量系统[3-4]、德国弗劳恩霍夫系统技术应用中心（Fraunhofer ISOB-ASTB）开发的多功能水下自走式监测与分析系统等[5]。我国重大科技项目“CR-01”6 000 m 自走水下机器人在关键技术上取得了成功突破[6]，但目前处于初试阶段，因其体型大，投入成本高，推广使用方面尚不完善[7-8]。国内水文水资源监测领域在便携式监测技术方面以手持设备居多，多为单点采样，在反映数值分布时，采样点的疏密往往不满足测试要求，尚未见能够针对水情、水质实时多方位监测的水下自走监测设备。具备高分辨率、全方位立体监测多功能为一体的水下自走式监测设备是未来发展的趋势。

为构建能适应我国特点的水下地形、水环境、水工结构等的监测与分析系统，引进了德国弗劳恩霍夫系统技术应用中心最新研发的多功能水下自走式监测与分析系统（以下简称监测与分析系统）。监测与分析系统集水质监测多功能于一体，可全方位、立体展示水域的水温和水质等分布情况。通过引进和二次开发，可为流域的防灾减灾及水利工程的安全运行、水质水量联合调度提供支撑。

1 监测与分析系统功能简介

1.1 组成

1.1.1 硬件系统

硬件系统主要由以下 4 部分组成（如图 1 所示）：

1）中央控制系统。中央控制系统实为终端控制计算机，实现用户操作指令及数据的收发和存储。

2）自走式潜水器（ExAUV）。ExAUV 设备尺寸为 850 mm×550 mm×450 mm，搭载 GPS 定位系统、水下摄像装置、动力推进器、压力传感器、超声波测深仪，以及水温、水质传感器等部件。

图 1 设备组成

GPS 定位系统除提供设备前进方位及左右转角外，还提供水面测试点的经纬度信息，不仅对设备起到导航控制的作用，也为数据采集提供地理坐标；水下摄影装置提供水下影像，可直接辨别水利工程水下结构及地形状况；压力传感器通过水压值获取ExAUV 下潜深度；超声波测深仪可提供设备不同下潜深度位置处的水深；水温、水质传感器提供水温、水质参数。设备支持可扩展，除携带当前已有的传感器外，还可根据用户需求增加相应传感器。

3）光纤连接系统。光纤连接系统为长约 1 km的光缆，既是监测数据及操作指令传输的载体，也是连接中央控制系统与 ExAUV 的桥梁。

4）电池组系统。配备可拆卸充电电池，安装在ExAUV 内部，可提供连续 6 h 以上续航。

四大硬件系统通过线缆相互连接构成统一整体，具体连接示意图如图 2 所示。

1.1.2 软件系统

软件系统核心为嵌入式控制系统，基于 C++ 底层开发，框架采用德国弗劳恩霍夫系统技术应用中心自行研制的 ConSys 控制系统。ConSys 系统具有强大的模块化通信控制功能，支持可扩展，允许为特定应用设立独立控制模块，具有开放性强、控制性好、功能模块化等特点。

ConSys 系统共分为以下 3 个层次：1）服务层。依托于操作系统，实现软件底层服务功能。

图 2 硬件连接示意图

2）中间层。包含基础通信工具包、配置处理、多线程、信息记录等模块，以及其他通信配置类基础模块，为上层（应用层）提供通信服务。3）应用层。为设备导航、数据监测及任务管理提供具体应用实例，包含局域网络通信库、信息解译库、任务管理库、导航控制库、数据过滤库和操作控制库等多个应用库[5]。 整个控制系统框架如图 3 所示。

图 3 控制系统框架图

系统软件采用 JavaScript 实现软件接口模块设置，支持二次开发，通过更改相关 JavaScript 代码，不仅可实现用户界面个性化设置，还可按需要更改监测数据接收的信道、数据名称、格式及读取频次，读取频次最小可达毫秒级。

用户界面是软件系统的外在表现，显示通信指示灯、方位指示计、电池组部件、导航定位部件、水质水情信息部件（RS-232 和 RS-485）、数据记录部件、摄像装置等。界面信息体现系统运行状态，如电池组部件显示当前电池元件的工作状态；导航定位部件显示 ExAUV 设备当前 GPS 定位、下潜深度及三维走向，用户可依据方位指示计控制设备前进方向；摄像装置提供水下摄像信息，通过亮度设置帮助提升水下影像质量；水质水深信息部件可实时显示电导率、溶解氧、硝酸盐、铵盐、pH、水温及水深等指标信息。

软硬件系统的底层通信是软件系统的内在表现，特别是 ExAUV 设备与中央控制系统的信道连接。软件系统在潜水器和控制系统之间创建软件桥，从控制系统传输命令到 ExAUV，同时接收ExAUV 的反馈信息。中央控制系统上安装有地理信息系统 QGIS，可对接 ExAUV 设备采集到的水质、水深数据，形成二维或三维数值分布结构图。

1.2 监测性能

ExAUV 设备具有水质、水温和水深监测性能，设备所携带的 7 种传感器包括 5 种水质（电导率、溶解氧、硝酸盐、铵盐、pH）传感器、水温传感器及超声波测深仪，具体参数如表 1 所示。

表 1 传感器参数

5 种水质传感器采用电极法生产，涵盖石墨电极（电导率）、Clark 氧电极（溶解氧）、离子选择电极（硝酸盐、铵盐）、玻璃电极（pH）；水温传感器采用热敏电阻式传感器；超声波测深仪则基于声波反射原理测距。各传感器可承受的最大水压在 10 bar（100 m 水深）以内，适宜温度以 0～50℃ 为宜，且测试分辨率较高。

1.3 操作运行

系统运行要进行设备组装和调试。首先进行硬件连接；然后对 ExAUV 设备和中央控制系统的通信进行调试，保证通信正常；再对 ExAUV 进行水中平衡测试，以保证设备水平缓慢匀速上浮；平衡测试结束后，需对水质传感器进行校准，减少测试误差；校准结束后方可进行水下作业。

ExAUV 设备在前、后、左、右、上、下共配备6 个推进器螺旋桨，能够实现 6 个自由度方向的推进，可悬停于水面下任意位置。用户通过控制手柄按钮启动推进器，可控制 ExAUV 设备前进、后退、旋转、上升和下潜，还可控制在水下不同位置悬停，以稳定测定不同水深处的相关水质、水温等参数。

2 测试应用

2.1 试点概况

分别选择金牛山和日照 2 个水库坝体段作为试点进行测试应用。金牛山水库位于南京市六合区东北低山丘陵区，滁河支流八百河上游，总库容 9 315 万m3，集水面积 124.14 km2，灌溉面积 0.67 万hm2，兼顾养殖。库区整体水质较好，水体溶解氧处于 5.5～11.4 mg/L 之间，氨氮约 0.13～0.25 mg/L，pH 介于7.0～7.9 之间，全湖区水质指标均值达 II 类水标准[9-10]。

日照水库地处傅疃河中上游，总库容 3.180 5 亿m3，控制面积 548 km2，为大（二）型水库，集防洪、灌溉于一体，并逐步发挥养殖、发电、供水等综合效益。库区水体水质较好，全年水体溶解氧约 6.5～12.5 mg/L，pH 约 7.5～8.6，硝酸盐约 1.0～10.0 mg/L，满足 II 类水标准[11-14]。

2.2 测试方案

ExAUV 设备采用 GPS 系统，水面测量点定位准确。但在水下监测时，随着下潜深度的加大，容易造成 GPS 信号丢失。故针对同一测试断面上不同水深点的数据监测采用图 4 的监测方案进行。

图 4 测试方案示意图

图 4 中，每隔数米布设下潜桩号，如 #1～#20，在每个下潜桩号点，沿纵向垂直均匀下潜，在水下不同位置悬停 1～2 min，以稳定测量不同水深处的相关水质、水温等参数，监测点参考水面点利用GPS 测定坐标。

本次测试金牛山水库每隔 10 m，设 8 个测试断面，每下潜 1 m 布设 1 个测量点；日照水库大约每隔 10 m，设 5 个测试断面，每下潜 3 m 布设 1 个测量点，如 #11～#206。最后综合测量点的数据，绘制水面水下不同层面参数结构图。

2.3 结果分析

利用 ExAUV 设备完成金牛山和日照 2 个水库坝体区段水体水温、水质（溶解氧、硝酸盐等）、水深的试点监测。依据不同测区地理环境及水质变化特征，金牛山水库测量水下地形（水深数据转换得到）及溶解氧分布，日照水库关注硝酸盐分布及水温分层变化，具体测试结果如图 5 所示。

图 5 测试结果

图 5 a 给出了金牛山湖区河底三维水下地形。由于测试区靠近坝体，坝体一侧地形较复杂，起伏较大。随着坝体向外延伸，地形高程下降较快，最大下降深度可达 10 m，出现明显的水下陡坡。当远离坝体 20 m 外时，河底高程趋于平整。

图 5 b 给出了金牛山库区溶解氧分层等值图。由图可知，溶解氧范围为 5.30～8.40 mg/L，经过与实测水体指标复核，指标变动范围满足实际水体情况[9]。不同水深分布上，溶解氧随水深增加而减少。同一水深面层分布上，溶解氧由坝体向湖心递减，并在坝体一侧出现高值中心。一方面由于湖中心水体交换频繁，水质含量变化较岸边快；另一方面可能与岸边腐殖质氧化、固体导热等因素有关。

图 5 c 给出日照水库水温分层等值图。由图可知，日照水库水深较大，水温分层现象明显。面层最高水温 25.4℃，底层最高水温 24.4℃，15 m 水深温差 1℃，温度递减率约 0.67℃/10 m。测区中心存在水温低值区，两侧则出现水温高值区，这与中心水体的热量交换缓慢有关。

图 5 d 反映日照水库水面硝酸盐的等值分布。测区内硝酸盐浓度介于 4.05～4.17 mg/L 之间，数值变化较小，与实际水体指标值变化相符[11-12]。变化特征与水温类似，硝酸盐浓度在测区中心出现低值，在测区两端出现高值。由于两端水域受人类活动影响较大，水体交换频繁，可能会导致硝酸盐浓度偏高。

2.4 应用评估

ExAUV 设备在水中自走探测，操作灵活，相关人力、物力投入少，作业效率高，适宜性强，可实时获取监测数据，所测数据指标丰富，涵盖水深、水温、溶解氧、硝酸盐等。不仅监测设备分辨率较高，监测数据准确性好，而且数据空间分布连续性较好，摆脱了手持设备单点测试分布不均的缺点，提高了对水质、水情指标的空间解释能力。

ExAUV 设备在下潜过程中容易造成 GPS 信号丢失，特别在风浪及流速较大的情况下，设备水下悬停时容易发生偏移，影响测试结果。在水下环境复杂的情况下，有线光缆容易缠绕水下杂物，影响设备水下正常自走。后续对该设备进行二次开发时，有必要对 GPS 卫星定位系统进行升级，以提升水下坐标定位性能。

3 结语

德国弗劳恩霍夫系统技术应用中心研发的多功能小型水下自走式监测与分析系统，通过试点应用验证了其在我国水库地区的适宜性。系统虽具有水下 GPS 信号丢失及光缆缠绕杂物等缺点，但其集合先进的控制系统、监测技术、数据分析功能及友好的用户界面，具有体积小，操作灵活，监测性能好，作业效率高等优点。引进自走式监测与分析系统有助于促进完善和提高我国水下监测与分析方面的水平，可提升我国在水下自走监测领域的研发和软硬件集成能力。

今后需针对应用测试的不足，对系统进行二次开发改进，并分别在水库、河流、湖泊等不同水域进行测试比较分析，全面验证系统的适用性，进一步提高水下自走监测能力。

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Introduction and Application of Multi-function Self-propelled

Underwater Monitoring Vehicle System DENG Pengxin, WANG Yintang, WANG Leizhi, LIU Yong, CUI Tingting, Hu Qingfang
(State Key Laboratory of Hydrology, Water Resources and Hydraulic Engineering and Science, Nanjing 210029, China)

The article introduces the latest multi-function self-propelled underwater monitoring vehicle system, which is developed by the Fraunhofer Institute of Advanced System Technology Branch, and analyzes its main structure and functions. By the application of the vehicle in reservoir the suitability of its main components is verified. Then it is constructed to the national underwater topography, water environment and hydraulic structure monitoring online system through re-developing. The application results indicate that the vehicle has the advantages of small volume, high resolution, good openness, flexible operation, strong adaptability, and it can stay at any depths of water to receive the data. The vehicle can generate three-dimensional contour map of temperature, underwater topography and water quality indexes including the dissolved oxygen, nitrate and so on. It is better to reflect the distribution of monitoring data.

underwater vehicle; monitoring system; ExAUV; water quality; underwater topography; water temperature

P33

A

1674-9405(2015)03-0037-05

2015-02-02

水利部 948 项目 (201302)；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室基本科研业务费项目 (Y512010)；水利部公益性行业科研专项经费项目 (201301075)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 (Y513002)；水利部公益性行业科研专项经费项目“水生态文明建设关键技术研究与示范”(201401003)。

邓鹏鑫（1988－），男，福建建瓯人，硕士研究生，主要从事水文水资源方面的研究。