水質(zhì)專家借助無(wú)人機(jī)開展危險(xiǎn)礦坑場(chǎng)地監(jiān)測(cè)工作

巧借無(wú)人機(jī)技術(shù)，助力水質(zhì)專家監(jiān)測(cè)高危礦坑場(chǎng)地

一架遙控八旋翼無(wú)人機(jī)在這片寬達(dá) 1 英里的湖面上方數(shù)米處懸停，穩(wěn)穩(wěn)地將搭載的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀緩緩垂入碧藍(lán)的湖水之中。

美國(guó)蒙大拿州比尤特市的伯克利礦坑，水體 pH 值低至 4.3，酸度堪比番茄汁。礦坑湖四周環(huán)繞著坡度陡峭、持續(xù)風(fēng)化的風(fēng)化花崗巖邊坡。松散的邊坡遇外力極易引發(fā)湖面大幅涌浪，這讓伯克利礦坑成為人工乘船采樣的高危區(qū)域。

配圖說(shuō)明：伯克利礦坑航拍圖。這座礦坑深達(dá) 255 米（836 英尺），蓄積著 1820 億升（480 億加侖）的有毒酸性水體。

為此，一款名為 ** 水質(zhì)采樣平臺(tái)（WaSP）** 的專用無(wú)人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。該無(wú)人機(jī)由費(fèi)爾韋瑟信息技術(shù)公司（FIT）與應(yīng)用科技服務(wù)公司的Ian?Fairweather研發(fā)，專為水質(zhì)采樣作業(yè)量身打造。

無(wú)人機(jī)搭載的改良型深海釣魚卷軸釋放出高強(qiáng)度魚線，牽引著多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀下沉。監(jiān)測(cè)儀在向 250 多米（800 余英尺）深的湖底移動(dòng)過(guò)程中，同步完成 pH 值、溫度、水深、溶解氧（DO）、氧化還原電位（ORP）、濁度及電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

配圖說(shuō)明：伯克利礦坑等深線分布圖。這座昔日的露天銅礦如今已淪為蓄積酸性水體的礦坑湖。

無(wú)人機(jī)的電池續(xù)航寶貴且有限，尤其是在負(fù)載較重的工況下。因此，費(fèi)爾韋瑟與其設(shè)備操作員勃蘭特?溫克爾曼格外注重作業(yè)效率，力求在 20 分鐘內(nèi)完成全流程操作：飛抵采樣點(diǎn)位、完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集、操控 WaSP 無(wú)人機(jī)返回位于巖石高地的操控點(diǎn)。

配圖說(shuō)明：費(fèi)爾韋瑟及其團(tuán)隊(duì)借助 WaSP 無(wú)人機(jī)，單日最多可完成 8 架次水質(zhì)剖面監(jiān)測(cè)飛行任務(wù)。

水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)（WaSP）騰空起航

多年來(lái)，工作人員一直乘坐浮筒船在礦坑湖面上采集水樣，但這種人工乘船采樣的方式最終被判定為高危操作。而直升機(jī)采樣方案同樣不具備可行性 —— 不僅載人飛行本身會(huì)增加安全隱患，伯克利礦坑所處的空域還位于一條商業(yè)航線范圍內(nèi)。

2017 年，伯邁斯特與費(fèi)爾韋瑟展開合作，旨在研發(fā)一種更安全、高效的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)方案，用于伯克利礦坑以及其他更為偏遠(yuǎn)難抵的廢棄礦區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。

“他們委托我們研發(fā)這款采樣平臺(tái)，核心目的是讓我們能在岸邊安全采集水樣、獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)，全程無(wú)需人員置身險(xiǎn)地，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單日多次采樣。" 費(fèi)爾韋瑟解釋道，“我們?cè)鴦?chuàng)下單日飛行 8 架次的紀(jì)錄，每架次均通過(guò) YSI EXO1 型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀完成水質(zhì)剖面數(shù)據(jù)采集。"

配圖說(shuō)明：沃茨創(chuàng)新公司研發(fā)的 PRISM 八旋翼無(wú)人機(jī)。

費(fèi)爾韋瑟以沃茨創(chuàng)新公司的 PRISM 八旋翼無(wú)人機(jī)為載體，成功研發(fā)出這款擁有技術(shù)的水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)（WaSP）。該無(wú)人機(jī)的四個(gè)機(jī)臂上，每個(gè)電機(jī)組件的頂部和底部均配備有螺旋槳。

該無(wú)人機(jī)搭載電池、收線卷軸、電機(jī)、兩臺(tái)攝像機(jī)及全套任務(wù)載荷后，整機(jī)重量控制在 25 千克（55 磅）的限值以內(nèi)。一旦超出該重量，就需要按照美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的相關(guān)規(guī)定，更換更高等級(jí)的飛行執(zhí)照并遵守更為嚴(yán)格的監(jiān)管要求。其任務(wù)載荷配置靈活多樣，可搭載 EXO1 型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、聲吶測(cè)深剖面儀、滿載水樣的采樣瓶、沉積物采集專用的伊姆霍夫錐形管，或是定制化污泥采樣器。

三速電動(dòng)收線卷軸是 WaSP 無(wú)人機(jī)的核心配置。費(fèi)爾韋瑟指出，相較于將采樣設(shè)備懸掛在 61 米（200 英尺）長(zhǎng)的固定纜繩末端的設(shè)計(jì)，將設(shè)備緊貼無(wú)人機(jī)機(jī)身下方掛載的方案，能賦予無(wú)人機(jī)的作業(yè)靈活性與機(jī)動(dòng)性。

配圖說(shuō)明：WaSP 無(wú)人機(jī)是一款經(jīng)專業(yè)優(yōu)化的空中平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集與安全作業(yè)。

這一設(shè)計(jì)還能滿足伯邁斯特與地球化學(xué)家詹姆斯?喬納斯提出的各類特殊采樣需求 —— 包括操控設(shè)備下潛至礦坑湖底進(jìn)行采樣。若設(shè)備在水下發(fā)生纏繞，搭載的閘刀式切割器可立即啟動(dòng)，切斷纏繞物以解救設(shè)備。

EXO1 型監(jiān)測(cè)儀的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

費(fèi)爾韋瑟強(qiáng)調(diào)，YSI EXO1 型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀從 WaSP 無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)之初，就被納入核心配套設(shè)備清單。

“說(shuō)實(shí)話，當(dāng)初是大西洋里奇菲爾德公司指定我們采購(gòu)這款設(shè)備的。" 費(fèi)爾韋瑟笑著說(shuō)，“我們先是租用了一臺(tái)，在 WaSP 原型機(jī)上完成了測(cè)試，采集到的數(shù)據(jù)表現(xiàn)十分理想。之后便直接采購(gòu)了一臺(tái)，這樣就能自主完成所有校準(zhǔn)工作。這款設(shè)備的實(shí)戰(zhàn)表現(xiàn)堪稱出色，我們還將兩臺(tái) EXO1 型監(jiān)測(cè)儀配備在了自主水面航行器（USV，即無(wú)人船）上。"

配圖說(shuō)明：采樣設(shè)備被回收至 “作業(yè)回收點(diǎn)" 后，團(tuán)隊(duì)在此完成數(shù)據(jù)下載、設(shè)備蒸餾水沖洗、電池更換等操作，隨后即可操控 WaSP 無(wú)人機(jī)再次起飛執(zhí)行采樣任務(wù)。

費(fèi)爾韋瑟借助賽萊默公司的 HYPACK 軟件構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣，將聲吶測(cè)深數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與 GPS 定位信息進(jìn)行整合。這一操作讓團(tuán)隊(duì)能夠在分析礦區(qū)水下地形的同時(shí)，同步開展水體表層地球化學(xué)特征研究。

“整合后的矩陣包含實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）的 GPS 信息、水域深度數(shù)據(jù)以及所有化學(xué)分析結(jié)果，極大地簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集與處理流程。" 他介紹道，“所有數(shù)據(jù)都能在 HYPACK 軟件界面中查看。我們還繪制了礦坑內(nèi)所有采樣點(diǎn)位的分布圖，因此監(jiān)測(cè)儀無(wú)需全程與無(wú)人機(jī)保持連接，可獨(dú)立進(jìn)行自主數(shù)據(jù)采集。"

“我們先啟動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的記錄功能，將其掛載到無(wú)人機(jī)上，隨后操控?zé)o人機(jī)飛抵采樣點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測(cè)儀會(huì)自主記錄所有數(shù)據(jù)，待無(wú)人機(jī)返航后，我們?cè)賹?shù)據(jù)導(dǎo)出即可。"

每次飛行任務(wù)結(jié)束后，費(fèi)爾韋瑟及其團(tuán)隊(duì)都會(huì)使用蒸餾水，對(duì) EXO1 型監(jiān)測(cè)儀及 WaSP 無(wú)人機(jī)的所有配套設(shè)備進(jìn)行全面的沖洗。