用于挥发性有机污染土壤治理的自动导航智能翻抛设备的制作方法

本发明属于土壤修复设备技术研发领域，具体涉及一种用于挥发性有机污染土壤治理的自动导航智能翻抛设备。

背景技术：

随着我国经济发展和城市结构的转型，原来处于城区的化工企业搬迁后，遗留了数量众多的污染场地。据不完全统计，截止2018年，我国保有的有机污染场地数量约在数十万块数量级上。2019年1月，《中华人民共和国土壤污染防治法》正式实施，表明我国已经将土壤污染治理提升到国家立法高度，势必极大的推动我国土壤修复市场的发展，同时，市场也对先进的土壤修复技术和设备提出了迫切的需求。

热脱附技术是一种有效的有机污染土壤快速修复方法，包括常温翻抛解析和高温热脱附两种技术。其中，高温热脱附技术通过消耗电力或燃气，将土壤温度提升至400～600摄氏度，即能够高效去除土壤中的挥发性有机污染物，也可以有效去除半挥发性有机污染物。但是，目前高温热脱附技术的能耗仍然达到3500～4000兆焦/吨，甚至更高，故高能耗仍然是影响该技术应用的主要因素。值得注意的是，大量场地污染调查数据显示，有机污染场地通常存在较大土方量的、主要包含挥发性有机物的污染土壤，常温翻抛解析技术适用于此类土壤的治理，并且拥有成本低、效率高等优点。例如，在申请号zl201110460162.x的发明专利中，给出了一种典型的用于挥发性有机物污染土壤治理的常温翻抛解析技术。常温翻抛解析技术的主要工艺环节为，在密闭翻抛车间环境下，对待治理土壤实施多次翻抛及药剂添加作业，降低土壤的含水率、破碎土壤颗粒并提高土壤的通透性，从而加快挥发性有机污染物的脱附速率。

一直以来，翻抛作业以人工操作土壤翻抛机的方式开展。由于密闭翻抛车间处于闷热、扬尘的环境条件下，并且富集了从土壤中挥发出来的高浓度有机污染物，其中通常包含致癌、剧毒以及刺激性恶臭气味气体，导致密闭翻抛车间属于高危工作环境，不适宜人员长时间工作。另一方面，人工操作翻抛设备受劳动强度及恶劣工作环境的影响，难以保证土壤翻抛均匀程度、土壤颗粒破碎程度，以及药剂投放量等参数的一致性，有时出现被处理土壤验收不达标的事件，影响了翻抛车间的生产效率。最后，土壤翻抛解析作业通常需要数月乃至整年连续不间断的开展，为了保障操作人员人身安全，需要多名操作人员多班轮换作业，增加了土壤治理工程的人力成本。

针对上述问题，设备研发领域提出了自走式土壤翻抛机的概念，该概念通过人工在密闭翻抛车间外远程控制(有线或者无线)的方式，实现了土壤翻抛机的自走和翻抛作业功能。例如，申请号201620524226.6的发明专利，给出了一种典型的自走式土壤翻抛机技术方案，该方案通过在密闭翻抛车间内设置机械导向导轨，实现土壤翻抛机的自走导向，避免了人员直接暴露在翻抛解析车间内。该技术方案值得完善的地方在于：一方面，机械导轨导向方法增加了翻抛解析车间结构的复杂性和建设成本，影响了翻抛解析车间的生产布局；另一方面，自走式土壤翻抛机本质上仍属于人工操作作业方式，仅仅提升了操作人员的人身安全，并没有解决传统土壤翻抛设备自动化程度低、翻抛工艺一致性差等固有的问题，翻抛解析设备的效率并没有实质性的提高。因此，如何实现土壤翻抛设备的自动化导航和智能化作业，是国内土壤治理设备研发领域迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种用于挥发性有机污染土壤治理的自动导航智能翻抛解析系统，具体要解决的问题包括：研究土壤翻抛机自动导航技术，彻底实现土壤翻抛机无人值守作业能力；研究翻抛机智能化作业技术，解决传统土壤翻抛机工艺一致性差的问题。

为达到上述目的，本发明提出了一种用于挥发性有机污染土壤治理的自动导航智能翻抛设备，包括有土壤翻抛机、通讯总线单元、磁导航单元、运动控制单元、防撞保护单元、自动充电单元、嵌入式工控机和用户终端。其中，

土壤翻抛机包括有蓄电池、电动翻抛机及药剂投料装置，用于对密闭翻抛车间内堆放的污染土壤，进行翻抛、破碎及药剂投料作业，实现加快土壤中有机污染物脱附速率的目的；

通讯总线单元，用于通讯总线单元、磁导航单元、运动控制单元、防撞保护单元、自动充电单元、嵌入式工控机之间的数据通讯与控制；

磁导航单元包括有磁条轨迹和磁导航传感器，用于感知土壤翻抛机的实际行走轨迹是否偏离磁条轨迹，为行为决策单元提供行驶环境数据，实现土壤翻抛机运行路径的寻磁导航功能；

运动控制单元包括有土壤翻抛机动力舵机控制、方向舵机控制、投料控制以及翻抛滚筒等控制器，用于对土壤翻抛机动力、转向、滚筒及投料装置的自动控制；

防撞保护单元包括有测距雷达、雷达信号处理器以及报警模块，用于土壤翻抛机自动导航安全冗余措施；

自动充电单元包括有蓄电池电压监测、充电对接模块和充电站，用于土壤翻抛机蓄电池自动充电；

嵌入式工控机包括行为决策单元，行为决策单元由生产预案软件模块、自动导航软件模块、自动充电软件模块及防撞保护软件模块组成，用于实现土壤翻抛机的任务规划、路径引导、翻抛作业、自动充电及安全防护功能。

用户终端包括有移动终端和无线局域网，用于技术人员远程控制翻抛解析设备，并接收作业日志和警报信息。

作为一种优选的技术方案，土壤翻抛机采用蓄电池动力，具备对条垛状土壤翻抛解析、粉碎及投放药剂等功能；所述土壤翻抛机兼具有人驾驶操作装置，土壤翻抛机可以在自动导航和有人驾驶模式之间切换；土壤翻抛机通过有人驾驶模式进入施工现场，之后进入自动导航模式；

作为一种优选的技术方案，通讯总线单元采用can-bus总线，连接嵌入式工控机与各功能单元的传感器和控制器；

作为一种优选的技术方案，磁导航单元磁条轨迹为根据预先规划的导航路径，在密闭翻抛车间底部混凝土层上敷设的柔性磁条；磁条位置位于土壤条垛之间的行车路径上，整个车间平面磁条轨迹成梳状闭合结构；磁条宽度30～50mm，地坪混凝土施工时将磁条预埋于混凝土层下10mm处；磁导航传感器安装于土壤翻抛机机架引向地面的连接杆顶端，工作于磁条正上方50～100mm高度处；

作为一种优选的技术方案，运动控制单元通过通讯总线，接收行为决策单元发出的控制指令，并向行为决策单元反馈指令执行结果；

作为一种优选的技术方案，防撞保护单元采用超声波测距雷达，安装于土壤翻抛机机架上端，测距量程优于10m，精度优于0.1m；行为决策单元根据超声波雷达采集的距离信息，判断土壤翻抛机与密闭翻抛车间棚壁之间是否处于安全距离内，出现紧急情况下发出土壤翻抛机制动指令，同时以声光和无线通讯报警的形式，通知生产安全人员；

作为一种优选的技术方案，自动充电单元在翻抛作业间歇期间，或者蓄电池电压低于安全值时，完成土壤翻抛机蓄电池自动充电；

作为一种优选的技术方案，行为决策单元运行于嵌入式工控机，采用vb或vc可视化语言编写；嵌入式工控机通过无线局域网与用户终端相连，接收用户终端发来的土壤翻抛机参数设置指令，并将作业日志及警报信息发送给用户终端；同时，嵌入式工控机还连接有触摸显示器，也可以通过触摸显示器设置土壤翻抛机控制指令；所述的生产预案软件模块，将挥发性有机污染土壤治理涉及的工艺和流程，信息化为行为决策软件生产预案参数；

作为一种优选的技术方案，所述的用户终端可以是安装有用户终端软件、带有无线通讯功能的的平板电脑，或者手机等常用移动通讯设备。

本发明的优点在于：与人工操作或者自走式土壤翻抛解析设备相比，本发明采用成本低、成熟度高的磁导航技术，在密闭翻抛解析车间闷热及扬尘环境下，实现了土壤翻抛机的自动导航，并且无需设置复杂的机械导向结构，简化了密闭翻抛解析车间结构，优化了场地布局；另一方面，通过将挥发性有机污染土壤翻抛流程、工艺及生产经验，信息化成为生产预案软件模块，通过软件控制翻抛作业过程，解决了传统翻抛解析作业工艺一致性差的问题，有效保障了土壤修复验收合格率；最后，通过嵌入式工控机、状态传感器和行为决策软件，实现了土壤翻抛机全自动无人值守运行，降低了土壤治理工程的人工成本。

综上所述，本发明实现了一套挥发性有机污染土壤自动导航智能翻抛设备，有效保障了土壤修复达标率，且具备长期连续无人值守生产能力，提升了土壤治理企业单位人员的盈利能力。

附图说明

图1为本发明一种用于挥发性有机污染土壤治理的自动导航智能翻抛设备的总体架构示意图。

图2为本发明设备及生产现场附属设施俯视示意图，其中，201为密闭翻抛车间墙体，202为磁条轨迹，203为土壤条垛，204为行车路径，205为磁导航传感器，206为土壤翻抛机，207为待命区，208为充电站。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明可以用于新研发自动导航智能翻抛解析设备，也可以用于对现有商品化土壤翻抛机开展自动化改造。为了更加清晰的描述本发明的技术路线，下面以图1和图2为示例，对本发明进行具体描述。值得注意的是，图1和图2所描述的参数，可以通过各种不同的配置来布置和设计，因此图中提供的相关参数，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅用来更加清晰的表述本发明的实施方式。

首先通过图1和图2，说明本发明一种用于挥发性有机污染土壤治理的自动导航智能翻抛设备的构成框图、各模块的连接关系及安装位置。如图1所示，本发明包括土壤翻抛机(图中未画出)，以及自动导航和智能控制装置。其中，自动导航和智能控制装置自上而下又可以分为：用户终端，行为决策单元，通信总线单元，以及磁导航、运动控制、防撞保护和自动充电等4个功能单元，以及4个功能单元下属的传感器和控制器。通讯总线布置于土壤翻抛机车体内，用于连接各个功能单元的控制器和传感器，以及嵌入式工控机。4个功能单元通过通讯总线接收嵌入式工控机发送的指令，并将指令执行结果反馈给嵌入式工控机。用户终端利用无线局域网接入嵌入式工控机。技术人员通过用户终端或者嵌入式工控机触摸显示器，操作生产预案可视化软件界面，设置土壤翻抛工艺参数，同时接收作业日志以及警报信息。行为决策单元结合生产预案和行驶环境数据，实现土壤翻抛机的行走、翻抛、投料及充电等功能。

如图2所示，除磁条轨迹202预设于行车路径204、充电站208位于待命区207外，本系统其余组成部分，如嵌入式工控机及触摸显示器，以及各功能单元所属的传感器和控制器(图2中仅画出了磁导航传感器205)，均安装于土壤翻抛机206。

本发明的具体实现方式如下：

(1)根据密闭翻抛车间墙体201的平面尺寸，以及土壤翻抛机械的规格，规划出土壤条垛203布局及土壤翻抛机待命区207，充电站208布置在待命区207内。行车路径204位于两个土壤条垛203之间；根据土壤翻抛机行走轨迹规划线路，在相应的行车路径下预埋磁条轨迹202(图2中磁条轨迹202与部分行车路径204有重叠)。

图2利用某一例某农药厂场地修复工程作为设计范例，按照本发明技术方案给出了生产现场规划、翻抛解析系统及其附属设施俯视示意图。本例中，密闭翻抛车间201的平面尺寸为：车间长约100m，宽约40m，车间面积约4000平方米；土壤条垛的下底宽度约4.5米，共沿车间纵向布置了6条平行的土壤条垛203，每条长约75米。

(2)将挥发性污染土壤常温翻抛解析技术涉及的工艺和流程，信息化为行为决策单元生产预案参数；通过行为决策单元人机界面，可以设置土壤翻抛机行进速率、翻抛滚筒转速、翻抛频次、投料选项及药剂添加量等作业参数。上述参数的设置方法，与待治理污染土壤的理化特征相关。例如，翻抛行进速率及翻抛滚筒转速的设置，与待修复土壤土质类型相关；翻抛频次的设置，与土壤目标污染物的类型等因素相关；投料选项及药剂添加量，则与土壤类型和含水量等因素有关。

同样以图2所涉及的修复工程为例，给出生产预案参数设置实例。该场地包含较大土方量的、以氯乙烯、三氯乙烯和氯仿等挥发性氯代烃污染物为代表的污染土壤，污染程度属于中重度污染，土质以粉质粘土为主。根据污染土壤的理化特征，以及该类型土壤的翻抛生产工艺经验，生产预案参数设置如下：土壤翻抛机行进速率为600米/小时，翻抛滚筒转速为中速；翻抛频次为6次/日，翻抛持续时间为6天；翻抛过程中，按照待修复土壤重量的4％投放生石灰药剂。

(3)生产预案参数设置完成后，土壤翻抛机通过人工操作模式驶入待命区207，随后利用自动导航模式进入生产区，按照土壤翻抛机生产预案及磁条轨迹202规划的线路，开展自动翻抛作业。仍以图2涉及的案例为例，土壤翻抛机完成单次翻抛解析作业约需1小时，之后翻抛设备驶回待命区207，在余下的3个小时待机时间内，通过自动充电单元的充电对接模块与充电站208对接充电，从而保持翻抛设备的持续生产能力。同时，按照行为决策单元的工作时序，土壤翻抛机等待下一个作业循环的启动，直至完成生产预案预设的所有作业循环。

(4)翻抛作业过程中，磁导航单元保障土壤翻抛机以一定的精度沿着行走轨迹规划线路作业，当土壤翻抛机偏离预定轨迹时，行为决策单元自动停止翻抛设备的运行。与此同时，防撞保护单元为土壤翻抛机的运行过程，以及充电对接过程，提供安全冗余保护。