Praktické využití dálkových akustických zařízení na bezpilotních plavidlech

S rychlým rozvojem technologie nepilotovaných lodí v oblasti námořních operací, bezpečnostních hlídek, ekologického monitorování a dalších oblastech se jejich vlastnosti autonomní navigace a dlouhodobé výdrže staly důležitou podporou pro vodní operace. Tradiční funkce nepilotovaných lodí se však zaměřují převážně na sběr dat, jako je testování kvality vody a sledování obrazu, a postrádají efektivní zvukovou interakci a odstrašovací schopnosti. Díky klíčovým výhodám směrového šíření zvuku a odolnosti proti rušení vodního prostředí tvoří vzdálenostní akustická zařízení společně s nepilotovanými loděmi „mobilní vodní akustickou platformu“, která účinně napomáhá odstranění nedostatku zvukové interakce u nepilotovaných lodí a dále rozšiřuje jejich aplikační hodnotu ve složitých vodních scénářích.

I. Aplikační scénáře vzdálenostních akustických zařízení přizpůsobených nepilotovaným lodím

Kombinace dálkových akustických zařízení a bezpilotních lodí přesně pokrývá následující čtyři klíčové vodní scénáře, čímž řeší provozní problémy v různých oblastech:

• Scénáře námořní bezpečnosti a pohraniční hlídky: V oblastech jako pobřežní hranice a vnitrozemské vodní cesty mohou bezpilotní lodě vybavené dálkovými akustickými zařízeními vydávat směrová upozornění nelegálním lodím zabývajícím se pašováním nebo lodím s uprchlíky (např. „Vaše loď vstoupila do jurisdikčních vod Číny, okamžitě zastavte k prohlídce“). V klíčových oblastech, jako jsou přístavy a nábřeží, mohou v reálném čase vysílat oznámení o bezpečnostním řízení (např. „Zdržování se na vodní cestě je zakázáno, dávejte pozor na plující lodě“) a synchronizovat aktuální situaci s pozemním velícím střediskem, čímž pomáhají pracovníkům vynucujícím dodržování předpisů.
• Scénáře nouzového záchranářství: Když jsou lidé uvězněni ve vodě kvůli katastrofám, jako jsou povodně a tajfuny, mohou bezpilotní lodě rychle dosáhnout postižených vod. Prostřednictvím dálkových akustických zařízení mohou uvězněným lidem vysílat informace o záchranných trasách (například „Prosím, přesuňte se směrem k oranžové záchranné plachtě, záchranná loď čeká nablízku“) a poskytovat znalosti o udržení se nad hladinou a vyhýbání se rizikům. Při mořském pátrání a záchraně mohou poskytovat polohové pokyny osobám spadlým do vody (například „Šetřete silami, bezpilotní loď vám shození záchranné vybavení“) a pomáhat záchrannému týmu lokalizovat cílovou pozici prostřednictvím zvukových signálů. Při haváriích ropovodů mohou okolním lodím vysílat rozsah nebezpečné oblasti (například „V oblasti XX došlo k úniku ropy, prosíme, nepřibližujte se“), aby se předešlo sekundárním nehodám.
• Scénáře ekologické ochrany a hospodaření s vodami: V povrchových vodách přírodních rezervací (například mokřadech a jezerech) mohou bezpilotní plavidla vybavená dálkovými akustickými zařízeními vysílat varovné hlasy na nelegální rybářské čluny a lodě neoprávněně vypouštějící odpadní vody, čímž vytvářejí vodní odrazový efekt. V oblastech nádrží a zdrojů pitné vody mohou vysílat zákazová oznámení adresovaná osobám, které porušují předpisy tím, že se koupou nebo rybaří (například „Toto je chráněná oblast zdroje pitné vody, vstup do vody je zakázán“). V oblastech rybničního hospodářství mohou odhánít škodlivé vodní organismy pomocí zvukových vln určité frekvence, čímž chrání bezpečnost chovaných druhů.
• Scénáře veřejných služeb a koordinace provozu: Na místě vodních staveb (například stavby mostů a čištění vodních cest) mohou bezpilotní lodě vysílat rozsah stavební oblasti a objízdnou trasu pro plující lodě prostřednictvím dálkových akustických zařízení (například „Prosíme, použijte objízdnou trasu 100 metrů severně od staveniště, děkujeme za spolupráci“). Během událostí na vodě (například závody draků nebo plachetní závody) mohou v reálném čase vysílat pravidla soutěže a bezpečnostní pokyny (například „Loděm nepodílejícím se na události je zakázáno vstupovat na závodní trať během soutěže“), aby udržely pořádek na místě.

II. Základní potřeby zákazníků v Scénářích bezpilotních lodí

Při použití bezpilotních lodí se potřeby zákazníků týkající se dálkových akustických zařízení soustřeďují kolem „vodní odolnosti, stability a efektivity“, konkrétně se projevují následovně:

• Silná odolnost proti vodě a schopnost přizpůsobit se prostředí: Bezpilotní lodě pracují na vodě po dlouhou dobu, proto je vyžadována ochranná úroveň zařízení IP65 nebo vyšší, která umožňuje odolávat korozi mořské vody, ponoření do deště a nárazům vln. Současně by mělo být schopno přizpůsobit se změnám teploty vody a vzduchu v rozmezí od -20 °C do 60 °C, aby se předešlo poruchám v prostředích s vysokou teplotou nebo zmrznutím při nízkých teplotách. Kromě toho by mělo mít odolnost proti větru a vlnám a být schopno stálého přenosu zvuku při síle větru pod stupněm 5, aniž by byl zvuk přehlušen okolním hlukem (např. zvukem vln nebo motoru).
• Potřeba dlouhodobého přenosu zřetelného zvuku: Provozní dosah nepilotovaných lodí je většinou 1 až 5 kilometrů vodní plochy. Proto je požadováno, aby zařízení mělo efektivní dosah přenosu zvuku nejméně 800 metrů na otevřené vodní ploše bez překážek. Zvukový signál nesmí být zkreslený ani obsahovat rušení. I ve větrném a drsném prostředí musí být osoby na hladině schopny jasně přijímat informace. U konkrétních cílů (např. jednotlivá loď nebo jednotlivec v nouzi) je vyžadována schopnost směrového přenosu zvuku, aby nedošlo k rozptylu zvuku a rušení nepodstatných oblastí.
• Potřeby dálkového ovládání a koordinace: Podporuje dálkové ovládání prostřednictvím systému řízení bezpilotní lodi nebo pobřežní operační platformy, včetně regulace hlasitosti, přepínání pracovních režimů (směrový/všesměrový), přehrávání přednastavených hlasových zpráv a vstupu hlasu v reálném čase. Není vyžadováno ruční naloďování pro nastavení. Současně musí být propojeno s GPS pozicí bezpilotní lodi, vysokorychlostní kamerou a sonarovým senzorem. Jakmile senzor detekuje cíl (např. uvězněné osoby nebo nelegální plavidla), automaticky spustí akustické zařízení.
• Nízká spotřeba energie a požadavky na výdrž: Samostatná výdrž nepilotovaných lodí je zpravidla 8–24 hodin. Zařízení proto musí mít vlastnosti nízké spotřeby energie, přičemž pracovní spotřeba by měla být nižší než 15 W. Zařízení lze přímo připojit k elektrické soustavě nepilotované lodi, čímž se zabrání častému dobíjení, které by mohlo ovlivnit provoz. Současně by mělo mít funkci sledování napájení. Pokud je úroveň napájení zařízení příliš nízká, automaticky odešle upozornění na příkazovou platformu, aby nedošlo k přerušení přenosu klíčových informací.

III. Základní charakteristiky dálkových akustických zařízení přizpůsobených pro nepilotované lodě

Pro splnění potřeb scénářů s nepilotovanými loděmi musí mít dálková akustická zařízení následující cílené technické vlastnosti, které zajistí efektivní spolupráci s nepilotovanými loděmi:

• Vysoká ochrana a návrh odolný proti korozi: Skříň je vyrobena z hliníkové slitiny nebo technického plastu + materiálu s antikorozním povlakem, který odolává koroznímu působení mořské i sladké vody a zabraňuje rezavění a praskání kvůli dlouhodobému ponoření. Rozhraní zařízení využívá vodotěsnou utěsněnou konstrukci a datové i napájecí kabely jsou vybaveny vodotěsnými konektory, aby se zabránilo pronikání vody do vnitřního obvodu. Zároveň je uvnitř zařízení umístěn vlhkostuvzdorný a propustný ventil, který vyrovnává vnitřní a vnější tlak vzduchu a zabraňuje tvorbě kondenzované vody.
• Vysoká hladina zvukového tlaku a odolnost proti rušení: Výstup hladiny zvukového tlaku může dosáhnout 130 dB – 150 dB, pokrývá frekvenční pásmo citlivé pro lidské ucho 200 Hz – 20 000 Hz, čímž zajišťuje, že zvukový signál pronikne i v prostředí s rušivými vlnami a hlukem motoru. Používá se profesionální akustický algoritmus optimalizující šíření zvukových vln za účelem snížení útlumu způsobeného odrazem na hladině vody. I v prostředí s vlnami o výšce 1 metr je možné jasně přijmout hlasové informace do vzdálenosti 800 metrů. Současně podporuje více než 10 úrovní regulace intenzity zvuku, aby vyhověl potřebám různých scénářů.
• Nízká spotřeba energie a víceúčelová adaptace napájení: Použitý nízkoenergetický čip a úsporný obvodový design. Pohotovostní spotřeba je nižší než 3 W a pracovní spotřeba je udržována na úrovni 10–15 W. Lze připojit přímo k lithiové baterii nebo solárnímu systému napájení bezpilotní lodi bez nutnosti dodatečného záložního zdroje. Některá zařízení mají vestavěnou záložní lithiovou baterii, která může zajistit nepřetržitý provoz zařízení po dobu přesahující 3 hodiny v případě výpadku napájení bezpilotní lodi, čímž zajišťuje přenos informací v nouzových situacích.
• Lehká a snadná konstrukce pro instalaci: Celková hmotnost zařízení je udržována do 5 kilogramů a rozměry nepřesahují 20 cm × 20 cm × 20 cm. Zařízení lze upevnit na palubu nebo na střechu kabiny bezpilotní lodi pomocí držáku, aniž by to ovlivnilo stabilitu plavby a nosnou kapacitu lodi. Instalační rozhraní má standardizovaný návrh, který umožňuje rychlou demontáž a výměnu, což usnadňuje pozdější údržbu a opravy.

IV. Integrační řešení dálkových akustických zařízení s jiným vybavením

V systému bezpilotní lodě je třeba integrovat dálková akustická zařízení s různými typy vybavení, aby vytvořila společný systém „vnímání – rozhodování – provedení“. Konkrétní integrační řešení jsou následující:

• Integrace s vybavením pro vnímání: Je propojeno s vysokorychlostní kamerou, sonarem a infračerveným termovizním přístrojem bezpilotní lodi. Když kamera detekuje abnormální situace, jako je „neoprávněný vstup lodi“ a „osoba spadla do vody“, nebo sonar zjistí podvodní překážky a nelegální rybářské zařízení, automaticky spustí vzdálené akustické zařízení, které přehraje odpovídající hlasovou zprávu (např. „Vaše loď neoprávněně vstoupila do zakázané plavební oblasti, opusťte ji okamžitě“ a „Byla zjištěna osoba spadlá do vody, bezpilotní loď vyrazí na záchrannou akci“). Infračervený termovizní přístroj může pomoci zaměřit cíl v noci nebo při špatné viditelnosti, čímž zajistí přesné vysílání zvuku.
• Integrace s komunikačním zařízením: Je připojeno k 4G/5G komunikačnímu modulu nebo satelitnímu komunikačnímu modulu bezpilotní lodi, čímž umožňuje řízení na velmi dlouhé vzdálenosti. Když bezpilotní loď pracuje ve vzdálených oblastech mimo dosah břehu a bez signálu veřejné sítě (např. na otevřeném moři), mohou břehové osoby zasílat příkazy (např. přepnutí pracovního režimu nebo aktualizaci přednastaveného hlasu) akustickému zařízení prostřednictvím satelitního spojení. Zařízení může v reálném čase přenášet informace o stavu provozu (např. úroveň nabití, hlasitost, chybové hlášení) zpět na břehovou operační platformu, což usnadňuje dálkové monitorování a odstraňování poruch.
• Integrace s umístěním a navigačním zařízením: V kombinaci s GPS/Beidou systémem umístění bezpilotní lodi, když bezpilotní loď vstoupí do předem nastavené citlivé oblasti (jako je oblast ochrany zdrojů pitné vody a vojenská oblast bez navigace), vzdálené akustické Když se bezpilotní loď odchýlí od provozní trasy (například od odjezdu z oblasti hledání a záchrany kvůli větru a vlnám), zařízení okamžitě vysílá na pobřežní plošinu alarm o anomálii polohy a vysílá na okolní lodě signál "Bezpilotní loď odchází
• Integrace s výstražným světelným zařízením: Je propojena s LED výstražným světlem a bleskovým světlem bezpilotní lodi, čímž vytváří efekt „součinnosti zvuku a světla“. Když dálkové akustické zařízení spustí varovný režim, výstražné světlo se synchronně zapne (např. modré bleskové světlo). Dvojitou stimulací zraku a sluchu se posiluje výstražný účinek na cíl. Například při noční záchraně může „součinnost zvuku a světla“ pomoci osobám spadlým do vody rychle najít polohu bezpilotní lodi a zlepšit tak efektivitu záchrany.

V. Klíčové výhody kombinace dálkových akustických zařízení a bezpilotních lodí

Ve srovnání s tradičními vodními akustickými zařízeními nebo samostatně pracujícími bezpilotními loděmi může kombinace dálkových akustických zařízení a bezpilotních lodí projevit významné výhody v mnoha ohledech:

• Rozšíření provozního dosahu a efektivity: Bezpilotní lodě mohou autonomně plout a pokrýt velkou vodní plochu (jediný provoz může zahrnout více než 20 čtverečních kilometrů). V kombinaci s dálkovými akustickými zařízeními je efektivita přenosu informací 4 až 6krát vyšší než u ručního ovládání lodí. Například při správě nádrže o rozloze 10 čtverečních kilometrů mohou bezpilotní lodě spolu se zařízeními dokončit rozhlasové upozornění na zákaz koupání ve celé vodní ploše během 2 hodin, zatímco ruční ovládání lodí trvá 6 až 8 hodin.
• Zlepšení bezpečnosti provozu: V nebezpečných situacích (např. zatopené oblasti a vody s ropným skvrnami) mohou nepilotované lodě nahradit osoby při vstupu do vysoce rizikových oblastí. Dálková akustická zařízení umožňují personálu na břehu dokončit přenos informací a odstrašování, aniž by se musel přibližovat k nebezpečným prostředím, čímž se výrazně snižuje riziko ztráty na životech. Například při vodním záchraném úkonu po tajfunu nepilotované lodě dopraví zařízení do vod s prudkým větrem a vlnobitím, aby vysílaly pokyny pro záchranu, a tak se vyhne riziku, že by záchranný personál riskoval svůj život řízením lodí.
• Realizujte přesný a ekologický provoz: Díky technologii směrového přenosu zvuku a přesné lokalizační schopnosti bezpilotních lodí může být zvuk přesně přenášen do cílové oblasti, čímž se zabrání rozptylu zvuku a jeho negativnímu vlivu na okolní ekologické prostředí. Například v ochranné oblasti přírodní rezervace lze směrově vysílat varování nezákonným rybářským lodím, aniž by to ovlivnilo habitaty okolních vodních organismů. Současně zařízení dokáže napodobit zvuk přirozených nepřátel, čímž dosáhne ekologického odradení a vyhne se tak znečištění vody způsobenému používáním chemických látek.
• Snížení provozních nákladů: Jedna nepilotovaná loď v kombinaci s dálkovým akustickým zařízením může nahradit pracovní zátěž 2 až 3 osob provádějících práce na vodě. Navíc jednotkové provozní náklady (elektřina, údržba) nepilotované lodi jsou nižší než náklady spojené s ručním řízením lodí. Dlouhodobý provoz může výrazně snížit investice do pracovní síly a času. Například při denní bezpečnostní hlídce v přístavu jedna nepilotovaná loď pokryje potřeby hlídky na 5kilometrové vodní trase a náklady se tak sníží o více než 50 % ve srovnání s hlídkami prováděnými ručně.

VI. Případy použití dálkových akustických zařízení na nepilotovaných lodích

Případ 1: Společné využití nepilotovaných lodí pro pobřežní pohraniční hlídky a dálkových akustických zařízení

Přímořské oddělení pro správu hranic nasadilo 8 bezpilotních hlídkových lodí, z nichž každá je vybavena dálkovým akustickým zařízením, vysokorychlostní kamerou, systémem satelitní navigace Beidou a satelitní komunikační jednotkou. Během každodenních hlídek plují bezpilotní lodě po předem stanovených trasách v hranicních vodách. Když kamera identifikuje podezřelou loď přibližující se hranici, automaticky se akustické zařízení přepne do směrového režimu a přehraje varovnou zprávu „Vaše loď se přiblížila k čínské státní hranici, okamžitě se otočte a opusťte tuto oblast, jinak budou přijata další opatření“ na adresu podezřelé lodi. Pokud podezřelá loď odmítne odejít, zařízení přenese prostřednictvím satelitního spojení informace o poloze a kursu lodi do břehového velícího střediska. Velící středisko může dálkově upravovat hlasitost zařízení, čímž neustále zesiluje intenzitu varování. Kromě toho, pokud kvůli špatnému počasí (např. silný déšť nebo silná mlha) není možné provádět ruční hlídky, bezpilotní lodě mohou nadále normálně fungovat a prostřednictvím zařízení vysílat pravidla hranicní správy proplouvajícím lodím, čímž se předchází případům neoprávněného překročení hranice. Po zavedení tohoto systému se počet případů neoprávněného překračování hranice v hranicních vodách snížil o 75 % a náklady na hlídkování klesly o 60 % ve srovnání s ručním řízením lodí.

Případ 2: Praktické využití bezpilotních lodí pro nouzové zásahy při povodních ve městech a dálkových akustických zařízení

Když město postihly povodně způsobené silnými dešti, záchranáři nasadili 5 nouzových záchranných bezpilotních lodí. Každá bezpilotní loď byla vybavena dálkovým akustickým zařízením, infračerveným termokamerou a zařízením pro shazování záchranného vybavení. Bezpilotní lodě rychle vpluly do zatopených ulic a komunitních vod. Když termokamera detekovala uvězněné lidi na střeše a balkonu, okamžitě se aktivovalo dálkové akustické zařízení a přehrávalo pokyn: „Zůstaňte prosím na vyvýšeném místě, o vaši záchranu bude postaráno. Bezpilotní loď vám shození záchranné vesty a jídlo. Vstup do vody bez povolení nepodnikajte.“ Současně zařízení přenášelo informace o poloze uvězněných osob zpět do záchranného velícího střediska prostřednictvím modulu 4G komunikace, aby pomohlo s organizací záchranného týmu. V nebezpečné oblasti, kde hloubka vody přesáhla 1,5 metru, bezpilotní lodě prostřednictvím zařízení vysílaly varování „Zde je rychlý proud, nepřibližujte se“, aby zabránily lidem v náhodném vstupu do nebezpečných vod. Během této záchrany kombinace dálkového akustického zařízení a bezpilotní lodě pomohla záchrannému týmu evakuovat více než 230 uvězněných osob během 4 hodin. Účinnost přenosu informací byla 10krát vyšší než u tradičního reproduktoru a žádný záchranný pracovník nebyl zraněn.