Anwendungspraxis von ferngesteuerten akustischen Geräten auf unbemannten Schiffen

Mit der rasanten Entwicklung unbemannter Schiffstechnologie in maritimen Einsätzen, Sicherheitspatrouillen, ökologischer Überwachung und anderen Bereichen sind ihre Eigenschaften der autonomen Navigation und Langzeitbeständigkeit zu wichtigen Hilfsmitteln für Wassereinsätze geworden. Die traditionellen Funktionen unbemannter Schiffe konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Datenerfassung wie Wasserqualitätstests und Bildüberwachung, und es mangelt ihnen an effizienten Wassergeräuschinteraktions- und Abschreckungsfunktionen. Basierend auf den Kernvorteilen der gerichteten Schallübertragung und der Beständigkeit gegen Störungen der Wasserumgebung bilden entfernte akustische Geräte eine „mobile akustische Wasserplattform“ mit unbemannten Schiffen, wodurch die Mängel der Schallinteraktion unbemannter Schiffe effektiv ausgeglichen und ihr Einsatzwert in komplexen Wasserszenarien weiter ausgebaut werden.

ICH. Anwendungsszenarien von ferngesteuerten akustischen Geräten für unbemannte Schiffe

Die Kombination aus entfernten akustischen Geräten und unbemannten Schiffen entspricht genau den folgenden vier Kernwasserszenarien, um die Problempunkte des Betriebs in verschiedenen Bereichen zu lösen:

• Szenarien für maritime Sicherheit und Grenzpatrouille: In Gebieten wie Küstengrenzen und Binnenwasserstraßen können unbemannte Schiffe, die mit ferngesteuerten akustischen Geräten ausgestattet sind, Richtungswarnungen an illegale Schmuggelschiffe und blinde Schiffe ausgeben (z. B. „Ihr Schiff ist in die Hoheitsgewässer Chinas eingedrungen, bitte halten Sie sofort zur Inspektion an“). In Schlüsselbereichen wie Häfen und Docks können sie Sicherheitsmanagementhinweise in Echtzeit senden (z. B. „Der Aufenthalt auf der Wasserstraße ist verboten, bitte achten Sie darauf, vorbeifahrende Schiffe zu meiden“) und die Dynamik vor Ort mit der Bodenkommandozentrale synchronisieren, um das Strafverfolgungspersonal bei der Handhabung zu unterstützen.
• Notfallrettungsszenarien: Wenn Menschen aufgrund von Katastrophen wie Überschwemmungen und Taifunen im Wasser eingeschlossen sind, können unbemannte Schiffe schnell die von der Katastrophe betroffenen Gewässer erreichen. Über entfernte akustische Geräte können sie den eingeschlossenen Personen Rettungswege übermitteln (z. B. „Bitte bewegen Sie sich in Richtung des orangefarbenen Rettungsfloßes, und das Rettungsschiff ist in der Nähe in Bereitschaft“) und Wissen über das Schwimmen und die Risikovermeidung vermitteln. Bei der Suche und Rettung auf See können sie den Personen, die ins Wasser fallen, Ortungsaufforderungen vorspielen (z. B. „Sparen Sie Ihre Kraft, und das unbemannte Schiff lässt lebensrettende Ausrüstung für Sie fallen“) und unterstützen das Rettungsteam durch Tonsignale bei der Festlegung der Zielposition. Bei Ölunfällen können sie den Umfang des gefährlichen Bereichs an die umliegenden Schiffe weitergeben (z. B. „Es gibt eine Ölpest in den XX-Gewässern, bitte nicht nähern“), um Folgeunfälle zu vermeiden.
• Szenarien für ökologischen Schutz und Wassermanagement: In Wassergebieten von Naturschutzgebieten (z. B. Feuchtgebieten und Seen) können unbemannte Schiffe, die mit ferngesteuerten akustischen Geräten ausgestattet sind, Warnstimmen an illegale Fischerboote und illegale Abwasserentsorgungsschiffe senden, um eine Wasserabschreckung zu erreichen. In Gebieten wie Stauseen und Trinkwasserquellen können sie Verbotshinweise an Personen senden, die unter Verstoß gegen die Vorschriften schwimmen und angeln (z. B. „Dies ist ein Schutzgebiet für Trinkwasserquellen und das Betreten des Wassers ist verboten“). In Aquakulturgebieten können sie schädliche Wasserorganismen durch Schallwellen bestimmter Frequenzen abwehren, um die Sicherheit von Aquakulturarten zu schützen.
• Szenarien für öffentliche Dienstleistungen und Betriebskoordination: Am Standort von Wasserbauarbeiten (z. B. Brückenbau und Ausbaggern von Wasserstraßen) können unbemannte Schiffe den Umfang des Baugebiets und die Umleitungsroute über entfernte akustische Geräte an vorbeifahrende Schiffe übermitteln (z. B. „Bitte fahren Sie 100 Meter nördlich des Baugebiets um, vielen Dank für Ihre Mitarbeit“). Bei Wasserveranstaltungen (z. B. Drachenbootrennen und Segelrennen) können sie die Wettbewerbsregeln und Sicherheitstipps in Echtzeit übertragen (z. B. „Schiffe, die nicht an Veranstaltungen teilnehmen, dürfen die Rennstrecke während des Wettbewerbs nicht betreten“), um die Ordnung vor Ort aufrechtzuerhalten.

II. Kernkundenbedürfnisse in Unbemannte Schiffsszenarien

Bei der Anwendung unbemannter Schiffe dreht sich der Bedarf der Kunden an ferngesteuerten akustischen Geräten um „Wasserbeständigkeit, Stabilität und Effizienz“, die sich insbesondere wie folgt manifestieren:

• Starke Wasserbeständigkeit und Anpassungsfähigkeit an die Umgebung sind erforderlich: Unbemannte Schiffe operieren lange Zeit auf dem Wasser, daher muss das Gerät über eine Schutzart von IP65 oder höher verfügen, die Meerwasserkorrosion, Eintauchen in Regen und Welleneinwirkung widerstehen kann. Gleichzeitig sollte es sich an Veränderungen der Wasser- und Lufttemperatur im Bereich von - 20 °C bis 60 °C anpassen, um Störungen in Umgebungen wie hohen Temperaturen und Gefrieren bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden. Darüber hinaus sollte es wind- und wellenbeständig sein und Schall bei Windstärken unter Stufe 5 stabil übertragen können, ohne von Umgebungsgeräuschen (z. B. Wellengeräuschen und Motorgeräuschen) überdeckt zu werden.
• Erfordert eine klare Tonübertragung über große Entfernungen: Die Einsatzreichweite unbemannter Schiffe beträgt meist 1 bis 5 Kilometer Wasserfläche. Daher muss das Gerät in einem offenen Wasserbereich ohne Hindernisse eine effektive Schallübertragungsentfernung von mindestens 800 Metern haben. Das Sprachsignal weist keine Verzerrung und kein Rauschen auf. Selbst in einer windigen und rauen Umgebung kann das Personal auf dem Wasser die Informationen klar empfangen. Für bestimmte Ziele (z. B. ein einzelnes Schiff und eine einzelne eingeschlossene Person) ist die Fähigkeit zur gerichteten Schallübertragung erforderlich, um zu verhindern, dass die Schalldiffusion nicht zusammenhängende Bereiche beeinträchtigt.
• Fernsteuerungs- und Koordinationsanforderungen: Es unterstützt die Fernsteuerung über das unbemannte Schiffskontrollsystem oder die landgestützte Kommandoplattform, einschließlich Lautstärkeregelung, Arbeitsmodusumschaltung (direktional/omnidirektional), vorgefertigte Sprachwiedergabe und Spracheingabe in Echtzeit. Für die Einstellung ist kein manuelles Einsteigen erforderlich. Gleichzeitig muss es mit der GPS-Positionierung, der hochauflösenden Kamera und dem Sonarsensor des unbemannten Schiffs verbunden werden. Wenn der Sensor ein Ziel erkennt (z. B. eingeschlossene Personen oder illegale Schiffe), löst er automatisch den Betrieb des akustischen Geräts aus.
• Geringer Stromverbrauch und Anforderungen an die Anpassung der Ausdauer: Die Einzelbetriebsdauer unbemannter Schiffe beträgt meist 8 bis 24 Stunden. Daher muss das Gerät über einen geringen Stromverbrauch verfügen und einen Arbeitsstromverbrauch von weniger als 15 W aufweisen. Es kann direkt an das Stromversorgungssystem des unbemannten Schiffes angeschlossen werden, um eine Beeinträchtigung des Betriebs durch häufiges Laden zu vermeiden. Gleichzeitig sollte es über eine Stromüberwachungsfunktion verfügen. Wenn die Geräteleistung zu niedrig ist, sendet es automatisch eine Erinnerung an die Kommandoplattform, um sicherzustellen, dass die Übertragung wichtiger Informationen nicht unterbrochen wird.

III. Kernmerkmale ferngesteuerter akustischer Geräte für unbemannte Schiffe

Um den Anforderungen unbemannter Schiffsszenarien gerecht zu werden, müssen entfernte akustische Geräte die folgenden gezielten technischen Eigenschaften aufweisen, um eine effiziente Zusammenarbeit mit unbemannten Schiffen zu gewährleisten:

• Hoher Schutz und Korrosionsschutz: Das Gehäuse besteht aus einer Aluminiumlegierung oder einem technischen Kunststoff + einem Korrosionsschutzbeschichtungsmaterial, das der Korrosion von Meer- und Süßwasser standhält und Rost und Risse durch langfristiges Eintauchen verhindert. Die Geräteschnittstelle verfügt über eine wasserdichte Dichtungsstruktur, und die Datenkabel und Stromkabel sind mit wasserdichten Anschlüssen ausgestattet, um zu verhindern, dass Wasser in den internen Schaltkreis eindringt. Gleichzeitig ist im Inneren des Geräts ein feuchtigkeitsbeständiges und atmungsaktives Ventil angebracht, um den internen und externen Luftdruck auszugleichen und die Bildung von Kondenswasser zu verhindern.
• Hoher Schalldruckpegel und Anti-Interferenz-Ausgang: Der ausgegebene Schalldruckpegel kann 130 dB – 150 dB erreichen und deckt das für das menschliche Ohr empfindliche Frequenzband von 200 Hz – 20.000 Hz ab, um sicherzustellen, dass das Schallsignal die Störungen in Umgebungen wie Wellengeräuschen und Motorgeräuschen weiterhin durchdringen kann. Ein professioneller Akustikalgorithmus wird verwendet, um den Übertragungsweg der Schallwellen zu optimieren und die durch die Reflexion der Wasseroberfläche verursachte Schalldämpfung zu reduzieren. Selbst in einer Umgebung mit 1 Meter hohen Wellen sind die Sprachinformationen auf 800 Metern noch klar zu empfangen. Gleichzeitig unterstützt es mehr als 10 Stufen der Klangintensitätsanpassung, um sich an die Bedürfnisse verschiedener Szenarien anzupassen.
• Geringer Stromverbrauch und Multi-Power-Anpassung: Ein Low-Power-Chip und ein energiesparendes Schaltungsdesign werden übernommen. Der Standby-Stromverbrauch beträgt weniger als 3 W und der Arbeitsstromverbrauch wird auf 10–15 W begrenzt. Es kann ohne zusätzliche Notstromversorgung direkt an die Lithiumbatterie oder das Solarstromversorgungssystem des unbemannten Schiffs angeschlossen werden. Einige Geräte verfügen über eine eingebaute Backup-Lithiumbatterie, die den kontinuierlichen Betrieb des Geräts für mehr als 3 Stunden aufrechterhalten kann, wenn die Stromversorgung des unbemannten Schiffes unterbrochen wird, und so die Informationsübertragung in Notsituationen gewährleistet.
• Leicht und einfach – Installationsdesign: Das Gesamtgewicht des Geräts wird auf 5 Kilogramm begrenzt und das Volumen beträgt nicht mehr als 20 cm x 20 cm x 20 cm. Es kann über eine Halterung am Deck oder an der Oberseite der Kabine des unbemannten Schiffs befestigt werden, ohne die Navigationsstabilität und Tragfähigkeit des unbemannten Schiffs zu beeinträchtigen. Die Installationsschnittstelle verfügt über ein standardisiertes Design, das eine schnelle Demontage und einen schnellen Austausch ermöglicht, um spätere Wartung und Überholung zu erleichtern.

IV. Integrationslösungen von Remote-Akustikgeräten mit anderen Geräten

Im unbemannten Schiffssystem müssen entfernte akustische Geräte mit einer Vielzahl von Geräten integriert werden, um ein kollaboratives System „Wahrnehmung – Entscheidung – Ausführung“ zu bilden. Die spezifischen Integrationslösungen sind wie folgt:

• Integration mit Wahrnehmungsgeräten: Es ist mit der hochauflösenden Kamera, dem Sonarsensor und der Infrarot-Wärmebildkamera des unbemannten Schiffs verbunden. Wenn die Kamera ungewöhnliche Situationen wie „illegales Eindringen von Schiffen“ und „Person fällt ins Wasser“ erkennt oder das Sonar Unterwasserhindernisse und illegale Angelausrüstung erkennt, löst es automatisch das akustische Ferngerät aus, um die entsprechende Stimme abzuspielen (z. B. „Ihr Schiff ist illegal in das Navigationsverbotsgebiet eingedrungen, verlassen Sie es bitte sofort“ und „Eine ins Wasser fallende Person wird gefunden, und das unbemannte Schiff wird zur Rettung gehen“). Die Infrarot-Wärmebildkamera kann dabei helfen, das Ziel in der Nacht oder bei schlechten Sichtverhältnissen zu erfassen, um sicherzustellen, dass das Gerät den Ton präzise überträgt.
• Integration mit Kommunikationsgeräten: Es wird mit dem 4G/5G-Kommunikationsmodul oder dem Satellitenkommunikationsmodul des unbemannten Schiffs verbunden, um eine Ultra-Langstrecken-Steuerung zu realisieren. Wenn das unbemannte Schiff in Gewässern weit von der Küste und ohne öffentliche Netzwerksignale (z. B. auf offener See) operiert, kann das Landpersonal über die Satellitenverbindung Befehle (z. B. das Umschalten des Arbeitsmodus und das Aktualisieren der vorgefertigten Stimme) an das akustische Gerät senden. Das Gerät kann den Betriebsstatus (z. B. Strom, Lautstärke und Fehlerinformationen) in Echtzeit an die landseitige Kommandoplattform zurückübermitteln, um die Fernüberwachung und Fehlerbehebung zu erleichtern.
• Integration mit Positionierungs- und Navigationsgeräten: In Kombination mit dem GPS/Beidou-Positionierungssystem des unbemannten Schiffs sendet das ferngesteuerte akustische Gerät eine Warnstimme an die Schiffe, die in dieses Gebiet einfahren, wenn das unbemannte Schiff in ein voreingestelltes sensibles Gebiet eindringt (z. B. ein Schutzgebiet für Trinkwasserquellen und ein militärisches Navigationsverbot). Wenn das unbemannte Schiff von der Einsatzroute abweicht (z. B. wenn es aufgrund von Wind und Wellen vom Such- und Rettungsbereich abweicht), sendet das Gerät sofort einen Positionsalarm an die Plattform an Land und gibt den umliegenden Schiffen die Aufforderung „Das unbemannte Schiff weicht von der Route ab, bitte achten Sie auf Vermeidung“ ab.
• Integration mit Warnlichtgeräten: Es ist mit dem LED-Warnlicht und dem Blitzlicht des unbemannten Schiffs verbunden, um einen „Ton- und Lichtkoordinationseffekt“ zu erzielen. Wenn das akustische Ferngerät den Warnmodus startet, wird synchron das Warnlicht eingeschaltet (z. B. ein blaues Blitzlicht). Durch die doppelte Stimulation von Sehen und Hören wird die Warnwirkung auf das Ziel verstärkt. Beispielsweise kann bei der Nachtrettung die „Koordination von Ton und Licht“ dazu beitragen, dass Menschen, die ins Wasser fallen, die Position des unbemannten Schiffes schnell lokalisieren und die Rettungseffizienz verbessern.

V. Kernvorteile der Kombination von ferngesteuerten akustischen Geräten und unbemannten Schiffen

Im Vergleich zu herkömmlichen wasserakustischen Geräten oder unbemannten Schiffen, die alleine arbeiten, kann die Kombination aus ferngesteuerten akustischen Geräten und unbemannten Schiffen in vielerlei Hinsicht erhebliche Vorteile bringen:

• Erweitern Sie den Einsatzbereich und die Effizienz: Unbemannte Schiffe können autonom navigieren und ein großes Wassergebiet abdecken (ein einziger Einsatz kann mehr als 20 Quadratkilometer abdecken). In Kombination mit ferngesteuerten akustischen Geräten ist die Effizienz der Informationsübertragung vier- bis sechsmal höher als bei manueller Schiffsübertragung. Beispielsweise können bei der Bewirtschaftung eines 10 Quadratkilometer großen Stausees unbemannte Schiffe in Kombination mit Geräten die Ausstrahlung des Badeverbots im gesamten Wassergebiet innerhalb von 2 Stunden abschließen, während die manuelle Schiffssteuerung 6 bis 8 Stunden dauert.
• Verbesserung der Betriebssicherheit: In Gefahrenszenarien (z. B. in Überschwemmungsgebieten und Ölverschmutzungsgebieten) können unbemannte Schiffe das Personal ersetzen, um in Hochrisikogebiete einzudringen. Ferngesteuerte akustische Geräte ermöglichen es dem Personal an Land, die Informationsübertragung und Abschreckung durchzuführen, ohne sich gefährlichen Umgebungen zu nähern, wodurch das Risiko von Personalunfällen erheblich verringert wird. Bei der Wasserrettung nach einem Taifun beispielsweise tragen unbemannte Schiffe Geräte mit sich, um bei starkem Wind und Wellen in Gewässer einzudringen und Rettungsanweisungen zu übermitteln, wodurch das Risiko vermieden wird, dass das Rettungspersonal beim Fahren von Schiffen Risiken eingeht.
• Verwirklichen Sie einen präzisen und umweltfreundlichen Betrieb: Durch die gerichtete Schallübertragungstechnologie und die präzise Positionierungsfähigkeit unbemannter Schiffe kann der Schall präzise auf das Zielgebiet übertragen werden, wodurch Umweltstörungen durch Schalldiffusion in die umgebende ökologische Umgebung vermieden werden. Beispielsweise können im Wasserbereich eines Naturschutzgebietes Warnungen gezielt an illegale Fischereischiffe gesendet werden, ohne den Lebensraum der umliegenden Wasserorganismen zu beeinträchtigen. Gleichzeitig kann das Gerät die Geräusche natürlicher Feinde simulieren, um eine ökologische Abwehr zu erreichen und eine Wasserverschmutzung durch den Einsatz chemischer Mittel zu vermeiden.
• Reduzieren Sie die Betriebskosten: Ein unbemanntes Schiff in Kombination mit einem ferngesteuerten akustischen Gerät kann die Arbeitsbelastung von 2 bis 3 Wasserbetriebspersonal ersetzen. Darüber hinaus sind die einzelnen Betriebskosten (Stromgebühr, Wartungsgebühr) des unbemannten Schiffes niedriger als die Kosten für den manuellen Schiffsantrieb. Durch einen langfristigen Betrieb kann der Arbeits- und Zeitaufwand deutlich reduziert werden. Beispielsweise kann bei der täglichen Sicherheitspatrouille im Hafen ein unbemanntes Schiff den Patrouillenbedarf einer 5 Kilometer langen Wasserstraße decken, und die Kosten werden im Vergleich zu manuellen Schiffspatrouillen um mehr als 50 % gesenkt.

VI. Anwendungsfälle von ferngesteuerten akustischen Geräten auf unbemannten Schiffen

Fall 1: Kollaborativer Einsatz unbemannter Küstenpatrouillenschiffe und akustischer Ferngeräte

Eine Küstengrenzverwaltungsabteilung führte acht unbemannte Patrouillenschiffe ein, die jeweils mit einem akustischen Ferngerät sowie einer hochauflösenden Kamera, einem Beidou-Positionierungssystem und einem Satellitenkommunikationsmodul ausgestattet sind. Bei täglichen Patrouillenfahrten kreuzen die unbemannten Schiffe in den Grenzgewässern nach vorgegebenen Routen. Wenn die Kamera ein verdächtiges Schiff erkennt, das sich der Grenzlinie nähert, wechselt das akustische Ferngerät automatisch in den Richtungsmodus und gibt dem verdächtigen Schiff die Warnstimme „Ihr Schiff hat sich der chinesischen Grenzlinie genähert, bitte drehen Sie sich um und verlassen Sie es sofort“ ab, sonst werden weitere Maßnahmen ergriffen. Wenn das verdächtige Schiff sich weigert abzufahren, synchronisiert das Gerät die Positions- und Kursinformationen des Schiffs über die Satellitenverbindung mit der landgestützten Kommandozentrale. Die Kommandozentrale kann die Gerätelautstärke aus der Ferne anpassen, um die Warnintensität kontinuierlich zu verstärken. Wenn manuelle Patrouillen aufgrund von schlechtem Wetter (z. B. starkem Regen und starkem Nebel) nicht durchgeführt werden können, können die unbemannten Schiffe weiterhin normal arbeiten und die Grenzverwaltungsvorschriften über das Gerät an die vorbeifahrenden Schiffe übertragen, um illegale Grenzübertritte zu verhindern. Nach der Umsetzung dieses Systems sank die Zahl der illegalen Grenzübertritte in den Grenzgewässern um 75 %, und die Kosten für die Patrouillen wurden im Vergleich zum manuellen Fahren mit Schiffen um 60 % gesenkt.

Fall 2: Praktische Anwendung von unbemannten Rettungsschiffen und ferngesteuerten akustischen Geräten für städtische Staunässe

Als es in einer Stadt aufgrund starker Regenfälle zu Staunässe kam, setzte das Rettungsteam fünf unbemannte Rettungsschiffe ein. Jedes unbemannte Schiff war mit einem akustischen Ferngerät, einer Infrarot-Wärmebildkamera und einem Abwurfgerät für lebensrettende Ausrüstung ausgestattet. Die unbemannten Schiffe drangen schnell in die überfluteten Straßen und Gemeindegewässer ein. Als die Infrarot-Wärmebildkamera gefangene Personen auf dem Dach und dem Balkon entdeckte, wurde das akustische Ferngerät sofort aktiviert und spielte den eingeschlossenen Personen die Anweisung „Bitte bleiben Sie zur Rettung an einem hochgelegenen Ort auf, das unbemannte Schiff wirft Schwimmwesten und Lebensmittel für Sie ab. Bitte betreten Sie das Wasser nicht ohne Erlaubnis“ ab. Gleichzeitig übermittelte das Gerät über das 4G-Kommunikationsmodul die Standortinformationen der eingeschlossenen Personen zurück an die Rettungsleitstelle, um bei der Zusammenstellung des Rettungsteams zu helfen. In dem gefährlichen Bereich, in dem die Wassertiefe 1,5 Meter überschreitet, senden die unbemannten Schiffe über das Gerät die Warnung „Das Wasser fließt hier schnell, bitte nähern Sie sich nicht“ an die umstehenden Personen, um zu verhindern, dass Personen versehentlich in die gefährlichen Gewässer gelangen. Bei dieser Rettung half die Kombination aus dem akustischen Ferngerät und dem unbemannten Schiff dem Rettungsteam, mehr als 230 eingeschlossene Personen innerhalb von 4 Stunden zu transportieren. Die Effizienz der Informationsübertragung war zehnmal höher als die des herkömmlichen Lautsprechers, und es wurde kein Rettungspersonal verletzt.