Anwendungspraxis von ferngesteuerten akustischen Geräten auf unbemannten Schiffen

Mit der rasanten Entwicklung der unbemannten Schifffahrtstechnologie in den Bereichen maritime Operationen, Sicherheitspatrouillen, ökologische Überwachung und anderen Feldern sind ihre Merkmale der autonomen Navigation und langfristigen Ausdauer zu wichtigen Grundlagen für Wasseroperationen geworden. Die traditionellen Funktionen von unbemannten Schiffen konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf Datenerfassung wie Wasserqualitätsprüfungen und Bildüberwachung und verfügen über keine effizienten akustischen Interaktions- und Abschreckungsfunktionen unter Wasser. Durch die Nutzung der Kernvorteile der gerichteten Schallübertragung und der Widerstandsfähigkeit gegen Störungen durch das Wasserumfeld bilden Fernakustikgeräte gemeinsam mit unbemannten Schiffen eine „mobile akustische Plattform auf dem Wasser“, die effektiv den Mangel an schallbasierter Interaktion bei unbemannten Schiffen ausgleicht und deren Anwendungswert in komplexen Wasserszenarien weiter erhöht.

Ich. Anwendungsszenarien von Fernakustikgeräten, angepasst an unbemannte Schiffe

Die Kombination aus ferngesteuerten akustischen Geräten und unbemannten Schiffen passt sich genau an die folgenden vier zentralen Wasserszenarien an, um Betriebsprobleme in verschiedenen Bereichen zu lösen:

• Szenarien zur maritimen Sicherheit und Grenzpatrouille: In Gebieten wie Küstengrenzen und Binnengewässern können unbemannte Schiffe, die mit ferngesteuerten akustischen Geräten ausgestattet sind, gezielte Warnungen an Schiffe aussprechen, die illegal schmuggeln oder stowaways transportieren (z. B. „Ihr Schiff ist in Chinas Hoheitsgewässer eingedrungen, bitte halten Sie sofort an, um einer Kontrolle zu unterziehen“). In Schlüsselbereichen wie Häfen und Anlegestellen können sie Sicherheitshinweise in Echtzeit übertragen (z. B. „Das Verweilen in der Wasserstraße ist verboten, achten Sie darauf, vorbeifahrende Schiffe zu meiden“) und synchronisieren die Lage vor Ort mit dem Bodenkommandozentrum, um die Einsatzkräfte bei der Abwicklung zu unterstützen.
• Einsätze bei Rettungsmissionen: Wenn Menschen aufgrund von Katastrophen wie Überschwemmungen und Taifunen im Wasser eingeschlossen sind, können unbemannte Schiffe schnell die betroffenen Gewässer erreichen. Mithilfe ferngesteuerter akustischer Geräte können sie den Eingeschlossenen Rettungsrouten bekanntgeben (z. B. „Bitte bewegen Sie sich in Richtung des orangefarbenen Rettungsfloßes, das Rettungsschiff steht in der Nähe bereit“) und Wissen über Schwimmtechniken sowie Risikovermeidung vermitteln. Bei maritimen Such- und Rettungsaktionen können sie Personen, die ins Wasser gefallen sind, Positionsansagen geben (z. B. „Sparen Sie Ihre Kräfte, das unbemannte Schiff wird Rettungsausrüstung für Sie abwerfen“) und dem Rettungsteam durch akustische Signale helfen, die Zielposition zu lokalisieren. Bei Ölverschmutzungen können sie den Umfang des Gefahrengebiets an umliegende Schiffe übermitteln (z. B. „Im Bereich XX liegt eine Ölverschmutzung vor, bitte nähern Sie sich nicht an“), um Sekundär-Unfälle zu vermeiden.
• Szenarien zum ökologischen Schutz und Wasserressourcenmanagement: In Wassergebieten von Naturschutzgebieten (wie Feuchtgebieten und Seen) können unbemannte Schiffe, die mit ferngesteuerten akustischen Geräten ausgestattet sind, Warnansagen an illegale Fischerboote und Schiffe, die Abwasser einleiten, abspielen, um eine Abschreckung auf dem Wasser zu gewährleisten. In Gebieten wie Stauseen und Trinkwasserschutzgebieten können sie Verbotsansagen an Personen aussenden, die gegen Vorschriften verstoßen, indem sie schwimmen oder angeln (z. B. „Dies ist ein Trinkwasserschutzgebiet, das Betreten des Gewässers ist verboten“). In Aquakulturgebieten können sie schädliche Wasserorganismen durch Schallwellen mit bestimmten Frequenzen abwehren, um die Sicherheit der gezüchteten Arten zu schützen.
• Szenarien für öffentliche Dienstleistungen und Betriebskoordination: Auf Baustellen im Wasserbau (wie z. B. Brückenbau und Baggerarbeiten in Wasserwegen) können unbemannte Schiffe mithilfe ferngesteuerter akustischer Geräte den Bereich der Baustelle sowie die Umleitungsroute an vorbeifahrende Schiffe bekanntgeben (z. B. „Bitte weichen Sie 100 Meter nördlich des Baubereichs aus, vielen Dank für Ihre Kooperation“). Bei Wasser-Veranstaltungen (wie Drachenbootrennen oder Segelregatten) können sie in Echtzeit Wettkampfregeln und Sicherheitshinweise übermitteln (z. B. „Schiffe, die nicht an der Veranstaltung teilnehmen, dürfen während des Rennens die Rennstrecke nicht betreten“), um die Ordnung vor Ort aufrechtzuerhalten.

II. Kernkundenbedürfnisse in Szenarien mit unbemannten Schiffen

Bei der Anwendung von unbemannten Schiffen drehen sich die Kundenanforderungen an ferngesteuerte akustische Geräte um „Wasserbeständigkeit, Stabilität und Effizienz“, was sich konkret wie folgt äußert:

• Hohe Wasserbeständigkeit und Umweltanpassungsfähigkeit erforderlich: Unbemannte Schiffe operieren lange Zeit auf dem Wasser, daher muss das Gerät eine Schutzklasse von IP65 oder höher aufweisen, um Korrosion durch Salzwasser, Regeneinwirkung und Wellenschlag standzuhalten. Gleichzeitig sollte es sich an Temperaturschwankungen von Wasser und Luft im Bereich von -20 °C bis 60 °C anpassen können, um Fehlfunktionen in Umgebungen mit starker Hitze oder tiefen Temperaturen zu vermeiden. Zudem sollte es widerstandsfähig gegenüber Wind und Wellen sein und Schall stabil übertragen können bei Windstärken unter Stufe 5, ohne durch Umgebungsgeräusche (wie Wellengeräusche und Motorenlärm) überlagert zu werden.
• Anforderungen an die lückenlose Schallübertragung über weite Entfernungen: Der Betriebsbereich von unbemannten Schiffen umfasst meist Wasserflächen von 1 bis 5 Kilometern. Daher muss das Gerät eine effektive Schallübertragungsreichweite von mindestens 800 Metern in einem offenen, hindernisfreien Gewässer aufweisen. Das Sprachsignal darf keine Verzerrungen oder Störgeräusche aufweisen. Auch unter windigen und rauen Bedingungen müssen die Personen auf dem Wasser die Informationen klar empfangen können. Für spezifische Ziele (wie ein einzelnes Schiff oder eine einzelne vermisste Person) ist die Fähigkeit zur gerichteten Schallübertragung erforderlich, um eine Schallausbreitung zu vermeiden, die nicht betroffene Bereiche stören könnte.
• Fernsteuerungs- und Koordinierungsanforderungen: Es unterstützt die Fernbedienung über das unbemannte Schiffssteuersystem oder die landgestützte Kommandoplattform, einschließlich Lautstärkeregelung, Umschaltung des Betriebsmodus (richtungsabhängig/omnidirektional), Wiedergabe vordefinierter Sprachnachrichten und Echtzeit-Spracheingabe. Für die Einstellung ist kein manuelles Betreten des Schiffes erforderlich. Gleichzeitig muss es mit der GPS-Positionsbestimmung, der hochauflösenden Kamera und dem Sonarsensor des unbemannten Schiffes verknüpft sein. Wenn der Sensor ein Ziel erkennt (z. B. verschüttete Personen oder illegale Schiffe), löst er automatisch die Funktion des akustischen Geräts aus.
• Geringer Energieverbrauch und Anpassung an Ausdaueranforderungen: Die Ausdauer pro Einsatz von unbemannten Schiffen beträgt meist 8–24 Stunden. Daher müssen die Geräte über Eigenschaften mit geringem Stromverbrauch verfügen, wobei der Betriebsstromverbrauch unter 15 W liegen sollte. Sie können direkt an das Bordnetz des unbemannten Schiffs angeschlossen werden, um zu verhindern, dass der Betrieb durch häufiges Aufladen beeinträchtigt wird. Gleichzeitig sollte das Gerät eine Stromüberwachungsfunktion besitzen. Wenn der Gerätestrom zu niedrig ist, sendet es automatisch eine Benachrichtigung an die Befehlsplattform, um sicherzustellen, dass die Übertragung wichtiger Informationen nicht unterbrochen wird.

III. Kernmerkmale ferngesteuerter akustischer Geräte, angepasst an unbemannte Schiffe

Um die Anforderungen von Szenarien mit unbemannten Schiffen zu erfüllen, müssen ferngesteuerte akustische Geräte folgende gezielte technische Merkmale aufweisen, um eine effiziente Zusammenarbeit mit unbemannten Schiffen sicherzustellen:

• Hoher Schutz und korrosionsbeständiges Design: Das Gehäuse besteht aus Aluminiumlegierung oder technischem Kunststoff + korrosionsbeständigem Beschichtungsmaterial, das der Korrosion durch Salzwasser und Süßwasser widerstehen kann und Rostbildung sowie Risse durch langfristige Eintauchung vermeidet. Die Geräteanschlüsse weisen eine wasserdichte Dichtkonstruktion auf, und die Daten- sowie Stromkabel sind mit wasserdichten Steckverbindern ausgestattet, um ein Eindringen von Wasser in die interne Schaltung zu verhindern. Gleichzeitig ist im Gerät ein feuchtigkeitsdichtes und atmungsaktives Ventil eingebaut, um den Innendruck mit dem Außendruck auszugleichen und die Bildung von Kondenswasser zu vermeiden.
• Hohe Schalldruckpegel und störunterdrückende Ausgabe: Der Schalldruckpegel kann 130 dB bis 150 dB erreichen und deckt das für das menschliche Ohr empfindliche Frequenzband von 200 Hz bis 20000 Hz ab, wodurch sichergestellt ist, dass das akustische Signal auch in Umgebungen mit Wellengeräuschen und Motorenlärm durchsetzen kann. Ein professioneller akustischer Algorithmus optimiert den Schallwellen-Übertragungsweg, um die durch Wasseroberflächenreflexion verursachte Dämpfung des Schalls zu reduzieren. Auch bei einem Seegang mit bis zu einem Meter hohen Wellen ist eine klare Übertragung der Sprachinformation über eine Distanz von 800 Metern gewährleistet. Gleichzeitig unterstützt das Gerät mehr als 10 Stufen zur Lautstärkeeinstellung, um sich an die Anforderungen unterschiedlicher Einsatzszenarien anzupassen.
• Geringer Stromverbrauch und Multi-Leistungsanpassung: Es wird ein niederleistungsfähiger Chip und eine energiesparende Schaltkreisgestaltung verwendet. Der Standby-Stromverbrauch liegt unter 3 W, der Betriebsstromverbrauch wird bei 10–15 W gehalten. Das Gerät kann direkt an das Lithiumbatterie- oder Solarstromversorgungssystem des unbemannten Schiffes angeschlossen werden, ohne dass eine zusätzliche Notstromversorgung erforderlich ist. Einige Geräte verfügen über eine integrierte Reserve-Lithiumbatterie, die den kontinuierlichen Betrieb des Geräts für mehr als 3 Stunden sicherstellt, wenn die Stromversorgung des unbemannten Schiffes unterbrochen wird, wodurch die Informationsübertragung in Notsituationen gewährleistet bleibt.
• Leichtgewichtig und einfach - Installationsdesign: Das Gesamtgewicht des Geräts liegt unter 5 Kilogramm, und das Volumen beträgt nicht mehr als 20 cm × 20 cm × 20 cm. Es kann mithilfe einer Halterung auf dem Deck oder auf der Oberseite der Kabine des unbemannten Schiffes befestigt werden, ohne die Navigationssicherheit und Tragfähigkeit des unbemannten Schiffes zu beeinträchtigen. Die Installationschnittstelle folgt einem standardisierten Design und ermöglicht einen schnellen Ausbau und Austausch, was die spätere Wartung und Instandhaltung erleichtert.

IV. Integrationslösungen von ferngesteuerten akustischen Geräten mit anderer Ausrüstung

Im System des unbemannten Schiffes müssen ferngesteuerte akustische Geräte mit einer Vielzahl von Geräten integriert werden, um ein „Wahrnehmung – Entscheidung – Ausführung“-Kollaborationssystem zu bilden. Die spezifischen Integrationslösungen lauten wie folgt:

• Integration mit der Wahrnehmungsausrüstung: Das System ist mit der hochauflösenden Kamera, dem Sonarsensor und der Infrarot-Wärmebildkamera des unbemannten Schiffes verbunden. Sobald die Kamera ungewöhnliche Situationen wie „unerlaubtes Eindringen eines Schiffes“ oder „Personen, die ins Wasser fallen“ erkennt oder das Sonar Unterwasserhindernisse und illegale Fischereiausrüstung detektiert, wird automatisch ein akustisches Fernsignal ausgegeben (z. B. „Ihr Schiff ist unerlaubt in das Schifffahrtsverbot eingedrungen. Bitte verlassen Sie es sofort.“ oder „Eine Person ist ins Wasser gefallen. Das unbemannte Schiff eilt zur Rettung.“). Die Infrarot-Wärmebildkamera hilft, das Ziel auch bei Nacht oder schlechten Sichtverhältnissen präzise zu erfassen und so eine genaue Tonübertragung zu gewährleisten.
• Integration mit Kommunikationsausrüstung: Es wird mit dem 4G/5G-Kommunikationsmodul oder Satellitenkommunikationsmodul des unbemannten Schiffes verbunden, um die Steuerung über sehr große Entfernungen zu ermöglichen. Wenn das unbemannte Schiff in Gewässern fernab der Küste und ohne öffentliche Netzsignale (wie beispielsweise auf hoher See) operiert, können die an Land befindlichen Mitarbeiter Befehle (wie das Wechseln des Betriebsmodus oder das Aktualisieren der vorprogrammierten Sprachnachrichten) über die Satellitenverbindung an das akustische Gerät senden. Das Gerät kann den Arbeitsstatus (wie Batterieladung, Lautstärke und Fehlermeldungen) in Echtzeit an die landgestützte Kommandoplattform zurückübertragen, was die Fernüberwachung und die Behebung von Störungen erleichtert.
• Integration mit Positions- und Navigationsausrüstung: In Kombination mit dem GPS/Beidou-Positionsbestimmungssystem des unbemannten Schiffes sendet das ferngesteuerte akustische Gerät eine Warnansage an Schiffe, die einen voreingestellten sensiblen Bereich betreten (wie z. B. Trinkwasserschutzgebiete oder militärische Sperrzonen). Wenn das unbemannte Schiff von der vorgesehenen Route abweicht (z. B. aufgrund von Wind und Wellen beim Abweichen vom Such- und Rettungsbereich), leitet das Gerät sofort eine Positionsabweichungs-Warnung an die landbasierte Plattform weiter und gibt gegenüber den umliegenden Schiffen die Ansage „Das unbemannte Schiff weicht von der Route ab, bitte achten Sie auf Ausweichmanöver“ aus.
• Integration mit Warnleuchten: Sie wird mit der LED-Warnleuchte und Blitzlicht der unbemannten Schiffe verbunden, um einen „Licht- und Ton-Koordinations“-Effekt zu erzeugen. Wenn das ferngesteuerte akustische Gerät den Warnmodus startet, schaltet sich die Warnleuchte synchron ein (z. B. blaues Blinklicht). Durch die doppelte Stimulation von Sehen und Hören wird die Warnwirkung auf das Ziel verstärkt. Beispielsweise kann bei nächtlichen Rettungseinsätzen die „Licht- und Ton-Koordinierung“ Personen, die ins Wasser gefallen sind, helfen, die Position des unbemannten Schiffes schnell zu lokalisieren, und so die Rettungseffizienz verbessern.

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

Im Vergleich zu herkömmlichen Wasserakustikgeräten oder allein operierenden unbemannten Schiffen kann die Kombination aus ferngesteuerten akustischen Geräten und unbemannten Schiffen in vielen Bereichen deutliche Vorteile bieten:

• Erweiterung des Einsatzbereichs und der Effizienz: Unbemannte Schiffe können autonom navigieren und große Wasserflächen abdecken (bei einem einzigen Einsatz mehr als 20 Quadratkilometer). In Kombination mit ferngesteuerten akustischen Geräten ist die Informationsübertragungsrate 4 bis 6 Mal höher als bei manuell gesteuerten Schiffen mit Lautsprecherdurchsagen. Zum Beispiel kann bei der Bewirtschaftung eines 10 Quadratkilometer großen Stausees die Durchsage des Badeverbots über die gesamte Wasserfläche innerhalb von 2 Stunden abgeschlossen werden, wenn unbemannte Schiffe mit Geräten eingesetzt werden, während manuelle Schifffahrt 6 bis 8 Stunden benötigt.
• Verbesserung der Betriebssicherheit: In gefährlichen Szenarien (wie überfluteten Gebieten und Ölteppichgewässern) können unbemannte Schiffe Personal ersetzen und in Hochrisikobereiche zur Durchführung von Einsätzen eindringen. Ferngesteuerte akustische Geräte ermöglichen es dem Personal an Land, Informationsübertragungen und Abschreckungsmaßnahmen durchzuführen, ohne sich gefährlichen Umgebungen nähern zu müssen, wodurch das Risiko von Personenschäden erheblich reduziert wird. Beispielsweise können bei Wasserrettungseinsätzen nach einem Taifun unbemannte Schiffe Geräte mitführen und in Gewässer mit starkem Wind und hohen Wellen einfahren, um Rettungsanweisungen zu verbreiten, und vermeiden so, dass Rettungskräfte das Risiko eingehen müssen, selbst mit Schiffen vorzudringen.
• Präzise und ökologische Funktionsweise ermöglichen: Durch die Richtschall-Übertragungstechnologie und die präzise Positionierungsfähigkeit von unbemannten Schiffen kann der Schall gezielt in den Zielbereich übertragen werden, wodurch eine störende Schallausbreitung im umgebenden Ökosystem vermieden wird. Beispielsweise können in einem Naturschutzgebiet Warnungen gezielt an illegale Fischereifahrzeuge ausgestrahlt werden, ohne den Lebensraum der umliegenden Wasserorganismen zu beeinträchtigen. Gleichzeitig kann das Gerät die Laute von natürlichen Feinden simulieren, um eine ökologische Abwehr zu erreichen, und so die Verwendung chemischer Mittel sowie die dadurch verursachte Wasserverschmutzung vermeiden.
• Reduzierung der Betriebskosten: Ein unbemanntes Schiff in Kombination mit einem Fernschallgerät kann die Arbeitsbelastung von 2-3 Wasserbetreibern ersetzen. Außerdem sind die Kosten für den Betrieb des unbemannten Schiffes (Stromgebühr, Wartungsgebühr) niedriger als die Kosten für manuelles Steuerungsschiff. Langfristiger Betrieb kann die Investition in Arbeit und Zeit erheblich reduzieren. Bei der täglichen Sicherheitspatrouille am Hafen kann beispielsweise ein unbemanntes Schiff den Patrouillenbedarf einer 5 Kilometer langen Wasserstraße decken, und die Kosten werden im Vergleich zu manuellen Patrouillen mit Schiffen um mehr als 50% gesenkt.

Die Kommission Anwendungsfälle von Fernakustischen Geräten auf unbemannten Schiffen

Fall 1: Zusammenarbeit bei der Anwendung von unbemannten Küstengrenzschutzschiffen und Fernschallgeräten

Ein Küstengrenzverwaltungsdienst führte acht unbemannte Patrouillenboote ein, die jeweils mit einem Fernschallgerät ausgestattet waren, sowie mit einer hochauflösenden Kamera, einem Beidou - Positionsmesssystem und einem Satellitenkommunikationsmodul. Während der täglichen Patrouillen fahren die unbemannten Schiffe nach vorgegebenen Routen in den Grenzgewässern. Wenn die Kamera ein verdächtiges Schiff erkennt, das sich der Grenzlinie nähert, schaltet sich das Ferngerät automatisch in den Richtmodus und gibt die Warnmeldung ab: "Ihr Schiff hat sich der Grenzlinie Chinas nähert, bitte drehen Sie sich um und verlassen Sie sofort, andernfalls werden weitere Maßnahmen erg Wenn das verdächtige Schiff sich weigert zu verlassen, sendet das Gerät über den Satellitenverbindung die Position und den Kurs des Schiffes an die an Land ansässige Kommandozentrale. Das Kommandozentrum kann die Lautstärke des Geräts aus der Ferne anpassen, um die Warnintensität kontinuierlich zu erhöhen. Wenn aufgrund von schlechtem Wetter (wie starkem Regen und starkem Nebel) keine manuellen Patrouillen durchgeführt werden können, können die unbemannten Schiffe weiterhin normal operieren und die Grenzverwaltungsvorschriften an die vorbeigehenden Schiffe über das Gerät übertragen, um illegale Grenzübertrittsvorfälle zu ver Nach der Umsetzung dieser Regelung ist die Zahl der illegalen Grenzüberschreitungen in den Grenzgewässern um 75% gesunken und die Kosten für die Patrouille um 60% gesenkt worden, verglichen mit dem manuellen Schiffsfahren.

Fall 2: Praktische Anwendung von autonomen Schiffen für den Notrettungseinsatz bei städtischer Überschwemmung und ferngesteuerten akustischen Geräten

Als eine Stadt unter Überschwemmungskatastrophen infolge von starken Regenfällen litt, setzte das Rettungsteam 5 Notfall-Rettungs-Drohnenschiffe ein. Jedes Drohnenschiff war mit einer ferngesteuerten Akustikvorrichtung, einem Infrarot-Wärmebildgerät und einer Vorrichtung zum Abwerfen von Rettungsausrüstung ausgestattet. Die Drohnenschiffe drangen schnell in die überfluteten Straßen und Wohngebiete vor. Sobald das Infrarot-Wärmebildgerät Menschen auf Dächern und Balkonen entdeckte, wurde unverzüglich die ferngesteuerte Akustikvorrichtung aktiviert und den Eingeschlossenen die Anweisung übermittelt: „Bitte bleiben Sie an erhöhter Stelle, um gerettet zu werden. Das Drohnenschiff wird Schwimmwesten und Lebensmittel für Sie abwerfen. Betreten Sie das Wasser nicht ohne Erlaubnis.“ Gleichzeitig übertrug die Vorrichtung die Standortdaten der Eingeschlossenen über ein 4G-Kommunikationsmodul an das Rettungszentrum, um die Organisation der Rettungsteams zu unterstützen. In gefährlichen Bereichen, in denen die Wassertiefe 1,5 Meter überschreitet, sendeten die Drohnenschiffe per Akustikvorrichtung Warnhinweise wie „Die Strömung hier ist stark, bitte nähern Sie sich nicht“ an die Umstehenden, um Unfälle durch versehentliches Betreten der gefährlichen Gewässer zu verhindern. Bei dieser Rettungsaktion ermöglichte die Kombination aus ferngesteuerter Akustikvorrichtung und Drohnenschiff, dass das Rettungsteam innerhalb von 4 Stunden mehr als 230 eingeschlossene Personen evakuieren konnte. Die Effizienz der Informationsübertragung war zehnmal höher als bei herkömmlichen Lautsprechern, und es kam zu keinem Verletzten unter den Rettungskräften.