Applicazione Pratica dei Dispositivi Acustici a Distanza su Navi Autonome

Con lo sviluppo rapido della tecnologia delle navi autonome nelle operazioni marittime, nei pattugliamenti di sicurezza, nel monitoraggio ecologico e in altri settori, le sue caratteristiche di navigazione autonoma e di lunga autonomia sono diventate un supporto fondamentale per le operazioni in ambiente acquatico. Tuttavia, le funzioni tradizionali delle navi autonome si concentrano principalmente sulla raccolta di dati come test della qualità dell'acqua e monitoraggio mediante immagini, ed esse risultano carenti in termini di interazione acustica efficace e capacità di dissuasione subacquea. Sfruttando i vantaggi principali della trasmissione sonora direzionale e della resistenza alle interferenze ambientali subacquee, i dispositivi acustici a distanza formano insieme alle navi autonome una "piattaforma acustica mobile subacquea", compensando efficacemente il limite rappresentato dall'interazione sonora delle navi autonome e ampliando ulteriormente il loro valore applicativo in scenari acquatici complessi.

I. Scenari di applicazione dei dispositivi acustici a distanza adattati alle navi autonome

La combinazione di dispositivi acustici remoti e navi senza equipaggio corrisponde con precisione ai seguenti quattro scenari idrici principali, risolvendo i problemi operativi in diversi settori:

• Scenari di sicurezza marittima e pattugliamento di frontiera: in aree come confini costieri e vie navigabili interne, le navi senza equipaggio dotate di dispositivi acustici remoti possono inviare avvertimenti direzionali a imbarcazioni coinvolte in contrabbando illegale o a clandestini (ad esempio: "La vostra imbarcazione ha oltrepassato le acque sotto giurisdizione cinese, si prega di fermarsi immediatamente per il controllo"). In zone chiave come porti e banchine, possono trasmettere in tempo reale comunicazioni di gestione della sicurezza (ad esempio: "È vietato sostare nella via navigabile, si prega di prestare attenzione a evitare le imbarcazioni in transito") e sincronizzare la situazione sul posto con il centro di comando a terra, supportando così il personale preposto all'applicazione delle norme.
• Scenari di soccorso d'emergenza: Quando le persone sono intrappolate in acqua a causa di disastri come alluvioni e tifoni, le navi senza pilota possono raggiungere rapidamente le zone colpite. Attraverso dispositivi acustici remoti, possono trasmettere indicazioni di salvataggio alle persone intrappolate (ad esempio "Si prega di spostarsi in direzione della zattera di salvataggio arancione, la nave di soccorso è in attesa nelle vicinanze") e fornire informazioni su come galleggiare ed evitare rischi. Nelle operazioni di ricerca e soccorso marittimo, possono inviare messaggi di posizionamento alle persone cadute in acqua (ad esempio "Risparmi le forze, la nave senza pilota legetterà l'equipaggiamento di salvataggio per voi") e assistere il team di soccorso nel localizzare la posizione del bersaglio attraverso segnali sonori. In caso di sversamenti di petrolio, possono comunicare l'estensione della zona pericolosa alle imbarcazioni circostanti (ad esempio "È presente uno sversamento di petrolio nelle acque XX, si prega di non avvicinarsi") per evitare incidenti secondari.
• Scenari di protezione ecologica e gestione delle risorse idriche: nelle aree acquatiche delle riserve naturali (come zone umide e laghi), navi senza pilota dotate di dispositivi acustici a distanza possono trasmettere messaggi di avvertimento alle barche da pesca illegale e alle navi che scaricano reflui illegalmente, creando un deterrente sull'acqua. In zone come bacini idrici e fonti di acqua potabile, possono trasmettere avvisi di divieto a persone che nuotano o pescano in violazione delle norme (ad esempio "Questa è un'area protetta di approvvigionamento idrico, l'ingresso in acqua è vietato"). Nelle aree di acquacoltura, possono respingere organismi acquatici nocivi attraverso onde sonore a frequenze specifiche, proteggendo la sicurezza delle specie allevate.
• Scenari di servizi pubblici e coordinamento operativo: Sul sito di lavori marittimi (ad esempio costruzione di ponti e dragaggio di vie navigabili), le navi senza pilota possono trasmettere l'area interessata dai lavori e il percorso alternativo alle imbarcazioni in transito attraverso dispositivi acustici remoti (ad esempio "Si prega di deviare 100 metri a nord dell'area di lavoro, grazie per la collaborazione"). Durante eventi in acqua (come gare di barche a remi o regate), possono trasmettere in tempo reale le regole della competizione e consigli sulla sicurezza (ad esempio "È vietato alle imbarcazioni non partecipanti all'evento di entrare nella pista di gara durante la competizione"), al fine di mantenere l'ordine sul posto.

II. Esigenze principali dei clienti in Scenari di navi senza pilota

Nell'applicazione delle navi senza pilota, le esigenze dei clienti riguardo ai dispositivi acustici remoti ruotano attorno a "resistenza all'acqua, stabilità ed efficienza", manifestandosi specificamente come segue:

• Elevata resistenza all'acqua e adattabilità ambientale richieste: le navi senza pilota operano a lungo in ambiente acquatico, pertanto il dispositivo deve possedere un grado di protezione IP65 o superiore, in grado di resistere alla corrosione del mare, all'immersione causata dalla pioggia e all'impatto delle onde. Allo stesso tempo, deve essere in grado di adattarsi alle variazioni di temperatura dell'acqua e dell'aria nell'intervallo da -20 °C a 60 °C, evitando malfunzionamenti in condizioni ambientali come esposizione a temperature elevate o congelamento a basse temperature. Inoltre, deve avere capacità di resistenza al vento e alle onde, garantendo una trasmissione sonora stabile con vento inferiore a forza 5, senza essere coperto dal rumore ambientale (ad esempio il rumore delle onde o dei motori).
• Esigenze di trasmissione del suono chiara a lunga distanza: L'area operativa delle navi senza pilota è per lo più compresa tra 1 e 5 chilometri di superficie acquatica. Pertanto, il dispositivo deve avere una distanza efficace di trasmissione del suono non inferiore a 800 metri in un'area acquatica aperta e priva di ostacoli. Il segnale vocale non deve presentare distorsioni né rumori. Anche in condizioni di vento forte e mare agitato, il personale in acqua deve poter ricevere chiaramente le informazioni. Per obiettivi specifici (ad esempio una singola imbarcazione o una singola persona intrappolata), è richiesta la capacità di trasmissione sonora direzionale, al fine di evitare che la diffusione del suono interferisca con aree non interessate.
• Esigenze di controllo e coordinamento remoto: supporta il funzionamento da remoto attraverso il sistema di controllo della nave senza equipaggio o la piattaforma di comando a terra, inclusi la regolazione del volume, l'alternanza della modalità operativa (direttiva/omnidirezionale), la riproduzione di messaggi preregistrati e l'inserimento vocale in tempo reale. Non è necessario salire a bordo per le impostazioni. Allo stesso tempo, deve essere collegato al sistema GPS di posizionamento della nave senza equipaggio, alla telecamera ad alta definizione e al sensore sonar. Quando il sensore rileva un obiettivo (ad esempio persone intrappolate o imbarcazioni illegali), attiva automaticamente il dispositivo acustico.
• Bassi consumi e requisiti di autonomia: L'autonomia per singola operazione delle navi senza pilota è generalmente compresa tra le 8 e le 24 ore. Pertanto, il dispositivo deve presentare caratteristiche di basso consumo energetico, con un consumo in funzionamento inferiore a 15 W. Deve poter essere collegato direttamente al sistema di alimentazione della nave senza pilota, evitando interruzioni operative dovute a ricariche frequenti. Allo stesso tempo, deve disporre di una funzione di monitoraggio dell'alimentazione, in grado di inviare automaticamente un avviso alla piattaforma di controllo quando il livello di carica è troppo basso, garantendo così la continuità della trasmissione delle informazioni essenziali.

III. Caratteristiche principali dei dispositivi acustici a distanza adattati alle navi senza pilota

Per soddisfare le esigenze degli scenari con navi senza pilota, i dispositivi acustici remoti devono possedere le seguenti caratteristiche tecniche specifiche, finalizzate a garantire una collaborazione efficiente con tali imbarcazioni:

• Design ad alta protezione e anti-corrosione: L'involucro è realizzato in lega di alluminio o plastica tecnica + materiale rivestito anti-corrosione, in grado di resistere alla corrosione dell'acqua di mare e dell'acqua dolce ed evitare ruggine e crepe dovute a immersione prolungata. L'interfaccia dell'apparecchiatura adotta una struttura stagna impermeabile, e i cavi dati e i cavi di alimentazione sono dotati di connettori impermeabili per impedire l'ingresso di acqua nei circuiti interni. Allo stesso tempo, all'interno del dispositivo è prevista una valvola igroscopica e traspirante che bilancia la pressione atmosferica interna ed esterna ed evita la formazione di condensa.
• Elevato livello di pressione sonora e uscita antinterferenza: Il livello di pressione sonora in uscita può raggiungere i 130 dB - 150 dB, coprendo la banda di frequenze sensibile all'orecchio umano da 200 Hz a 20000 Hz, garantendo che il segnale audio possa comunque penetrare le interferenze in ambienti con rumore d'onda e di motore. Viene utilizzato un algoritmo acustico professionale per ottimizzare il percorso di trasmissione dell'onda sonora, riducendo l'attenuazione del suono causata dalla riflessione sulla superficie dell'acqua. Anche in presenza di onde alte un metro, le informazioni vocali possono essere chiaramente ricevute a 800 metri di distanza. Allo stesso tempo, supporta più di 10 livelli di regolazione dell'intensità del suono, adattandosi alle esigenze di diversi scenari.
• Basso consumo energetico e adattamento multi-potenza: viene utilizzato un chip a basso consumo e un design del circuito risparmio energetico. Il consumo in standby è inferiore a 3 W e il consumo durante il funzionamento è controllato tra 10 e 15 W. Può essere collegato direttamente al sistema di alimentazione a batteria al litio o solare dell'imbarcazione senza pilota, senza necessità di un'alimentazione di backup aggiuntiva. Alcuni dispositivi sono dotati di una batteria al litio di backup integrata, che può mantenere il funzionamento continuo del dispositivo per oltre 3 ore in caso di interruzione dell'alimentazione dell'imbarcazione senza pilota, garantendo la trasmissione delle informazioni in situazioni di emergenza.
• Design leggero e semplice da installare: Il peso complessivo del dispositivo è contenuto entro 5 chilogrammi e le dimensioni non superano i 20 cm × 20 cm × 20 cm. Può essere fissato sul ponte o sulla sommità della cabina della nave senza equipaggio tramite un supporto, senza compromettere la stabilità di navigazione né la capacità di carico. L'interfaccia di installazione adotta un design standardizzato, che consente lo smontaggio rapido e la sostituzione, facilitando la manutenzione e la revisione successiva.

IV. Soluzioni di integrazione di dispositivi acustici remoti con altre apparecchiature

Nel sistema della nave senza equipaggio, i dispositivi acustici remoti devono essere integrati con una varietà di apparecchiature per formare un sistema collaborativo "percezione - decisione - esecuzione". Le specifiche soluzioni di integrazione sono le seguenti:

• Integrazione con l'equipaggiamento di percezione: è collegato alla telecamera ad alta definizione, al sensore sonar e all'imager termico a infrarossi dell'imbarcazione senza pilota. Quando la telecamera rileva situazioni anomale come "intrusione illegale di una nave" e "persona caduta in acqua", oppure quando il sonar individua ostacoli subacquei o attrezzature per la pesca illegale, attiva automaticamente il dispositivo acustico remoto per riprodurre il messaggio vocale corrispondente (ad esempio: "La vostra imbarcazione ha effettuato un'ingresso illegale nella zona vietata alla navigazione, si prega di allontanarsi immediatamente" e "È stata rilevata una persona caduta in acqua, l'imbarcazione senza pilota provvederà al soccorso"). L'imager termico a infrarossi può assistere nel puntare il bersaglio in condizioni notturne o di scarsa visibilità, garantendo che il dispositivo trasmetta il suono con precisione.
• Integrazione con l'equipaggiamento di comunicazione: è collegato al modulo di comunicazione 4G/5G della nave senza equipaggio o al modulo di comunicazione satellitare per realizzare un controllo a ultra-lunga distanza. Quando la nave senza equipaggio opera in acque lontane dalla costa e prive di segnali di rete pubblica (come il mare aperto), il personale a terra può inviare comandi (ad esempio, cambiare la modalità di funzionamento o aggiornare il messaggio vocale preimpostato) al dispositivo acustico attraverso il collegamento satellitare. Il dispositivo può trasmettere in tempo reale lo stato di funzionamento (ad esempio, livello della batteria, volume e informazioni sugli errori) alla piattaforma di comando a terra, facilitando il monitoraggio remoto e la risoluzione dei guasti.
• Integrazione con apparecchiature di posizionamento e navigazione: in combinazione con il sistema di posizionamento GPS/Beidou della nave senza equipaggio, quando la nave entra in un'area sensibile preimpostata (ad esempio un'area protetta per la fonte di acqua potabile o una zona militare a navigazione vietata), il dispositivo acustico remoto trasmette un avviso vocale alle imbarcazioni che entrano in questa zona. Quando la nave senza equipaggio si discosta dal percorso operativo (ad esempio a causa di vento e onde che la spingono fuori dall'area di ricerca e soccorso), il dispositivo invia immediatamente un allarme di anomalia posizionale alla piattaforma a terra e riproduce l'avviso "La nave senza equipaggio si è discostata dal percorso, si prega di prestare attenzione per evitarla" rivolto alle imbarcazioni circostanti.
• Integrazione con l'equipaggiamento luminoso di avvertimento: è collegato alla luce LED di avvertimento e alla luce stroboscopica dell'imbarcazione senza pilota per creare un effetto di "coordinamento audio-luminoso". Quando il dispositivo acustico a distanza attiva la modalità di avvertimento, la spia di avvertimento si accende in sincronia (ad esempio, una luce stroboscopica blu). Attraverso la doppia stimolazione visiva e uditiva, l'effetto di avvertimento sul bersaglio viene potenziato. Ad esempio, durante un salvataggio notturno, il "coordinamento audio-luminoso" può aiutare le persone cadute in acqua a individuare rapidamente la posizione dell'imbarcazione senza pilota, migliorando così l'efficienza del salvataggio.

V. Vantaggi principali della combinazione di dispositivi acustici a distanza e imbarcazioni senza pilota

Rispetto ai tradizionali dispositivi acustici subacquei o alle imbarcazioni senza pilota che operano singolarmente, la combinazione di dispositivi acustici a distanza e imbarcazioni senza pilota può offrire significativi vantaggi in molti aspetti:

• Ampliare la gamma operativa e l'efficienza: le navi senza pilota possono navigare autonomamente e coprire ampie aree marine (una singola operazione può coprire più di 20 chilometri quadrati). Combinata con dispositivi acustici remoti, l'efficienza di trasmissione delle informazioni è da 4 a 6 volte superiore rispetto alla diffusione manuale tramite imbarcazioni. Ad esempio, nella gestione di un bacino di 10 chilometri quadrati, le navi senza pilota combinate con tali dispositivi possono completare la diffusione dell'avviso di divieto di nuoto in tutta l'area acquatica entro 2 ore, mentre con l'imbarcazione guidata manualmente occorrono 6-8 ore.
• Migliora la sicurezza operativa: in scenari pericolosi (come aree colpite da alluvioni e acque con sversamenti di petrolio), le navi senza equipaggio possono sostituire il personale entrando in zone ad alto rischio per effettuare operazioni. Dispositivi acustici remoti consentono al personale a terra di completare la trasmissione di informazioni e dissuadere minacce senza avvicinarsi a ambienti pericolosi, riducendo notevolmente il rischio di vittime tra il personale. Ad esempio, durante i soccorsi in mare dopo un tifone, le navi senza equipaggio trasportano dispositivi per entrare in acque con forti venti e onde, diffondendo istruzioni di salvataggio, evitando così che il personale di soccorso corra il rischio di guidare imbarcazioni in condizioni pericolose.
• Realizza un funzionamento preciso ed ecologico: grazie alla tecnologia di trasmissione del suono direzionale e alla capacità di posizionamento preciso delle imbarcazioni senza pilota, il suono può essere trasmesso con precisione nell'area target, evitando interferenze ambientali causate dalla diffusione sonora sull'ambiente ecologico circostante. Ad esempio, in una zona acquatica protetta, è possibile trasmettere avvisi in modo direzionale verso navi che praticano pesca illegale, senza influenzare l'habitat degli organismi acquatici circostanti. Allo stesso tempo, il dispositivo può simulare il suono di predatori naturali per ottenere un allontanamento ecologico, evitando l'inquinamento delle acque derivante dall'uso di agenti chimici.
• Riduzione dei costi operativi: una nave senza equipaggio abbinata a un dispositivo acustico remoto può sostituire il lavoro di 2-3 operatori marittimi. Inoltre, il costo singolo dell'operazione (costo elettricità, manutenzione) della nave senza equipaggio è inferiore rispetto al costo di una nave condotta manualmente. Un utilizzo a lungo termine permette di ridurre significativamente gli investimenti in manodopera e tempo. Ad esempio, nella sorveglianza quotidiana di sicurezza del porto, una nave senza equipaggio può coprire le esigenze di pattugliamento di una via navigabile di 5 chilometri, con un costo ridotto di oltre il 50% rispetto ai pattugliamenti effettuati con navi guidate manualmente.

VI. Casi di applicazione dei dispositivi acustici remoti sulle navi senza equipaggio

Caso 1: Applicazione collaborativa delle navi senza equipaggio per la sorveglianza delle frontiere costiere e dei dispositivi acustici remoti

Un dipartimento di gestione delle frontiere costiere ha introdotto 8 navi da pattuglia senza pilota, ciascuna dotata di un dispositivo acustico remoto, una telecamera ad alta definizione, un sistema di posizionamento Beidou e un modulo di comunicazione satellitare. Durante i pattugliamenti quotidiani, le navi autonome navigano nelle acque di confine seguendo rotte preimpostate. Quando la telecamera identifica una nave sospetta in avvicinamento alla linea di confine, il dispositivo acustico remoto passa automaticamente alla modalità direzionale e trasmette alla nave sospetta il messaggio vocale di avvertimento: "La vostra imbarcazione si è avvicinata alla linea di confine della Cina, invertite immediatamente la rotta e allontanatevi, altrimenti saranno adottate ulteriori misure". Se la nave sospetta rifiuta di lasciare la zona, il dispositivo invia in tempo reale al centro operativo a terra le informazioni sulla posizione e la rotta della nave tramite collegamento satellitare. Il centro operativo può regolare a distanza il volume del dispositivo per intensificare progressivamente l'avvertimento. Inoltre, quando i pattugliamenti manuali non possono essere effettuati a causa di condizioni meteorologiche avverse (come pioggia intensa o nebbia fitta), le navi senza pilota possono comunque operare normalmente e trasmettere alle imbarcazioni in transito le norme di gestione del confine attraverso il dispositivo, prevenendo così episodi di attraversamento illegale del confine. Dopo l'attuazione di questo sistema, il numero di incidenti di attraversamento illegale del confine nelle acque di frontiera è diminuito del 75%, mentre i costi di pattugliamento si sono ridotti del 60% rispetto ai pattugliamenti effettuati con imbarcazioni tradizionali.

Caso 2: Applicazione pratica di navi senza pilota per il soccorso in emergenze da allagamenti urbani e dispositivi acustici a distanza

Quando una città ha subito disastri di allagamento causati da forti piogge, il team di soccorso ha impiegato 5 navi senza pilota per il salvataggio d'emergenza. Ogni nave senza pilota era dotata di un dispositivo acustico a distanza, un termocamera a infrarossi e un dispositivo per il rilascio di equipaggiamento salva-vita. Le navi senza pilota sono entrate rapidamente nelle strade allagate e nelle zone acquatiche delle comunità. Quando il termocamera a infrarossi rilevava persone intrappolate sui tetti e sui balconi, il dispositivo acustico a distanza veniva immediatamente attivato e trasmetteva alle persone intrappolate l'istruzione: "Per favore rimanete in un punto alto per essere soccorsi; la nave senza pilota vi fornirà giubbotti di salvataggio e cibo; non entrate in acqua senza autorizzazione". Allo stesso tempo, il dispositivo trasmetteva al centro operativo di soccorso le informazioni sulla posizione delle persone intrappolate attraverso il modulo di comunicazione 4G, aiutando così nell'organizzazione del team di salvataggio. Nelle aree pericolose dove la profondità dell'acqua superava 1,5 metri, le navi senza pilota diffondevano tramite il dispositivo l'avvertimento: "La corrente qui è molto forte, non avvicinatevi", rivolto alle persone circostanti, per evitare che entrassero accidentalmente in acque pericolose. In questo intervento di soccorso, la combinazione del dispositivo acustico a distanza e della nave senza pilota ha permesso al team di soccorso di evacuare oltre 230 persone intrappolate entro 4 ore. L'efficienza nella trasmissione delle informazioni è risultata 10 volte superiore rispetto a quella ottenuta con i megafoni tradizionali, e nessun membro del personale di soccorso è rimasto ferito.