Praktyka stosowania zdalnych urządzeń akustycznych na statkach bezzałogowych

Wraz z szybkim rozwojem technologii statków bezzałogowych w operacjach morskich, patrolach bezpieczeństwa, monitorowaniu ekologicznym i innych dziedzinach, ich cechy autonomicznej nawigacji i długoterminowej wytrzymałości stały się ważnym wsparciem dla operacji wodnych. Jednak tradycyjne funkcje statków bezzałogowych skupiają się głównie na gromadzeniu danych, takich jak badanie jakości wody i monitorowanie obrazu, brakuje im jednak skutecznej interakcji z dźwiękiem wody i zdolności odstraszania. Opierając się na podstawowych zaletach kierunkowej transmisji dźwięku i odporności na zakłócenia środowiska wodnego, zdalne urządzenia akustyczne tworzą „wodną mobilną platformę akustyczną” z bezzałogowymi statkami, skutecznie kompensując niedociągnięcia w zakresie interakcji dźwiękowej bezzałogowego statku i jeszcze bardziej zwiększając ich wartość aplikacyjną w złożonych scenariuszach wodnych.

I. Scenariusze zastosowań zdalnych urządzeń akustycznych przystosowanych do statków bezzałogowych

Połączenie zdalnych urządzeń akustycznych i statków bezzałogowych dokładnie pasuje do następujących czterech scenariuszy dotyczących wody podstawowej, aby rozwiązać problemy operacyjne w różnych dziedzinach:

• Scenariusze dotyczące bezpieczeństwa morskiego i patroli granicznych: Na obszarach takich jak granice przybrzeżne i śródlądowe drogi wodne statki bezzałogowe wyposażone w zdalne urządzenia akustyczne mogą wysyłać ostrzeżenia kierunkowe do statków przemycających nielegalny przemyt i statków na gapę (np. „Twój statek wpłynął na wody podlegające chińskiej jurysdykcji, zatrzymaj się natychmiast w celu kontroli”). W kluczowych obszarach, takich jak porty i doki, mogą nadawać w czasie rzeczywistym powiadomienia dotyczące zarządzania bezpieczeństwem (np. „Zakaz przebywania na drogach wodnych, należy zwracać uwagę na omijanie przepływających statków”) i synchronizować dynamikę na miejscu z naziemnym centrum dowodzenia, aby pomóc pracownikom organów ścigania w obsłudze.
• Scenariusze akcji ratowniczych: Kiedy ludzie zostaną uwięzieni w wodzie w wyniku katastrof, takich jak powodzie i tajfuny, statki bezzałogowe mogą szybko dotrzeć do dotkniętych katastrofą wód. Za pomocą zdalnych urządzeń akustycznych mogą transmitować informacje o trasach ratunkowych uwięzionym osobom (np. „Proszę kierować się w stronę pomarańczowej tratwy ratunkowej, a w pobliżu znajduje się statek ratunkowy”) oraz przekazywać wiedzę na temat pływania i unikania zagrożeń. Podczas poszukiwań i ratownictwa morskiego mogą odtwarzać polecenia dotyczące pozycji dla osób wpadających do wody (np. „Oszczędzaj siły, a bezzałogowy statek zrzuci dla ciebie sprzęt ratujący życie”) i pomagać zespołowi ratowniczemu w ustalaniu pozycji celu za pomocą sygnałów dźwiękowych. W przypadku wypadków związanych z wyciekiem ropy mogą przekazać otaczającym statkom zakres niebezpiecznego obszaru (np. „Na wodach XX nastąpił wyciek ropy, proszę się nie zbliżać”), aby uniknąć wypadków wtórnych.
• Scenariusze ochrony ekologicznej i gospodarki wodnej: Na obszarach wodnych rezerwatów przyrody (takich jak tereny podmokłe i jeziora) statki bezzałogowe wyposażone w zdalne urządzenia akustyczne mogą nadawać głosy ostrzegawcze do nielegalnych łodzi rybackich i nielegalnych ścieków – zrzucających statki w celu odstraszenia wody. Na obszarach takich jak zbiorniki i źródła wody pitnej mogą emitować powiadomienia o zakazach skierowane do osób pływających i łowiących ryby niezgodnie z przepisami (np. „To jest obszar ochrony źródeł wody pitnej i wchodzenie do wody jest zabronione”). Na obszarach akwakultury mogą odstraszać szkodliwe organizmy wodne za pomocą fal dźwiękowych o określonej częstotliwości, aby chronić bezpieczeństwo gatunków akwakultury.
• Scenariusze usług publicznych i koordynacji operacji: Na miejscu budowy obiektów wodnych (takich jak budowa mostów i pogłębianie dróg wodnych) statki bezzałogowe mogą transmitować zakres obszaru budowy i trasę objazdu do przepływających statków za pomocą zdalnych urządzeń akustycznych (np. „Prosimy o objazd 100 metrów na północ od obszaru budowy, dziękujemy za współpracę”). Podczas wydarzeń wodnych (takich jak wyścigi smoczych łodzi i wyścigi żeglarskie) mogą transmitować w czasie rzeczywistym zasady zawodów i wskazówki dotyczące bezpieczeństwa (np. „Statki niebędące uczestnikami zawodów mają zakaz wpływania na tor wyścigowy podczas zawodów”), aby zachować porządek na miejscu.

II. Podstawowe potrzeby klientów w Scenariusze bezzałogowych statków

W przypadku statków bezzałogowych potrzeby klientów w zakresie zdalnych urządzeń akustycznych skupiają się wokół „wodoodporności, stabilności i wydajności”, które w szczególności przejawiają się w następujący sposób:

• Wysoka wodoodporność i przystosowanie do środowiska: Statki bezzałogowe działają na wodzie przez długi czas, dlatego urządzenie musi mieć stopień ochrony IP65 lub wyższy, który będzie odporny na korozję w wodzie morskiej, zanurzenie w deszczu i uderzenia fal. Jednocześnie powinien dostosowywać się do zmian temperatury wody i powietrza w zakresie od -20°C do 60°C, aby uniknąć usterek w środowiskach takich jak narażenie na wysoką temperaturę i zamarzanie w niskiej temperaturze. Ponadto powinien wykazywać odporność na wiatr i fale oraz być w stanie stabilnie przenosić dźwięk przy sile wiatru poniżej poziomu 5, bez przykrycia przez hałas otoczenia (taki jak dźwięk fal i hałas silnika).
• Potrzeby w zakresie transmisji czystego dźwięku na duże odległości: Zasięg działania statków bezzałogowych wynosi przeważnie 1–5 kilometrów akwenu. Dlatego też wymagane jest, aby urządzenie miało efektywną odległość transmisji dźwięku nie mniejszą niż 800 metrów na otwartym obszarze wodnym bez przeszkód. Sygnał głosowy nie ma zniekształceń ani szumów. Nawet w wietrznym i trudnym środowisku personel na wodzie może wyraźnie otrzymać informacje. W przypadku określonych celów (takich jak pojedynczy statek i pojedyncza uwięziona osoba) wymagana jest zdolność kierunkowego przenoszenia dźwięku, aby uniknąć zakłócania rozprzestrzeniania się dźwięku w niepowiązanych obszarach.
• Zdalne sterowanie i koordynacja: Obsługuje zdalną obsługę za pośrednictwem bezzałogowego systemu sterowania statkiem lub lądowej platformy dowodzenia, w tym regulację głośności, przełączanie trybu pracy (kierunkowy/dookólny), odtwarzanie gotowego głosu i wprowadzanie głosu w czasie rzeczywistym. Do ustawienia nie jest wymagane ręczne wejście na pokład. Jednocześnie musi być powiązany z systemem pozycjonowania GPS bezzałogowego statku, kamerą o wysokiej rozdzielczości i czujnikiem sonaru. Gdy czujnik wykryje cel (taki jak uwięzieni ludzie lub nielegalne statki), automatycznie uruchamia urządzenie akustyczne.
• Niski pobór mocy i potrzeby dostosowania wytrzymałości: Wytrzymałość statków bezzałogowych w pojedynczej operacji wynosi przeważnie 8–24 godzin. Dlatego też wymagane jest, aby urządzenie charakteryzowało się niskim poborem mocy, przy roboczym poborze mocy mniejszym niż 15W. Można go bezpośrednio podłączyć do systemu zasilania statku bezzałogowego, aby uniknąć wpływu na działanie z powodu częstego ładowania. Jednocześnie powinien posiadać funkcję monitorowania mocy. Gdy moc urządzenia jest zbyt niska, automatycznie wysyła przypomnienie do platformy dowodzenia, aby mieć pewność, że transmisja kluczowych informacji nie zostanie przerwana.

III. Podstawowa charakterystyka zdalnych urządzeń akustycznych przystosowanych do statków bezzałogowych

Aby sprostać potrzebom scenariuszy statków bezzałogowych, zdalne urządzenia akustyczne muszą mieć następujące docelowe parametry techniczne, aby zapewnić efektywną współpracę ze statkami bezzałogowymi:

• Wysoka ochrona i konstrukcja antykorozyjna: Obudowa wykonana jest ze stopu aluminium lub tworzywa konstrukcyjnego + materiału powłoki antykorozyjnej, który jest odporny na korozję wody morskiej i słodkiej oraz zapobiega rdzewieniu i pękaniu w wyniku długotrwałego zanurzenia. Interfejs sprzętu ma wodoodporną konstrukcję uszczelniającą, a kable do transmisji danych i kable zasilające są wyposażone w wodoodporne złącza, które zapobiegają przedostawaniu się wody do obwodu wewnętrznego. Jednocześnie wewnątrz urządzenia znajduje się odporny na wilgoć i oddychający zawór, który równoważy wewnętrzne i zewnętrzne ciśnienie powietrza i zapobiega tworzeniu się skroplonej wody.
• Wysoki poziom ciśnienia akustycznego i moc przeciwzakłóceniowa: Wyjściowy poziom ciśnienia akustycznego może osiągnąć 130 dB - 150 dB, pokrywając wrażliwe na ludzkie ucho pasmo częstotliwości 200 Hz - 20000 Hz, aby zapewnić, że sygnał dźwiękowy może nadal przenikać przez zakłócenia w środowiskach takich jak dźwięk fal i hałas silnika. Zastosowano profesjonalny algorytm akustyczny, który optymalizuje ścieżkę transmisji fali dźwiękowej w celu zmniejszenia tłumienia dźwięku spowodowanego odbiciem powierzchni wody. Nawet w środowisku z falami o wysokości 1 metra informacje głosowe są nadal wyraźnie odbierane w odległości 800 metrów. Jednocześnie obsługuje ponad 10 poziomów regulacji natężenia dźwięku, aby dostosować się do potrzeb różnych scenariuszy.
• Niski pobór mocy i adaptacja wielu mocy: zastosowano chip o niskim poborze mocy i energooszczędną konstrukcję obwodu. Pobór mocy w trybie gotowości jest mniejszy niż 3 W, a pobór mocy podczas pracy jest kontrolowany na poziomie 10–15 W. Można go podłączyć bezpośrednio do baterii litowej statku bezzałogowego lub systemu zasilania energią słoneczną bez dodatkowego zasilania rezerwowego. Niektóre urządzenia posiadają wbudowaną rezerwową baterię litową, która w przypadku przerwy w zasilaniu statku bezzałogowego może utrzymać ciągłą pracę urządzenia przez ponad 3 godziny, zapewniając transmisję informacji w sytuacjach awaryjnych.
• Lekki i łatwy w montażu: Całkowita waga urządzenia mieści się w granicach 5 kilogramów, a objętość nie przekracza 20 cm x 20 cm x 20 cm. Można go zamocować na pokładzie lub na szczycie kabiny statku bezzałogowego za pomocą wspornika, bez wpływu na stabilność nawigacyjną i nośność statku bezzałogowego. Interfejs instalacyjny ma znormalizowaną konstrukcję, umożliwiającą szybki demontaż i wymianę w celu ułatwienia późniejszej konserwacji i remontów.

IV. Rozwiązania integracyjne zdalnych urządzeń akustycznych z innym sprzętem

W systemie statku bezzałogowego zdalne urządzenia akustyczne muszą być zintegrowane z różnorodnym sprzętem, aby utworzyć system współpracy „percepcja – decyzja – wykonanie”. Konkretne rozwiązania integracyjne są następujące:

• Integracja ze sprzętem percepcyjnym: Jest połączona z kamerą wysokiej rozdzielczości statku bezzałogowego, czujnikiem sonaru i kamerą termowizyjną na podczerwień. Gdy kamera wykryje anormalne sytuacje, takie jak „nielegalne wtargnięcie statku” lub „wpadnięcie osoby do wody” lub gdy sonar wykryje podwodne przeszkody i nielegalny sprzęt rybacki, automatycznie uruchamia zdalne urządzenie akustyczne, aby odtworzyć odpowiedni głos (np. „Twój statek nielegalnie wtargnął na obszar objęty zakazem nawigacji, proszę natychmiast go opuścić” lub „Znaleziono osobę wpadającą do wody, a bezzałogowy statek wyruszy na ratunek”). Kamera termowizyjna na podczerwień może pomóc w zablokowaniu celu w nocy lub przy słabej widoczności, aby zapewnić dokładne przesyłanie dźwięku przez urządzenie.
• Integracja ze sprzętem komunikacyjnym: Jest podłączony do modułu komunikacyjnego 4G/5G statku bezzałogowego lub modułu komunikacji satelitarnej w celu realizacji kontroli na bardzo duże odległości. Gdy statek bezzałogowy operuje na wodach oddalonych od brzegu i bez sygnałów sieci publicznej (takich jak otwarte morze), personel lądowy może wysyłać polecenia (takie jak przełączenie trybu pracy i aktualizacja wcześniej ustawionego głosu) do urządzenia akustycznego za pośrednictwem łącza satelitarnego. Urządzenie może przesyłać w czasie rzeczywistym informacje o stanie pracy (takim jak informacje o zasilaniu, głośności i usterkach) z powrotem do platformy dowodzenia na lądzie, aby ułatwić zdalne monitorowanie i rozwiązywanie problemów.
• Integracja ze sprzętem do pozycjonowania i nawigacji: W połączeniu z systemem pozycjonowania GPS/Beidou statku bezzałogowego, gdy statek bezzałogowy wejdzie do wcześniej ustawionego wrażliwego obszaru (takiego jak obszar ochrony źródeł wody pitnej i wojskowy obszar zakazu nawigacji), zdalne urządzenie akustyczne emituje dźwięk ostrzegawczy do statków wchodzących do tego obszaru. Kiedy bezzałogowy statek zboczy z trasy operacji (np. zboczy z obszaru poszukiwań i ratownictwa z powodu wiatru i fal), urządzenie natychmiast wysyła alarm o nieprawidłowości pozycji do platformy nabrzeżnej i odtwarza komunikat „Bezzałogowy statek zbacza z trasy, proszę zwrócić uwagę na unikanie” do otaczających statków.
• Integracja z urządzeniami świateł ostrzegawczych: Jest połączona ze światłem ostrzegawczym LED i światłem stroboskopowym statku bezzałogowego, tworząc efekt „koordynacji dźwięku i światła”. Gdy zdalne urządzenie akustyczne uruchomi tryb ostrzegawczy, lampka ostrzegawcza włącza się synchronicznie (np. niebieskie światło stroboskopowe). Dzięki podwójnej stymulacji wzroku i słuchu wzmocniony zostaje efekt ostrzegawczy na celu. Na przykład podczas ratownictwa nocnego „koordynacja dźwięku i światła” może pomóc osobom wpadającym do wody szybko zlokalizować pozycję statku bezzałogowego i poprawić skuteczność akcji ratowniczej.

V. Podstawowe zalety połączenia zdalnych urządzeń akustycznych i statków bezzałogowych

W porównaniu z tradycyjnymi wodnymi urządzeniami akustycznymi lub bezzałogowymi statkami działającymi samodzielnie, połączenie zdalnych urządzeń akustycznych i statków bezzałogowych może przynieść znaczne korzyści pod wieloma względami:

• Zwiększanie zasięgu i wydajności działania: Statki bezzałogowe mogą samodzielnie nawigować i pokrywać duży obszar wodny (w ramach pojedynczej operacji można objąć obszar ponad 20 kilometrów kwadratowych). W połączeniu ze zdalnymi urządzeniami akustycznymi wydajność transmisji informacji jest 4 - 6 razy większa niż w przypadku nadawania ręcznego za pomocą statku. Przykładowo przy zarządzaniu zbiornikiem o powierzchni 10 km2 statki bezzałogowe w połączeniu z urządzeniami mogą w ciągu 2 godzin zakończyć rozgłaszanie zakazu pływania na całym akwenie, natomiast ręczne kierowanie statkiem zajmuje 6 – 8 godzin.
• Poprawa bezpieczeństwa operacji: w niebezpiecznych scenariuszach (takich jak obszary dotknięte powodzią lub wody po wyciekach ropy) statki bezzałogowe mogą zastąpić personel w celu wejścia do obszarów wysokiego ryzyka w celu przeprowadzenia operacji. Zdalne urządzenia akustyczne umożliwiają personelowi lądowemu dokończenie przekazywania informacji i odstraszanie bez zbliżania się do niebezpiecznych środowisk, co znacznie zmniejsza ryzyko ofiar wśród personelu. Na przykład w ratownictwie wodnym po tajfunie statki bezzałogowe wyposażone są w urządzenia umożliwiające przedostanie się na wody przy silnym wietrze i falach w celu nadania instrukcji ratowniczych, co pozwala uniknąć ryzyka podjęcia przez ratowników ryzyka poprzez kierowanie statkami.
• Zrealizuj precyzyjne i ekologiczne działanie: dzięki technologii kierunkowej transmisji dźwięku i precyzyjnej zdolności pozycjonowania statków bezzałogowych, dźwięk może być dokładnie przenoszony do obszaru docelowego, unikając zakłóceń środowiskowych spowodowanych dyfuzją dźwięku do otaczającego środowiska ekologicznego. Na przykład na obszarze wodnym rezerwatu przyrody ostrzeżenia mogą być kierowane do statków prowadzących nielegalne połowy, bez wpływu na siedliska otaczających je organizmów wodnych. Jednocześnie urządzenie może symulować odgłosy naturalnych wrogów, aby osiągnąć ekologiczne odstraszanie, unikając zanieczyszczenia wody spowodowanego użyciem środków chemicznych.
• Obniżenie kosztów operacyjnych: Jeden bezzałogowy statek w połączeniu ze zdalnym urządzeniem akustycznym może zastąpić obciążenie pracą 2–3 personelu odpowiedzialnego za obsługę wody. Co więcej, jednorazowy koszt eksploatacji (opłata za prąd, opłata eksploatacyjna) statku bezzałogowego jest niższy niż koszt ręcznego kierowania statkiem. Długoterminowa eksploatacja może znacznie zmniejszyć inwestycję w pracę i czas. Przykładowo w codziennym patrolu ochrony portu jeden bezzałogowy statek jest w stanie pokryć potrzeby patrolowania 5-kilometrowego szlaku wodnego, a koszt jest obniżony o ponad 50% w porównaniu z patrolami ręcznymi.

VI. Przypadki zastosowania zdalnych urządzeń akustycznych na statkach bezzałogowych

Przypadek 1: Wspólne zastosowanie przybrzeżnych patroli bezzałogowych statków granicznych i zdalnych urządzeń akustycznych

Departament zarządzania granicami przybrzeżnymi wprowadził do służby 8 bezzałogowych statków patrolowych, każdy wyposażony w zdalne urządzenie akustyczne, kamerę wysokiej rozdzielczości, system pozycjonowania Beidou i moduł komunikacji satelitarnej. Podczas codziennych patroli bezzałogowe statki pływają po wodach granicznych według ustalonych tras. Kiedy kamera zidentyfikuje podejrzany statek zbliżający się do granicy, zdalne urządzenie akustyczne automatycznie przełącza się w tryb kierunkowy i emituje sygnał ostrzegawczy: „Twój statek zbliżył się do granicy Chin, proszę zawrócić i natychmiast opuścić, w przeciwnym razie zostaną podjęte dalsze działania” w stosunku do podejrzanego statku. Jeśli podejrzany statek odmówi opuszczenia statku, urządzenie synchronizuje położenie statku i informacje o kursie z centrum dowodzenia na lądzie za pośrednictwem łącza satelitarnego. Centrum dowodzenia może zdalnie regulować głośność urządzenia, aby stale zwiększać intensywność ostrzeżenia. Ponadto, gdy ręczne patrole nie mogą być prowadzone ze względu na złą pogodę (np. ulewny deszcz i gęsta mgła), statki bezzałogowe mogą nadal normalnie działać i przekazywać przepisy dotyczące zarządzania granicami przepływającym statkom za pośrednictwem urządzenia, aby zapobiec incydentom nielegalnego przekraczania granicy. Po wdrożeniu tego programu liczba przypadków nielegalnego przekroczenia granicy na wodach granicznych spadła o 75%, a koszty patrolowania o 60% w porównaniu z ręcznym kierowaniem statkiem.

Przypadek 2: Praktyczne zastosowanie bezzałogowych statków ratowniczych i zdalnych urządzeń akustycznych, podmokłych miast

Kiedy w mieście doszło do podtopień spowodowanych ulewnymi deszczami, zespół ratunkowy uruchomił 5 bezzałogowych statków ratowniczych. Każdy bezzałogowy statek był wyposażony w zdalne urządzenie akustyczne, kamerę termowizyjną na podczerwień i urządzenie do zrzucania sprzętu ratującego życie. Bezzałogowe statki szybko wpłynęły na zalane ulice i wody gminne. Kiedy kamera termowizyjna na podczerwień wykryła uwięzione osoby na dachu i balkonie, natychmiast włączyło się zdalne urządzenie akustyczne i odtworzyło instrukcję: „Proszę pozostać na wysokości w celu udzielenia pomocy, bezzałogowy statek zrzuci dla Was kamizelki ratunkowe i żywność. Prosimy nie wchodzić do wody bez pozwolenia” uwięzionym osobom. Jednocześnie urządzenie przesłało informacje o lokalizacji uwięzionych osób z powrotem do centrum dowodzenia ratownictwem za pośrednictwem modułu komunikacyjnego 4G, aby pomóc w zorganizowaniu ekipy ratowniczej. W niebezpiecznym obszarze, gdzie głębokość wody przekracza 1,5 metra, bezzałogowe statki emitują ostrzeżenie „Przepływ wody w tym miejscu jest szybki, prosimy nie zbliżać się” do otaczających ludzi za pośrednictwem urządzenia, aby zapobiec przypadkowemu wejściu ludzi do niebezpiecznych wód. Podczas tej akcji ratunkowej połączenie zdalnego urządzenia akustycznego i statku bezzałogowego pomogło zespołowi ratowniczemu przenieść ponad 230 uwięzionych osób w ciągu 4 godzin. Skuteczność przekazywania informacji była 10 razy większa niż w przypadku tradycyjnego głośnika, a żaden ratownik nie odniósł obrażeń.