Практическое применение дистанционных акустических устройств на необитаемых судах

С быстрым развитием технологий необитаемых судов в морских операциях, патрулировании безопасности, экологическом мониторинге и других областях их характеристики автономного управления и длительной автономности становятся важной основой для водных операций. Однако традиционные функции необитаемых судов в основном сосредоточены на сборе данных, таких как анализ качества воды и видеонаблюдение, и им не хватает эффективных возможностей акустического взаимодействия и сдерживания под водой. Опираясь на ключевые преимущества направленной передачи звука и устойчивости к помехам водной среды, удалённые акустические устройства в сочетании с необитаемыми судами образуют «мобильную акустическую платформу на воде», что эффективно компенсирует недостаток акустического взаимодействия у необитаемых судов и дополнительно расширяет их прикладное значение в сложных водных условиях.

Я. Сценарии применения удалённых акустических устройств, адаптированных для необитаемых судов

Сочетание дистанционных акустических устройств и необитаемых судов точно соответствует следующим четырём основным сценариям использования в водной среде, решая проблемы эксплуатации в различных областях:

• Сценарии морской безопасности и пограничного патрулирования: на участках прибрежных границ и внутренних водных путей необитаемые суда, оснащённые дистанционными акустическими устройствами, могут подавать направленные предупреждения судам, занимающимся незаконным контрабандой или пытающимся проникнуть тайно (например: «Ваше судно вошло в территориальные воды Китая, немедленно остановитесь для проверки»). На ключевых объектах, таких как порты и причалы, они могут в режиме реального времени транслировать уведомления об обеспечении безопасности (например: «Нахождение в акватории водного пути запрещено, будьте внимательны и уступайте дорогу проходящим судам») и синхронизировать данные о происходящем с наземным командным центром для оказания помощи сотрудникам правоохранительных органов.
• Сценарии аварийно-спасательных работ: когда люди оказываются в ловушке на воде из-за стихийных бедствий, таких как наводнения и тайфуны, необитаемые суда могут быстро достигнуть затопленных районов. С помощью удалённых акустических устройств они могут объявлять маршрут спасения для людей, находящихся в ловушке (например: «Пожалуйста, двигайтесь в направлении оранжевого спасательного плота, спасательное судно находится рядом на дежурстве»), а также передавать знания о плавучести и способах избежать опасности. В морских поисково-спасательных операциях они могут подавать звуковые сигналы людям, упавшим за борт (например: «Сохраняйте силы, необитаемое судно сбросит для вас спасательное оборудование»), помогая спасательной команде определить точное местоположение посредством звуковых сигналов. В случае разлива нефти они могут информировать окружающие суда о границах опасной зоны (например: «В акватории XX произошёл разлив нефти, пожалуйста, не подходите близко»), предотвращая тем самым вторичные аварии.
• Сценарии экологической защиты и управления водными ресурсами: на водных территориях природных заповедников (таких как болота и озёра) беспилотные суда, оснащённые дистанционными акустическими устройствами, могут транслировать предупреждающие сообщения нелегальным рыболовецким лодкам и судам, сбрасывающим сточные воды, создавая тем самым водное сдерживание. На таких участках, как водохранилища и источники питьевой воды, они могут транслировать запрещающие объявления для людей, купающихся или рыбачащих с нарушением правил (например: «Это зона защиты источника питьевой воды, вход в воду запрещён»). В районах аквакультуры они могут отпугивать вредные водные организмы с помощью звуковых волн определённой частоты, обеспечивая безопасность выращиваемых видов.
• Сценарии государственных услуг и координации операций: На объектах гидротехнического строительства (например, при строительстве мостов и углублении водных путей) беспилотные суда могут транслировать с помощью удалённых акустических устройств информацию о границах зоны строительства и маршруте объезда для проходящих судов (например: "Пожалуйста, следуйте по обходному маршруту в 100 метрах к северу от зоны строительства, благодарим за сотрудничество"). Во время водных мероприятий (например, соревнований по гребле на драконьих лодках или парусных гонок) они могут в режиме реального времени сообщать правила соревнований и рекомендации по безопасности (например: "Во время соревнований вход судов, не участвующих в событии, на гоночную трассу запрещён"), чтобы поддерживать порядок на месте проведения.

II. Основные потребности клиентов в Сценариях использования беспилотных судов

В применении беспилотных судов потребности клиентов в отношении удалённых акустических устройств сосредоточены вокруг таких параметров, как «водонепроницаемость, стабильность и эффективность», что конкретно проявляется следующим образом:

• Высокая водостойкость и способность к адаптации к окружающей среде: беспилотные суда длительное время работают на воде, поэтому устройство должно иметь степень защиты IP65 или выше, чтобы выдерживать коррозию морской водой, попадание дождя и воздействие волн. В то же время оно должно адаптироваться к изменениям температуры воды и воздуха в диапазоне от -20 °C до 60 °C, чтобы избежать неисправностей в условиях высокой температуры или замерзания при низких температурах. Кроме того, устройство должно обладать устойчивостью к ветру и волнам и обеспечивать стабильную передачу звука при силе ветра ниже 5 баллов, не подавляясь шумами окружающей среды (например, шумом волн и двигателей).
• Требования к передаче звука на большие расстояния: Радиус действия необитаемых судов составляет в основном 1–5 километров акватории. Поэтому устройство должно обеспечивать эффективную дальность передачи звука не менее 800 метров на открытой водной поверхности без препятствий. Звуковой сигнал должен быть без искажений и посторонних шумов. Даже в условиях ветреной и штормовой погоды персонал на воде должен чётко получать информацию. Для конкретных целей (например, отдельное судно или один пострадавший) требуется возможность направленной передачи звука, чтобы избежать распространения звука и помех в нерелевантных зонах.
• Требования к дистанционному управлению и координации: поддерживается удаленное управление через систему управления необитаемым судном или береговую командную платформу, включая регулировку громкости, переключение режимов работы (направленный/всенаправленный), воспроизведение предварительно записанных голосовых сообщений и ввод голоса в реальном времени. Ручной выход на борт для настройки не требуется. В то же время устройство должно быть интегрировано с GPS-позиционированием необитаемого судна, высококачественной камерой и сонарным датчиком. Когда датчик обнаруживает цель (например, людей в ловушке или незаконные суда), акустическое устройство автоматически активируется.
• Требования к низкому энергопотреблению и автономности: Время автономной работы беспилотных судов в основном составляет 8–24 часа. Поэтому устройство должно обладать характеристиками низкого энергопотребления, при этом рабочее потребление энергии должно быть менее 15 Вт. Устройство может напрямую подключаться к бортовой системе электропитания беспилотного судна, чтобы избежать влияния на работу из-за необходимости частой подзарядки. В то же время оно должно иметь функцию контроля питания. Когда уровень заряда устройства становится слишком низким, оно автоматически отправляет уведомление на командную платформу, обеспечивая бесперебойную передачу ключевой информации.

III. Основные характеристики дистанционных акустических устройств, адаптированных для беспилотных судов

Для удовлетворения потребностей сценариев использования на беспилотных судах дистанционные акустические устройства должны обладать следующими целевыми техническими характеристиками, обеспечивающими эффективное взаимодействие с беспилотными судами:

• Высокая защита и антикоррозийная конструкция: корпус изготовлен из алюминиевого сплава или инженерного пластика с антикоррозийным покрытием, что позволяет выдерживать воздействие морской и пресной воды и предотвращает появление ржавчины и трещин при длительном погружении. Интерфейс оборудования имеет водонепроницаемую уплотнительную конструкцию, а кабели передачи данных и силовые кабели оснащены водонепроницаемыми разъёмами для предотвращения проникновения воды во внутреннюю цепь. В то же время внутри устройства установлен влагозащитный дыхательный клапан для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи и предотвращения образования конденсата.
• Высокий уровень звукового давления и выход с защитой от помех: выходной уровень звукового давления может достигать 130 дБ – 150 дБ, охватывая чувствительный для человеческого уха частотный диапазон 200 Гц – 20000 Гц, что обеспечивает возможность прохождения звукового сигнала сквозь помехи в условиях шума волн и двигателя. Используется профессиональный акустический алгоритм для оптимизации пути передачи звуковой волны, снижающий затухание звука, вызванное отражением от поверхности воды. Даже при высоте волн до 1 метра голосовая информация всё ещё чётко принимается на расстоянии 800 метров. В то же время поддерживается более 10 уровней регулировки интенсивности звука для адаптации к потребностям различных сценариев.
• Низкое энергопотребление и адаптация к многочисленным источникам питания: используется низковольтный чип и энергосберегающая схема. Потребляемая мощность в режиме ожидания составляет менее 3 Вт, а в рабочем режиме — 10–15 Вт. Устройство можно напрямую подключить к литиевой батарее или солнечной системе питания беспилотного судна без дополнительного резервного источника питания. Некоторые устройства оснащены встроенной резервной литиевой батареей, которая может обеспечивать непрерывную работу устройства более 3 часов при отключении основного питания беспилотного судна, гарантируя передачу информации в чрезвычайных ситуациях.
• Легкий и простой в установке: общий вес устройства не превышает 5 килограммов, а объем — 20 см × 20 см × 20 см. Устройство может крепиться на палубе или на крыше рубки беспилотного судна с помощью кронштейна без ущерба для навигационной устойчивости и грузоподъемности. Интерфейс установки выполнен по стандартному проекту, поддерживает быструю разборку и замену, что упрощает последующее техническое обслуживание и ремонт.

IV. Решения по интеграции удалённых акустических устройств с другим оборудованием

В системе беспилотного судна дистанционные акустические устройства необходимо интегрировать с различным оборудованием для создания совместной системы «восприятие — принятие решений — исполнение». Конкретные решения по интеграции следующие:

• Интеграция с оборудованием восприятия: устройство связано с высококачественной камерой, датчиком сонара и инфракрасным тепловизором беспилотного судна. Когда камера обнаруживает аномальные ситуации, такие как «незаконное вторжение судна» и «человек упал в воду», или сонар выявляет подводные препятствия и незаконное рыболовное оборудование, автоматически активируется удаленное акустическое устройство, которое воспроизводит соответствующий голосовой сигнал (например, «Ваше судно незаконно вошло в запретную для плавания зону, немедленно покиньте её» и «Обнаружен человек, упавший в воду, беспилотное судно направляется на спасение»). Инфракрасный тепловизор может помочь в определении цели в условиях ночи или низкой видимости, обеспечивая точную передачу звукового сигнала.
• Интеграция с оборудованием связи: устройство подключается к модулю 4G/5G или спутниковому модулю беспилотного судна для реализации сверхдальнего управления. Когда беспилотное судно работает в открытом море, вдали от берега и без сигналов общественной сети (например, в открытом море), персонал на берегу может отправлять команды (например, переключение режима работы и обновление предварительно записанных голосовых сообщений) акустическому устройству через спутниковую связь. Устройство может передавать информацию о состоянии работы (например, уровень заряда, громкость, данные о неисправностях) обратно на береговую командную платформу в режиме реального времени, что обеспечивает удалённый контроль и диагностику неисправностей.
• Интеграция с оборудованием позиционирования и навигации: в сочетании с системой позиционирования GPS/Бэйдоу беспилотного судна, когда оно входит в заранее заданную чувствительную зону (например, зону защиты источника питьевой воды или военную зону с запретом на судоходство), удаленное акустическое устройство транслирует предупредительный голосовой сигнал для судов, входящих в эту зону. Если беспилотное судно отклоняется от заданного маршрута (например, из-за ветра и волн смещается за пределы зоны поиска и спасания), устройство немедленно отправляет на береговую платформу сигнал тревоги о неисправности позиционирования и воспроизводит сообщение «Беспилотное судно отклонилось от маршрута, будьте внимательны и уступайте дорогу» для окружающих судов.
• Интеграция с сигнальным световым оборудованием: устройство связано со светодиодной предупредительной лампой и стробоскопом на беспилотном судне, создавая эффект "согласованной работы звука и света". Когда дистанционное акустическое устройство включает режим предупреждения, сигнальный свет включается синхронно (например, синий стробоскоп). Благодаря двойному воздействию на зрение и слух, повышается эффективность предупреждения цели. Например, при ночной спасательной операции "согласованная работа звука и света" помогает людям, упавшим за борт, быстро определить местоположение беспилотного судна и повышает эффективность спасения.

V. Ключевые преимущества комбинирования дистанционных акустических устройств и беспилотных судов

По сравнению с традиционными водными акустическими устройствами или отдельно работающими беспилотными судами, сочетание дистанционных акустических устройств и беспилотных судов обеспечивает значительные преимущества во многих аспектах:

• Расширение диапазона и эффективности работы: беспилотные суда могут автономно перемещаться и охватывать большие водные территории (одна операция может охватывать более 20 квадратных километров). В сочетании с удаленными акустическими устройствами эффективность передачи информации в 4–6 раз выше, чем при использовании ручного управления судном и трансляции. Например, при управлении водохранилищем площадью 10 квадратных километров беспилотные суда в сочетании с устройствами могут завершить трансляцию уведомления о запрете плавания по всей акватории в течение 2 часов, тогда как при ручном управлении судном это занимает 6–8 часов.
• Повышение безопасности эксплуатации: в опасных ситуациях (например, затопленные районы и акватории с разливом нефти) беспилотные суда могут заменить персонал при выполнении работ в зонах высокого риска. Удалённые акустические устройства позволяют сотрудникам на берегу осуществлять передачу информации и оказывать сдерживающее воздействие, не приближаясь к опасным условиям, что значительно снижает риск гибели или травмирования людей. Например, при спасательных работах на воде после тайфуна беспилотные суда доставляют оборудование в зону сильного ветра и волнения, чтобы транслировать инструкции по спасению, избегая необходимости для спасателей рисковать жизнью, управляя судами вручную.
• Обеспечьте точную и экологичную работу: благодаря технологии направленной передачи звука и точным навигационным возможностям беспилотных судов звук может точно передаваться в целевую зону, избегая воздействия на окружающую экологическую среду из-за рассеяния звука. Например, в акватории природного заповедника можно транслировать предупреждения в направлении судов, осуществляющих незаконный лов, не влияя при этом на местообитание окружающих водных организмов. В то же время устройство может имитировать звуки естественных врагов для достижения экологического отпугивания, избегая загрязнения воды за счёт применения химических веществ.
• Снижение эксплуатационных расходов: один неэкипированный корабль в сочетании с дистанционным акустическим устройством может заменить работу 2–3 сотрудников водной оперативной группы. Кроме того, единовременные эксплуатационные расходы (стоимость электроэнергии, обслуживания) неэкипированного корабля ниже, чем расходы на управление судном вручную. Длительная эксплуатация позволяет значительно сократить затраты на рабочую силу и время. Например, при ежедневных патрулированиях безопасности в порту один неэкипированный корабль может охватить патрулирование водного пути протяжённостью 5 км, а расходы сокращаются более чем на 50% по сравнению с патрулированием на судне с ручным управлением.

VI. Примеры применения дистанционных акустических устройств на неэкипированных кораблях

Пример 1: Совместное применение неэкипированных кораблей для патрулирования прибрежных границ и дистанционных акустических устройств

Пограничное управление прибрежной зоны внедрило 8 беспилотных патрульных судов, каждый из которых оснащён дистанционным акустическим устройством, камерой высокого разрешения, системой позиционирования Beidou и модулем спутниковой связи. Во время ежедневных патрулирований беспилотные суда курсируют в пограничных водах по заранее заданным маршрутам. Когда камера обнаруживает подозрительное судно, приближающееся к границе, дистанционное акустическое устройство автоматически переключается в направленный режим и воспроизводит предупреждение: «Ваше судно приблизилось к границе Китая, немедленно развернитесь и уходите, в противном случае будут приняты дополнительные меры». Если подозрительное судно отказывается уйти, устройство передаёт информацию о его местоположении и курсе в береговой командный центр через спутниковую связь. Центр может дистанционно регулировать громкость устройства, постоянно усиливая интенсивность предупреждения. Кроме того, когда из-за плохой погоды (например, сильного дождя или густого тумана) невозможно проводить патрулирование людьми, беспилотные суда продолжают нормально функционировать и транслируют правила пограничного контроля проходящим мимо судам через это устройство, предотвращая случаи незаконного пересечения границы. После реализации этой системы количество инцидентов с незаконным пересечением границы в приграничных водах сократилось на 75 %, а расходы на патрулирование снизились на 60 % по сравнению с ручным управлением судами.

Случай 2: Практическое применение беспилотных судов для аварийного спасения при городском подтоплении и дистанционных акустических устройств

Когда город пострадал от наводнения, вызванного сильными дождями, спасательная команда задействовала 5 аварийных спасательных беспилотных судов. Каждое беспилотное судно было оснащено дистанционным акустическим устройством, инфракрасным тепловизором и устройством для сброса спасательного оборудования. Беспилотные суда быстро вошли в затопленные улицы и районы с подтоплением. Когда инфракрасный тепловизор обнаруживал людей, оказавшихся в ловушке на крышах и балконах, сразу же активировалось дистанционное акустическое устройство, передавая сообщение: «Пожалуйста, оставайтесь в безопасном месте на возвышенности, беспилотное судно сбросит для вас спасательные жилеты и продукты питания, не входите в воду без разрешения». В то же время устройство передавало информацию о местоположении пострадавших в центр управления спасательной операцией через модуль связи 4G, чтобы помочь организовать работу спасательных команд. В опасных зонах, где глубина воды превышает 1,5 метра, беспилотные суда транслировали предупреждение: «Здесь быстрое течение, пожалуйста, не подходите», обращаясь к окружающим людям, чтобы предотвратить их случайное попадание в опасные участки воды. В ходе этой спасательной операции сочетание дистанционного акустического устройства с беспилотными судами позволило спасательной команде эвакуировать более 230 человек в течение 4 часов. Эффективность передачи информации была в 10 раз выше по сравнению с использованием традиционного громкоговорителя, при этом ни один из спасателей не пострадал.