Tillämpningspraxis för fjärrstyrd ljudutrustning på obemannade fartyg

Med den snabba utvecklingen av ubemannad fartygsteknologi inom sjöfart, säkerhetsövervakning, ekologisk övervakning och andra områden har dess egenskaper för autonom navigering och långdragen driftstid blivit viktiga stöd för operationer till sjöss. De traditionella funktionerna hos ubemannede fartyg fokuserar dock främst på datainsamling såsom vattenkvalitetsmätning och bildövervakning, och saknar effektiva ljudinteraktions- och avvisningsfunktioner under vattenytan. Genom att utnyttja de kärnfördelar som riktad ljudöverföring och motståndskraft mot vattenmiljöns störningar erbjuder fjärrljudsanordningar en "mobilt vattenburet akustiskt plattform" tillsammans med ubemannade fartyg, vilket effektivt kompenserar för bristen på ljudinteraktion i ubemannade fartyg och ytterligare utvidgar deras tillämpningsvärde i komplexa vattenscenarier.

I. Användningsscenarier för fjärrljudsanordningar anpassade till ubemannade fartyg

Kombinationen av fjärrstyrd ljudutrustning och obemannade fartyg matchar exakt följande fyra kärnscenarier för vattenanvändning, vilket löser operativa problem inom olika områden:

• Sjösäkerhets- och gränspatrulleringsscenarier: I områden som kustgränser och inlandsvattenleder kan obemannade fartyg utrustade med fjärrstyrd ljudutrustning ge riktade varningar till fartyg som smugglar eller har gömda passagerare (till exempel "Er båt har tagit sig in i Kinas jurisdiktionsvatten, var god stanna omedelbart för kontroll"). I nyckelområden som hamnar och bryggor kan de sända säkerhetsmeddelanden i realtid (till exempel "Det är förbjudet att vistas i farleden, var uppmärksam på att undvika passerande fartyg") och samtidigt överföra aktuella händelser till markens kommandocentrum för att stödja myndighetspersonal vid åtgärdtagande.
• Nödåtgärdsscenarier: När personer är instängda i vatten till följd av katastrofer som översvämningar och orkaner kan obemannade fartyg snabbt nå de drabbade vattenvägarna. Genom fjärrstyrd ljudutrustning kan de sända räddningsvägar till de instängda personerna (till exempel "Bege er till den orange livbåten, räddningsfartyget står redo i närheten") och förmedla kunskap om att flyta och riskminimering. Inom sjöräddning kan de ge positioneringsanvisningar till personer som fallit överbord (till exempel "Spara krafterna, obemannat fartyg kommer att kasta ut livräddningsutrustning till dig") och hjälpa räddningsteamet att lokalisera målpositionen genom ljudsignaler. Vid oljekatastrofer kan de sända information om farozonens omfattning till närliggande fartyg (till exempel "Det har skett en oljeläcka i XX-vatten, närma er inte"). Detta förhindrar sekundära olyckor.
• Ekologiska skydd och vattenförvaltningscenarier: I vattenområden inom naturreservat (till exempel våtmarker och sjöar) kan fartyg utan besättning, utrustade med fjärrstyrd ljudutrustning, sända varningsljud till illegala fiskebåtar och fartyg som olagligt släpper ut avloppsvatten, för att skapa en vattenskyddande avskräckning. I områden såsom reservoarer och dricksvattenkällor kan de sända förbudsinformation till personer som simmar eller fiskar i strid med reglerna (till exempel "Detta är ett skyddat område för dricksvattenförsörjning, och det är förbjudet att ta sig upp i vattnet"). Inom akvakulturområden kan de använda ljudvågor med specifika frekvenser för att avvisa skadliga vattenlevande organismer och därigenom skydda säkerheten hos akvakulturs arter.
• Offentliga tjänster och driftskoordineringsscenarier: På platsen för vattenbyggnad (till exempel brokonstruktion och kanalrensning) kan obemannade fartyg sända information om byggområdets utsträckning och omledningsrutt till passerande fartyg via fjärrstyrd ljudutrustning (till exempel "Var god omleda 100 meter norrut om byggområdet, tack för ert samarbete"). Under vattenrelaterade evenemang (till exempel drakbåtsracing och seglingstävlingar) kan de sända tävlingsregler och säkerhetshänvisningar i realtid (till exempel "Fartyg som inte deltar i evenemanget får inte köra på banan under tävlingen") för att upprätthålla ordningen på platsen.

II. Kundernas kärnbehov inom Obemannade fartygsscenarioer

Vid användning av obemannade fartyg handlar kundernas behov av fjärrstyrd ljudutrustning om "vattenresistens, stabilitet och effektivitet", vilket mer specifikt visar sig enligt följande:

• Starka krav på vattenresistens och miljöanpassning: Obebodda fartyg opererar under lång tid till sjöss, vilket innebär att utrustningen måste ha en skyddsnivå på IP65 eller högre för att kunna motstå korrosion från saltvatten, regn och vågslag. Samtidigt ska den klara temperaturförändringar i området -20°C till 60°C för att undvika fel vid exempelvis exponering för hög temperatur eller fryspunkter. Dessutom bör den ha motståndskraft mot vind och vågor och kunna överföra ljud stabilt vid vindstyrka under nivå 5 utan att dränkas av omgivande brus (såsom våg- och motorljud).
• Behov av klarljuds överföring på långt håll: Driftavståndet för obemannade fartyg är oftast 1–5 kilometer vattenyta. Därför krävs att enheten har en effektiv ljudöverföringsräckvidd på minst 800 meter i öppet vatten utan hinder. Röjsignalen ska vara fri från distortion och brus. Även i blåsigt och våldsamt väder ska personal på vattnet tydligt kunna ta emot informationen. För specifika mål (till exempel ett enskilt fartyg eller en enskild person i nöd) krävs förmåga till riktad ljudöverföring för att undvika att ljud sprids och stör orelaterade områden.
• Behov av fjärrstyrning och samordning: Den stödjer fjärrstyrning via farkostens obebodda kontrollsystem eller landbaserad kommandoplattform, inklusive volymjustering, växling av arbetsläge (riktad/omnidirektionell), uppspelning av förinspelade röstandelningar och realtids-röstinspelning. Ingen manuell öppning krävs för inställning. Samtidigt måste den kopplas samman med det obebodda farkostens GPS-positionering, högupplösta kamera och sonarsensor. När sensorn upptäcker ett mål (till exempel personer i nöd eller olagliga fartyg) aktiveras ljudanordningen automatiskt.
• Låg effektförbrukning och anpassning till driftslängd: Enkelt driftsläge för obemannade fartyg är oftast 8–24 timmar. Därför krävs att enheten har låg effektförbrukning, med en driftförbrukning på under 15 W. Den ska kunna anslutas direkt till det obemannade fartygets strömförsörjningssystem för att undvika påverkan på driften på grund av ofta laddning. Samtidigt bör den ha en strömmönitoreringsfunktion. När enhetens ström är för låg skickar den automatiskt en påminnelse till kommandoplattformen för att säkerställa att överföring av nyckelinformation inte avbryts.

III. Kärnegenskaper hos fjärrstyrd akustik utvecklad för obemannade fartyg

För att möta behoven i scenarier med obemannade fartyg måste fjärrstyrd akustik ha följande inriktade tekniska egenskaper för att säkerställa effektiv samverkan med obemannade fartyg:

• Hög skyddsnivå och anti-korrosionsdesign: Skal är tillverkat av aluminiumlegering eller teknisk plast + anti-korrosionsbeläggningsmaterial, vilket kan motstå korrosion från saltvatten och sötvatten och undvika rost och sprickbildning på grund av långvarig nedsänkning. Utrustningens gränssnitt har en vattentät tätningskonstruktion, och datorkablar och strömkablar är utrustade med vattentäta kontakter för att förhindra att vatten tränger in i den interna kretsen. Samtidigt finns det en fukttät och andningsbar ventil inuti enheten för att balansera trycket mellan inre och yttre luft och undvika bildandet av kondens.
• Hög ljudtrycksnivå och störsäker utgång: Ljudtrycksnivåns utgång kan nå 130 dB – 150 dB, vilket täcker det frekvensband som människans öra är känsligt för, 200 Hz – 20 000 Hz, för att säkerställa att ljudsignalen fortfarande kan tränga igenom störningar i miljöer med våg- och motorbuller. En professionell akustisk algoritm används för att optimera ljudvågöverföringsbanan och minska ljudförluster orsakade av reflektion på vattenytan. Även i en miljö med vågor upp till 1 meter höga kan röstinformation fortfarande tydligt tas emot på 800 meters avstånd. Samtidigt stöder den mer än 10 nivåer av ljudstyrkejustering för att anpassa sig till behoven i olika scenarier.
• Låg effektförbrukning och multiplikator för anpassning av effekt: En lågprestandakrets och en energisparende kretskonstruktion används. Väntelägeffektförbrukningen är mindre än 3 W, och driftseffektförbrukningen hålls på 10–15 W. Den kan direkt kopplas till litiumbatteriet eller solcellsenergiförsörjningssystemet på farkosten utan extra reservkraftförsörjning. Vissa enheter har ett inbyggt reservlithiumbatteri, som kan säkerställa att enheten fortsätter att fungera i mer än 3 timmar om farkostens strömförsörjning bryts, vilket garanterar informationsöverföring i nödsituationer.
• Lättvikt och enkel installationsdesign: Den totala vikten av enheten hålls inom 5 kilogram, och volymen är inte mer än 20 cm × 20 cm × 20 cm. Den kan fästas på däck eller ovanpå hytten på den obemannade farkosten via en fästeplattform utan att påverka navigationsstabilitet och lastkapacitet. Installationsgränssnittet har en standardiserad design som stödjer snabb demontering och utbyte, vilket underlättar senare underhåll och reparation.

IV. Integrationslösningar för fjärrstyrd ljudutrustning med annan utrustning

I det obemannade farkostsystemet måste fjärrstyrda akustiska enheter integreras med olika typer av utrustning för att bilda ett samarbetsystem för "uppfattning – beslutsfattande – exekvering". De specifika integrationslösningarna är följande:

• Integration med perceptionsutrustning: Den är kopplad till farkostens högupplösta kamera, sonar och infraröd termisk bildgivare. När kameran identifierar avvikande situationer såsom "olaglig fartygsintrång" och "person som fallit i vattnet", eller när sonaren upptäcker undervattenshinder och olagliga fiskeredskap, utlöser den automatiskt en fjärrstyrd akustisk anordning för att spela upp motsvarande röstmeddelanden (till exempel "Er båt har olovligen trängt in i ett förbjudet navigationsområde, vänligen lämna området omedelbart" och "En person som fallit i vattnet har upptäckts, den obemannade farkosten kommer att åka dit för att rädda"). Den infraröda termiska bildgivaren kan hjälpa till att fixera målet i mörker eller vid låg sikt, vilket säkerställer att ljudet överförs exakt.
• Integration med kommunikationsutrustning: Den är ansluten till farkostens 4G/5G-kommunikationsmodul eller satellitkommunikationsmodul för att möjliggöra kontroll över mycket långa avstånd. När farkosten opererar i vatten långt från kusten och utan offentliga nätverkssignaler (till exempel öppet hav) kan personal vid landbas skicka kommandon (till exempel växling av driftläge och uppdatering av förinspelad röst) till den akustiska enheten via satellitlänk. Enheten kan överföra driftstatus (till exempel batterinivå, volym och felinformation) i realtid tillbaka till den landbaserade kommandoplattformen, vilket underlättar fjärrövervakning och felsökning.
• Integration med positionerings- och navigationsutrustning: I kombination med det obemannade fartygets GPS/Beidou-positioneringssystem sänder den fjärrstyrda ljudanordningen ut en varningssignal till fartyg som kommer in i ett förinställt känsligt område (till exempel skyddszoner för dricksvatten eller militära zoner med förbud mot sjöfart). När det obemannade fartyget avviker från sin arbetsrutt (till exempel på grund av vind och vågor under sök- och räddningsinsats) skickar anordningen omedelbart en positionsavvikelse-larm till plattformen vid kusten och spelar upp meddelandet "Det obemannade fartyget har avvikit från rutten, vänligen undvik detta område" till närliggande fartyg.
• Integration med varningsljusutrustning: Den är kopplad till det obemannade fartygets LED-varningsljus och blixtljus för att skapa en "ljus- och ljudkoordinering". När fjärrljudsanordningen aktiverar varningsläge sätts varningsljuset på samtidigt (till exempel ett blått blixtljus). Genom dubbel stimulans av syn och hörsel förstärks varningseffekten mot målet. Till exempel kan "ljus- och ljudkoordinering" vid nattlig räddningsinsats hjälpa personer som fallit i vattnet att snabbt lokalisera det obemannade fartygets position och därmed förbättra räddningseffektiviteten.

V. Kärnfördelar med kombinationen av fjärrljudsanordningar och obemannade fartyg

Jämfört med traditionella vattenburna ljudanordningar eller obemannade fartyg som opererar enskilt kan kombinationen av fjärrljudsanordningar och obemannade fartyg erbjuda betydande fördelar inom många områden:

• Utöka driftområdet och effektiviteten: Obebodda fartyg kan självständigt navigera och täcka ett stort vattenområde (en enda operation kan täcka mer än 20 kvadratkilometer). I kombination med fjärrstyrd ljudutrustning är informationsöverföringseffektiviteten 4–6 gånger högre jämfört med manuellt fartygsstyrda uppringningar. Till exempel, vid hantering av ett 10 kvadratkilometer stort reservoar, kan obebodda fartyg tillsammans med utrustning slutföra uppsägning av simförbudet i hela vattenområdet inom 2 timmar, medan manuellt fartygsstyrda operationer tar 6–8 timmar.
• Förbättra driftsäkerheten: I farliga situationer (till exempel översvämningar och vattenområden med oljeläckage) kan obemannade fartyg ersätta personal genom att ta sig in i högriskområden för att utföra arbete. Fjärrstyrd ljudutrustning gör det möjligt för personal på land att slutföra informationsöverföring och skrämma bort personer utan att behöva närma sig farliga miljöer, vilket kraftigt minskar risken för personskador. Till exempel vid vattenräddning efter en tyfon kan obemannade fartyg bära utrustning och ta sig in i områden med kraftiga vindar och vågor för att sända räddningsinstruktioner, vilket undviker risken att räddningspersonal måste ta chansen att köra båtar i farliga förhållanden.
• Uppnå exakt och ekologisk drift: Genom riktad ljudöverföringsteknik och obemannade farkosters exakta positioneringsförmåga kan ljudet exakt överföras till målområdet, vilket undviker miljöpåverkan orsakad av ljudspridning till den omgivande ekologiska miljön. Till exempel kan varningar sändas riktat till olagliga fiskefartyg i vattenområden inom naturreservat utan att påverka habitatet för omgivande vattenlevande organismer. Samtidigt kan enheten simulera ljud från naturliga fiender för att uppnå ekologisk avvisning, vilket undviker vattenförorening orsakad av användning av kemikalier.
• Minska driftskostnader: En obemannad farkost kombinerad med en fjärrstyrd ljudanordning kan ersätta arbetsbelastningen för 2–3 personalmedlemmar vid vattenoperationer. Dessutom är den enskilda driftkostnaden (elavgift, underhållsavgift) för den obemannade farkosten lägre än kostnaden för manuellt fartygsföring. Långsiktig drift kan avsevärt minska investeringar i arbetskraft och tid. Till exempel kan en obemannad farkost täcka patrullbehovet för en 5 kilometer lång vattenväg vid daglig säkerhetsövervakning av hamnen, vilket resulterar i en kostnadsminskning på mer än 50 % jämfört med manuella patruller med båt.

VI. Tillämpningsfall för fjärrstyrda ljudanordningar på obemannade fartyg

Fall 1: Samverkan mellan obemannade fartygspatruller vid kustgränser och fjärrstyrda ljudanordningar

En kustnära gränshanteringsavdelning introducerade 8 obemannade patrullfartyg, var och en utrustad med en fjärrstyrd ljudanordning samt en högupplöslig kamera, ett Beidou-positioneringssystem och en satellitkommunikationsmodul. Under dagliga patrullturer seglar de obemannade fartygen i gränsvatten enligt förinställda rutter. När kameran identifierar ett misstänkt fartyg som närmar sig gränsen växlar den fjärrstyrda ljudanordningen automatiskt till riktat läge och spelar upp varningsmeddelandet "Er båt har närmat sig Kinas gräns, vänd om och lämna omedelbart, annars kommer ytterligare åtgärder att vidtas" till det misstänkta fartyget. Om det misstänkta fartyget vägrar lämna området, överför anordningen fartygets position och kursinformation till det landbaserade kommandocentret via satellitlänken. Kommandocentret kan på distans justera anordningens volym för att kontinuerligt öka varningsintensiteten. Dessutom kan de obemannade fartygen fortsätta att fungera normalt även när manuella patruller inte kan genomföras på grund av dåligt väder (till exempel kraftiga regn eller tjocka dimmor) och sänder gränshanteringsregler till passerande fartyg via anordningen för att förhindra olagliga gränsöverskridanden. Efter införandet av denna lösning minskade antalet incidenter med olagliga gränsöverskridanden i gränsvatten med 75 %, och patrullkostnaderna minskade med 60 % jämfört med manuella båtpatruller.

Fall 2: Praktisk tillämpning av obebodda fartyg för nödåtgärder vid urban översvämning och fjärrstyrd ljudutrustning

När en stad drabbades av översvämningar orsakade av kraftiga regn satte räddningsteamet in 5 nödräddningsubemannade fartyg. Varje ubemannat fartyg var utrustat med en fjärrstyrd ljudanordning, en infraröd termisk bildare och en anordning för att släppa livräddningsutrustning. De ubemannade fartygen tog sig snabbt in på de översvämmade gatorna och befolkningens vattenområden. När den infraröda termiska bildaren upptäckte personer som var fast i tak och på balkonger aktiverades omedelbart den fjärrstyrda ljudanordningen, som spelade upp instruktionen: "Var god stanna på en hög plats för att kunna räddas. Det ubemannade fartyget kommer att släppa ner livvästar och mat till er. Gå inte i vattnet utan tillstånd." Samtidigt överförde anordningen information om de fastslagna personernas position till räddningsledningscentralen via 4G-kommunikationsmodulen för att hjälpa till att organisera räddningsteamet. I farliga områden där vattendjupet översteg 1,5 meter sände de ubemannade fartygen ut varningen "Vattenströmmen här är snabb, närma er inte" till omkringvarande personer via anordningen, för att förhindra att människor oavsiktligt kom in i farliga vatten. Under denna räddningsinsats bidrog kombinationen av den fjärrstyrda ljudanordningen och det ubemannade fartyget till att räddningsteamet evakuerade mer än 230 fastslagna personer inom 4 timmar. Effektiviteten i informationsöverföring var 10 gånger högre än med traditionella megafoner, och inga räddningspersonal skadades.