Практика застосування дистанційних акустичних пристроїв на безпілотних кораблях

Зі швидким розвитком технології безпілотних кораблів у морських операціях, патрулюванні безпеки, екологічному моніторингу та інших сферах, його характеристики автономної навігації та довгострокової витривалості стали важливою підтримкою для водних операцій. Однак традиційні функції безпілотних суден здебільшого зосереджені на зборі даних, таких як тестування якості води та моніторинг зображень, і їм бракує ефективної звукової взаємодії з водою та можливостей стримування. Спираючись на основні переваги спрямованої передачі звуку та стійкості до перешкод водного середовища, дистанційні акустичні пристрої утворюють «водну мобільну акустичну платформу» з безпілотними кораблями, ефективно компенсуючи недолік безпілотної звукової взаємодії кораблів і додатково розширюючи їх застосування в складних водних сценаріях.

я Сценарії застосування дистанційних акустичних пристроїв, адаптованих до безпілотних кораблів

Комбінація дистанційних акустичних пристроїв і безпілотних кораблів точно відповідає наступним чотирьом основним сценаріям у воді для вирішення проблемних моментів операцій у різних областях:

• Сценарії морської безпеки та прикордонного патрулювання: у таких зонах, як прибережні кордони та внутрішні водні шляхи, безпілотні кораблі, обладнані дистанційними акустичними пристроями, можуть видавати попередження про напрямок незаконним контрабандним суднам і безбілетним суднам (наприклад, 'Ваше судно увійшло у води юрисдикції Китаю, будь ласка, негайно зупиніться для перевірки'). У ключових зонах, таких як порти та доки, вони можуть транслювати сповіщення про управління безпекою в режимі реального часу (наприклад, «Зупинятися на водному шляху заборонено, будь ласка, зверніть увагу на те, щоб уникати повз кораблів») і синхронізувати динаміку на місці з наземним командним центром, щоб допомогти персоналу правоохоронних органів у обробці.
• Сценарії екстреного порятунку: коли люди опиняються у водній пастці через такі стихійні лиха, як повені та тайфуни, безпілотні кораблі можуть швидко дістатися до місця лиха – уражених вод. За допомогою дистанційних акустичних пристроїв вони можуть транслювати маршрути порятунку людям, які потрапили в пастку (наприклад, «Будь ласка, рухайтеся в напрямку помаранчевого рятувального плота, а рятувальне судно стоїть поруч») і надавати знання про плавання та уникнення ризику. Під час морських пошуково-рятувальних робіт вони можуть відтворювати підказки щодо позиціонування людям, які падають у воду (наприклад, «Бережіть свої сили, і корабель без екіпажу скине життя, рятуючи для вас обладнання») і допомагати рятувальній команді зафіксувати цільове положення за допомогою звукових сигналів. У разі аварії, пов’язаної з розливом нафти, вони можуть транслювати масштаб небезпечної зони навколишнім кораблям (наприклад, 'У водах XX стався розлив нафти, будь ласка, не наближайтеся'), щоб уникнути вторинних аварій.
• Сценарії захисту навколишнього середовища та управління водними ресурсами: у акваторіях природних заповідників (таких як водно-болотні угіддя та озера) безпілотні кораблі, обладнані дистанційними акустичними пристроями, можуть транслювати попереджувальні голоси на незаконні рибальські човни та незаконні каналізаційні води, скидаючи кораблі, щоб сформувати стримування води. У таких місцях, як водойми та джерела питної води, вони можуть транслювати повідомлення про заборону людям, які купаються та ловлять рибу всупереч правилам (наприклад, 'Це охоронна зона джерела питної води, і заходити у воду заборонено'). У зонах аквакультури вони можуть відлякувати шкідливі водні організми за допомогою звукових хвиль певної частоти, щоб захистити безпеку видів аквакультури.
• Громадські служби та сценарії координації операцій: на місці будівництва водних ресурсів (наприклад, будівництво мостів і днопоглиблення водних шляхів) безпілотні кораблі можуть транслювати масштаб території будівництва та маршрут об’їзду кораблям, що проходять, за допомогою дистанційних акустичних пристроїв (наприклад, «Будь ласка, об’їдьте на 100 метрів на північ від зони будівництва, дякуємо за співпрацю»). Під час водних змагань (таких як перегони на човнах-драконах і вітрильні перегони) вони можуть транслювати правила змагань і поради щодо безпеки в режимі реального часу (наприклад, «Кораблям, які не проводяться змагання, заборонено заходити на трек під час змагань»), щоб підтримувати порядок на місці.

II. Основні потреби клієнтів Сценарії безпілотних кораблів

У застосуванні безпілотних кораблів потреби клієнтів у дистанційних акустичних пристроях обертаються навколо «водонепроникності, стійкості та ефективності», які конкретно проявляються наступним чином:

• Сильна водостійкість і вимоги до адаптації до навколишнього середовища: безпілотні кораблі працюють на воді протягом тривалого часу, тому пристрій повинен мати рівень захисту IP65 або вище, який може протистояти корозії морської води, зануренню під дощ і впливу хвиль. У той же час він повинен адаптуватися до змін температури води та повітря в діапазоні від -20 °C до 60 °C, щоб уникнути несправностей у таких середовищах, як вплив високих температур і замерзання при низьких температурах. Крім того, він повинен мати стійкість до вітру та хвиль і може стабільно передавати звук при силі вітру нижче рівня 5, не закриваючись шумом навколишнього середовища (таким як шум хвилі та шум двигуна).
• Потреби в передачі чистого звуку на велику відстань: Радіус дії безпілотних кораблів становить переважно 1–5 кілометрів акваторії. Таким чином, пристрій повинен мати ефективну відстань передачі звуку не менше 800 метрів у відкритій акваторії без перешкод. Голосовий сигнал не має спотворень і шумів. Навіть у вітряну та бурхливу погоду персонал на воді може чітко отримувати інформацію. Для конкретних цілей (таких як один корабель і одна людина, яка потрапила в пастку), необхідно мати здатність спрямованої передачі звуку, щоб уникнути розповсюдження звуку, що заважає непов’язаним зонам.
• Потреби в дистанційному керуванні та координації: він підтримує дистанційне керування через безпілотну систему керування кораблем або берегову командну платформу, включаючи регулювання гучності, перемикання режимів роботи (спрямований/всенаправлений), попередньо створене голосове відтворення та голосовий ввід у реальному часі. Для налаштування не потрібна ручна посадка. У той же час його потрібно зв’язати з GPS-позиціонуванням безпілотного судна, камерою високої чіткості та гідролокатором. Коли датчик виявляє ціль (наприклад, захоплених людей і нелегальні кораблі), він автоматично запускає акустичний пристрій.
• Низьке енергоспоживання та потреби в адаптації до витривалості: довговічність безпілотних кораблів при одноразовій експлуатації становить переважно 8–24 години. Таким чином, пристрій повинен мати характеристики низького енергоспоживання з робочою споживаною потужністю менше 15 Вт. Його можна безпосередньо підключити до системи електропостачання безпілотного корабля, щоб уникнути впливу на роботу через часту зарядку. У той же час він повинен мати функцію моніторингу потужності. Коли потужність пристрою надто низька, він автоматично надсилає нагадування на командну платформу, щоб переконатися, що передача ключової інформації не переривається.

III. Основні характеристики дистанційних акустичних пристроїв, адаптованих до безпілотних кораблів

Щоб задовольнити потреби сценаріїв безпілотних кораблів, дистанційні акустичні пристрої повинні мати такі цільові технічні характеристики, щоб забезпечити ефективну співпрацю з безпілотними кораблями:

• Високий захист і антикорозійна конструкція: Корпус виготовлено з алюмінієвого сплаву або інженерного пластику + антикорозійне покриття, яке може протистояти корозії морської та прісної води та уникнути іржі та розтріскування через тривале занурення. Інтерфейс обладнання має водонепроникну ущільнювальну конструкцію, а кабелі передачі даних і кабелі живлення оснащені водонепроникними роз’ємами, щоб вода не просочувалася у внутрішній контур. У той же час всередині пристрою встановлено вологонепроникний і дихаючий клапан, щоб збалансувати внутрішній і зовнішній тиск повітря та уникнути утворення конденсату.
• Високий рівень звукового тиску та захист від перешкод: вихідний рівень звукового тиску може сягати 130-150 дБ, охоплюючи чутливу для людського вуха смугу частот від 200 Гц до 20000 Гц, щоб переконатися, що звуковий сигнал все ще може проникати через перешкоди в таких середовищах, як звук хвилі та шум двигуна. Професійний акустичний алгоритм використовується для оптимізації шляху передачі звукової хвилі, щоб зменшити ослаблення звуку, спричинене відбиттям поверхні води. Навіть у середовищі з хвилями заввишки 1 метр голосову інформацію можна чітко приймати на відстані 800 метрів. У той же час він підтримує понад 10 рівнів регулювання інтенсивності звуку для адаптації до потреб різних сценаріїв.
• Низьке енергоспоживання та багатопотужна адаптація: використовується мікросхема з низьким енергоспоживанням та енергозберігаюча схема. Енергоспоживання в режимі очікування становить менше 3 Вт, а робоче споживання електроенергії контролюється на рівні 10 - 15 Вт. Його можна безпосередньо підключити до літієвої батареї безпілотного корабля або системи сонячного електроживлення без додаткового резервного джерела живлення. Деякі пристрої мають вбудований резервний літієвий акумулятор, який може підтримувати безперервну роботу пристрою більше 3 годин при припиненні живлення безпілотного корабля, забезпечуючи передачу інформації в екстрених ситуаціях.
• Легкий і простий - монтажний дизайн: загальна вага пристрою контролюється в межах 5 кілограмів, а об'єм не більше 20 см × 20 см × 20 см. Він може бути закріплений на палубі або верхній частині каюти безпілотного судна через кронштейн, не впливаючи на навігаційну стійкість і вантажопідйомність безпілотного судна. Інтерфейс встановлення має стандартизовану конструкцію, яка підтримує швидке розбирання та заміну для полегшення подальшого обслуговування та капітального ремонту.

IV. Рішення інтеграції дистанційних акустичних пристроїв з іншим обладнанням

У безпілотній корабельній системі дистанційні акустичні пристрої мають бути інтегровані з різноманітним обладнанням для формування спільної системи «сприйняття – рішення – виконання». Конкретні інтеграційні рішення:

• Інтеграція з обладнанням сприйняття: воно пов’язане з камерою високої чіткості безпілотного корабля, датчиком сонара та інфрачервоним тепловізором. Коли камера визначає нестандартні ситуації, такі як 'незаконне вторгнення на судно' і 'падіння людини у воду', або ехолот виявляє підводні перешкоди та незаконне рибальське обладнання, він автоматично запускає віддалений акустичний пристрій, щоб відтворити відповідний голос (наприклад, 'Ваше судно незаконно вторглося в заборонену навігаційну зону, будь ласка, негайно покиньте' і 'Знайдено людину, яка впала у воду, і на допомогу піде безпілотний корабель». Інфрачервоний тепловізор може допомогти зафіксувати ціль в умовах ночі або в умовах недостатньої видимості, щоб переконатися, що пристрій передає точний звук.
• Інтеграція з комунікаційним обладнанням: він підключений до безпілотного корабельного модуля зв’язку 4G/5G або модуля супутникового зв’язку для здійснення керування на наддалекій відстані. Коли безпілотний корабель працює у водах далеко від берега та без сигналів загальнодоступної мережі (наприклад, у відкритому морі), береговий персонал може надсилати команди (такі як перемикання робочого режиму та оновлення попередньо створеного голосу) на акустичний пристрій через супутниковий зв’язок. Пристрій може передавати робочий стан (наприклад, інформацію про потужність, обсяг і несправність) назад на берегову командну платформу в режимі реального часу, щоб полегшити віддалений моніторинг і усунення несправностей.
• Інтеграція з обладнанням для позиціонування та навігації: у поєднанні з системою позиціонування безпілотного корабля GPS/Beidou, коли безпілотний корабель входить у попередньо встановлену чутливу зону (наприклад, зону захисту джерела питної води та військову заборонену навігаційну зону), віддалений акустичний пристрій транслює попереджувальний голос кораблям, які входять у цю зону. Коли безпілотне судно відхиляється від маршруту операції (наприклад, відхиляється від зони пошуку та порятунку через вітер і хвилі), пристрій негайно надсилає сигнал тривоги про порушення положення на берегову платформу та відтворює навколишнім кораблям підказку «Безпілотне судно відхиляється від маршруту, будь ласка, зверніть увагу на уникнення».
• Інтеграція з попереджувальним світловим обладнанням: воно пов’язане зі світлодіодним попереджувальним світлом безпілотного корабля та стробоскопом для формування ефекту «координації звуку та світла». Коли віддалений акустичний пристрій запускає режим попередження, сигнальна лампа вмикається синхронно (наприклад, синій стробоскоп). Завдяки подвійній стимуляції зору та слуху посилюється попереджувальний ефект на ціль. Наприклад, під час нічного порятунку «координація звуку та світла» може допомогти людям, які падають у воду, швидко визначити місце розташування безпілотного корабля та підвищити ефективність порятунку.

V. Основні переваги поєднання дистанційних акустичних пристроїв і безпілотних кораблів

Порівняно з традиційними водяними акустичними пристроями або безпілотними кораблями, що працюють поодинці, поєднання дистанційних акустичних пристроїв і безпілотних кораблів може мати значні переваги в багатьох аспектах:

• Розширення радіусу дії та ефективності: безпілотні кораблі можуть автономно переміщатися та охоплювати велику акваторію (одна операція може охоплювати понад 20 квадратних кілометрів). У поєднанні з дистанційними акустичними пристроями ефективність передачі інформації в 4-6 разів вище, ніж у ручного суднового мовлення. Наприклад, при управлінні водосховищем площею 10 квадратних кілометрів безпілотні судна в поєднанні з пристроями можуть завершити трансляцію повідомлення про заборону плавання на всю акваторію протягом 2 годин, тоді як ручне керування судном займає 6-8 годин.
• Підвищення безпеки експлуатації: у небезпечних сценаріях (таких як зони, що постраждали від повеней і розливів нафти), безпілотні кораблі можуть замінити персонал для входу в зони високого ризику для роботи. Дистанційні акустичні пристрої дозволяють береговому персоналу завершити передачу інформації та стримування, не наближаючись до небезпечного середовища, що значно знижує ризик втрат персоналу. Наприклад, під час рятувальних робіт на воді після тайфуну безпілотні кораблі мають пристрої для входу у води з сильним вітром і хвилями, щоб транслювати інструкції з порятунку, уникаючи ризику того, що рятувальники підуть на ризик, керуючи кораблями.
• Реалізуйте точну та екологічну роботу: завдяки технології спрямованої передачі звуку та можливості точного позиціонування безпілотних кораблів звук може точно передаватися в цільову зону, уникаючи впливу навколишнього середовища, викликаного дифузією звуку в навколишнє екологічне середовище. Наприклад, в акваторії природного заповідника попередження можуть транслюватися спрямовано на незаконні рибальські судна, не впливаючи на середовище проживання навколишніх водних організмів. У той же час пристрій може імітувати звуки природних ворогів, щоб досягти екологічного відштовхування, уникаючи забруднення води, спричиненого використанням хімічних речовин.
• Зменшення експлуатаційних витрат: одне безпілотне судно в поєднанні з дистанційним акустичним пристроєм може замінити робоче навантаження 2-3 осіб, які займаються водними операціями. Крім того, вартість однієї операції (плата за електроенергію, плата за технічне обслуговування) безпілотного корабля нижча, ніж вартість ручного керування судном. Довготривала експлуатація може значно скоротити інвестиції праці та часу. Наприклад, під час щоденного патрулювання безпеки в порту одне безпілотне судно може задовольнити потреби в патрулюванні 5-кілометрового водного шляху, а витрати зменшуються більш ніж на 50% порівняно з ручним патрулюванням судна.

VI. Випадки застосування дистанційних акустичних пристроїв на безпілотних кораблях

Випадок 1: Спільне застосування прибережних безпілотних патрульних кораблів і дистанційних акустичних пристроїв

Прибережний прикордонний відділ представив 8 безпілотних патрульних кораблів, кожен з яких оснащений дистанційним акустичним пристроєм, а також камерою високої чіткості, системою позиціонування Beidou і модулем супутникового зв'язку. Під час щоденного патрулювання безпілотні кораблі курсують у прикордонних водах за заздалегідь заданими маршрутами. Коли камера ідентифікує підозріле судно, що наближається до лінії кордону, дистанційний акустичний пристрій автоматично перемикається в режим направлення та відтворює попереджувальний голос «Ваше судно наблизилося до лінії кордону Китаю, будь ласка, розверніться та негайно покиньте, інакше до підозрілого судна будуть вжиті подальші заходи». Якщо підозріле судно відмовляється відійти, пристрій синхронізує інформацію про положення та курс судна з береговим командним центром через супутниковий зв’язок. Командний центр може віддалено регулювати гучність пристрою, щоб постійно посилювати інтенсивність попередження. Крім того, коли ручне патрулювання неможливо здійснити через погану погоду (наприклад, сильний дощ або сильний туман), безпілотні кораблі все ще можуть працювати в звичайному режимі та транслювати правила управління кордоном суднам, що проходять через пристрій, щоб запобігти випадкам незаконного перетину кордону. Після впровадження цієї схеми кількість інцидентів з незаконним перетином кордону в прикордонних водах зменшилася на 75%, а витрати на патрулювання зменшилися на 60% у порівнянні з ручним керуванням судна.

Випадок 2: Практичне застосування аварійно-рятувальних безпілотних кораблів та дистанційних акустичних пристроїв у міському заболочуванні

Коли місто постраждало від стихійного лиха, викликаного сильними дощами, рятувальна команда задіяла 5 аварійно-рятувальних безпілотних кораблів. Кожен безпілотний корабель був оснащений дистанційним акустичним пристроєм, інфрачервоним тепловізором і пристроєм для скидання рятувального обладнання. Безпілотні кораблі швидко увійшли в затоплені вулиці та громадські води. Коли інфрачервоний тепловізор виявив захоплених людей на даху та балконі, дистанційний акустичний пристрій негайно активувався та відтворив інструкцію «Будь ласка, залишайтеся на висоті для порятунку, безпілотний корабель скине вам рятувальні жилети та їжу, будь ласка, не входьте у воду без дозволу» для захоплених людей. У той же час пристрій передавав інформацію про місцезнаходження захоплених людей назад в рятувальний командний центр через модуль зв’язку 4G, щоб допомогти в організації рятувальної команди. У небезпечній зоні, де глибина води перевищує 1,5 метри, безпілотні кораблі транслюють через пристрій попередження «Тут вода тече швидко, будь ласка, не наближайтеся», щоб люди не потрапили в небезпечну воду помилково. У цьому порятунку поєднання дистанційного акустичного пристрою та безпілотного корабля допомогло рятувальній команді перенести понад 230 людей, які потрапили в пастку, протягом 4 годин. Ефективність передачі інформації була в 10 разів вище, ніж у традиційного гучномовця, і ніхто з рятувальників не постраждав.