Практичне застосування дистанційних акустичних пристроїв на безпілотних суднах

Зі швидким розвитком технології безпілотних суден у морських операціях, охоронних патрулях, екологічному моніторингу та інших галузях, їхня здатність до автономного навігування та тривалої автономної роботи стає важливою основою для водних операцій. Проте традиційні функції безпілотних суден переважно зосереджені на зборі даних, таких як перевірка якості води та відеоспостереження, і в них бракує ефективних можливостей акустичної взаємодії та відлякування у водному середовищі. Використовуючи ключові переваги спрямованої передачі звуку та стійкості до перешкод у водному середовищі, віддалені акустичні пристрої у поєднанні з безпілотними суднами утворюють «рухому акустичну платформу на воді», що ефективно компенсує недолік акустичної взаємодії безпілотних суден і значно розширює їхнє застосування в складних водних умовах.

I. Сценарії застосування віддалених акустичних пристроїв, адаптованих для безпілотних суден

Поєднання дистанційних акустичних пристроїв і безпілотних суден точно відповідає таким чотирьом основним водним сценаріям, щоб усунути проблеми експлуатації в різних галузях:

• Сценарії морської безпеки та прикордонної охорони: на ділянках, таких як прибережні кордони та внутрішні водні шляхи, безпілотні судна, оснащені дистанційними акустичними пристроями, можуть подавати направлені попередження суднам, що здійснюють незаконну контрабанду, або тим, на яких є тайком подорожуючі особи (наприклад: «Ваше судно увійшло в акваторію юрисдикції Китаю, негайно зупиніться для перевірки»). У ключових зонах, таких як порти та пристані, вони можуть у реальному часі транслювати повідомлення про заходи безпеки (наприклад: «Перебування в акваторії водного шляху заборонено, будьте уважні та уникайте зустрічних суден») і синхронізувати ситуацію на місці з наземним командним центром, щоб допомогти працівникам правоохоронних органів.
• Сценарії аварійного рятування: Коли люди потрапляють у воду через катастрофи, такі як повені та тайфуни, безпілотні судна можуть швидко досягти уражених територій. За допомогою дистанційних акустичних пристроїв вони можуть транслювати маршрут рятування для людей, що опинилися в пастці (наприклад: "Будь ласка, рухайтеся в напрямку помаранчевого рятувального човна, рятувальне судно очікує поруч"), а також передавати знання про плавання та уникнення небезпеки. У морських операціях з пошуку та рятування вони можуть подавати звукові сигнали людям, які впали за борт (наприклад: "Зберігайте силу, безпілотне судно скине для вас рятувальне обладнання"), і допомагати рятувальному загону визначити точне місцезнаходження цілі за допомогою звукових сигналів. У разі аварій з витоком нафти вони можуть повідомляти іншим суднам про межі небезпечної зони (наприклад: "У водах ХХ стався витік нафти, будь ласка, не наближайтеся"), щоб запобігти вторинним аваріям.
• Сценарії екологічного захисту та управління водними ресурсами: на водних територіях природних заповідників (таких як болота та озера) безпілотні судна, обладнані дистанційними акустичними пристроями, можуть транслювати попереджувальні повідомлення для забороненого вилову риби чи незаконного скидання стічних вод, створюючи водний засіб стримування. У районах водосховищ та джерел питної води вони можуть транслювати заборонні повідомлення для осіб, які порушують правила купання або рибальства (наприклад: «Це зона захисту джерела питної води, вхід у воду заборонено»). У районах аквакультури вони можуть відлякувати шкідливі водні організми за допомогою звукових хвиль певної частоти, забезпечуючи безпеку видів, що розводяться.
• Сценарії надання державних послуг та координації операцій: На місцях водних будівельних робіт (наприклад, будівництво мостів і заглиблення судноплавних шляхів) безпілотні судна можуть транслювати через віддалені акустичні пристрої межі зони будівництва та маршрут об'їзду для проходячих суден (наприклад: «Будь ласка, об’їжджайте на 100 метрів на північ від зони будівництва, дякуємо за співпрацю»). Під час водних заходів (наприклад, змагань з гонок на човнах-драконах або парусних регат) вони можуть у реальному часі оголошувати правила змагань і поради щодо безпеки (наприклад: «Забороняється входження суден, що не беруть участь у заході, на трасу під час змагань»), забезпечуючи порядок на місці проведення.

II. Основні потреби клієнтів у Сценаріях безпілотних суден

У застосуванні безпілотних суден потреби клієнтів щодо віддалених акустичних пристроїв обертаються навколо «водостійкості, стабільності та ефективності», що конкретно виявляється наступним чином:

• Потреба у високому ступені водостійкості та адаптації до навколишнього середовища: безпілотні судна тривалий час працюють на воді, тому пристрій має мати ступінь захисту IP65 або вище, щоб витримувати корозію морської води, попадання дощу та вплив хвиль. У той же час він має бути пристосований до змін температури води й повітря в діапазоні від -20°C до 60°C, щоб уникнути несправностей у таких умовах, як перегрівання на сонці або замерзання при низьких температурах. Крім того, пристрій має витримувати вітер і хвилювання, забезпечуючи стабільну передачу звуку при силі вітру нижче 5 балів, не заглушаючись шумом навколишнього середовища (наприклад, шумом хвиль чи двигуна).
• Потреба у передачі чіткого звуку на великій відстані: радіус дії безпілотних суден становить переважно 1–5 кілометрів водної площі. Тому пристрій повинен забезпечувати ефективну дальність передачі звуку не менше 800 метрів на відкритій водній ділянці без перешкод. Звуковий сигнал має бути без спотворень і шумів. Навіть за вітряної та хвилюваної погоди особовий склад на воді має чітко отримувати інформацію. Для конкретних цілей (наприклад, окреме судно або одна постраждала особа) потрібна можливість направленої передачі звуку, щоб уникнути розсіювання звуку та завад для непов'язаних територій.
• Потреба у дистанційному керуванні та координації: підтримує дистанційне керування через систему керування безпілотним судном або берегову командну платформу, включаючи регулювання гучності, перемикання режимів роботи (напрямлене/всебічне випромінювання), відтворення заздалегідь записаних голосових повідомлень і введення голосового сигналу в реальному часі. Для налаштування не потрібно фізичного перебування на борту. У той же час потрібно інтегрувати пристрій із GPS-позиціонуванням безпілотного судна, камерою високої чіткості та гідролокатором. Коли сенсор виявляє ціль (наприклад, осіб, які потрапили в пастку, або незаконні судна), акустичний пристрій автоматично активується.
• Потреби у низькому енергоспоживанні та автономності: Одноразова автономність роботи безпілотних суден становить зазвичай 8–24 години. Тому пристрій має мати характеристики низького енергоспоживання, а саме робоче споживання менше 15 Вт. Він може бути підключений безпосередньо до електричної системи безпілотного судна, щоб уникнути перебоїв у роботі через необхідність частого підзаряджання. У той же час пристрій має мати функцію контролю живлення. Коли рівень заряду пристрою занадто низький, він автоматично надсилає попередження на командну платформу, забезпечуючи безперебійну передачу ключової інформації.

III. Основні характеристики дистанційних акустичних пристроїв, адаптованих для безпілотних суден

Щоб задовольнити потреби сценаріїв використання безпілотних суден, дистанційні акустичні пристрої повинні мати такі цільові технічні характеристики, які забезпечать ефективну взаємодію з безпілотними суднами:

• Високий рівень захисту та антикорозійна конструкція: корпус виготовлений з алюмінієвого сплаву або інженерного пластику з антикорозійним покриттям, що дозволяє протистояти корозії морською та прісною водою та запобігати іржавінню та тріщинам через тривале занурення. Інтерфейс обладнання має водонепроникну ущільнювальну конструкцію, а дані та силові кабелі оснащені водонепроникними з’єднувачами, щоб запобігти проникненню води всередину електричного кола. У той же час, всередині пристрою встановлено вологозахищений дихальний клапан, який вирівнює внутрішній та зовнішній тиск повітря та запобігає утворенню конденсату.
• Високий рівень звукового тиску та вихід із захистом від перешкод: рівень звукового тиску може досягати 130 дБ – 150 дБ, охоплюючи чутливу для людського вуха смугу частот 200 Гц – 20000 Гц, щоб забезпечити проходження звукового сигналу кррізь перешкоди у середовищах із шумом хвиль та двигунів. Використовується професійний акустичний алгоритм для оптимізації шляху передачі звукової хвилі, що зменшує послаблення звуку, спричинене відбиттям від поверхні води. Навіть у середовищі з хвилями висотою 1 метр голосову інформацію все ще можна чітко прийняти на відстані 800 метрів. У той же час підтримується більше ніж 10 рівнів регулювання інтенсивності звуку для адаптації до потреб різних сценаріїв.
• Низьке енергоспоживання та багаторівнева адаптація живлення: використовується мікросхема з низьким енергоспоживанням і енергозберігаюча схема. Споживання енергії в режимі очікування менше 3 Вт, а під час роботи — у межах 10–15 Вт. Пристрій можна безпосередньо підключити до літій-іонного акумулятора або сонячної енергосистеми безпілотного судна без додаткового резервного джерела живлення. У деяких пристроях є вбудований резервний літій-іонний акумулятор, який забезпечує безперервну роботу пристрою понад 3 години під час відключення живлення на безпілотному судні, що гарантує передачу інформації в аварійних ситуаціях.
• Легка та проста конструкція для встановлення: загальна вага пристрою не перевищує 5 кілограмів, а об’єм — 20 см × 20 см × 20 см. Його можна закріпити на палубі або верхній частині кабіни безпілотного судна за допомогою кріплення, не впливаючи на навігаційну стійкість та вантажопідйомність судна. Інтерфейс встановлення має стандартизовану конструкцію, що забезпечує швидке демонтування та заміну, спрощуючи подальше обслуговування та ремонт.

IV. Рішення щодо інтеграції дистанційних акустичних пристроїв з іншим обладнанням

У системі безпілотного судна дистанційні акустичні пристрої мають бути інтегровані з різним обладнанням, щоб утворити спільну систему «сприйняття — прийняття рішень — виконання». Конкретні рішення щодо інтеграції такі:

• Інтеграція з обладнанням сприйняття: вона пов'язана з високоякісною камерою, датчиком сонара та інфрачервоним тепловізіонним пристроєм безпілотного судна. Коли камера виявляє аномальні ситуації, такі як «незаконне вторгнення судна» та «людина потрапила у воду», або сонар виявляє підводні перешкоди та обладнання для незаконного рибальства, автоматично активується віддалений акустичний пристрій, який відтворює відповідний голосовий повідомлення (наприклад, «Ваше судно незаконно увійшло в заборонену зону руху, будь ласка, негайно залиште її» та «Виявлено людину, яка потрапила у воду, безпілотне судно прямує на допомогу»). Інфрачервоний тепловізійний пристрій може допомогти у фіксації цілі в умовах ночі або низької видимості, забезпечуючи точну передачу звуку пристроєм.
• Інтеграція з обладнанням зв'язку: підключається до модуля 4G/5G або супутникового зв'язку безпілотного судна для реалізації керування на наддалеких відстанях. Коли безпілотне судно працює в акваторіях, що знаходяться далеко від берега і поза зоною дії мереж загального користування (наприклад, у відкритому морі), персонал на березі може надсилати команди (наприклад, перемикання режиму роботи чи оновлення попередньо записаних голосових повідомлень) акустичному пристрою через супутникове з'єднання. Пристрій може передавати інформацію про стан роботи (наприклад, рівень заряду, гучність, дані про несправності) на берегову командну платформу в режимі реального часу, що полегшує дистанційний моніторинг та усунення несправностей.
• Інтеграція з обладнанням позиціонування та навігації: у поєднанні з системою позиціонування GPS/Beidou безпілотного судна, коли воно потрапляє в задану чутливу зону (наприклад, зону захисту джерела питної води або військову зону, де заборонено плавання), пристрій дистанційного звукового оповіщення транслює попереджувальне повідомлення для суден, які входять до цієї зони. Якщо безпілотне судно відхиляється від заданого маршруту (наприклад, через вітер чи хвилі під час пошуково-рятувальної операції), пристрій негайно надсилає сигнал тривоги про відхилення позиції на берегову платформу та транслює повідомлення «Безпілотне судно відхилилося від маршруту, будь ласка, утримуйтеся від наближення» для оточуючих суден.
• Інтеграція з обладнанням попереджувальних світлових сигналів: пристрій пов’язаний з LED-попереджувальним світлом і стробоскопом на безпілотному судні, утворюючи ефект "узгодження звуку та світла". Коли дистанційний акустичний пристрій активує режим попередження, синхронно вмикається попереджувальне світло (наприклад, блакитний стробоскоп). Завдяки подвійному стимулюванню чуття зору та слуху, посилюється попереджувальний ефект на ціль. Наприклад, під час нічного рятувального операції ефект "узгодження звуку та світла" допомагає людям, які потрапили за борт, швидко визначити місцезнаходження безпілотного судна та підвищує ефективність рятувальної операції.

V. Основні переваги поєднання дистанційних акустичних пристроїв із безпілотними суднами

Порівняно з традиційними водними акустичними пристроями або окремою роботою безпілотних суден, поєднання дистанційних акустичних пристроїв із безпілотними суднами забезпечує значущі переваги в багатьох аспектах:

• Розширити діапазон операцій та ефективність: безпілотні судна можуть автономно навігувати та охоплювати велику водну площу (одна операція може охопити понад 20 квадратних кілометрів). У поєднанні з дистанційними акустичними пристроями ефективність передачі інформації в 4–6 разів вища, ніж при ручному управлінні судном. Наприклад, під час управління водосховищем площею 10 квадратних кілометрів безпілотні судна у поєднанні з пристроями можуть повідомити про заборону плавання на всій водній території протягом 2 годин, тоді як ручне керування судном займає 6–8 годин.
• Покращити безпеку експлуатації: У небезпечних ситуаціях (наприклад, у районах, що постраждали від повеней і затоки, що викликали розлив нафти), безпілотні кораблі можуть замінити персонал, який входить в райони з високим ризиком для експлуатації. Віддалені акустичні пристрої дозволяють персоналу на березі виконувати передачу інформації та стримування без наближення до небезпечного середовища, значно зменшуючи ризик жертв персоналу. Наприклад, при рятуванні людей після тайфуну безпілотні кораблі несуть з собою пристрої для входу в воду з сильним вітром і хвилями, щоб передавати інструкції з рятування, уникаючи ризику, що рятувальники ризикують, керуваючи кораблім.
• Реалізуйте точну та екологічну роботу: завдяки технології спрямованої передачі звуку та точним навігаційним можливостям безпілотних суден, звук може точно передаватися в цільову зону, уникнувши поширення шуму та впливу на довкілля. Наприклад, на території водойми заповідника попередження можуть транслюватися спрямовано на судна, що займаються незаконним виловом, не порушуючи при цьому середовище існування навколишніх водних організмів. У той же час пристрій може імітувати звуки природних ворогів, забезпечуючи екологічне відлякування, уникаючи забруднення води хімічними речовинами.
• Зменшення операційних витрат: одне безпілотне судно в поєднанні з дистанційним акустичним пристроєм може замінити роботу 2–3 працівників водних операцій. Крім того, витрати на одну операцію (електроенергія, технічне обслуговування) безпілотного судна нижчі, ніж витрати на експлуатацію судна з екіпажем. Тривала експлуатація значно зменшує інвестиції в робочу силу та час. Наприклад, під час щоденного патрулювання порту одне безпілотне судно може охопити патрулюванням ділянку водойми завдовжки 5 км, при цьому витрати знижуються більш ніж на 50% у порівнянні з патрулюванням суднами з екіпажем.

VI. Приклади застосування дистанційних акустичних пристроїв на безпілотних суднах

Приклад 1: Спільне застосування безпілотних суден для патрулювання прибережних кордонів та дистанційних акустичних пристроїв

Прикордонне відомство у прибережній смузі внедрило 8 безпілотних патрульних суден, кожне з яких обладнане дистанційним акустичним пристроєм, камерою високої чіткості, системою позиціонування Beidou та модулем супутникового зв'язку. Під час повсякденних патрулювань безпілотні судна рухаються в прикордонних водах за заздалегідь встановленими маршрутами. Коли камера виявляє підозріле судно, що наближається до кордону, дистанційний акустичний пристрій автоматично перемикається у режим спрямованого випромінювання та відтворює попереджувальне повідомлення: «Ваше судно наблизилося до кордону Китаю, негайно розверніться та залиште цю територію, інакше будуть застосовані додаткові заходи». Якщо підозріле судно відмовляється залишити акваторію, пристрій передає через супутникове з'єднання координати та курс судна в береговий командний центр. З центру можна дистанційно регулювати гучність пристрою, посилюючи попередження. Крім того, коли патрулювання людьми неможливе через погану погоду (наприклад, сильний дощ або густий туман), безпілотні судна продовжують нормально функціонувати та транслюють положення прикордонного регламенту іншим суднам, запобігаючи випадкам незаконного перетину кордону. Після реалізації цієї системи кількість інцидентів із незаконним перетином кордону в прикордонних водах скоротилася на 75%, а витрати на патрулювання зменшилися на 60% порівняно з ручним керуванням суден.

Випадок 2: Практичне застосування безпілотних суден для аварійного рятування під час затоплення міст та дистанційних акустичних пристроїв

Коли місто постраждало від підтоплення через сильні дощі, рятувальна команда задіяла 5 аварійних рятувальних безпілотних суден. Кожне безпілотне судно було обладнане дистанційним акустичним пристроєм, інфрачервоним тепловізіонним приладом і пристроєм для скидання рятувального обладнання. Безпілотні судна швидко увійшли до затоплених вулиць і територій житлових районів. Коли інфрачервоний тепловізійний прилад виявив людей, які потрапили в пастку на дахах і балконах, негайно активувався дистанційний акустичний пристрій, який передавав повідомлення: «Будь ласка, залишайтеся високо, вас будуть рятувати; безпілотне судно скине для вас рятувальні жилети та їжу, не заходьте у воду без дозволу». У той же час пристрій передавав інформацію про місцезнаходження постраждалих у рятувальний командний центр через модуль 4G-зв'язку, щоб допомогти організувати рятувальну групу. У небезпечній зоні, де глибина води перевищує 1,5 метра, безпілотні судна транслювали попередження «Тут сильна течія, будь ласка, не наближайтеся» оточуючим, щоб запобігти випадковому потраплянню людей у небезпечну воду. Під час цієї операції поєднання дистанційного акустичного пристрою та безпілотного судна допомогло рятувальній команді евакуювати понад 230 осіб протягом 4 годин. Ефективність передачі інформації була в 10 разів вищою, ніж у традиційного гучномовця, і жоден із рятувальників не постраждав.