无人船在海洋调查领域的应用分析

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随着全球人口的不断增加,对各种能源的需求逐渐增多。海洋因具有丰富的生物资源、矿产资源和水资源等自然资源而成为各国开发研究的重点。海洋调查是人们探索海洋、认识海洋、利用海洋的基本手段,随着材料科学和信息技术的不断发展,各种技术手段、作业方法逐渐出现。传统的海洋调查通常以调查船、浮标和潜标等为平台,搭载各种仪器设备和传感器完成海底探测、物理海洋观测和生化环境监测等任务。

目前,传统调查平台在环境复杂、工况恶劣的水域作业有着很大的局限性。大船受自身体积、吃水深度的影响,不适合作业;小船抗风浪能力差、人员设备危险性高,且会在往返、补给和救治等环节上浪费大量时间;浮标和潜标虽然可在恶劣环境条件下,长期连续进行综合监测,但是机动性差,收放困难,设备成本高。

新时代信息技术和控制技术的发展使得人工智能和无人系统成为当前研究的潮流,为海洋调查的发展提供了新的思路,无人自主潜器、无人船和智能浮标等新型载体得到长足发展。其中无人船以船形浮体为载体,安装有动力系统、控制系统、通信系统和任务载荷,通过控制端发布命令进行远程控制。与载人调查船相比,无人船的优点在于无人值守,在相同作业内容下劳动强度低、操作风险小;与浮标、潜标等原位观测手段相比,无人船具有一定的机动性,易于部署、回收;与无人自主潜器相比,无人船的定位、通信等伺服技术相对简化,同时续航力有一定的优势。因此,推广无人船在海洋调查领域的应用,可有效弥补传统观测手段的缺陷,加大海洋开发力度,对推动我国海洋事业的发展具有重要意义。

一、研究背景

无人船是一种可执行某项或某类任务,并基于任务目的进行功能设计的水面机器人,最初主要用于军事领域,如协助完成警戒巡逻、情报收集、监视侦察、扫猎雷、探潜、火力打击和充当通信中继等战术支持任务。近年来,无人船在民用领域广泛投入使用,执行水体探测、海上搜救和海底打捞等任务。

无人船最早在二战时期作为一次性的制导武器投入使用。进入21 世纪之后,随着通信和人工智能等技术的发展,制约无人船发展的技术瓶颈得到解决,无人船高速发展,在军用和民用领域不断有新产品问世。美国和以色列的无人船项目研究较早,技术领先,其产品主要应用于军事领域。目前全球约有50种无人船平台,其中军用占70%,美国占50%2008年,通用动力公司为美国海军交付2“港湾”级反潜无人船,主要用于执行反潜任务;2012年,美国展示新型无人船“食人鱼”,该船具有扫雷、探测和攻击等功能。

以色列拉斐尔武器设计局和以色列航空防御公司联合研发的“保护者”无人船于2003年投入使用,主要用于本土防御和反恐作战,同时可完成部队保护和监视侦查等任务。此外,俄罗斯、英国、挪威等国家也正在加快军用水面无人航行器的研究步伐。在民用领域,目前也有部分适用于海洋调查的成熟产品,如英国ASV公司旗下的C-worker系列和C-EnduroOceanScience公司的Z-Boat系列和Sea-Robtics等,这些产品可用于海洋环境保护、航道测量和海洋搜救等。

相比于美国和以色列主导的无人船研究,我国起步较晚,但发展速度很快,已从概念设计过渡到实际运用阶段。20087月,航天科工集团公司沈阳航天新光集团有限公司自主研发的“天象1”号无人船进行下水测试并取得成功,这是我国自主研发的第一艘实际应用的无人驾驶沿海航行探测平台。近年来,无人船事业蓬勃发展。目前,上海大学、珠海云洲智能科技有限公司和哈尔滨工程大学等在无人船领域不断取得技术进步,占据领先地位。上海大学无人艇工程研究院是国内成立的第一个水面无人艇专业研究机构,其代表性成果为“精海”系列无人艇,其中“精海14”号已成功完成南海岛礁和南极罗斯海等海域的应用,目前正在研发的有“精海”号环境监测系列无人艇和“精海”号生态浮标等。珠海云洲智能科技有限公司是我国第一家致力于无人船艇研究和生产的企业,其针对海洋调查应用的产品有MB08海底探测无人船、M40A多用途无人船、ME120多用途无人船和L30高速无人船等。哈尔滨工程大学在无人水面艇(USV)的运动控制和仿真方面研究较深,包括运动控制、目标检测和路径规划等。

二、无人船在海洋调查领域的应用

当前在海洋调查领域,调查设备和作业手段方面已有很大进步,但受调查平台自身局限性的制约,在一些特殊的、危险的水域内,调查工作仍难以开展或采集到的数据较差。在浅滩、水库和近岸水域等调查区,常规海洋调查船的体积较大,吃水较深,一般无法到达,有发生倾覆、翻船等危险事故的可能性,会造成人员伤亡和设备损失;在测量水下地形时,仍以人员操控为主,受其理论水平和实际工作经验的影响,外业采集数据会存在一定的误差。根据调查现状,结合无人船机动灵活、安全、隐蔽性强等特点,可将无人船引入海洋调查领域,作为一种新型调查平台使用。根据海上作业的任务,将其分为海洋环境观测和海底探测2类。

⒈海洋环境观测

目前海洋环境观测技术主要可归纳为浮标和潜标技术、岸基台站观测技术、船基海洋观测技术、海洋遥感技术、海床基观测技术和水下自航式海洋观测平台技术。以船舶为活动平台进行海洋温盐深测量,海流观测是主要方向。在用无人船观测海洋环境时,可搭载全球导航卫星系统(GNSS)、以CTD为代表的多参数剖面测量系统、气象观测系统、ADCP和高光谱水质仪等模块,进行风暴潮、赤潮等灾害的监测,海洋动力环境的调查,深海浮标、潜标等的在线检定、标定。在进行海上工作时,无人船同时搭载多种任务设备,可进行综合调查;内置GNSS 定位,相比有人船循线更加精确;部分数据可实时回传,使用者可第一时间进行数据分析。目前无人船很少应用于海洋环境观测领域,主要是因为:

⑴海洋环境观测用到的温度和盐度等数据,与水体深度有关,需对不同层次的水体进行取样或测量,而无人船平台体量小,搭载的空间有限,观测设备多为固定安装,因此在测量深度、取样数量等方面都受到限制,传统调查船平台反而更有优势。

⑵有人船在进行海洋环境观测时受到海流、波浪和生物等因素的影响,经常要手动操控观测设备,以达到修正数据或规避风险的目的。而当前应用于无人船的控制技术还不够发达,在突发海况下,无人船的应变、自我调控能力不足,目前只能作为常规环境观测的补充手段,如要大量投入到环境观测中,还需要进行技术革新。

⒉海底地形地貌探测

水声探测技术是海底探测的主要手段,其基本内容包括声层析技术、声成像技术、高分辨率声学多波束测深技术、多功能海底地层剖面声探测技术和多媒体声通信技术等。用于海底探测的无人船搭载GNSS、单波束测深仪、侧扫声呐,合成孔径声呐、条带测深系统、浅地层剖面仪和投放式声纳等模块,可执行水深地形测量、海底目标物检测和沉积环境调查等任务。无人船平台具有远程遥控、全球定位系统(GPS)自动导航、自主航行和自动避障等功能,可在视距外作业。工作时,先在基站上下载作业水域的地图,输入坐标,规划测线,然后将任务下达给无人船,即可开始工作。作业过程中,可通过远程控制等方式调整侧扫声呐等测量仪器的参数。在浅水区、岛礁区和危化品区等常规测量船难以进入的区域,可采用母船与无人船联合作业的模式来提升作业效率。20166月至8月,TerraSond使用C-Worker5无人船(见图1)结合32m长的调查船Q105在阿拉斯加白领海域进行海道测量。无人船作为力量倍增器,在大船旁边采集多波束和拖曳式侧扫数据,协同作业。5.5m的无人船采集了4213km的测线数据,完成了44%的工程量,实现了业内第一生产效率。

无人船在海洋调查领域的应用分析

1 ASV采集多波束和拖曳侧扫数据

三、无人船关键技术研究

⒈无人船平台关键技术研究

无人船平台可搭载的任务载荷类型主要包括声学探测设备、非接触式/接触式水质检测设备、激光测量设备、磁力仪和小型重力仪等,其核心任务是获得高质量的测量数据,因此无人平台发展的关键技术应体现在以下3方面:

⑴降低平台对任务载荷的扰动。

水面测量属于动态测量,一方面会与自由液面及一定深度范围内的液体发生固态耦合作用,另一方面平台航行及自身动力系统会产生振动和噪声,这些都会对任务载荷产生影响。

⑵提高循线精度。

循线精度包括偏航距和航向稳定性2方面。水面自主测量平台根据控制端预设测线循线航行,其航行控制算法的优劣直接影响数据的质量和作业效率,具体表现为相对于实际航迹与预设航线之间的最大偏航距和航行过程中的艏向与预设航线矢量方向之间的时变关系及航向稳定性。

⑶提高通信系统的可靠性。

水面自主测量平台作业时需向控制端实时回报其自身状态及任务载荷状态,因此通信系统的实时性、稳定性和带宽等直接决定平台的适用性。

⒉无人船任务载荷适配性研究

无人船只有集成安装任务载荷之后才能执行指定任务,必须重视对其搭载能力或任务载荷适配性的考核。对于无人船平台来说,能否适配一种任务载荷,主要需从以下4个方面进行评估:

⑴载荷系统总重量。

水面自主测量平台的有效载重应大于载荷系统总重量,否则平台的安全性和航行性能都会受到影响。

⑵载荷干端体积。

水面自主测量平台的甲板和干舱空间应满足任务载荷干端布置和安装需求。

⑶载荷湿端面积、阻水面积。

水面自主测量平台的储备推力应大于任务载荷湿端产生的阻力。

⑷载荷功耗、接口。

水面自主测量平台的能源供应主要为电力,需满足任务载荷最大功耗需求,同时物理接口与电气接口一致。

四、海洋调查无人船工作环境分析

从无人船的特点和各种任务载荷来看,其未来主要解决两大难题,即:代替从业者执行劳动强度大、安全风险高的工作;代替从业者执行重复性、长周期的工作。结合海洋环境水深、水动力条件和水底地形地貌的差异,建议将无人船的工作环境分为岛礁区、滨海区、浅海区、半深海区和深海区。

⒈岛礁区

岛礁区为沿岸岛屿之间的内水道和热带珊瑚岛附近水域。沿岸岛屿之间的内水道狭窄曲折,受岸形限制,有浅滩、礁石等航海危险物,缺少足够的船调转空间。该区域水深受限,水流作用强,会受到潮流、潮差的影响。对于热带珊瑚礁附近的水域,其海流潮流特点更为复杂,暗礁众多,水深变化大,水动力复杂。岛礁区航路短,距离危险物近,距离方位变化快,采用传统调查技术在该区域工作效率低、危险大且耗费大量人力和物力,部分区域可能受政治因素的影响,获取水深、地形等基础数据的难度很大。我国南沙岛礁即为此类典型区域。

⒉滨海区

滨海区指平均低潮线以上至特大风暴能到达的地带,为陆海交互环境,可分为后滨带、前滨带和滨外带。滨海区环境极为复杂,是潮流、底流等强烈作用的地带。在此处航行尤其要注意海岸带的特点。海岸带通常可分为基岩海岸、砂质海岸、淤泥质海岸和生物海岸4 类,其中基岩海岸地势险峻、坡陡水深、海岸曲折,附近多岛屿、礁石,如辽东半岛、山东半岛;砂质海岸的堆积物颗粒较粗,海滩宽阔平坦,如台湾西侧海岸;淤泥质海岸的堆积物颗粒较细,海岸宽度大、坡度小,海岸线平直,如珠三角海岸;生物质海岸可分为红树林海岸和珊瑚礁海岸,人员、船舶不易靠近。

⒊浅海区

浅海区指平均低潮线至 200m水深的地带,一般位于陆架以内和岛屿外一定范围内。由于浅海带始终处于海水面以下,水动力较弱。波浪影响地区主要是大陆架上部。潮流和洋流可影响整个大陆架,但流速较低,主要起搬运作用。

⒋半深海区

半深海区指陆架以外、岛弧以内、水深在200m2000m的陆坡区。此处海洋动力环境特征显著。海面波浪以深水波为主,浊流作用强,同时要考虑气象因素对海上作业的影响。该区域距离陆地遥远,传统海洋环境观测手段成本高,且设备不易回收。无人船可作为定点或移动观测平台,发挥其机动灵活的特点,充当浮标、潜标观测的补充手段。

⒌深海区

深海区指水深大于 2000m的区域,对于体积小、抗风浪能力较差的无人船来说,其作业受限,在母船的配合下,只能进行少部分海洋环境观测。目前探测深层海底,使用的换能器一般体积大、质量大,无人船内的载荷空间小,载重能力有限,还不足以支持其工作。此外,无人船吃水浅,抗风浪性能差,相较于常规船舶姿态变化大,导致搭载设备的指向性降低,束控多波束、参量阵浅剖等设备的波束稳定功能可能失效。

五、无人船分类及任务载荷分析

在海上各种工作环境下作业时,考虑其水动力、水深和海底地形地貌等条件的差异,需使用不同类型的无人船,结合作业目的,搭载适用的调查设备。这就对无人船的分类方式及其适配任务载荷提出了要求。目前无人船的分类方法有很多,可根据动力、水域、船型、驱动、航速和应用等要素进行划分。针对无人船的5种工作环境,提出一种新的分类方式,按照体量、吃水深度等条件,将无人船平台分为微型平台、小型平台、中型平台、大型平台和超大型平台,并对各类型无人船适配的任务载荷提出建议。

⒈微型平台

微型平台船长小于2m,吃水深度小于0.3m。可搭载GNSS、单波束测深仪和小型侧扫声呐等设备,在海岛礁盘内、基岩质和生物质海岸等地带作业。在平潮水深小于3 m 的区域,需趁潮作业。鉴于工作环境的特殊性,无人船应设计防剐蹭、防搁浅或自带脱困装置,此类产品有Deep Ocean Engineering公司的PHANTOM® USV I-1650Teledyne公司的Z-BOAT等。

⒉小型平台

小型平台船长在2m4m,吃水深度小于0.4m,任务载荷为GNSS、单波束测深仪、侧扫声呐或单频合成孔径声呐(固定安装作业)、相干声呐条带测深系统或小型浅水多波束条带测深仪和小型三维激光扫描仪。同时搭载GNSS和高频单波束测深仪,可用于礁盘内平潮时段水深3m以浅区域的水深地形测量、浅点扫测;同时搭载GNSS、相干声呐条带测深系统和三维激光扫描仪,可用于礁盘周边、泻湖内水深20m以浅区域水深地形测量;同时搭载GNSS、小型浅水多波束和三维激光扫描仪,可用于礁盘周边、泻湖内水深20m50m以浅区域水深地形测量。此类产品有PHANTOM® H-3000 USV和珠海云洲M40无人船等。

⒊中型平台

中型平台船长在4m6m,吃水深度小于0.6m,任务载荷为GNSS、单波束测深仪(含双频)和侧扫声呐或双频合成孔径声呐(拖曳式作业)。同时搭载GNSS、多波束条带测深系统和大量程三维激光扫描仪,可用于港口、码头周边和岛屿周边的水下及水上地形一体测量;同时搭载GNSS、拖曳式侧扫声呐或双频合成孔径和浅地层剖面仪,可用于近浅海沉积环境调查。要求船体抗浪性好、稳性高。此类产品有AutoNaut 无人船(5m规格)。

⒋大型平台

大型平台船长在 6m8m,任务载荷为GNSS、单波束测深仪(含双频)和侧扫声呐或双频合成孔径声呐(拖曳式作业)、浅地层剖面仪和中水多波束条带测深系统。同时搭载GNSS、单波束测深仪(含双频),中水多波束系统,可用于深远海水深地形测量;同时搭载GNSS、拖曳式侧扫声呐或双频合成孔径声呐和浅地层剖面仪,可用于深远海沉积环境调查。该类船能以海岛为母港,在其周围一定范围内执行任务,如“精海3”号和MAPB7

超大型平台

超大型平台船长在 8m 以上,任务载荷为GNSS、单波束测深仪(含双频)、中水多波束条带测深系统和投放式声呐。同时搭载GNSS、单波束测深仪(含双频)和中水多波束条带测深系统或投放式声呐系统,可进行深远海水深地形测量;同时搭载GNSS、单波束测深仪(含双频)、中水多波束条带测深系统和浅地层剖面仪,可进行深远海沉积环境调查。此类产品有INSPECTOR Mk 2 USV33'WAM-V USV等。

六、无人船发展趋势

当前无人船正朝着模块化、智能化、体系化和标准化等方向发展,其中用于海洋调查的无人船能按照技术设计要求自主航行完成计划测线,可实时监控设备的状态并根据现场工况进行调节,具备数据本地存储、远程下载等功能。受限于导航精度、控制技术、动力续航及船体材料等技术条件,目前该类型无人船常应用于内陆河流、湖泊及浅海区域,如何在强风浪条件下保持船体的稳定性和安全性仍是各研究组织急需攻克的难题。2015TerraSond公司承接了NOAA测量工程,布放无人船沿白令海峡进行海岸线测量。

测量使用3.7m长的C-Target 3 ASV军用无人船,改装后搭载测量仪器,用于海道测量数据采集。然而,由于海况恶劣,不能安全布放和回收ASV,从而导致生产效率很低。因此,在2016年使用C-Worker 5调查时定制设计了收放系统(LARS),确保其在恶劣海况下的安全回收和布放(见图2),甚至有些回收是在1.8m浪高下进行的,工作得以顺利完成。

无人船在海洋调查领域的应用分析

2 Q105 LARS系统布放C-Worker5

对于海底探测无人船,仍需最大限度地提高其稳性,尽可能地减弱船体振动、噪声、扰流和气泡效应等对设备的影响,增大带宽,实现数据可回传,并发展多条无人船协调作业、同步测量的模式,提高作业效率,最终在搭载常规探测设备实现传统调查手段的基础上,实现搭载大量程激光扫描仪,投放式声呐,可投放、回收航空摄影、激光测量用无人机及执行特殊任务的无人潜器等。对于环境观测无人船,应增大航程,提高其在危险海况下的生存能力,最终在实现传统调查手段的基础上,实现投放、回收新型观测装置或平台,如无人机、自升降浮标和水下滑翔器等。

随着无人船技术的不断进步,未来在海洋调查领域可采用无人船开展水面环境复杂、气象条件恶劣及政治敏感区的海洋调查(例如,礁石较多的基岩质海岸浅水区域水深地形测量),气象条件不稳定、平流雾和雷暴多发季节的海上作业,大型船舶不易抵达的敌占海区的水深地形测量和海洋环境调查等。

七、结论

无人船具有机动、灵活、安全性高的特点,可弥补常规调查平台在环境复杂、工况恶劣的水域作业的局限性,故将其引入海洋调查领域,作为一种新的调查平台使用。目前无人船主要用于海底探测和海洋环境观测,受导航精度、控制技术、动力续航及船体材料等条件制约,多在内陆河流、湖泊及浅海区域作常规调查使用,如何在强风浪条件下保持船体的稳定性和安全性,降低平台对任务载荷的扰动,是目前各研究组织急需攻克的难题。本文根据水深、水动力和水底地形地貌等条件,将无人船的工作环境分为岛礁区、滨海区、浅海区、半深海区和深海区5类。结合作业环境,以无人船的体量、吃水深度为依据,建议将其分为微型平台、小型平台、中型平台、大型平台、超大型平台,并对适配任务载荷进行了分析。可以预测随着平台技术的不断进步,无人船最终可在搭载常规探测设备实现传统调查手段的基础上,实现搭载无人机、无人潜器和自升降浮标等,成为一种安全可靠的常规调查平台。

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