在水下地形測(cè)繪工作中，與傳統(tǒng)水下測(cè)量方法相比，無人船具有機(jī)動(dòng)、靈活、安全性高的特點(diǎn)，可在環(huán)境復(fù)雜、工況惡劣的水域作業(yè)。其中，基于人工智能技術(shù)的水面無人船成為研發(fā)重點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋科研、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋測(cè)繪、應(yīng)急救援等領(lǐng)域，并在極地考察任務(wù)中發(fā)揮了越來越大的作用。
不久前，山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院（以下簡稱山科大海洋學(xué)院）青年教師楊繼超攜該校自主研發(fā)的“嵙海六號(hào)”智能無人船，參加中國第40次南極考察度夏任務(wù)，完成了極地海域測(cè)量，填補(bǔ)了多項(xiàng)極地近岸多波束水深數(shù)據(jù)空白。
“嵙?！睙o人船出征南極
2021年9月14日，山科大海洋學(xué)院建校70周年之際，該校自主研發(fā)的兩艘智能無人船在校內(nèi)小西湖下水，在水面自主完成了數(shù)字“70”的圖形繪制，這被認(rèn)為是山科大自研無人船從“0”到“1”的突破。
這兩艘無人船被命名為“嵙海一號(hào)”“嵙海二號(hào)”。兩船通過船體建模、零件加工、船體裝配、測(cè)量系統(tǒng)集成和航行測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)自主航行控制、純電續(xù)航、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，能適應(yīng)惡劣海況，勝任晝夜工作模式。
隨后，兩艘智能無人船隨中國第39次南極考察隊(duì)出征，執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù)。這是山科大首次承擔(dān)南極考察相關(guān)任務(wù)。
相比“嵙海一號(hào)”“嵙海二號(hào)”，此次參加中國第40次南極考察的“嵙海六號(hào)”，擁有更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更輕盈，動(dòng)力更充沛，整船自主化率達(dá)到80%（提升了30%）。
楊繼超介紹，山東科技大學(xué)無人船研發(fā)技術(shù)目前處于國內(nèi)并跑的階段。目前，國內(nèi)幾家無人船研發(fā)院校、機(jī)構(gòu)各具特色，有的無人船船體較大，主要用于島礁和近海淺水域等水下地形、地貌探測(cè)；有的無人船較小，用于海洋測(cè)繪穩(wěn)定性較差，更適合內(nèi)陸湖泊、河流的測(cè)量；“嵙?！毕盗袩o人船采用雙體結(jié)構(gòu)，綜合了前兩種船體的特點(diǎn)，在極地考察中有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
走得準(zhǔn)，看得清，避得開
南極地區(qū)一直以其惡劣環(huán)境和極端天氣而著稱。在中國南極考察站長城站所在區(qū)域，每年大風(fēng)（大于17米/秒）天數(shù)在60天以上，最大風(fēng)速可達(dá)40.3米/秒。極寒的氣溫對(duì)船體平臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、電子設(shè)備和測(cè)繪儀器提出了更高的要求。此外，復(fù)雜的海域條件，包括大量移動(dòng)的浮冰和冰山，也增加了極地海洋測(cè)繪的操作風(fēng)險(xiǎn)。
此次南極考察中，楊繼超承擔(dān)的主要任務(wù)之一是攜“嵙海六號(hào)”完成長城站附近海域的測(cè)量任務(wù)。他在長城站的31天中，每周能放船出海的好天氣只有1~2天。直到2月7日至2月9日，無人船作業(yè)終于迎來了寶貴的窗口期。
船體抗橫搖能力是影響海洋測(cè)量準(zhǔn)確性的重要因素?！帮L(fēng)速5級(jí)以下，涌浪較小，且沒有雨雪的天氣，才是最適合無人船出海執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候?！睏罾^超說?；谀妥残钥紤]，“嵙海六號(hào)”采用充氣式船體，帶有兩個(gè)備用船體，船體一旦被劃破，可以現(xiàn)場(chǎng)替換。
山科大海洋學(xué)院自主研發(fā)了智能避讓路徑規(guī)劃系統(tǒng)，搭載雙目攝像頭，讓“嵙海六號(hào)”實(shí)現(xiàn)了“走得準(zhǔn)、看得清、避得開”?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，楊繼超會(huì)給無人船提前設(shè)定好條件，比如朝著哪個(gè)方向航行、在哪個(gè)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)，無人船接收指令后就可以自己“干活”了。無人船的“大腦”經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，掌握了浮冰、冰山的外形特點(diǎn)，如果遇到障礙物，它可以自己做出決策，選擇最佳避讓路線，再回到作業(yè)點(diǎn)。
測(cè)量長城站海灣
在楊繼超拍攝的視頻中，可以看到他在野外的工作環(huán)境。在一處相對(duì)開闊的山坡上，擺放著一張簡易工作臺(tái)，可接收“嵙海六號(hào)”傳回來的海底測(cè)量數(shù)據(jù)。他和搭檔需要守在電腦前，直至無人船歸來。
當(dāng)時(shí)天飄著小雪，氣溫只有0℃?！澳蠘O濕寒，體感溫度特別低，在工作臺(tái)前站一會(huì)兒腳指頭就凍僵了。我們后來搭了個(gè)簡易帳篷用來擋風(fēng)雪，結(jié)果2月8日下午刮起了西風(fēng)，帳篷險(xiǎn)些被刮倒?！睏罾^超回憶道。30余小時(shí)后，“嵙海六號(hào)”累計(jì)完成110千米測(cè)線，超額完成了目標(biāo)任務(wù)。其間，“嵙海六號(hào)”曾與浮冰“狹路相逢”，短暫“思考”后，它成功做出了避險(xiǎn)動(dòng)作，展示出了良好的自主性、智能性和穩(wěn)定性。
續(xù)寫南極科考新篇章
中國第40次南極考察期間，中國南極秦嶺站建成并投入使用。在中國第39次南極科考任務(wù)中，山科大教師王磊曾帶著“嵙海一號(hào)”“嵙海二號(hào)”無人船超額完成了相關(guān)海域測(cè)量任務(wù)，為秦嶺站的順利建設(shè)提供了技術(shù)支持。目前，山科大新一代無人船已確定參加中國第41次南極考察。
楊繼超介紹，在極地海域，沉在水下的浮冰是巨大的威脅，新一代無人船除搭載雙目攝像頭外，還將配備激光雷達(dá)，讓它更精準(zhǔn)地“識(shí)別”水上水下的障礙物。
新征程上再出發(fā)，在認(rèn)識(shí)極地、保護(hù)極地、利用極地的歷史進(jìn)程中，山科大智能無人船團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)汲取勇毅前行的力量，不斷突破關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)更多極地海域數(shù)據(jù)空白，為南極科考續(xù)寫新篇章。
