智能“把脈”南大洋
——山東科技大學(xué)自研“ 嵙海”系列智能無(wú)人船參與南極考察紀(jì)實(shí)
◎? 王世鋒 郭菁荔
“參加南極考察是一件非常光榮的事情,，這彰顯了學(xué)校在相關(guān)技術(shù)方面的積累,。”4月3日,，山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院青年教師楊繼超,，在為學(xué)校自動(dòng)化學(xué)院學(xué)生做南極考察報(bào)告時(shí)這樣提到。作為中國(guó)第40次南極考察度夏隊(duì)員,，楊繼超攜帶“嵙海六號(hào)”智能無(wú)人船出色完成了測(cè)量任務(wù),。
時(shí)間拉回到2024年除夕夜，當(dāng)絕大部分中國(guó)人沉浸在春節(jié)喜慶團(tuán)圓的節(jié)日氛圍時(shí),，楊繼超正在南極洲喬治王島南部菲爾德斯半島上,，冒著濕冷的天氣，“躲在”簡(jiǎn)陋的帳篷里,，觀察著電腦屏幕上的監(jiān)控畫(huà)面,。離岸邊約5公里的海面上，一個(gè)“小黑點(diǎn)”在自主地,、有規(guī)律地來(lái)回游動(dòng),，這是智能無(wú)人船正在執(zhí)行相關(guān)測(cè)量任務(wù)。
實(shí)際上,，這已經(jīng)是“嵙?！毕盗兄悄軣o(wú)人船第二次執(zhí)行南極考察測(cè)量任務(wù)。相比大哥“嵙海一號(hào)”,、二哥“嵙海二號(hào)”,，“嵙海六號(hào)”更加智能、更加聰明,，整船自主化率提升30%,，達(dá)到80%。它可以更加自主地控制船體姿態(tài),，識(shí)別,、躲避冰山,、浮冰等障礙物,，科學(xué)合理規(guī)劃航行路線,，相關(guān)技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
隨著人工智能在海洋探測(cè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,，以智能無(wú)人船為代表的智能無(wú)人平臺(tái)在南極考察任務(wù)中發(fā)揮了越來(lái)越大的作用,，有效保障了我國(guó)南極考察的順利進(jìn)行。
逐項(xiàng)攻克難題,，自研“智能大腦”
21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),，特別是“深海”“極地”充滿未知,，是世界各國(guó)爭(zhēng)相探索的領(lǐng)域,。
無(wú)人船艇技術(shù)作為海洋調(diào)查、勘測(cè)的新技術(shù),、新手段,，越來(lái)越成為學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn),。利用智能無(wú)人船艇完成相關(guān)任務(wù),，不但減少了人員投入，而且大大提高了測(cè)量安全性和效率,，優(yōu)勢(shì)明顯,。成立于2019年的山東科技大學(xué)海洋學(xué)院，在海洋傳感器與信息集成,、特種船舶及智能移動(dòng)平臺(tái),、海洋PNTC與信息感知、海岸河口科學(xué)與信息系統(tǒng)等方面逐步形成了特色優(yōu)勢(shì),，部分技術(shù)已達(dá)到國(guó)際同類(lèi)水平,。其中，海洋智能移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與建造是學(xué)院教學(xué),、科研的特色方向,。
2021年9月14日，山東科技大學(xué)校慶前夕,，兩艘略顯簡(jiǎn)陋的無(wú)人船在學(xué)校硯湖下水,，自主完成了數(shù)字“70”的繪制，這被認(rèn)為是山科大自研無(wú)人船從“0”到“1”的突破,，兩艘無(wú)人船也被認(rèn)為是“嵙?！毕盗兄悄軣o(wú)人船的“0”號(hào)船。2022年上半年,，海洋學(xué)院憑借海洋測(cè)量,、導(dǎo)航控制等技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì),，承擔(dān)了山東科技大學(xué)首次南極考察相關(guān)任務(wù)。
“南極地區(qū)天氣惡劣,、常年大風(fēng),，海況復(fù)雜，涌浪大,，非常容易引起船體橫搖,、縱搖，這會(huì)直接影響無(wú)人船的穩(wěn)定性,，進(jìn)而影響測(cè)量精度,；海面冰山、浮冰多,，尤其是冰山海面以下部分往往會(huì)比海面以上部分大很多,，此外水下暗礁林立，這會(huì)影響無(wú)人船的正常航行,，甚至可能導(dǎo)致船毀沉沒(méi),。”楊繼超介紹,。如何讓智能無(wú)人船擁有聰明的“大腦”,，實(shí)現(xiàn)自主避障、自主航行,、自主測(cè)量,？海洋學(xué)院專(zhuān)門(mén)組建了攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)南極地區(qū)的氣候,、海洋特點(diǎn),，開(kāi)發(fā)智能控制系統(tǒng)。
“船體結(jié)構(gòu)方面,，我們采用了雙體船結(jié)構(gòu),，這樣可以大大提高船體的穩(wěn)定性；在船體材料方面,，我們使用了橡膠材料制成的充氣式浮體,，它有一定的彈性，耐撞擊,?！睏罾^超介紹。團(tuán)隊(duì)在多年北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)了北斗多天線組合導(dǎo)航定位定姿系統(tǒng),，解決了海洋環(huán)境中無(wú)人船低速大晃動(dòng)運(yùn)動(dòng)條件下，難以精確定位、定姿的問(wèn)題,，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人船的高靈敏度控制和導(dǎo)航,。
在更核心的控制“大腦”方面，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了智能避障路徑規(guī)劃系統(tǒng),，設(shè)計(jì)了核心算法,。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還特意配備了雙目攝像機(jī),，讓智能無(wú)人船可以像人眼一樣“三維建?！保灾饔^察海面情況,。“算法經(jīng)過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練,，整體上掌握了浮冰,、冰山的外形特點(diǎn)。在實(shí)際航行中,，智能無(wú)人船可以自主處理,、分析攝像機(jī)拍攝到的圖像，分析是否符合冰山,、浮冰的特征,，如果符合，它就會(huì)自動(dòng)調(diào)整航向,，避開(kāi)障礙物,。”楊繼超介紹,。
超額完成任務(wù),，助力秦嶺站建設(shè)
此次南極科考，楊繼超承擔(dān)的主要任務(wù)之一是利用智能無(wú)人船完成長(zhǎng)城站附近海域的測(cè)量任務(wù),。
2月7日下午,，長(zhǎng)城站迎來(lái)了難得的天氣和海況窗口期，智能無(wú)人船也迎來(lái)了大顯身手的時(shí)刻,。楊繼超在其他幾名隊(duì)員的協(xié)助下,，將無(wú)人船吊放至海中，在電腦上設(shè)定好目標(biāo)海域的范圍,，無(wú)人船便自主地朝著目標(biāo)海域開(kāi)去,。經(jīng)過(guò)約半個(gè)小時(shí)的航行，它到達(dá)了指定海域,，開(kāi)始了地毯式“掃描”作業(yè),。
在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，無(wú)人船多次遇到海上浮冰、冰山,，均成功避開(kāi),。第一天，這臺(tái)油電混合動(dòng)力無(wú)人船“一口氣”工作了4個(gè)小時(shí),。在3天作業(yè)時(shí)間里,，無(wú)人船累計(jì)工作30余小時(shí)，完成110公里測(cè)線,，超額完成了目標(biāo)任務(wù),，在自主規(guī)劃路徑、自主躲避障礙物,、自主控制船體姿態(tài)等方面顯示出了良好的自主性,、智能性和穩(wěn)定性?！皽y(cè)量過(guò)程中,，無(wú)人船曾遇到過(guò)浮冰帶等復(fù)雜海況，并成功做出了規(guī)避動(dòng)作,，性能經(jīng)受住了考驗(yàn),。”楊繼超高興地說(shuō),。
繼續(xù)研發(fā)之路,，更好履行使命任務(wù)
也就在測(cè)量任務(wù)的第一天，我國(guó)科考領(lǐng)域迎來(lái)一個(gè)重磅消息,。我國(guó)第五個(gè)南極考察站——秦嶺站正式開(kāi)站,，這是繼長(zhǎng)城站、中山站之后我國(guó)開(kāi)設(shè)的第三個(gè)南極常年考察站,。秦嶺站順利啟用的背后,，就有“嵙海”系列智能無(wú)人船的貢獻(xiàn),。參加第39次南極科考任務(wù)的“嵙海一號(hào)”“嵙海二號(hào)”無(wú)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)以及今后科研人員在相關(guān)海域開(kāi)展調(diào)查研究提供了有力支撐。
科學(xué)探究與創(chuàng)新永無(wú)止境,。智能無(wú)人船團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有因?yàn)閮纱文蠘O任務(wù)的出色表現(xiàn)而停止前進(jìn)的腳步,。執(zhí)行完南極考察任務(wù)回到學(xué)校后，楊繼超一邊處理測(cè)量數(shù)據(jù),，一邊馬不停蹄地開(kāi)始了下一代智能無(wú)人船的研制工作,，為出征第41次南極考察做準(zhǔn)備。
采訪中,，楊繼超也坦承智能無(wú)人船在作業(yè)過(guò)程中仍然存在一些不足,，科研團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化無(wú)人船的測(cè)量和控制系統(tǒng)，增強(qiáng)兩者的兼容性，以進(jìn)一步提升無(wú)人船的智能化水平,，以更好地承擔(dān)南極科考這項(xiàng)非常光榮的使命和任務(wù),。
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