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无人艇 有智慧
业界共谋合作构建大湾区船舶行业智能无人技术生态圈
发布时间:2019-07-26 16:19:44 | 来源:中国船舶新闻网 | 作者:邝展婷
    近年来,随着自主航行试验船“智腾”号、智能船舶“大智”号、“明远”号等船舶的问世,我国智能船舶研发工作在各个方向均取得了进展。其中,无人艇产品在水体环境监控、海洋油气及渔业资源勘探、海洋养殖、海洋执法监控等领域“大展身手”,展现了智能技术发展的无限可能。
    在广东造船工程学会与广州智能无人船产学研技术创新联盟联合主办的“2019船舶行业智能无人技术研讨会”上,来自内地和香港、澳门海事界的业内专家及企业代表围绕船舶智能无人技术的研发与应用进行交流。粤港澳大湾区船舶行业智能无人技术生态圈正在逐渐成形。

搭乘5G快车
推动无人艇应用延伸

    不同于以往通信计划的更迭主要在于提升数据传输速率,5G网络还包括了终端设备连接密度和超可靠的低时延通信,具有高速率、低时延、高可靠等特点,可以实现海量数据、高清视频的实时传输,以及远程操作的实时控制,这使得万物互联可以成为现实——人与船的互联也成为可能。
    首先享受到“5G+船”便利的是城市水体监控。目前,水质监测还是以人工监测为主,不仅耗时耗力、效率低下,而且受限于天气、地理环境等因素。5G的到来,实现了人工监测向无人监测的转变。无人艇是一种以人工智能技术为核心的水面机器人,可以自主在水面安全航行及执行任务,能够将人们从恶劣多变的环境中,从简单、重复、繁重、危险的任务中解放出来。
    近日在广州黄埔区、开发区开始应用的水体监测无人艇,应用了广州海工船舶设备有限公司广州汉图达的5G无人艇技术,采用联通5G信号架构智慧河涌综合管理系统。5G无人艇作为该系统采集数据的“移动终端”,实现了自主巡航、自动避障、自动返航、自主作业、远程视频操控等。该艇安装有检测探头,可以采集水样,监测氢氧离子浓度指数(pH值)、水温、溶解氧、氧化反应电位值(ORP)等多个水质指标,利用5G网络超过每秒2G的带宽,可以实现无人艇高清视频信号的实时传输,无卡顿、延时,通过即时视频就可以清楚地看见水体漂浮物、颜色等。
    同样看中5G的还有珠海云洲智能科技有限公司。该公司5G无人艇搭载高清摄像头、水质采样设备及在线检测仪,可以采集水域信息、自动绘制水质分布图、生成采样报告及检测报告。该艇依托5G,辅以遍布水域的水质监测传感器以及远程控制的机械臂污水取样设备,实现了水域信息高清视频实时回传、VR后端演示、水质监测、无人艇远程控制应用以及自动驾驶控制。云洲科技还与爱立信、中国移动联手建立了“基于5G网络打造的无人艇河道清理监测系统”,为传统水上作业带来无人化、智能化变革。
    目前,我国正积极推动以5G为代表的通信技术变革,广州是国家5G试点城市之一,正在构建5G产业生态圈。2019年,广州计划建设5G宏基站1万座,实现主城区和重要区域5G信号的连续覆盖,力争在2019年率先实现5G试商用,以“加快网络布局”“推进应用创新”“打造产业生态”“引进来、走出去”为四大重要路径和抓手,加快建设5G产业,推动5G赋能实体经济,推动广州5G产业发展走在全国前列。
    依托京信通信、广州海格通信集团股份有限公司等一批5G产业核心企业,广州5G产业已经覆盖了基站天线、通信网络设备、通信系统设备电子元件及组件、芯片、通信终端设备、5G应用等领域。无人驾驶、智慧物流、智慧城市、智慧金融、工业互联网、智能装备、高清视频等领域上的5G场景应用正在广州陆续落地。
    5G智慧河涌正是广州推进5G示范的落地应用之一,广州市将拓宽5G智慧河涌的应用范围,让5G无人艇驶入更多河涌。专家认为,这正是无人艇产业拓展市场、推广产品应用的有利契机。未来,5G与船艇之间的“化学反应”,还存在广阔的想象空间。

能自主、会合作
无人艇、需智能

    无人,并不等于智能。
    专家指出,目前业内着力发展的无人艇全称“全自主无人艇”(Unmanned Surface Vessel,简称USV),属于智能机器人的一种,具备自主路径规划、自主航行功能,能采用自主方式完成环境信息感知、目标探测等各项任务。
    无人艇的关键技术包括船体平台、控制系统和通信系统三大块。其中,最核心的是控制系统,必须具备智能的安全航行和可靠的自动化操控能力,即实现自主控制能力。这就需要掌握感知、决策、控制三大关键技术,通过数学建模和实际测试验证,解决多传感器、多目标数据融合问题,在遵守避碰规则的同时考虑异常驾驶情况的决策规划等问题。
    同时,单一无人艇的功能、负载、续航力、巡航范围始终有限,由单艇向多艇集群协同、无人艇+无人机/车协同、船岸协同等方向发展是必由之路。也就是说,无人艇除了能“自主”,还要会“合作”。
    在多艇协同方面,广东船企研发制造的无人艇已经开始“上路”。2018年央视春节联欢晚会珠海分会场上,81艘无人艇组成编队,克服三级海况的不利因素列阵表演,实现了全球最大规模无人艇编队航行;珠海万山群岛海域水面无人艇“鲨群”的协同演练上,56艘无人艇组成的集群完成快速集结、队形保持、动态任务分配、队形自主变换、协同避障及容错控制等多项测试。
    在机艇协同方面,华中科技大学自动化学院、广东华中科技大学工业技术研究院联合组织研发的HUSTER-68无人艇和无人机,于今年年初在广东东莞松山湖实现了国内首次视觉自主无人机艇协同运动起降。
    据介绍,机艇协同自主起降是海空跨域无人系统的使能技术与前沿热点,能拓展机艇编队的机动性能,大幅拓展机艇编队探测范围,推进无人装备在实际中的广泛应用。在机艇协同起降过程中,无人机自主从无人艇上起飞,执行指定空域探测任务;无人艇自主探测周围水域环境,对无人机发出返航指令;无人机返航跟艇,并自主识别无人艇的可降落位置,经历“跟随”“下降”“着艇”3个阶段后降落。
    机艇协同的挑战性在于工作在不同介质中的2个不等速运动体,需在空间极其有限且随机颠簸的水面平台上稳定、可靠、准确地完成全自主起飞和降落任务。无人机需搭载微处理器、云台摄像机、全球定位系统(GPS)、超声波等,以实现航迹规划,水域、空域探测等自主作业任务;无人艇则需自主完成“水-岸-天”复杂环境信息感知与融合、目标探测等任务,具备自主避障与路径规划能力。

首要提升本体性能
让无人艇成为人类好帮手

    中国船级社(CCS)发布的《智能船舶规范(2015)》指出,相对于有人船/艇,无人船/艇可有效减少人力资源浪费及人为误操作,提高运动控制精度,优化航行路径,降低燃油消耗。未来,无人艇在海洋测绘领域可以帮助了解海岛面积、海底地形地貌、植被情况、海湾类型面积形态、滩涂分布面积形态、岸线类型长度分布等;监测围填海、重点项目用海、区域规划用海等使用情况。在海洋环保领域,无人艇可进行赤潮、浒苔、海洋溢油、水质等监测与评估;为海洋渔业进行海水成分含量监测;为海洋维权执法完成执法取证、权益保护、偷排监控任务。此外,该设备还可作为无人通讯平台。
    专家介绍,目前我国无人艇的市场化、商业化还处于推广之中,要实现无人艇的广泛应用,首先需要进一步提升无人艇的本体性能。
    一方面,要实现对无人艇更加精准的控制,提升无人艇的自主控制性能。要加强研究水面无人艇避碰机理、会遇形势划分、碰撞危险度及船舶运动参数等的计算方法;研究无人艇的参数建模技术,并在线估计风、浪与水流等外界干扰因素对无人艇控制造成的影响,掌握线性变参数建模与辨识技术;研究不同航速下的鲁棒变参控制技术,实现不同工况下的最优性能。
    另一方面,要提升船艇本身的硬件性能,包括采取更加适应使用环境的材料、推进系统等。如中国船舶工业集团有限公司所属广州船舶及海洋工程设计研究院研发设计的多型无人艇,应用了铝合金、碳纤维复合材料等新材料,采用了高性能深V滑行艇型、高速三体船型等不同的船型设计;广州船院的5G无人艇,应用了无轴推进器,在执行任务时不易被水草和其他杂物堵塞、缠绕,而且效率较高、几乎没有噪音,特别适应城市的水域环境。
    其次,要提升无人艇的协同能力。在机艇协同方面,能突破无人机和无人艇各自的能力局限,组成一体化协作系统,实现能力互补,提升任务能力和自主能力;要进一步拓展无人艇的应用范围,还可以继续研究无人艇与无人车协同,用于陆域任务;提升船岸协同能力,将无人艇推向水域水文测绘、水利侦查、自动避害、航线规划、深海测绘导航、水下科研、监视侦察、海洋生态保护等更广阔的应用空间。
    此外,还应贯彻绿色船舶理念,优化无人艇的节能水平,提高产品续航力。目前国内外无人艇产品续航力一般在12个小时以下,外媒报道称以色列的“Silver Marlin”号续航时间达到24小时。如果要执行长时间的海洋任务,安全有效地收集海上数据、辅助进行海洋执法维权等工作,则需要具备更长的续航能力。相关单位应分析通航环境、装载量、吃水、主机功率(转速)等因素与船舶营运能效指数(EEOI)之间的内在关系,通过优化控制,最大限度降低EEOI指数。

巧用多行业优势

构建大湾区智能无人技术生态圈

    目前,广东已经拥有珠海万山无人船海上测试场,这是我国目前两大的智能船舶实验基地之一(另一个为青岛智能航运技术创新与综合实验基地),为无人艇的研发提供了实验场地。万山测试场北区海域面积为21.6平方公里、南区海域面积为750平方公里、测试基地小万山岛面积为5.7平方公里。该测试场设有民用开放、军用管辖、保障中心、培训中心和测试中心五大区域,是以无人艇为核心的综合性海上测试场,除了面向无人艇、自主船舶,还可以满足通信导航、声学设备等各类海洋装备和仪器的测试需要。
    据介绍,万山测试场的目标是面向海洋科技企业,为智能船舶提供测试条件、产业服务和学术研究资源,开展海洋相关前沿科技、核心技术的研发、测试和认证,探索智能船舶相关法律法规的制订,以及开发未来应用场景。
    除此之外,粤港澳大湾区发展无人系统及智能船舶产业还有很多跨行业的无形优势。在广州,有“天河二号”超级计算机,有中山大学多媒体实验室和人机互联实验室、华南理工大学广州市脑机交互关键技术及应用重点实验室,有科大讯飞华南人工智能研究院、广州国际人工智能产业研究院、广州中国科学院沈阳自动化研究所分所等;在深圳,有华为及超200家人工智能初创企业,还计划打造我国人工智能技术创新策源地和全球领先的人工智能产业高地;在香港,有孵化出“大疆”(深圳市大疆创新科技有限公司)、“固高”(固高科技(香港)有限公司)等品牌的香港科技大学;在东莞,松山湖国际机器人产业基地孵化的项目已达50多个……
    专家认为,业内研究院所、高校、船企、测试机构及其他相关单位应共同谋划、相互协作,在加强自主研发的同时,解放思路、创新模式,有效利用跨行业的技术优势,合作构建粤港澳大湾区船舶行业智能无人技术生态圈,推动无人系统及智能船舶产业发展,助力我国船舶行业抢占智能船舶的制高点。

 

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