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IEEE专家洞察:水下自主航行器将延伸海洋探测边界

 

水下自主航行器(autonomous underwater vehicle, 简称AUV)是一种无人无缆型潜水器,作为发展智慧海洋的研究热点之一,已进入大规模的实际应用阶段。

AUV技术如何助力海洋环境保护?AUV有哪些优势?目前该技术在应用端面临哪些挑战?IEEE高级会员、河海大学韩光洁教授,及三位来自IEEE海洋工程学会的专家Roberto Petroccia、Fausto Ferreira和Gabriele Ferri就这些问题分别进行了解答。

 

更深、更广、更快的“水下千里眼”

搭载自主航行技术的AUV可以在更广的区域、更大的深度以更快捷的速度下收集海洋环境数据,辅助人们在无法安全抵达的危险区域执行环境监测和清洁任务,以帮助人类更好地探测、利用水下资源,应对海洋环境污染问题。以我国自主研制的“潜龙三号”为例,作为我国目前最先进的AUV,“潜龙三号”已帮助我国科考队完成了多项深海资源勘探、海底地形测绘等重要工作,在海洋资源开发与生态环境保护,以及进一步推进智慧海洋信息体系建设等方面都发挥着积极影响。

相对于人类潜水员,使用AUV在水下执行探测或作业任务的优势显著。IEEE海洋科技专家Gabriele Ferri表示,由于潜水员一般的作业深度只有60米,在更深的水底作业时,就需要使用特殊的气体和工具。然而,海底深度在实际上要深得多(最高可达11000米),包括石油钻井平台和通信管道在内的许多装置都远远超出潜水员的作业深度,而AUV能够在潜水员不可能到达的深度工作。此外,潜水员在深海下作业的时间也相对有限,而AUV不会为长时间的工作而感到疲惫。

自主式水下航行器正在执行海洋探测任务

如今,天然气和石油等行业已经广泛利用AUV监测、检查等技术和优势,来减少海洋中的化学品和石油的泄漏问题。来自IEEE海洋工程学会的三位专家Roberto Petroccia、Fausto Ferreira和Gabriele Ferri举例,AUV可以自主沿着海底的管道“追踪”管道的厚度和状态,检测可能发生的油气泄漏,并且对一些常驻海底的系统进行检查。一旦发生泄露事件,AUV等海洋机器人也可跟随羽流协助人们更快、更准确地定位到泄漏源。

 

海洋守护者“AUV巡航队”

AUV不仅可以拓宽海洋监测的空间范围和时间尺度,同时兼具协同性。Roberto Petroccia解释,多个AUV可以同时在不同位置进行测量,这对于了解海洋状态和跟踪正在发生的现象,如石油泄漏或藻类大量繁殖等是至关重要的。此类勘查与监测工作无法依靠水面舰艇或海洋观测站单点所收集到测量数据执行,而通过AUV集群作业等形式,可以进行长期、全立体式的海洋观测。

我们可以想象这样的情景:一队AUV被分派到水下传感器网络上,沿着预定的轨迹巡航,从分布在海洋中固定的水下传感器(节点)中收集数据。然而,水下数据传输与陆地上常用的无线电波传输截然不同。由于无线电波会被水吸收,因此水下传感器和AUV之间通常通过声波来发射和接收信息。

“橙鲨”(C-shark)自主式水下航行器

然而,水下环境复杂多变,外加声波在水中传播的速度和距离都不及在空气中传播的无线电波。IEEE高级会员韩光洁教授表示:“水声通信的传输速率随着作用距离的增加大而降低,这使得水下传感器(节点)收集的数据难以直接通过水声通信的方式发送给岸基数据中心,而往往需要AUV进行数据中继。”如何在水下进行高效的通信仍然是AUV应用面临的一大挑战。

随着“AUV巡航队”规模的扩大,挑战的难度也在升级。当多个AUV协同作业时,不靠近AUV计划路径的节点必须将其数据中继到与AUV足够接近的其他节点以传输数据。于是,在网络中便形成了“热区”,其中一些节点负担过重就可能耗尽能量并停止运转。随后,如果“热区”附近的节点无法找到一个与之通信的邻居节点,便会导致数据丢失。

 

提升AUV水下网络通信的可靠性

针对AUV水下通信面临的“热区”难题,韩教授及其团队在IEEE Transactions on Mobile Computing上发表了一种基于多AUV的高可用性数据收集方案(High-Availability data collection scheme based on Multi-AUVs,简称HAMA)。通过HAMA,AUV能自主调整它们在海洋深处巡航的轨迹,以更好地收集水下传感器(节点)的数据,提高水下网络的可靠性。

此外,HAMA还具有故障发现和修复机制。如果一个节点试图向一个AUV发送数据时发现其已发生故障,HAMA则使用多跳通信方式通知其他节点,随后功能良好的AUV将取代故障AUV来继续收集数据。

一艘自主式水下航行器在水中巡航

韩光洁教授表示:“据模拟结果,与其他算法或方案相比,采用HAMA可以有效延长水下网络的生存周期,降低并平衡节点的能量消耗,提高数据包的交付率。”

 

海洋是人类赖以生存和发展的重要空间,如何获取和利用海洋资源对未来人类社会发展起着至关重要的作用。作为全球最大的专业技术组织,IEEE电气电子工程师学会及其会员致力于推动科技创新,并将尖端科研成果应用于生态环境保护、智慧海洋建设、无线通信等与生活息息相关的高科技领域。据IEEE专家预测,AUV等技术创新将进一步提升智慧海洋建设水平,帮助人类在经济发展与海洋环境保护之间达成良性互动和平衡。

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本文由 Funstec非凡实验室 作者:Albert 发表,转载请注明来源!