海洋探測“指揮家”

尉佳 馮京 王威 馬理新

在“一切皆可AI”的背景下，自動駕駛技術被給予了前所未有的關注。其實，自動駕駛技術早已被運用到海洋領域實現運行，甚至成為海洋探測的好幫手，在探測過程中起到至關重要的作用。

當海洋探測遇到自動駕駛

先進的海洋調查設備與調查方法為人類現代海洋科學的發展立下汗馬功勞。以物理聲學為基礎的多普勒聲速測量、單波束與多波束測深，單道與多道地震勘探更是走航（駕駛移動工具，在范圍內邊行駛、邊檢測、邊反饋）式海洋探測大營中的“五虎上將”，這5位“大將”都是針對某一區域開展工作的。

?科考隊員在進行測線設計與輸入（供圖/尉佳）

?導航控制系統的自動計劃繪制過程

區域性的海洋探測工作需要先將調查區域網格化，然后調查船拖帶儀器、按照測線采集相關數據。那么，走航式海洋探測如何結合船舶自動駕駛？如何自動沿測線測量？何時自動轉向？如何等間距激發設備呢？這都需要我們的“指揮家”——海洋綜合導航系統進行統一安排。

探海之眼——全球衛星導航系統

那海洋探測中“指揮家”是怎么開展工作的呢？首先，我們需要介紹最基礎的系統——全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）。它是利用多個衛星對地球表面以及近地空間的任何地點開展三維坐標定位、測量運動速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。全球衛星導航系統離我們的日常生活很近，我們的手機時間，運動監控以及常見的地圖都是基于它的功能。

?圖中橙紅色部分為水鳥，通過卡環固定在地震電纜上，利用線圈感應與地震電纜通信，它的作用是通過改變“翅膀”的角度以實現深度的變化，從而帶動電纜實現升降

圖為青島海洋地質研究所自主研發的多用途水面自主測量平臺，平臺可按照預先規劃的路徑，自主開展海底地形地貌、淺部地層結構、重磁場以及海流等探測任務，獲取有人船舶難以測量區域的數據（供圖/尉佳）

現如今，全球共有四大衛星導航：美國的全球定位系統GPS，俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統GLONASS，歐盟的伽利略衛星導航系統GALLIEO以及令國人自豪的中國北斗衛星導航系統BDS。正是因為這些“天空之瞳”，才能夠全天候地為我們提供坐標、速度、時間等信息，讓自動走航式海洋探測成為現實。

在海上“畫格子”

區域海洋地質調查，首先需要將區域進行網格化。科考隊員需要進行測線設計工作，確定測線的方位角、測線起止點坐標、測線長度等信息。

導航控制系統可以顯示調查船周圍的漁船（圓形為調查船）

在鮮美的海產品挑動你的味蕾的背后，可能是科考隊員與漁船、漁網的“斗智斗勇”

船載導航控制系統能夠將測線信息轉化為特有的格式，結合海圖中出現的島嶼、浮標等障礙物的坐標信息，根據時間最優化原理繪制航次計劃，包括施工順序、施工完成時間等，以提高海洋探測作業效率。

自動駕駛的“最強大腦”——實時計算

當船舶拖帶設備在測線上施工作業時，何時激發設備，何時存儲數據呢？以海洋多道地震探測手段為例，按照施工原則，海洋多道地震勘探的震源應每間隔固定距離完成激發與接收。但是由于船舶在海上的狀態就像搖曳的樹葉，根本無法用傳統的尺子測量距離，也就無法確定船舶走過的距離，但導航控制系統中的“最強大腦”——實時計算就能輕松解決這個問題。

顧名思義，實時計算就是導航系統對船舶與設備的當前坐標、速度、時間進行實時存儲并計算，確定船舶相對于上一個計算點前進了多少距離，用了多少時間，速度變化是多少。這需要導航系統具有超強的計算能力與判斷能力，時間誤差精度控制在毫秒級，距離誤差精度控制在亞米級。

多用途水面自主測量平臺可與母船協同作業，提高母船作業效率，是一種智能化程度高、安全高效的技術手段（供圖/尉佳）

科研人員在甲板上調試多用途水面自主測量平臺（供圖/尉佳）

除了實時計算前進距離的功能外，結合控制水鳥、定位尾標以及其他多道地震勘探的重要附件，導航系統能夠實時計算出拖帶電纜偏移測線的角度（專業術語為羽角），電纜在水中的方向與姿態，電纜的沉放深度以及各個控制附件距離船體的距離。

導航控制系統能夠全方位全自動地控制整個調查儀器的狀態，使得實驗室中的科考隊員隨時掌握儀器動態，及時判斷工作開展的程度與質量，確保整個工程高質量、高效率以及高精度的圓滿完成。

自動識別系統——讓定位監控更機敏

大家見慣了城市道路中的車水馬龍，其實在海洋勘探工作區域中，尤其是近海區域，船舶的穿梭也很忙碌。與陸上車輛不同的是，船舶的體積與質量通常遠遠大于陸上的車輛，所以船舶在海上的安全制動距離要比陸地上汽車的制動距離大得多。

導航控制系統利用船舶自動識別系統發出的信號，清楚地定位出幾十海里范圍內的所有船只，之后根據船舶的速度、航行方向、相聚距離，實時計算出周圍船舶是否處于安全范圍。當船舶進入風險范圍后，導航控制系統能夠主動提示船舶駕駛人員，提前做出高頻喊話、主動避讓，同時科考人員能及時判斷危險程度，提前做好設備的開關以及數據的保存。

通常情況下，大型船舶能夠及時溝通與避讓，最讓科考隊員們頭疼的是“星云密布”的漁船。漁船、漁網等障礙物時常會影響到海洋科考任務，在無法通過的區域，科考船只好改變計劃，偏離測線，這也給科學考察工作增加了時間成本。

全方位多手段協同作業示意圖（制圖/尉佳）

自動化航行新圖景——協同作業

現階段，國內外已經開發出雙船作業，主船利用聲學裝置，通過導航控制系統的設計規劃、實時計算、同步傳輸等功能，控制副船進行聯合協同海洋探測。隨著船舶自動化航行技術的提升，導航控制系統的精度能夠聯合多只無人船、無人機乃至無人潛器協同作業，構建“一主多副”的走航式海洋探測平臺集群，實現全方位、多角度、多手段以及多深度的聯合協同作業方式。

相信在不遠的將來，海洋探測導航控制系統能夠更加智能地替代科考人員完成更艱巨的科考任務。