תפקידם של רכבי משטח אוטונומיים ב Modern Hydrographic Data Collection

כלי רכב משטח אוטונומיים (ASVs) הופיעו כטכנולוגיה טרנספורמטיבית ב הידרוגרפיה, שינוי יסודי כיצד נתונים מרחץ, מאפייני עמודה מים, ותכונות קרקעית הים נרכשות.כלי כלי לא מאוישים, רובוטיים אלה פועלים באופן עצמאי או עם פיקוח אנושי מינימלי, נושאים מערך של חיישנים למפות ולעקוב אחר גופי מים החל אגמים יבשתיים ונהרות לאזורים פתוחים.

הבנת רכבים חשמליים

מה מגדיר ASV?

רכב שטח אוטונומי הוא כלי רכב עצמי, בלתי מאויש שפועל על פני המים תוך ביצוע משימות טרום-מוגדרות או הסתגלות לתנאים בזמן אמת באמצעות חיישנים על הסיפון ואלגוריתמים בקבלת החלטות.בניגוד לכלי רכב המופעלים מרחוק (ROVs) הדורשים קישור קבוע או קוויסיטיס קבועים, ASVs לנווט, להימנע ממכשולים, ולבצע פקודות חיישן אוטונומיות בגודל של סירות קטנות, ממטרים (או מנועי סיבולת) ועד לכדי מנועי חשמל גדולים יותר (10 מטר).

המונחים: a ASV

כל ASV משלב מספר מערכות משנה קריטיות:

• (FLT:0)Navigation and control:FLT:1 ; מקלטי GPS, יחידות מדידה לא רצויות (IMUs), מצמצפנים, ולפעמים תיקון בזמן אמת (RTK) מאפשר מיקום מדויק.טייס אוטומטי ומשימה מחשב לבצע תוכניות מעקב מעקב אחר נקודות דרך תוך הימנעות מכשולים באמצעות מכ"ם, לידר, או מבוסס מצלמה.
• (FLT:0)Sensor Payloads:FLT:1 סוויטות החיישן הידרוגרפיות בדרך כלל כולל מהדהדים רבבים (MBES), אחד-beam מהדהד, נביחות בצד, פרופילים תת- ⁇ , וכלי איכות מים (CTDs, פלואומטרים, חמצן) בחירה תלויה בסקר אובייקטיבי - ממת, תת-ת, סיווג סביבתי או ניטור.
• (FLT:0) תקשורת: ⁇ FLT:1 ; Wi-Fi, סלולרי, לווין או קישורי רדיו מאפשרים להעלות נתונים תקופתיים, העלאת משימות, משוב טלמטרי.עם זאת, אוטונומיה אמיתית פירושה ש- ASV יכול להשלים את משימתו גם אם התקשורת אבדה - נתונים נשמרים באופן מקומי ונמשכים לאחר מכן.
• (FLT:0)Power and Propulsioncio:FLT:1 מערכות סוללת סוללות מציעים הפעלה שקטה אפס פליטות, אידיאלי עבור סביבות רדודה או רגישות.עיצובים סולאריים היברידיים מרחיבים סיבולת בשבועות.עבורות מהירות גבוהה או ים גסים, דיזל או מנועי בנזין עשויים לשמש.

סוגים של ASVs ב hydrographic Use

הקהילה ההידרוגרפית מעסיקה מספר כיתות ASV:

• סקר אקסומס: FLT1 Light Weight (20-100 ק"ג) שניתן לפרוס על ידי אחד או שניים מספינת או חוף קטנים.
• (FLT:0)Ocean-Going ASVs:cioFLT:1 פלטפורמות גדולות יותר (למשל, Saildrone, Wave Gallder) המיועדות למשימות ארוכות טווח, פתוחות-אוקיינוסיות.הם משתמשים ברוח וגל הנטומנטציה שהושלמה על ידי לוחות סולאריים, תוך השגת חודשים של מעקב מתמשך.
• (FLT:0)Hybrid / Multi-Role ASVss:FLT:1 כמה פלטפורמות יכולות לעבור בין פני השטח לבין פעולה תת-קרקעית, כגון סדרת C-Work מ-L3Harris, שניתן להגדיר עבור ASV או ROV תפקידים.
• (FLT:0) יחידות בעלות נמוכה הפועלות בציים (Swarmable Micro-ASVs:cioFLT:1) כדי לכסות אזורים גדולים במהירות.כל יחידה נושאת חיישן פשוט, והמידע הקולקטיבי מצטמצם לייצר מפות לפתרון גבוה.

היתרונות של ASVs Over Conventional Survey Vessels

סקרים הידרוגרפיים מסורתיים מסתמכים על ספינות מאוישות או שיגורים, המביאים מגבלות טחנות: גבוה יומיות, דאגות בטיחות צוות, טיוטת הגבלות ועייפות אנושית. ASVs מטפלות במגבלות אלה עם יתרונות שונים.

עלויות יעילות

ביטול הצוות מסיר את רכיב העלות הגדול ביותר של כל ניתוח סקר - היקף, מזון, ציוד בטיחות, ומשכורות כוח אדם.אפילו מדלג יחיד סקר יכול לעלות כמה אלפי דולרים ביום. ASVs להפחית את ההוצאות האלה לדלק, תחזוקה, ומפעיל מדי פעם זמן.

בטיחות ופחתת סיכונים

סקר בסביבות מסוכנות - קווי חוף סלעיים, בנתיבי משלוח של התנועה, לאחר סערות, או באזורים עם אומדן לא נחקר - מאפשר לצוותים להסתכן חמור. ASVs לפעול ללא כוח אדם על הסיפון, כך הסיכון לחיים הוא מסולק.בתרחישים תגובה אסון (שפיכות, דליפות כימיות, חיפוש-andescue), ASVs יכול להיכנס לאזורים מזוהמים או בלתי יציבים באופן מיידי.

גישה למים וידוי

לכלים מאוישים יש טיוטה מינימלית (בדרך כלל 1-2 מ' עבור שיגורים קטנים, יותר עבור אוניות גדולות יותר) ASVs יכול להיות מתוכנן עם טיוטות נמוכות כמו 15-30 ס"מ, המאפשר להם סקר אזורי בין-התאבדות, שוניות אלמוגים, רטובות, ושטחי הנהר שאינם אפשריים עבור סירות קונבנציונליות.

High-Resolution, Data Collection

מאחר ש- ASVs יכול לעקוב אחר קווים pre-programmed מדויקים עם דיוק תת-מטר (באמצעות RTK GPS), הם אוספים נתונים עם עקביות יוצאת דופן.הם לא סובלים משגיאות הנעה אנושית או מנסחות קו מושרה עייפות.יש צורך במחקרים על שינוי, כגון ניטור כרכים דמדומים, הגירה חול, או מתפתלי ים סביב מבנים.

ההרחבה Extended Endurance and Persistent Monitoring

השמש-הגל-ה ASVs יכול להישאר בים במשך שבועות או חודשים, לשדר נתונים מעת לעת.עבור ניטור סביבתי - מעקב אחר אלגל פורח, ⁇ טמפרטורה מים, או צנרת טורחת - עקשנות כזו מספקת צפיפות זמנית בלתי אפשרית עם כלי שיט מאונטסים.אפילו ASVs חשמליים סוללה-electric יכול לפעול במשך 8-24 שעות בין המטענים, מספיק עבור סקרים לאורך היום.

טביעת רגל פחמן

רבים ASVs הם חשמליים או היברידיים לחלוטין, ומייצרים אפס פליטות ישירות ורמות רעש נמוכות יותר.זהו דרישה גוברת לסקרים באזורים מוגנים על ידי הנחתים (MPAs) ומערכות אקולוגיות רגישות שבהן יש למזער רעש וזיהום.

יישומים מרכזיים של ASVs ב- Hydrographic Data Collection

טבלה ובטיחות ניווט

משרדים הידרוגרפיים לאומיים (למשל, NOAA, בריטניהHO, CHS) משתמשים יותר ויותר ב- ASVs כדי לעדכן תרשימים בתחומים שבהם שיטות סקר מסורתיות הן יקרות מדי או מסוכנות. ASVs יכול במהירות לשחזר ערוצים צרים, ברים כניסה, ונמלים מכוסים לאחר סערות או פעולות דריסה.

הערכה סביבתית ואיכות המים

ASVs מצויד בננות מרובות-פרמטר, מדגמי מים וחיישנים אופטיים יכולים למפות טמפרטורה, סליטי, חמצן מומס, chlorophyll-a, ו- זעזועים בהחלטות מרחביות שאינן מעשיות עם ערכות בקבוק דיסקרטיות.חוקרים השתמשו ב- ASVs כדי לעקוב אחר FLT:0harm אלגאלים מחוץ לחוף קליפורניה, לספק קרוב ל-מציאות כדי ללכוד את המצב הציבורי שלהם.

מחקר ימי ו Seabed Mapping

פלטפורמות אוטונומיות מתקדמות להבנתנו של גיאולוגיה של ים, בתי גידול בכפייה ותהליכים דינמיים.לדוגמה, ה-FLT:0Woods Hole Oceanographic InstitutionFLT:1 כבר פרס ASVs תחת קרח ים הארקטי כדי למדוד את הטיוטה של קרח ותכונות מים - משימה מסוכנת מדי עבור כלי שיט מאוזנים.

תשתיות וסקרי הידרוגרפיים לבנייה

נמלים, בחוות רוח offshore, צינורות, וקווי כבלים דורשים סקרים טרום ופוסט-שיקום. ASVs יכול לנווט בבטחה סביב אזורי בנייה פעילים, פיטורים, ו mooring buoys לאסוף כמו מרחץ בנוי.הם יכולים גם לבדוק מבנים מעוותים כגון גשר piers סכרים באמצעות צדים קנר או מצלמות אופטיות ללא הפרעה התנועה.

תוצאות חיפוש וניסויים חירום

לאחר ההוריקן, הצונאמיים או האנייה, הידרוגרפים צריכים להעריך במהירות את עומק הערוץ ואת ההריסות.כלי מאוישים עשויים להיות לא מסוגלים להגיע לאזורים שנפגעו עקב סכנות כמו גשרים התמוטטים, מים מזוהמים, או פעולות הצלה מתמשך. ASVs יכול להיות מודרך אוויר או משוגר מהחוף ולהתחיל סקר בתוך שעות.

דרישות צבאיות ואבטחה

הידרוגרפיה ימית - אמצעי נגדם, סקרי נתיב, ורנסנס החוף - מפלט מן הכריכה והעקשנות של ASVs. מכ"ם הקטן שלהם וחתימות תרמיות מקשים לזהות, והם יכולים לפעול באזורים הכחישים תוך הזרמת נתונים באמצעות לוויין למרכז פיקוד מרחוק.

שיקולים טכניים ב ASV Hydrography

אינטגרציה ואיכות נתונים

איכות הנתונים הידרוגרפיים מ ASV תלויה במידה רבה בהרכב חיישן, פיצוי תנועה ותנאים סביבתיים. , Multibeam דפונדים דורשים ציון מדויק, רול, ותיקון כבד, אשר מסופק על ידי IMU בשילוב הדוק עם האתגרים הספציפיים של GPS.

• (FLT:0)Motion המושרה על ידי גלים:FLT:1 Small ASVs רגישים יותר לתנועות גבוהות של קידוד, אשר יכול לדרג את הסאונדים של Multibeam.
• (ב) ⁇ :0 [הטוטה האקוסטית:] ל"מ" (ב"ב) לסקרי מים רדודים, יש לרכוב את העודף עמוק ככל האפשר ללא סיכון לקרקעות או לצמחים חדורים.
• (FLT:0) התערבות של הנעה: מנועים חשמליים 1FLT:1 יכול לייצר רעש אלקטרומגנטי המשפיע על כמה חיישנים.מגן ועיצוב מערכת זהיר להפחית את זה.

רמות אוטונומיות ותכנון המשימה

Autonomy נע בין מסלולי דרך פשוטה לעקוב (רמה 1) להתנהגות הסתגלות מלאה (רמה 5) שיכולה לתכנן מחדש מסלולים המבוססים על נתוני חיישן בזמן אמת - למשל, כאשר ASV מזהה אזור רדום, זה באופן אוטונומי infills. רוב הנוכחי ASVs פועל ברמה 3-4: הם יכולים להימנע מכשולים ולהתאים לנרשמים, אך החלטה מורכבת עדיין דורשת פתרונות של ניקוד, תכנון (Q) או קווי תצוגה (Q) של מערכת אבטחה.

ניהול נתונים ועיבוד

ASVs לייצר כמויות עצומות של נתונים - סקר יחיד של 8 שעות עם multibeam הדסובנה יכול לייצר עשרות ג'יגה-בייט של קבצים נאונר גולמי, יחד עם ניווט ו-Aducy חיישן אחסון על הסיפון הוא הכרחי, אבל בזמן אמת או ליד-מציאות-זמן-לכאורה-time-Time-Times הסרת נתונים אוטומטיים באמצעות קישורים סלולריים או לווייניים עבור גודל קובץ קטן (למשל, מים, פסים או פסים או פסים).

אימות ואימות

כדי לעמוד בסטנדרטים בינלאומיים של ארגון הידרוגרפי (IHO) סדר 1a (הגבוה ביותר לבטיחות ניווט), יש לאמת את נתוני ASV נגד בדיקות חוצות-אמת.זה כרוך לעתים קרובות קווי צלב, בהשוואה לסקרים קודמים, ובדיקות ידניות תקופתיות עם קו מוביל או סירה קטנה מאוישת.משרדים הידרוגרפיים רבים דורשים כי ASVs לעבור בדיקות קבלה קפדניות לפני שניתן להשתמש בנתונים שלהם לעדכונים הרשמיים.

אתגרים ומגבלות של ASVs

למרות ההבטחה שלהם, ASVs אינם פנאצה אוניברסלית, מתרגלים חייבים להיות מודעים לכמה מגבלות:

רגולציה ומסגרות משפטיות

רוב הרשויות הימיות חסרות תקנות ברורות עבור כלי שיט בלתי מאוישים.המעמד המשפטי של ASV תחת COLREGS (תקנות בינלאומיות למניעת התנגשויות בים) הוא מעורפל - האם זה עומד או נותן את הדרך?כמה מדינות דורשות "מפעיל בטוח" עם קו ברור של פיקוח, ניתוק את העלות.

תקציב תשלום מוגבל ותקציב כוח

מערכות ASVs קטנות אינן יכולות לשאת את מערכות רבבים כבדות, כוח-הכוח המשמשות באוניות גדולות.לעתים קרובות הן מסתמכות על כמרים קומפקטיים, בעלי כוח נמוך, שפתרון הסחר לסיבולה.עבור מיפוי מים עמוק (>200 מ'), ASVs הם כעת לא מעשיים, כי גודל טרנסנפקר ודרישות הכוח הופכים לאוסרים.

בסביבה הקרובה של Environmental Constraints

ASVs לפעול בצורה הטובה ביותר בים רגוע יחסית - מצב הים 3 או פחות. בגלים גבוהים, פלטפורמות קטנות עלולות לכווץ או לאבד איכות נתונים אקוסטית.קרח, זרמים חזקים, צמחייה צפופה (למשל, kelp) יכול לסבך את המוליכים או לשבש חיישנים.ניתוח קר-החלד דורש חימום סוללות ומערכות נוגדות.

אבטחת סייבר ואינטגריטי נתונים

מאחר ש- ASVs מסתמכים על קישורים תקשורת ומחשבים על גבי לוח, הם פגיעים ל-Jacking, spoofing, והתקפות סייבר.שחקן זדוני יכול לשלוח אותות GPS מזויפים כדי להדוף את הכלי או נתוני סקר מושחתים.

קבלת פנים והסכמה

בעלי מניות – כולל רשויות הנמל, הדייגים והקהילות המקומיות – עשויים לראות כלי שיט בלתי מאוישים בחשד, מחשש להפסדי עבודה, סיכוני בטיחות או התערבות בפעילויות מסורתיות. Clear תקשורת על המטרה, אמצעי בטיחות והטבות של סקרי ASV הכרחיות כדי לזכות באמון.

כיוונים עתידיים: העשור הבא של ASV Hydrography

שילוב עם בינה מלאכותית

אלגוריתמי למידת מכונות יאפשרו ASVs לזהות תכונות (תעוררות, יונקים ימיים, אובייקטים מעומעמים) בזמן אמת ולתאם את תוכנית הסקר שלהם בהתאם.לדוגמה, ASV יכול להגדיל באופן אוטומטי את צפיפות הקו כאשר הוא מזהה גבול בית גידול, או קו אם פני לווייתנים סמוכים.

פעולות היברידיות ו-Surrm

מספר ASVs הפועל כחילול מתואמת יכול למפות אזורים עצומים בשבריר מהזמן של כלי שיט אחד. אלגוריתמים של סונדראם מאפשרים לכל יחידה להתאים את עמדתה לכיסוי אופטימלי, בעוד יחידה אחת פועלת כממסר לאחרים.ה-0DARPA NOSFLT:1 ויוזמות אירופיות חוקרות את הרעיון הזה עבור סקרי בקנה מידה האוקיינוס.

אינסוף ארוך, נמוך-Cost Platforms

המגמה כלפי ארגונים קטנים יותר, זולים יותר, ועמידים יותר ASVs תעשה איסוף נתונים הידרוגרפיים נגיש לארגונים שאינם יכולים להרשות לעצמם כלי סקר ייעודי.קבוצות קהילתיות, ממשלות מקומיות, וחוקרים יכולים לפרוס צי של מיקרו-ASVs כדי לפקח על גוף המים שלהם מדי יום.קידוםים ביבול אנרגיה (סולם, גל, רוח) וסוללות מוצקות של מדינתיות ידחפו את הסיבולה מעבר לשנה אחת.

נתונים Fusion עם נכסים חשמליים ואוויריים

ASVs תפעל בתוך מערכת איסוף נתונים רב-פלטפורמות הכוללת רחצה מודרנית לווינית (SDB), מל"טים וכלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) ASV מספק את האמת הקרקעית ברזולוציה גבוהה עבור SDB, בעוד AUVs למלא פערים עמוקים של מים.ענן מבוססי צינורות היתוך נתונים ייצור חלקה, מעודכן באופן רציף מודלים של רחצה דיגיטלית.

סטנדרטיזציה והסמכת

כפי שתקנות IMO MASS יחזקו, חברות סיווג (למשל, DNV, לויד) יפתחו תוכניות הסמכה עבור הידרוגרפי ASVs.זה יהיה חלק ביטוח, אחריות, ונושאי תפעול חוצה גבולות. משרדי הידרוגרפיים יפרסמו כנראה הנחיות רשמיות לשימוש בנתונים ASV בתרשים, עוד שילוב הטכנולוגיה לעגלת אווירי.

מסקנה

כלי רכב אוטונומיים עברו מעבר לריקויים ניסיוניים כדי להפוך למונים תפעוליים ב הידרוגרפיה המודרנית.היכולת שלהם לאסוף נתונים גבוהים, נתונים חוזרים על בסיס מסוכנים או רדודים, בעלות נמוכה יותר ובבטיחות רבה יותר מאשר חלופות מאוישות, כבר שכנעה משרדים הידרוגרפיים לאומיים רבים, מוסדות מחקר וחברות סקר פרטיות לאמץ אותם.