山科大自主研發(fā)的“海”系列智能無人船兩度參與南極考察，憑借“智慧大腦”超額完成既定任務(wù)

無人船“掌舵”，“把脈”南大洋

“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。”在為學(xué)校自動化學(xué)院學(xué)生做南極考察報告時，山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院青年教師楊繼超說道。作為中國第40次南極考察度夏隊員，他攜帶“嵙海六號”智能無人船出色地完成了測量任務(wù)，剛回國不久。

時間拉回到2024年除夕夜，當(dāng)絕大部分中國人沉浸在春節(jié)喜慶團圓的節(jié)日氛圍中時，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”簡陋的帳篷里，觀察著電腦屏幕上的監(jiān)控畫面。離岸邊約5公里的海面上，一個“小黑點”在自主地、有規(guī)律地來回游動，這是智能無人船正在執(zhí)行相關(guān)測量任務(wù)。

實際上，這已經(jīng)是“嵙海”系列智能無人船第二次執(zhí)行南極考察測量任務(wù)。相比大哥“嵙海一號”、二哥“嵙海二號”，“嵙海六號”更加智能、更加聰明，整船自主化率提升30%，達到80%。它可以更加自主地控制船體姿態(tài)，識別并躲避冰山、浮冰等障礙物，科學(xué)合理規(guī)劃航行路線，相關(guān)技術(shù)與國際領(lǐng)先水平持平。

隨著人工智能在海洋探測方面的應(yīng)用越來越廣泛，以智能無人船為代表的智能無人平臺在南極考察任務(wù)中發(fā)揮了越來越大的作用，有效保障了我國南極考察的順利進行。

逐項攻克難題，自研“智能大腦”

21世紀是海洋的世紀，特別是“深海”“極地”充滿未知，是世界各國爭相探索的戰(zhàn)略新疆域。

無人船艇技術(shù)作為海洋調(diào)查、勘測的新技術(shù)、新手段，越來越成為學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界研究的熱點。利用智能無人船艇完成相關(guān)任務(wù)，不僅減少了人員投入，而且大大提高了測量安全性和效率，優(yōu)勢明顯。成立于2019年的山科大海洋學(xué)院，在海洋傳感器與信息集成、特種船舶及智能移動平臺、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，部分技術(shù)已達到國際同類水平。其中，海洋智能移動平臺設(shè)計與建造是學(xué)院教學(xué)、科研的特色方向。

2021年9月14日，山科大校慶前夕，兩艘略顯簡陋的無人船在學(xué)校硯湖下水，自主完成了數(shù)字“70”的繪制，這被認為是山科大自研無人船從“0”到“1”的突破，兩艘無人船也被認為是“嵙海”系列智能無人船的“0”號船。2022年上半年，海洋學(xué)院憑借海洋測量、導(dǎo)航控制等方面的技術(shù)優(yōu)勢，承擔(dān)了山科大首次南極考察相關(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，這會直接影響無人船穩(wěn)定性，進而影響測量精度；海面冰山、浮冰多，尤其是冰山海面以下部分往往會比海面以上部分大很多，此外水下暗礁林立，這會影響無人船的正常航行，甚至可能導(dǎo)致船毀沉沒。”楊繼超介紹。如何讓智能無人船擁有聰明的“大腦”，實現(xiàn)自主避障、自主航行、自主測量？海洋學(xué)院專門組建攻關(guān)團隊，針對南極地區(qū)的氣候、海洋特點，開發(fā)了智能控制系統(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充氣式浮體，它有一定彈性，耐撞擊。”楊繼超告訴記者。團隊在多年北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計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)境中無人船低速大晃動運動條件下難以精確定位/定姿的問題，實現(xiàn)了無人船的高靈敏度控制和導(dǎo)航。

在更核心的控制“大腦”方面，團隊研發(fā)了智能避障路徑規(guī)劃系統(tǒng)，設(shè)計了核心算法。同時特意配備了雙目攝像機，讓智能無人船可以像人眼一樣“三維建模”，自主觀察海面情況。“算法經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，整體上掌握了浮冰、冰山的外形特點。在實際航行中，智能無人船可以自主處理、分析攝像機拍攝到的圖像，分析是否符合冰山、浮冰的特征，如果符合，它就會自動調(diào)整航向，避開障礙物。”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)之一是利用智能無人船，完成長城站附近海域的測量任務(wù)。

2月7日下午，長城站迎來了難得的天氣和海況窗口期。精心準(zhǔn)備了兩天時間的智能無人船也迎來了大顯身手的時刻。楊繼超在其他幾名隊員的協(xié)助下，將無人船吊放至海中，在電腦上設(shè)定好目標(biāo)海域的范圍，無人船便自主地朝著目標(biāo)海域開去。經(jīng)過約半個小時的航行，它到達了指定海域，開始了地毯式“掃描”作業(yè)。

在任務(wù)過程中，無人船多次偶遇海上浮冰、冰山，均成功避開。開始工作的第一天，這臺油電混合動力無人船“一口氣”工作了4個小時。在3天作業(yè)時間里，無人船累計工作30余小時，累計完成110公里測線，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。“測量過程中，無人船曾遇到過浮冰帶等復(fù)雜海況，并成功做出了規(guī)避動作，性能經(jīng)受住了考驗。”楊繼超為智能無人船出色完成測量任務(wù)而感到自豪和高興。

也就在測量任務(wù)的第一天，我國科考領(lǐng)域迎來一個重磅消息。我國第五個南極考察站——秦嶺站正式開站，這是繼長城站、中山站之后我國開設(shè)的第三個南極常年考察站。秦嶺站順利啟用的背后，就有“嵙海”系列智能無人船的貢獻。參加第39次南極科考任務(wù)的“嵙海一號”“嵙海二號”無人船超額完成了相關(guān)海域測量任務(wù)，為秦嶺站的順利建設(shè)以及今后科研人員在相關(guān)海域開展調(diào)查研究提供了有力支撐。

科學(xué)探究與創(chuàng)新永無止境。智能無人船團隊并沒有因為兩次南極任務(wù)的出色表現(xiàn)而停止前進的腳步。執(zhí)行完南極考察任務(wù)回到學(xué)校，楊繼超一邊處理測量數(shù)據(jù)，一邊馬不停蹄地開始了下一代智能無人船的研制工作，為出征第41次南極考察做準(zhǔn)備。（青島日報/觀海新聞記者 王世鋒 通訊員 郭菁荔）

青島日報2024年5月17日1版

責(zé)任編輯：張慕鑫