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水面安防巡逻与无人船技术的发展

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-7-24     浏览次数:    

  本文对水域安防巡逻领域无人船技术的发展现状进行了综合评述,并对未来研究进行了展望。分析未来水域安防的发展趋势,指出未来水域巡防将是智能化巡防,并且无人船是未来水域巡防的主力军。从无人船技术的智能化、机器设备系统的智能化及作业运筹的智能化三个方面对无人船技术在未来智能化水域安防巡逻中的应用给出建议。

  综述表明,智慧化协同无人船集群作业是未来水域安防的主要形态,人工智能、分布式是当前以及未来一段时间内无人船技术的研究热点。

引言

  习近平指出,新一代人工智能正在全球范围内蓬勃兴起,为经济社会发展注入了新动能,正在深刻改变人们的生产生活方式。(2018世界人工智能大会开幕贺词)

  改革开放以前,由于受经济发展的限制,中国的安防主要以人防为主,安全技术防范还只是一个概念,技术防范产品几乎还是空白。20世纪80年代初,安防作为一个行业在上海、北京、广州等经济发达城市和地区悄然兴起,经过20年的发展,中国安防产业的发展已基本成型,且颇具规模。进入21世纪,安全技术防范产品行业又有了进一步的发展,智能化以及高科技电子产品、全数字网络产品的大量涌现,都极大促进了技防产品市场蓬勃发展。

  当今世界正处于新一轮科技革命与产业革命发展的关键时期,在人工智能领域带动下,大量新技术涌现,必将对安防领域产生广泛而深远的影响。

未来水域安防的发展趋势

01未来水域安防巡逻是智能化安防

  在水域安防领域中,数据的主要来源是监控视频,也有部分音频、雷达、激光等数据;需要提取的信息主要包括感兴趣目标、事件、统计特征等;智能分析技术负责建立从数据到信息的映射关系。由于数据主要由视频构成,所以智能分析技术中常用的算法也以计算机视觉领域的算法为主,如前背景建模、目标检测、分类、识别、跟踪、特征点提取、匹配、运动估计等等。智能分析技术可以代替人力,从视频等数据中提取出客户感兴趣的信息。

  随着软硬件技术的发展,智能分析技术早已不局限在安防领域,而是成为人工智能领域的关键技术。在这样的形式下,安防企业迎来了巨大的机遇和挑战。一方面,安防企业对智能分析技术一直非常重视,也取得了很多成果,由于拥有海量的视频数据,在发展大数据、深度学习、云计算等技术时具有一定优势,可以凭借智能分析相关软硬件技术的积累,向其它领域扩展业务。另一方面,新的领域也将带来更多的投入和竞争,如何通过合理的规划来迎接这些挑战,是需要不断思考的问题。


02无人船平台是未来水域安防的主力军

  在未来智能化水域安防的“分布式”巡查模式中,人在后方,集群式无人船安防巡逻装备执行具体巡查、监控、勘察等任务的作业,关键在于如何让人能够从巡查的各个任务和环节中解脱出来,实现统筹指挥的能力。对此,研究新型智能算法和软件,探索无人船的自主和协同技术,通过人船链路实现交互,使无人船集群可以在一名操作人员的管理下完成发现、识别、跟踪和监控目标等安保巡逻的各个环节,实现“一对多”的操作,并能使无人船集群具备在复杂环境中的执行任务能力,降低人的介入干扰程度。

  基于上述水域安防概念和模式分析,未来的智能化水域安防将表现出三个主要特点:

(1)无人船主战。

  智能无人船平台将取代人工以及传统的安防设备成为主要的安防巡逻力量,人与机器将逐步分离,人由巡防的前沿退向后方,主要负责决策和指挥;智能无人船平台加载机器设备走向巡防前沿,成为安防巡逻的主要执行者。

(2)万物互联。

  要求机器设备或无人船平台互联互通,自主和无人/有人系统实现互联,才能针对水面上下瞬息万变的情况自主协同、配合行动。同时要求有强大的信息高速公路,在复杂环境下构建低延时、高容量、高可靠的基础网络链路,基于智能网络算法实现动态连接、随遇接入、功能可重组、快速自组织等能力。

(3)算法致胜。

  算法是人工智能的核心,算法优势赋予无人系统更高的自主性,取得行动优势。人工智能算法在知识积累、重复性和准确性方面有较大优势,能够提高信息处理、感知和决策的质量和速度,加快“观察-判断-决策-行动”OODA环,取得主动权。无人船的平台技术是基础,但是智能算法是灵魂,智商欠佳、徒有肌肉的无人船是不能赢得最终的胜利的。

  无人船主战、万物互联、算法致胜也是未来智能水域安防的三大致胜机理,无人船作为其主要载体,是未来智能化水域安防的主力军。

中国无人船技术发展现状

  早在上世纪60年代,远程控制的无人艇船队就广泛用于军事领域。近年来, 智能化一直是船舶发展的趋势。随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新理念、新技术的突飞猛进,船舶自动化水平不断提高,无人船艇的实现有了科技支撑,无人驾驶船舶航行于全球有了实现的可能性。以无人艇船为代表的智能船舶还在环境监测、区域巡航等领域频频“抛头露面”,相关的国内外研究成果也是层出不穷。

  无人船艇包括具有自主规划、自主航行、自主环境感知能力的全自主型无人船艇,以及非自主航行的遥控型无人船艇和按照内置程序航行并执行任务的半自主型无人船艇。它集船舶设计、人工智能、信息处理、运动控制等专业技术为一体,研究内容涉及自动驾驶、自主避障、规划与导航、模式识别等多方面,可根据其作战或使用功能的不同,采用不同的模块,搭载不同的传感器及设备,执行情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、反恐、精确打击、搜寻救助、水文地理勘察、中继通信等任务。

  如今,无人船以无人化、集成化、自动化与智能化的信息获取方式,为相关职能部门提供多项应用服务功能,其主要用途与应用领域包括:城市地下水道检测、高精度水下地形测绘、大坝堤防安全检测、水文信息自动化监测、水环境自动监测、智能水道管理、河长制智慧化管理、智慧渔业灾害应急服务。

  安徽欣思创科技作为中科院旗下的国家高新科技企业,多年专业从事无人船人工智能控制平台技术及产品研发、生产、销售。公司拥有多项技术专利和核心船控技术,除了常规的路径规划、自动巡航、GPS/北斗双系统导航、失控保护等功能外,还具有智能悬停、按ADCP高精度智能测流、远距离水底成像并分析等核心技术。针对市场需求推出了水文智能测流无人船、水质在线监测无人船、水质自动取样无人船、水下探测成像无人船等多款无人船产品,以其智能、高效、安全、便捷等优质特性,已广泛应用于多个行业领域。

无人船技术在智能化水域安防巡逻中的应用思考

  无人船技术在智能化水域安防巡逻中的应用主要表现在以下三个方面:无人船平台的智能化,设备系统的智能化和指挥运筹的智能化。

01无人船平台的智能化

  智能化的无人船平台能够通过多维度广泛感知外部环境与内部状态信息,基于感知数据实时自主完成深度挖掘、推理和融合,实现水域环境态势构建,自主产生控制策略并执行,同时要具有一定的自主认知和学习能力。

02设备系统的智能化

  针对不同的作业场景,将智能化的无人船平台相结合为智能化无人设备系统。与有人系统相比,智能化无人设备系统能适应更广泛的使用条件,具有更好的持久性和耐受力,能够支撑大范围任务系列。

03指挥运筹的智能化

  在相当长的一段时间内,无人船系统难以独立完成复杂的作业任务,有人系统指挥无人船集群将是未来智能作业的主要工作模式,需要指挥运筹系统的智能化,通过智能辅助,实现有人/无人协同作业能力跃升。


  欣思创无人船平台在安防水域的日常河岸巡逻任务的同时还可配备专业声呐系统和多个(可选)功能性高清摄像头等设备,可将声呐扫描的水下地形、水下物品、溺水人员或物证等图像及定位等信息,通过自组网无线传输至岸边的多个手机或电脑终端,以便岸边救援人员高效、安全地开展搜救工作。智能控制系统可对船只进行路线规划设定,对搜索水域进行地毯式扫描,从而实现全方位信息覆盖和精准搜索,帮助岸边工作人员快速判断并确定目标点后安排潜水人员针对性地寻找水下物体。同时,船只还可选配双目视觉系统和声呐避障系统,实时传输水面视频信息、帮助船只行进中的智能避障。通过船体及动力系统、导航及控制系统、远程通信系统和智能化的人机交互系统,从而实现高效安全的水域安防巡逻作业任务。

  目前,欣思创水底探测成像无人船产品因专业、轻便、可操作性强及通信效果佳而获得蓝天救援组织及水上警务管理部门的一致认可。从而最大程度地保障了搜救人员的人身安全,并且实现了搜索效率的大幅提升,搜索工作时间仅为传统搜索工作模式的1/5~1/8。

  与传统水面船艇作业相比,无人船作业具有如下明显优势:

  1. 实现作业无人化、智能化。无人船最显著的特征是航行及任务执行的自主化,为其设定好航行路径及作业任务后,其可自主航行、智能避障和执行任务,不需要或者弱化了人的参与,从而将人从繁重的、强度高的水上任务中解放出来。

  2. 作业更高效、更标准。采用小船体、高航速、自主航行的无人船,由于其高机动性和高自主性等特点,采用无人船通常可以省却常规船艇的调度、租用、人员维护等环节,利用精准的自主导航和船体小、速度快的特点,可以在多种作业环境中更高效的执行任务。同时,由于作业过程全受计算机控制,可以让作业过程严格按设定执行,任务结果更准确、更标准。

  3. 模块化设计,功能多样。无人船通常采取模块化设计,通过更换任务模块使其能够执行不同的使命。因此,搭载不同的任务模块,无人船可以完成从民用到军用的各种任务。

  4. 航速高、机动性强。当前内河使用的无人船,多数长度在10米以内,排水量不到一吨,吃水深度仅为传统舰艇的十几二十厘米,航速在4至10节,最大航速甚至超过20节,因此能快速驶往传统舰艇无法到达的特定水域,如浅水区、狭窄巷道等。

  5. 小巧灵活、隐蔽性好。无人船的外形通常低矮平滑,表面又涂有各种隐身材料,加之体型小巧,可借助海浪、岛礁等的掩护,因此遭毁伤的概率小、生存能力很强。

  6. 使用成本低。由于无人船降低了维护人员的成本,不仅可以大量部署,且其活动不受气候影响,可全天候执勤,因此使用成本相对较低。


  无人船艇包括具有自主规划、自主航行、自主环境感知能力的全自主型无人船艇,以及非自主航行的遥控型无人船艇和按照内置程序航行并执行任务的半自主型无人船艇。它集船舶设计、人工智能、信息处理、运动控制等专业技术为一体,研究内容涉及自动驾驶、自主避障、规划与导航、模式识别等多方面。无人系统技术在多学科交叉融合发展推动下,正在向更高水平的智能自主方向发展,其广泛的覆盖性、复杂的系统性、开放的知识性,决定了它必将成为一个极富创造力的领域,从而形成新的科学前沿。无人系统技术具有巨大的理论与技术创新空间和广阔的应用前景。如何实现无人系统技术从“专用 ”到 “通用”的跨越式发展,既是无人系统技术发展的必然趋势,也是水面安防巡逻研究和应用领域的挑战。


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