自動水下航行器（Autonomous underwater vehicles，AUV）在維護(hù)和觀察我們的海洋、河流和湖泊方面發(fā)揮著寶貴的作用，以確保我們最寶貴的自然資源的安全，并為那些在我們最大的水體深處執(zhí)行重要任務(wù)的潛水員提供援助。

我們采訪了三位IEEE高級會員，分別是Roberto Petroccia，F(xiàn)austo Ferreira 和Gabriele Ferri，他們也是IEEE海洋工程學(xué)會（Oceanic Engineering Society，OES）的會員。他們目前在位于意大利拉斯佩齊亞的北約科學(xué)技術(shù)組織海洋研究與實(shí)驗(yàn)中心工作。

Ferri說：“水下機(jī)器人可以長時(shí)間工作而不會感到疲勞，而且可以到達(dá)潛水員不無法企及的深度。”潛水員通常可以在60米以下作業(yè)，在更高深度作業(yè)時(shí)需要使用特殊氣體和工具。此外，他們在如此高的深度所花費(fèi)的時(shí)間是相當(dāng)有限的。然而，海底的深度要深得多（高達(dá)11000米），許多設(shè)施都低于潛水員的作業(yè)深度，例如石油鉆井平臺或通信管道。

基本上，與人類潛水員和研究人員相比，車輛和傳感器能夠在更大的區(qū)域、更深的地方以更快的速度覆蓋和收集數(shù)據(jù)。此外，F(xiàn)erreira說，部署一批遠(yuǎn)程和長續(xù)航AUV能夠在不影響海洋生物的情況下收集環(huán)境測量數(shù)據(jù)。

Petroccia說：“新一代的這些系統(tǒng)可以增加監(jiān)測的時(shí)空尺度，并提供持續(xù)性和同步性（同時(shí)在不同地點(diǎn)進(jìn)行測量）。這對于了解海洋狀況和跟蹤正在發(fā)生的現(xiàn)象（如漏油或藻華）至關(guān)重要。”

這種重要的研究只有通過使用水下機(jī)器人才能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗媾炌Ш秃Ｑ笥^測站只能在一個(gè)點(diǎn)上收集測量數(shù)據(jù)。

為了通過被動的數(shù)據(jù)收集來促進(jìn)他們的可持續(xù)性努力，創(chuàng)造水下機(jī)器人的技術(shù)人員經(jīng)常從大自然中汲取他們的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)。Petroccia說：“許多設(shè)計(jì)模仿海洋生物，比如水母或魚，從大自然中汲取靈感，可以優(yōu)化航行效率。其他形狀，如章魚，已成為一種靈感來源，以支持那些能夠在不破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的情況下工作的機(jī)械手，例如在珊瑚礁或監(jiān)測蛤蜊時(shí)。”、

One of the CMRE AUVs, deployed from the NRV Alliance ship, before diving to perform a monitoring mission.photo courtesy of CMRE

水下機(jī)器人是如何工作的？

當(dāng)我們想到自主技術(shù)時(shí)，首先想到的往往是在高速公路上行駛的車輛。雖然有些技術(shù)類似于汽車，但由于機(jī)器人必須在水中忍受惡劣的環(huán)境，AUV必須有一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。

“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global navigation satellite system，GNSS）在[水下]是不可用的”，F(xiàn)erreira說。“這使得水下機(jī)器人的自我定位具有挑戰(zhàn)性，并且仍然是研究界的一個(gè)公開問題。多普勒速度測井可以測量機(jī)器人相對于海底的速度，但這僅限于當(dāng)機(jī)器人從海底航行的高度不是太高的時(shí)候。”

AUV與自動駕駛汽車的另一個(gè)不同之處在于，由于缺氧，汽油或柴油發(fā)動機(jī)不能水下工作。Ferri解釋說，這一挑戰(zhàn)實(shí)際上促使技術(shù)專家轉(zhuǎn)向更清潔的推進(jìn)技術(shù)，“例如，與典型的鋰電池相比，燃料電池可以提高續(xù)航能力。”

技術(shù)人員還面臨著水下有效通信和傳感的挑戰(zhàn)，可靠的解決辦法是利用水下聲學(xué)。Petroccia說：“聲學(xué)通信使我們能夠遠(yuǎn)距離（長達(dá)數(shù)十公里）交換數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)速率很低（通常每秒幾百位或每秒高達(dá)幾千位），傳播延遲也很長。” 這與地面無線網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)截然不同，需要設(shè)計(jì)新的通信解決方案和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這就決定了水下機(jī)器人需要變得越來越自主來完成任務(wù)，因?yàn)闊o法保證與飛行員的直接可靠聯(lián)系。”

水下機(jī)器人幫助我們的海洋保持清潔和無泄漏

油氣工業(yè)正開始利用水下航行器監(jiān)測、檢查、維護(hù)甚至干預(yù)的技術(shù)和優(yōu)勢，以減少我們海洋中的化學(xué)品和石油泄漏問題。

Ferri說：“已經(jīng)提出了幾種解決方案，允許水下機(jī)器人在海底管道上自主跟蹤，從而檢查管道的厚度和狀態(tài)，并檢測可能的油氣泄漏。不僅如此，人們對部署能夠檢查、維護(hù)和維修所需設(shè)備的常駐水下系統(tǒng)的興趣也日益增長。”

AUV和海洋機(jī)器人也能在石油清理過程中提供幫助。Ferreira說：“石油往往會隨著時(shí)間的推移而沉沒。AUV可以跟蹤羽流，研究現(xiàn)象并定位泄漏源。例如，有一次考察使用了新技術(shù)和最新的生物地球化學(xué)技術(shù)，對從深水地平線延伸出來的地下石油羽流（2010年發(fā)生在墨西哥灣的大規(guī)模事故）進(jìn)行了描述。”

自主式水下機(jī)器人的未來是什么？

IEEE OES贊助了自90年代以來每兩年召開一次的自主水下航行器研討會（Autonomous Underwater Vehicle Symposium），討論了AUV的未來，并表彰了該行業(yè)中那些在我們的海洋中有所作為的成功人士。會議甚至還為學(xué)生們提供了一個(gè)低成本AUV的概念設(shè)計(jì)競賽，以激發(fā)年輕一代的創(chuàng)新想法。

不過，AUV2020今年的情況會有所不同。會議將于9月30日至10月2日舉行，由于COVID-19對大型集會的限制，會議將遠(yuǎn)程召開。

會議將討論從如何使用機(jī)器學(xué)習(xí)來估計(jì)AUV損失的風(fēng)險(xiǎn)，到如何將先進(jìn)的采樣設(shè)備集成到自主車輛中。這三位IEEE高級會員計(jì)劃在AUV2020分享一篇關(guān)于EUMarineRobots（EUMR）的論文，并期待著了解機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能支持在AUV操作中的應(yīng)用以及AUV在極地地區(qū)的使用。

原文標(biāo)題：自動水下航行器如何保護(hù)海洋（和潛水員）

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