李海森, 張陽, 朱建軍, 杜偉東

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術全國重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150001;2.海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學) 工業(yè)和信息化部, 黑龍江 哈爾濱 150001;3. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著海洋開發(fā)貿(mào)易及世界航空航天活動日益頻繁,各類事故也逐漸增多[1]。除輪船、潛艇、水下機器人等本身在海洋航行的目標外,包括飛機、火箭以及衛(wèi)星在內(nèi),均有可能失事后入海。從失事原因上來看,大致包括人為事故、技術故障、環(huán)境因素等3個方面[2-3]。國外PlaneCrash網(wǎng)站統(tǒng)計了1950-2021年飛機失事原因,飛行員操作失誤造成的飛機失事有533起,占總事故49%,其他原因依次為機械故障23%、天氣原因10%、破壞行為8%及其他原因10%[4]。衛(wèi)星、潛艇等目標涉及國家核心技術機密,飛機、輪船和潛艇發(fā)生事故更可能造成大量人員傷亡,因此對海洋失事目標搜尋非常必要。在發(fā)生事故后,搜救工作成為第一要務,國家和國際組織為此制定了相應的法律法規(guī)。1982年在牙買加簽署的《聯(lián)合國海洋法公約》是層次最高、內(nèi)容最全的世界海洋根本法,第98條規(guī)定了“救助的義務”;國際海上搜救大會通過的《1979年國際海上搜尋救助公約》,專門而又全面規(guī)范了締約國在海洋搜救的諸多事項,我國在1985年批準該公約,并按要求成立中國海上搜救中心;美國在1992年出臺了《美國聯(lián)邦災害緊急救援法案》,規(guī)定了美國災害緊急救援的基本原則,明確了政府部門、軍隊、社會組織與公民等在救援中的責任與義務。我國為應對海上搜救等情況,出臺了《中華人民共和國海上交通安全法》、《中華人民共和國搜尋援救民用航空器規(guī)定》等多部法律法規(guī)[5]。

海洋搜尋就復雜程度和危險系數(shù)來說,明顯大于陸地,主要體現(xiàn)在失事位置不確定、搜尋作業(yè)范圍大、搜尋技術局限、水下生存條件惡劣、天氣變化、海水運動等方面[6],在一定程度上更加體現(xiàn)了搜尋技術的重要性。本文對水中失事目標進行了分類,分析了失事目標水中搜尋策略、數(shù)據(jù)處理方法及搜尋設備平臺研究現(xiàn)狀,展望了水中搜尋技術發(fā)展趨勢。

1 水中失事目標分類

無論搜尋目標整體或部分漂浮水上、懸浮水中或沉入海底,均可視為水中失事目標,按照涉密信息分類,可分為公開目標和涉密目標。

公開目標包括民用飛機、輪船、水下考古發(fā)掘、遇難人員等,如圖1所示。2014年3月,馬來西亞航空MH370航班失事,機上239名乘客和機組人員全部遇難,中國、馬來西亞、澳大利亞、美國等11個國家參與搜救[7-12];2014年4月,韓國“世越號”客輪在全羅南道珍島郡附近海域沉沒,造成296人死亡,142人受傷以及8人失蹤[13];1987年8月,廣州救撈局和英國海上探險公司在上下川島搜尋東印度公司萊茵堡號時,發(fā)現(xiàn)“南海一號”南宋沉船,在2007年完成整體打撈[14]。

圖1 公開失事目標Fig.1 Disclosure of the target of the crash

涉密目標包括軍用飛機、衛(wèi)星、潛艇、從事軍事監(jiān)聽活動的水下機器人等,如圖2所示。2017年11月,阿根廷“圣胡安號”潛艇在南大西洋海域失聯(lián),在失蹤1年后被美國Ocean Infinity公司找到[15]。我國漁民多次打撈到的國外在我國海域從事監(jiān)聽活動的無纜自主水下機器人(autonomous underwater vehicle,AUV)也屬于涉密目標。

圖2 保密失事目標Fig.2 Confidentiality of the accident target

除此之外,水中失事目標按照目標有無人員,可分為有人目標和無人目標;按照目標活動空間,可分為空中目標、陸地目標、水面目標和水下目標;按照目標有無定位設備,可分為有源目標和無源目標等。針對不同類型的水中失事目標,搜尋技術存在一定差異。

2 搜尋策略與方法研究

2.1 搜尋策略研究現(xiàn)狀

水中搜尋通常包括目標搜尋準備與搜尋過程[16]。搜尋準備是準確搜尋目標、安全高效搜尋的保障,主要為制定搜尋計劃和進行前期準備,包括確定搜索區(qū)域、劃定搜索分區(qū)、規(guī)劃搜索路徑、環(huán)境評估、設備檢查、人員配置等。目標搜尋是一個動態(tài)過程,隨著搜尋任務推進不斷調整,包括調整搜索區(qū)域、優(yōu)化搜索路徑、探測水下地形地貌、搜尋定位、障礙物避碰等。完整的搜救過程由4個階段構成[15]:確定搜尋水域、粗略掃測標記可疑點、精確掃測確認疑似點、定位打撈。按照搜尋目的,可分為2個階段[15]:海面階段,搜救幸存人員及打撈遇難人員;水下階段,打撈機體殘骸及黑匣子記錄儀。

一般來說,水中搜尋區(qū)域遠大于單個或集群探測范圍,因此需要劃定搜索分區(qū)、規(guī)劃搜索路徑,有利于提高搜索效率、避免重復搜索。搜索路徑可以根據(jù)搜尋平臺特點及搜尋區(qū)域形狀進行選擇,根據(jù)搜尋任務進一步優(yōu)化,常見的搜索方式有扇區(qū)搜索、擴展正方形搜索、軌跡線搜索、平行線搜索、水平線搜索、移動矩形搜索等[17],如圖3所示。

圖3 常見搜索方式Fig.3 Common search methods

其中,扇區(qū)搜索適合小范圍搜索,搜索半徑為3～9 km的圓形區(qū)域,確定搜索中心后,軌跡轉角為60°,如果該扇形區(qū)域未搜索到則從中位角位置重新開始搜索(虛線箭頭)。擴展正方形搜索適合搜索附近位置,以搜索中心以同心矩形擴展搜索范圍。軌跡線搜索適合不確定事故位置,但知道事故前的航行線,搜索盡量與軌跡線保持平行。平行線搜索適合不確定失事目標位置且搜索范圍較大的情況,根據(jù)事故情況確定搜索路徑之間的間隔[18]。水平線搜索與平行線搜索方式類似,但搜索矩形短邊平行于搜索矩形,且在相同范圍內(nèi)路徑彎曲次數(shù)更多,多用于飛機與艦船聯(lián)合搜索。移動矩形搜索是擴展矩形搜索的一種轉移,通過估計海流方向、速度和誤差范圍,確定搜索區(qū)域。

常見搜尋方式僅限于平行海平面的理想搜尋形式,無法應用3D立體搜尋、針對搜尋條件優(yōu)化等情況。對于這些情況,研究者對搜尋策略進行了優(yōu)化。Yang[19]提出一種分散式隨機算法,用于水下機器人組網(wǎng)搜尋3D區(qū)域目標,防止發(fā)生碰撞。Jun等[20]利用CDPSO算法來處理二維空間和三維空間智能體編隊形狀及路徑規(guī)劃問題。王文博[21]利用最優(yōu)搜索理論建立了民用航空器最優(yōu)搜尋目標模型,完成了民用航空器搜尋決策輔助系統(tǒng),可實現(xiàn)對目標的快速、高效搜索。李泊等[22]提出一種類魚搜尋策略,通過仿真驗證了搜尋過程中節(jié)點協(xié)作無需通信,隱蔽性較好。

2.2 數(shù)據(jù)與模型搜尋方法研究現(xiàn)狀

2.2.1 目標失事前位置信息

事故發(fā)生后,失事目標最后出現(xiàn)的位置坐標成為搜尋的關鍵。飛機、輪船等空中和水面目標直接與衛(wèi)星通信,潛艇、水下機器人通過一定時間上浮至海面與衛(wèi)星通信。飛機有通信尋址和報告系統(tǒng),在航行過程中利用衛(wèi)星與地面航站保持聯(lián)系,正常情況每隔1 h飛機和衛(wèi)星的信息握手一次,異常情況會自動信息握手。飛機同時受到地面雷達監(jiān)測,通常可獲得失事前位置信息,如圖4所示。馬航MH370與衛(wèi)星最后一次握手是在8:11,9:11未出現(xiàn)握手信息,因此8:11飛機坐標成為判斷失事位置的重要條件。Zhang等[23]通過MH370飛行數(shù)據(jù)和通訊中斷時間,建立微分方程模型,估計飛機落水位置及確定海域搜索范圍。

2.2.2 遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)是搜尋失事目標和尋找目標碎片的有效方法。Su等[24]提出了一種利用形態(tài)學從衛(wèi)星圖像自動檢測目標的方法,使用全色高分辨率衛(wèi)星圖像的空間信息閾值分割圖像,利用目標實際大小和圖像空間分辨率,對圖像進行形態(tài)學處理,以此獲取物體檢測結果。Marghany等[25]利用遺傳算法對分辨率1 m的高分辨率微波衛(wèi)星來預測MH370碎片漂移位置。Rasul[26]利用反照率、NDVI、光譜信息等參數(shù)處理了2013-2018年大約300張Landsat 8影像,因飛機材料與機體顏色與周圍環(huán)境不同,飛機在反照率、溫度等方面特征也有所不同,可利用已有樣本分析飛機墜毀地點。遙感圖像處理對于大范圍搜尋具有高效、低成本特點,但是由于遙感本身不具備實時性,圖像處理結果需要進行現(xiàn)場驗證,所以對搜尋工作來說具有一定滯后性。

2.2.3 海洋信息重建

海洋信息重建通過分析過去海洋上風、流等數(shù)據(jù),預測未來一段時間的變化。長期的海洋信息重建技術,可用于海上物體及污染物運動和擴散研究,對于估計失事目標海洋漂流軌跡及確定搜索路徑至關重要。最初利用重建搜救的模型可以追溯到19世紀70年代初,當時美國海岸警衛(wèi)隊就推出了計算機輔助搜索計劃系統(tǒng)[27],此后,氣象學、海洋學和計算機技術的發(fā)展促進了數(shù)值模型性能和準確性的提高。當前大多數(shù)研究基于風和洋流構建海洋漂移模型,或與其他模型結合。Nesterov[11]通過風力因子和漂移角度模型、已有碎片信息,估計碎片經(jīng)過海域范圍。Miron等[28]利用印度洋歷史衛(wèi)星跟蹤海面漂流數(shù)據(jù),建立Markov-chain模型模擬MH370碎片漂移軌跡,結合貝葉斯估計得到可能路徑與墜毀地點。Durgadoo等[29]利用回收的飛機碎片進行海洋模型模擬以及斯托克斯表面漂移共同確定可能的運動路徑。Skaddan等[10]結合飛機飛行路徑、燃油消耗模型、墜毀模型及海洋漂移模型,確定飛機殘骸的可能位置。Zhang等[23]根據(jù)海面浮力和洋流對飛機入水后的下落過程進行分析。李云等[30]利用風、流計算漂移速度,龍格-庫塔差分計算漂移路徑,開發(fā)了48 h海上失事目標搜救應急預報系統(tǒng)。海洋漂移模型是對長期海洋信息的規(guī)律性總結,在日本“福島核泄漏事故”海域核污染、中國黃海滸苔災害等事件中都發(fā)揮了重要作用。

蔡曉松解釋說，有些客戶接到品牌訂單，覺得難以達到要求，公司就把其小樣拿過來，在實驗室里試樣，得到工廠認可后，再將配方和工藝交給客戶，并派技術人員前往指導。如果在售后中碰到問題，品牌商可以將產(chǎn)品拿到實驗室，進行分析，尋找解決方案，再到工廠實地解決。

海洋信息重建既有大尺度物理海洋模型,也有小尺度水動力和運動響應問題。受到實時天氣、風流、海洋生物、物體材質等多種因素影響,海洋信息重建只能提供大致的搜索范圍,后續(xù)還需要結合搜尋平臺設備進行搜尋。

2.3 水中搜尋平臺及設備研究現(xiàn)狀

2.3.1 搜尋平臺研究現(xiàn)狀

搜尋平臺是搜尋設備的載體,承擔著失事目標搜尋、殘骸打撈和人員搜救任務,常見的平臺有船舶、艦艇、無人船及水下機器人等。艦船是應用最為廣泛的搜尋平臺,在以往搜救任務中發(fā)揮了重要作用。艦船攜帶的能源滿足長時間搜尋作業(yè)需要,但由于航行于海面,探測能力取決于船載或拖曳傳感器性能。無人水下機器人是目前技術集成度最高的搜救平臺之一,按照控制方式不同,可分為有纜遙控水下機器人(remote operated vehicle,ROV)及無纜自主水下機器人[31]。由于搜救工作往往需要持續(xù)一段時間,搜尋平臺需要具備攜帶載荷、自帶能源、獨立控制系統(tǒng)、多平臺協(xié)同功能,包括一系列關鍵性技術。主要包括設計制造、能源與推進、通信與導航以及智能控制等[32]。以水下機器人為例,水下搜尋時的條件極其惡劣,經(jīng)常需要在數(shù)千米深海承受高壓低溫的考驗,并且要一直保持中性浮力來減少推進量,提高運行效率,需要從航行性能、模塊化技術、結構材料、仿生技術等多方面進行設計優(yōu)化。能源上當前通常采用能量密度高的鋰離子電池,其他平臺如船舶可采用柴油等其他能源。由于搜尋工作需要多平臺協(xié)作,通信常常采用水聲、無線電、衛(wèi)星、光纖和以太網(wǎng)等多種通信方式,我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建成為海洋搜尋定位導航提供了重要保障。計算機視覺技術的進步,也在一定程度上推動了水下機器人智能化發(fā)展[32]。

國外水下機器人主要研究單位包括美國伍茲霍爾海洋研究所、美國金槍魚機器人公司、挪威Kongsberg等[33-34]。金槍魚機器人公司Bluefin-21是目前世界上較為先進的AUV平臺,搭載了側掃聲吶、多波束測深系統(tǒng)及合成孔徑聲吶等多種傳感器,Bluefin-21多次參與了水中搜救任務,例如2014年馬航MH370事件、2017年阿根廷“圣胡安”號潛艇事件。在搜尋MH370時,Bluefin-21從母船部署后,70 d的時間搜索了860平方公里海域[35],每天工作24 h,其中16 h在水中執(zhí)行搜尋任務,4 h上升和下降、4 h通信和傳輸數(shù)據(jù)[36]。國內(nèi)水下機器人技術研究相對落后,主要研究單位包括中科院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學、天津深之藍公司、天津瀚海藍帆公司等。深之藍公司生產(chǎn)的“江豚IV”號和“河豚IV”號ROV,參與了2017年河北潘家口水庫長城探險人員失蹤及2018年重慶萬州公交車墜江事故救援任務。

2.3.2 搜尋設備研究現(xiàn)狀

搜尋設備作為搭載在平臺上的探測裝置,是進行水下信息獲取的主要手段。按照獲取信息的方式,可分為被動探測設備和主動探測設備。被動探測設備通過被動接收聲波及周圍環(huán)境要素獲取目標信息,利用接收換能器、磁力儀、相機等設備,獲取聲波、磁力和圖像信息;主動探測裝置以聲學裝備為主,通過主動發(fā)射聲波的回波信息感知目標,利用多波束測深系統(tǒng)、側掃聲吶、合成孔徑聲吶、3D成像聲吶等聲學設備,獲得水下聲學圖像[37-38]。

飛機和艦船一般都帶有黑匣子,黑匣子包含座艙語音記錄器和飛行數(shù)據(jù)記錄器,用于記錄駕駛艙中最后2 h無線電通信音頻數(shù)據(jù)以及最后25 h的發(fā)動機和座艙控制等飛行數(shù)據(jù)[39]。黑匣子具有一個自帶30 d能源的水下定位信標,通常其工作頻率為37.5 kHz,該頻率在海洋自然背景噪聲中很難找到,最大工作深度為6 096 m[8]。因此在搜尋第1階段,可利用接收換能器獲取黑匣子信號,多個被動聲吶可對黑匣子進行位置測量[8]。但是搜索工作一旦超過黑匣子工作限度,例如搜索時長超過30 d、失事目標沉沒深度超過6 096 m,將造成黑匣子工作不穩(wěn)定乃至停止工作,此時依靠黑匣子搜尋將不可行。對于失事時間較長,被掩埋于海底的金屬目標來說,利用磁力儀進行探測具有較大優(yōu)勢[40]。金屬沉船沉物會擾動地磁場分布,發(fā)生磁力異?，F(xiàn)象,通過磁力儀檢測磁力變化,可以對磁力異常的區(qū)域進行搜索進一步判斷[41]。當然,除了利用海洋磁力,海洋地震法[42]和海洋電阻率法[43]都可以通過獲得與周圍環(huán)境異常數(shù)據(jù)作為搜尋工作的判斷依據(jù)。

在實際搜尋任務中,搭載單一被動或主動設備難以保證準確定位失事目標位置。哈爾濱工程大學承擔的深海關鍵技術與裝備國家重點研發(fā)計劃,可延展艇體新概念海底目標搜尋潛航器項目中,水下航行器搭載矢量水聽器、立體陣接收換能器、多波束測深系統(tǒng)及側掃聲吶等傳感器,實現(xiàn)對失事目標黑匣子信號檢測、定向、測距及目標海底成像一體化搜尋。

3 水中搜尋技術發(fā)展趨勢

3.1 增強失事目標定位能力

通過接收換能器偵測黑匣子信號是最簡單高效的一種搜尋方式,而搜尋任務一旦超過30 d,黑匣子將逐漸停止工作,搜尋難度大大增加。因此,通過增加黑匣子電池容量,例如從30 d增加到90 d[39],延長水下信標發(fā)射聲波的持續(xù)時間,是提高搜尋工作成功率的有效手段[8]。Santolalla[44]在專利中提出在飛機墜毀前彈出黑匣子,并且具有水上漂浮功能。Mekki等[39]提出在飛機系統(tǒng)中布置成百上千個微傳感器監(jiān)測節(jié)點,每個節(jié)點均可復制存儲黑匣子信息,一旦找到其中一個節(jié)點就可以獲取黑匣子中的數(shù)據(jù)。更為安全高效的方法,可通過衛(wèi)星通信將黑匣子信息上傳到云端[39,45],在馬斯克“星鏈”網(wǎng)絡完成后,這一設想實現(xiàn)將更為簡單。

3.2 提高AUV水下搜尋能力與智能化

AUV在水中搜尋任務中的重要性不言而喻,其性能高低很大程度會影響搜尋效率。隨著AUV需求增加,以及人工智能、通信、導航、聲吶和推進技術的快速發(fā)展,水下機器人技術仍然有改進空間。在尺寸設計上,可以選擇與標準魚雷直徑相同大小,例如輕型為324 mm、重型為533 mm,與海軍現(xiàn)有操作系統(tǒng)相兼容,規(guī)范標準可以使其適用性更加廣泛[9]。在傳統(tǒng)參數(shù)指標上,采用更高密度容量電池,提高續(xù)航能力;采用新型制造材料,增加作業(yè)深度;還可通過增大可載荷量、提高速度、降低噪聲等[9]進行改進。通過人工智能技術,提高AUV在避障、導航、目標識別方面的能力,如圖5所示。根據(jù)當前水聲通信傳輸速率,AUV在進行搜尋任務中無法實時傳輸采集到的地形等環(huán)境數(shù)據(jù),因此通過提高AUV本身數(shù)據(jù)處理能力,進行失事目標識別來說極為重要。

圖5 AUV失事目標識別與自動導航避障圖Fig.5 AUV crash target recognition and automatic navigation obstacle avoidance diagram

3.3 提高集群化、多平臺協(xié)同組網(wǎng)能力

單個AUV難以攜帶大容量電源及各種載荷,在廣闊的海域中搜尋效率低下[15],近年來越來越多的研究者開始關注集群化和協(xié)同組網(wǎng)技術的研究。首先是單平臺集群化,多AUV、無人船進行海域搜尋,涉及到搜尋區(qū)域分配、避障、通信等技術[19],集群化可以提高搜尋速度,許亞杰[15]通過算法仿真模擬了4臺AUV進行編隊搜索覆蓋目標區(qū)域。多平臺協(xié)同組網(wǎng)涉及母船、AUV、無人船、浮標、無人機等多種平臺,可進行無人遠程多維度數(shù)據(jù)傳輸與控制[46-47]。通過浮標和無人機作為AUV和無人船與母船的中介,可進行遠距離數(shù)據(jù)指令下達與數(shù)據(jù)采集傳輸,無需AUV和無人船返回母船,極大提高了搜尋效率,如圖6所示。

圖6 多平臺協(xié)同組網(wǎng)搜尋圖Fig.6 Multi-platform collaborative networking search diagram

3.4 提高聲學探測設備性能與數(shù)據(jù)處理能力

探測深度與探測精度是衡量聲吶設備性能的重要指標,特別是在海洋搜尋中,工作深度往往在3 000 m以下,需要聲學設備既要滿足深海探測或者深海工作要求,也要符合國際海道測量規(guī)范中的精度要求,這方面國產(chǎn)聲吶裝備與國際領先水平還有一定差距[37]。另一方面,聲吶數(shù)據(jù)處理技術還有較大提升空間,在獲取高分辨率海底地形地貌數(shù)據(jù)時,通過分析海底回波聲信號,利用深度學習技術進行目標識別,準確分辨出金屬、泥沙、巖石、珊瑚礁等目標,提高目標物分辨能力。

4 結論

1)全球涉海事故呈增多趨勢,但海洋環(huán)境復雜,需要根據(jù)失事海域及目標的具體情況,制定合適的搜尋策略,選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法和現(xiàn)場搜尋平臺與設備。

2)當前人們對海洋的認識不足10%,海洋搜尋有助于促進對海洋的認識,在搜尋MH370的過程中,獲得了超過279 000 km2的海底地形數(shù)據(jù)。

3)海洋面積廣闊,跨海貿(mào)易、海洋資源開發(fā)活動日益頻繁,促進海中搜尋技術的進步,提高海上事故目標搜尋效率,是各國都需要面對的課題。

4)受當前搜尋技術的制約,水中搜尋效率低下,進一步提高海洋定位能力、搜尋平臺智能化和集群化、聲學探測與數(shù)據(jù)處理能力,將是水中搜尋技術未來發(fā)展的關鍵。