作為人類探索地球奧秘的天然實(shí)驗(yàn)室、全球環(huán)境和資源的新空間，南極是科學(xué)考察和全球治理的焦點(diǎn)所在。不久前，山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院青年教師楊繼超完成中國第40次南極考察度夏任務(wù)歸來，他攜帶的山科大自研的“嵙海六號”智能無人船出色的完成了極地海域測量任務(wù)，填補(bǔ)多項(xiàng)近岸多波束水深數(shù)據(jù)空白，展現(xiàn)了極地科考的“山科”擔(dān)當(dāng)。
“嵙海六號”更智能、更輕盈，極地考察中顯優(yōu)勢
隨著“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的提出，我國無人船研發(fā)也邁入了新的階段，其中，基于人工智能技術(shù)的水面無人船成為關(guān)注焦點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋科研、環(huán)境監(jiān)測、海洋測繪、應(yīng)急救援等領(lǐng)域，并在極地考察任務(wù)中發(fā)揮了越來越大的作用。
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)校小西湖下水，自主完成了數(shù)字“70”的繪制，這被認(rèn)為是山科大自研無人船從“0”到“1”的突破。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，被極地中心選中，參與第39次南極考察。這也是山科大首次承擔(dān)南極考察相關(guān)任務(wù)。
“出師小西湖，進(jìn)擊積米崖，決戰(zhàn)羅斯海”……相比去過南極的“嵙海一號”、“嵙海二號”，“嵙海六號”更加聰明，“嵙海六號”的控制系統(tǒng)更加先進(jìn)，結(jié)構(gòu)更加輕盈，動(dòng)力更加充沛，整船自主化率達(dá)到80%，比“嵙海一號”“嵙海二號”的整船自主化率提升30%。
楊繼超介紹，山東科技大學(xué)無人船技術(shù)目前處于國內(nèi)并跑的階段。目前，國內(nèi)幾家無人船研發(fā)院校、機(jī)構(gòu)各具特色。有的無人船船體較大，主要用于島礁和近海淺水域等水下地形、地貌探測；有的船體普遍較小，用于海洋測繪穩(wěn)定性較差，更適合內(nèi)陸湖泊、河流的測量。“嵙海”系列無人船采用雙體結(jié)構(gòu)，船長4米，在極地海洋中有著獨(dú)特的優(yōu)越性。
南極地區(qū)一直以其惡劣的環(huán)境和極端天氣而著稱。暴風(fēng)雪頻繁是長城站的最大特點(diǎn)，每年大風(fēng)（大于17米/秒）日數(shù)在60天以上，最大風(fēng)速可達(dá)40.3米/秒，相當(dāng)于8級風(fēng)速。極寒的氣溫對船體平臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、電子設(shè)備和測繪儀器提出了極高的可靠性要求。此外，復(fù)雜的海域條件，包括大量移動(dòng)浮冰和冰山，增加了極地海洋測繪的操作風(fēng)險(xiǎn)。
走得準(zhǔn)，看得清，避得開，超額完成目標(biāo)任務(wù)
此次南極考察中，楊繼超承擔(dān)的主要任務(wù)之一是讓“嵙海”六號完成長城站附近的測量任務(wù)。在長城站的31天中，楊繼超“見到”太陽的時(shí)間加起來不到一天半，每周能放船出海的好天氣只有1-2天。2月7日-2月9日，無人船作業(yè)終于迎來了珍貴的作業(yè)期。
楊繼超介紹：“風(fēng)速5級以下，涌浪較小，且最好沒有雨雪的天氣，才是最適合無人船出海執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候。船體抗橫搖能力是影響海洋測量準(zhǔn)確性的最重要的因素。基于耐撞性考慮，‘嵙海’六號船體采用充氣式有一定的彈性，鋼性船體在撞到冰山和暗礁后，容易破損，現(xiàn)場維修困難。我們還帶了兩個(gè)備用的船體，船體一旦被劃破，可以現(xiàn)場替換。”
“嵙海六號”采用海洋學(xué)院自主研發(fā)的智能避讓路徑規(guī)劃系統(tǒng)，搭載雙目攝像頭，實(shí)現(xiàn)了“走得準(zhǔn)、看得清、避得開”。楊繼超介紹：“我們會(huì)給無人船提前設(shè)定好條件，比如朝著哪個(gè)方向跑、在哪個(gè)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)，無人船接收指令后就可以自己‘干活’了。無人船的“大腦”經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，掌握了浮冰、冰山的外形特點(diǎn)。如果遇到障礙物，它可以自己做出決策，選擇最佳避讓路線，再回到任務(wù)點(diǎn)。”
三天的時(shí)間里，楊繼超只睡了兩個(gè)小時(shí)，瘦了8斤。在楊繼超拍攝的視頻中，可以看到他在野外的工作環(huán)境。在一處相對開闊的山坡上，擺放著一張簡易工作臺(tái)，可接收“嵙海六號”傳回來的海底測量數(shù)據(jù)。他和搭檔需要守在電腦前，不能走遠(yuǎn)，直至無人船歸來。天飄著小雪，“企鵝服”的表面已經(jīng)濕透。“氣溫零度，但南極濕寒，體感溫度特別低，在工作臺(tái)前一會(huì)腳指頭就凍僵了。我們后來搭了個(gè)簡易帳篷試圖用來擋風(fēng)雪，結(jié)果8日下午刮起了西風(fēng)，帳篷險(xiǎn)些被推倒。”
經(jīng)30余小時(shí)艱苦工作，累計(jì)完成110公里測線，超額完成了目標(biāo)任務(wù)。無人船曾與浮冰等危險(xiǎn)海況“狹路相逢”，“思考”后，它成功做出了避險(xiǎn)動(dòng)作，完成了挑戰(zhàn)，展示出了良好的自主性、智能性和穩(wěn)定性。
助力秦嶺站建設(shè)，為極地科考續(xù)寫更多山科大篇章
也是在這期間，我國科考領(lǐng)域又迎來一個(gè)重磅歷史性時(shí)間——中國南極秦嶺站建成并投入使用。這背后，就有著山科大的力量。在第39次南極科考任務(wù)中，山科大教師王磊帶著“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)提供了有力支撐。
楊繼超說：“目前無人船搭載多波束測量系統(tǒng)，大多與無人船系統(tǒng)是分離的。也就是說我們需要通過“遠(yuǎn)程訪問”來操縱和監(jiān)控多波束，受網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和帶寬影像很大。今年，我們拿到了山東省重大項(xiàng)目，任務(wù)就是要讓兩個(gè)系統(tǒng)充分融合，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)由一個(gè)“大腦”指揮。”
山科大無人船已確定參加第41次南極考察。楊繼超說：“新一代無人船還沒有敲定名字，但目前確定的是船體會(huì)比上一代更輕便，‘大腦’也會(huì)更靈活。在極地海域，由于浮冰的顏色與海水顏色相似，并不好識(shí)別。另外，攝像頭也只能拍到海面的浮冰，沉在水下的浮冰部分是巨大的威脅。除搭載雙目攝像頭外，新一代無人船還將配備激光雷達(dá)，讓它學(xué)習(xí)大量的浮冰等障礙物知識(shí)后，更精準(zhǔn)地識(shí)別水上水下的障礙物。”
新征程上再出發(fā)，在加快建設(shè)海洋強(qiáng)國的偉大歷史進(jìn)程中，山科大智能無人船團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)汲取勇毅前行的力量，不斷突破關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)更多極地海域數(shù)據(jù)空白 ，為南極科考續(xù)寫更多篇章，留下更多山科大印記。