無人駕駛帆船能穿越大西洋嗎?

(圖片來源: Aland Sailing Robots) Image copyright Aland Sailing Robots

至今沒有人操縱過一艘無人駕駛的船隻穿越大西洋,甚至幾乎沒有人嘗試過。只有少數幾個比賽隊伍參加了自2010年發起的跨大西洋機器人航海挑戰賽(Microtransat Challenge),但都以失敗告終,原因包括船隻"被魚網纏住","被漁船撈起來",或者是在海上迷了路,最後僅僅留下一個模糊的失蹤位置。

最接近成功的一次是在2017年的夏天,當時一艘由一家名為離岸傳感公司(Offshore Sensing)製造的名為"航行浮標"(Sailbuoy)的船,行駛了1500公里,即超過了一半的航程,不過在此之後它開始繞圈,最終未能成功跨越。

根據官方規定,最快完成跨越的團隊即為跨大西洋機器人航海挑戰賽的勝出者;而在現實中,第一次實現跨越的無人駕駛帆船就是比賽贏家。主辦方制定了規則,比如船隻的最大長度(2.4米)和船隻必須安裝防障礙/防碰撞系統。參賽隊伍可以在7月到12月之間隨時啟動他們的船,不管他們從哪個方向航行——紐芬蘭到愛爾蘭,或者反之亦然。參賽隊伍包括大學俱樂部,也包括無人駕駛船隻的製造公司,例如海洋傳感公司 (一家製造帆船動力自動駕駛研究船舶的公司),甚至美國海軍學院(US Naval Academy)等。畢竟,比賽的主要目標是完成跨越。

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Image caption 這些船隻將會向水手也極難達成的任務發起挑戰(圖片來源: Aland Sailing Robots)

離岸傳感公司的首席執行官大衛·佩迪(David Peddie)說:"這是一個非常具有挑戰性的環境,你必須應對海洋中可能出現的任何情況。"

航行浮標(Sailbuoy)具有一定的優勢。離岸傳感公司是一家商業公司,專門銷售供海洋學和氣象研究使用的船隻。它在跨大西洋機器人航海挑戰賽上派出的船此前已經在海況複雜的北海(North Sea)完成了幾個月的獨立航行,沒有出現任何問題。

從頂部看,這艘船有點像衝浪板,中間有一塊太陽能板,在前面有一個短的梯形帆。除了船帆外,它吃水很深,用錐形的船頭和船尾開路。它能夠在波濤洶湧的大海中航行,甚至海水有時淹沒了整艘船,也不會損壞它,而且還能奇蹟般地保持著穩定的航向。

其他人也在關注這個挑戰賽,也提出了解決問題的新點子。在芬蘭的奧蘭應用科學大學(Aland University of Applied Sciences),一支由工程師組成的小團隊自2013年起就開始建造機器人帆船,並參加了比賽。今年,他們從瑞典飛機製造商那裏購買了2.8米長的剛性"翼"型帆, 這是一種在世界杯帆船賽上亮相過的一種對稱翼,並將其安裝在他們2.4米長的無人駕駛帆船ASPire上。

ASP意為一個自動帆船平台,它像航行浮標一樣,是白色的,但有一個更深更窄的船體和很高的矩形翼帆,兩側有兩個小的翼帆。這兩種帆裝不是為了參加比賽而製造的,而是作為研究工具,攜帶水傳感器來測量pH值、溫度、導電性和鹽度。儘管主要用於研究,但奧蘭航行機器人(Aland Sailing Robots)在9月份於挪威霍頓(Horten)舉行的世界機器人帆船錦標賽(World Robotic Sailing Championships)上,冒著使用未經驗證的翼帆和未經測試的系統的風險,最終取得了勝利。

世界機器人帆船錦標賽是跨大西洋機器人航海挑戰賽的衍生賽事,在為期四天的比賽中,來自相關領域的大學或公司的團隊需要完成不同的任務,包括競速賽、區域掃描比賽、避免碰撞比賽以及位置保持比賽(在比賽中船隻必須在特定位置保持五分鐘)。

比賽的第一天有風,地點位於挪威奧斯陸峽灣(Oslofjord)的入口處。ASPire緊隨在一艘來自挪威的船隻後面。當這些船隻駛進霍頓的內港(這個海灣與瑞典的造船廠相鄰),ASPire慢慢地趕上了前方的對手,然後超過了領頭的船。

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Image caption 一些無人駕駛帆船最終將試圖通過自己的力量穿越大西洋(圖片來源: Aland Sailing Robots)

"這太棒了!"奧蘭航行機器人的項目經理安娜·弗萊比(Anna Friebe)說,"我真的沒想到我們能參與比賽,而且最終還成功了。"

雖然團隊的優勢在於軟件工程和情景分析,但他們仍然需要熟練掌握機械工程技能,才能使船在充滿挑戰的海洋中行駛。ASPire是在帆船基礎上改造的,它採用了一種除了在殘奧會帆船比賽中使用的用於穩定船體的鉛錘。此外,在翼帆之外,團隊還給它安裝了研究傳感器,並建造了將這些傳感器放置在水中的裝備。

參加世界機器人帆船錦標賽的船在大小和形狀上都有所不同,比如前衛的ASPire和傳統的小型單桅雙帆船,後者看起來就像孩子在池塘上操控的遙控帆船。在比賽的第二天,奧斯陸峽灣下起了雨,參賽船隻需要利用風、帆的角度以及船舵,就可以保持在當前位置上不動。就像所有的比賽一樣,機載計算機和預編程序必須能夠識別風況,了解它自己的位置,並根據情況操縱帆和舵。奧蘭取得了勝利,排名第二位的是挪威東南大學(University College of Southeast Norway),美國海軍學院則排名第三。

第三天進行了區域掃描賽,船隻有30分鐘的時間來到達盡可能多的指定區域。大多數人都使用傳統的固定方式來追蹤一條路線,使用繩索開帆,或者用它來改變角度。ASPire的翼帆繞著一個中心桅桿旋轉,弗萊比說這是簡化了操作。從頭頂上看,ASPire的路徑看起來像是割草機,而其他船隻像是意大利面,因此奧蘭包攬了全部獎項,第四天的避免碰撞比賽由於缺乏足夠的風力被取消。

奧蘭帆船機器人是為了參加跨大西洋機器人航海挑戰賽而組建的,但是迫於資金壓力(他們的大部分資金來自歐洲區域發展基金,並致力於海洋研究平台),這意味著他們沒有足夠的資源來嘗試穿越大西洋。因此對許多參賽者來說,比賽的樂趣和對跨越大西洋的長期努力都是商業或研究項目的副產品。

據組織者科林·索茲(Colin Sauze)介紹,跨大西洋機器人航海挑戰賽的目的就是為了促進海洋監測平台的建設,但同時也提供一個學習的機會。

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Image caption 挪威峽灣的平靜水域與大西洋的波濤洶湧截然不同(圖片來源: Alamy)

奧蘭帆船機器人和離岸傳感都主要關注海洋研究。佩迪說,在獲取海洋數據的方法上,無人駕駛帆船具有幾大優勢。其他方案,比如漂流的浮標,或者一艘載人船隻,欠缺機動性或花費更為昂貴。傳統的研究船隻運營成本每天可以高達20,000美元(15,180英鎊),而包括建造成本在內的無人駕駛帆船則可以依靠這筆費用運行幾個月之久,佩迪介紹說。此外,小型船隻(航行浮標2米長、重60公斤)可以航行至載人船隻無法到達的地方,比如颶風路徑,或火山或冰山區等。

許多其他的團隊,無論是在跨大西洋機器人航海挑戰賽中,還是在世界機器人航行錦標賽上,要麼由行業管理,要麼是與行業合作。美國海軍學院的團隊將其用作海軍人員的教育(他們的船——拖網誘餌(Trawler Bait),已經不止一次被漁民捕獲)。中國團隊中有一半來自上海大學,另一半來自一家公司。挪威海軍研究所派出了一艘無人帆船隻來協助賽事。

他們所做的許多工作甚至可以應用在帆船之外。自動化航運已經蓬勃發展, 標凖跨大西洋機器人航海挑戰賽競爭者必須滿足的避碰要求與國際海事組織相同。而奧蘭團隊使用的用來發送和接收其他船隻路線和速度的自動識別系統也與商業船隻相同。

佩迪說:"對我們來說,作為一家公司,這並不是真正的大事。但我已經關注這些人好幾年了,我認為這是個有趣的概念。這也是具有歷史意義的事,就像當年林德伯格(Lindbergh)從美洲飛行到歐洲一樣。"

儘管如此,佩迪還是計劃明年再試一次,因為航行浮標被一艘漁船打撈起來,並被歸還修複(他們仍然不知道出現了什麼問題)。"我們只是想成為第一批這樣做的人,並設法跨越大洋的這一部分,"他說,"明年,我們預計將完成3,000英里的航行。"

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