一股清新的空气：无人水面艇绘制海湾缺氧地图

两架SeaTrac SP-48型水上飞机在墨西哥湾。图片来源：USM/SeaTrac Systems

科学方法是科研的标准，指导着分析和调查项目。尽管它已传承数代，但其步骤远非陈旧，因为技术进步帮助研究人员开发和改进每个步骤，从而节省时间、金钱，甚至挽救生命。数据收集作为科学方法的中间步骤，也不例外。许多项目需要可靠的数据集，这些数据集通常来自极端环境或需要长时间收集。南密西西比大学 (USM) 在 SeaTrac Systems 的帮助下，在墨西哥湾开展低氧研究时采用了自主解决方案。

该合作项目包括美国国家海洋和大气管理局（NOAA），旨在绘制墨西哥湾潜在的缺氧区域地图，并研究其对当地渔业和鱼类种群的影响。缺氧区，也称为死亡区，是指由于营养污染导致氧气含量降低的水域，通常会对水生生物造成严重影响。该合作项目近期成功完成了第二阶段，在前一阶段的基础上，超越了概念验证阶段，部署了多艘SP-48无人水面航行器（USV）。“这是一项非常耗费人力且较为原始的操作，需要使用大型研究船，”南密西西比大学的詹姆斯·汤普森说道，“我们从无人航行器的角度出发；我们可以利用现有工具对其进行现代化改造。”

USV的皮卡车

这项研究的明星是SP-48无人水面艇（USV），它的名字代表“太阳能驱动”和“4.8米”。这艘USV长约15英尺（约4.6米），重约650磅（约305公斤），甲板上安装了大面积太阳能电池板，为内置电池充电，因此可以连续数月24小时不间断运行。它的设计用途包括近海和远海作业；在本项目范围内，这艘USV的作业范围可近至5英里（约8公里），远至40英里（约64公里）。SeaTrac公司运营和业务发展总监霍比·博申斯坦（Hobie Boeschenstein）表示：“这艘船本身实际上是一个数据采集平台。我们把它比作一辆皮卡，平台本身对任何人来说都不是特别实用。它的价值在于可以搭载各种有效载荷，并且能够快速更换这些载荷——无论是声呐装置、水质传感器还是海洋学传感器。”

SeaTrac SP-48 无人水面艇。图片来源：USM/SeaTrac Systems

在项目各个阶段，SeaTrac 和 USM 对无人水面艇 (USV) 进行了改进，使其数据采集能力更加全面、稳定可靠。“具体到这个项目，”博申斯坦补充道，“我们这边的主要研发工作是绞车，使其能够支持下潜至海底进行剖面测量。在整个项目过程中，我们不断添加诸如 Starlink Mini 之类的通信设备，这与我们最初的设想相比是一项重大改进。”

“这艘船的用途非常广泛，我们可以在上面安装很多东西。我们测试了摄像头，测试了一些防撞技术——在这次低氧任务中，我们测试了很多不同的设备。这足以说明这艘船的灵活性，”汤普森证实道。“我们还收集了一些数据，纯粹是因为我们有能力这样做，比如声学流速数据。它简直就像一辆皮卡。你可以把很多东西都装在船上，再加上电池容量大，太阳能发电能力强，这真是一项颠覆性的技术。”

第一阶段

项目第一阶段主要起到概念验证的作用，测试车辆和各种传感器及其收集必要数据的能力。“我们从中了解到很多需要改进的地方，才能使之真正发挥作用，”汤普森说。“我们成功了，而且效果远超预期。”

合乎逻辑的下一步是测试更长时间的调查，评估不同的传感器配置，并同时运行多艘不同配置的无人水面艇。“我们发现，”汤普森补充道，“这艘船能产生如此强大的动力，但我们并没有充分利用它。”他们将传感器的供电或充电方式改为由无人水面艇提供，这显著提高了他们能够收集的数据量。“我们不必再受限于传感器的可用功率。我们可以收集越来越多的数据。这展现了我们不仅能够到达每年都会到达的特定坐标，还能找到低氧边界的变化点，并通过采集额外的数据样本来精确定位这一区域的优势。”

SeaTrac公司在项目初期就深度参与其中，开发了诸如绞车之类的新功能，可以将传感器从水面运送到海底。“低氧环境测绘的关键在于将探测仪下放到距离海底一米以内，”博申斯坦说道，“否则，就会错过重要数据。我们投入的大量研发精力在于如何确保探测仪能够到达海底深处。我们与USM团队紧密合作，探索了多种不同的方法，最终开发出一套系统，该系统利用一系列软件参数来检测缆绳的松弛程度，从而判断‘好的，声源已经到达海底；无法再靠近了。’”

“当我们寻找缺氧对渔业的最大影响时，我们会关注水底附近的那一层，那里生活着所有的底栖生物。显然，如果它们无法游到水面之外，那么就会影响它们的代谢和生产力，”汤普森解释说。

“能够将传感器一直送到水底，并确切地知道它们位于最底层的水层，然后能够实时查看数据，并判断‘是的，我们仍然检测到这里的氧气含量很低，继续向南移动，看看能否找到氧气含量恢复到正常水平的边缘’。能够随时调整任务，并确保我们获得相关的数据，这一点至关重要。”

一架SP-48水下推进器。图片来源：USM/SeaTrac Systems

SP-48无人机在海上拍摄的画面，包括恶劣天气和野生动物出没的场景。图片来源：USM/SeaTrac Systems

第二阶段及以后

在第二阶段，USM公司在一名岸基操作员的监督下，同时部署了多台SP-48水下机器人。凭借其超长的续航时间、快速自适应采样和平台可靠性，即使在包括热带气旋过境在内的复杂墨西哥湾海域条件下，该团队也成功采集了123个经核实的低氧数据点。

汤普森说：“我们每次都在努力改进传感器集成和数据流。第一阶段主要是测试各种可行方案；第二阶段则是改进实现方式。这包括加快数据流的周转速度，将数据从传感器传输到船只，再从船只通过卫星传输到我们的系统，以便我们能够在航行过程中与美国国家海洋和大气管理局（NOAA）实时共享数据。”

汤普森指出，另一个不同之处在于传感器的发展速度各不相同，这意味着可以利用新功能进一步推进数据采集。“制造剖面仪的AML Oceanographic公司为其开发了无线充电功能，”博申斯坦补充道，“传统上，我们必须权衡‘打开探头、采集数据、取下探头，然后再将其置于休眠状态’，这既费时费力，最终也会导致电池耗尽。这限制了我们能用它做什么。”当AML Oceanographic推出这项新功能后，USM团队无需中途更换电池，从而有可能进行更长时间的调查。

汤普森补充说：“这也是个安全问题。这样一来，人们就不用到海上去维修车辆了，而海上作业本身就很危险。”

追踪无人水面艇的航迹。图片来源：USM/SeaTrac Systems

海湾中的 SeaTrac SP-48。图片来源：USM/SeaTrac Systems

展望未来，研究团队希望今年夏天能继续进行数据采集，并计划增加第三台SP-48探测器。在数据处理方面，研究人员正持续推进自动化流程，以增加质量控制步骤，并计划为整个调查区域构建溶解氧的三维模型。

第三阶段将进一步推进第一阶段和第二阶段的工作，收集关键的低氧数据，并重点展示无人水面艇（USV）在海上数据采集和监测中的应用。更重要的是，该项目还展示了一个不太常见的现象——如何将无线充电、能源管理和传感器有效载荷等渐进式技术更新实时集成，从而实现研究的现代化和进步。

霍比·博申斯坦。图片来源：USM/SeaTrac Systems

詹姆斯·汤普森。图片来源：USM/SeaTrac Systems

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