河海大學(xué)提出自主式水下航行器通過(guò)這種新方法在海洋深處巡航

海洋的深處是一個(gè)鮮有人去過(guò)的黑暗深淵，它長(zhǎng)期以來(lái)一直是神秘的。但這個(gè)陌生的環(huán)境仍然攸關(guān)我們的利益；科學(xué)家們想知道哪里的污染最嚴(yán)重，哪里的海底發(fā)生地震。被動(dòng)傳感器可以收集這樣的數(shù)據(jù)，但在這種陰暗的環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

河海大學(xué)的韓光潔和他的同事們提出了一種新方法，自主式水下航行器（AUV）通過(guò)這種新方法在海洋深處巡航，能更好地收集這些傳感器的數(shù)據(jù)。他們的設(shè)計(jì)于3月27日發(fā)表在了IEEETransactionsonMobileComputing上。

照片來(lái)源：韓光潔

在東海下水的“C-shark”自主式水下航行器。

每個(gè)傳感器（稱為節(jié)點(diǎn)）在收集數(shù)據(jù)時(shí)都是靜止不動(dòng)的。與此同時(shí)，一隊(duì)AUV被分派到網(wǎng)絡(luò)上，沿著預(yù)定的軌跡巡航，從每個(gè)節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)。

無(wú)線電波被水吸收，因此水下傳感器和航行器通常通過(guò)聲波信號(hào)來(lái)發(fā)射和接收信息。但是聲波在水中傳播的速度和距離都不及在空中傳播的無(wú)線電波。

隨著AUV的增多，挑戰(zhàn)也越來(lái)越多。韓教授說(shuō)：“特別是，由于水聲通信質(zhì)量差、通信距離短，AUV之間很難直接通信和同步信息。”

更重要的是，不靠近AUV計(jì)劃路徑的節(jié)點(diǎn)必須將其數(shù)據(jù)中繼到與AUV足夠接近的其他節(jié)點(diǎn)以傳輸數(shù)據(jù)。這就在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建了“熱區(qū)”，其中一些節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過(guò)重，可能耗盡能量并停止運(yùn)轉(zhuǎn)。韓教授說(shuō)，“在熱區(qū)的一些節(jié)點(diǎn)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，熱區(qū)附近的節(jié)點(diǎn)可能無(wú)法找到一個(gè)與之通信的鄰居節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失?！?/p>

在他們新提出的稱為HAMA（High-Availability data collection scheme based onMulti-AUVs，基于多AUV的高可用性數(shù)據(jù)收集方案）的方法，AUV能夠調(diào)整它們的巡航軌跡，以緩解熱區(qū)問(wèn)題。同樣，HAMA具有故障發(fā)現(xiàn)和修復(fù)機(jī)制，避免了在一些AUV發(fā)生故障時(shí)數(shù)據(jù)丟失。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖向AUV發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)AUV已發(fā)生故障，則它使用多跳通信方法通知其他節(jié)點(diǎn)。然后，功能良好的AUV將取代故障AUV來(lái)收集數(shù)據(jù)。

照片來(lái)源：韓光潔

一艘自主式水下航行器在水中巡航。

研究人員在許多模擬中測(cè)試了他們的方法。韓教授說(shuō)：“模擬結(jié)果表明，與其他算法或方案相比，采用HAMA可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期，降低并平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提高數(shù)據(jù)包的交付率。”

雖然這種方法確實(shí)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但與論文中提到的其他方法相比，它會(huì)導(dǎo)致接收信息的延遲時(shí)間更長(zhǎng)。這在需要及時(shí)更新信息時(shí)（例如，海底火山正在爆發(fā)時(shí)），可能是有問(wèn)題的。韓教授和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在之后的研究工作中解決這個(gè)問(wèn)題。

韓教授說(shuō)：“我們認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)延遲主要是由數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、數(shù)據(jù)處理時(shí)間和AUV的運(yùn)動(dòng)造成的。因此，在未來(lái)，我們將從這些方面減少網(wǎng)絡(luò)延遲?！?/p>