海洋科技季刊
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『智能海洋』專輯
目  錄 封面
「智能海洋」專輯序言
無人船具開發環境與驗證:Duckiepond教學研究平台與RobotX競賽
被動水下聲學監測與智慧型水面無人載具整合之研究
國內自主聲學技術研發及智慧海洋應用
以環境噪訊為聲源的被動遙測:船舶聲紋辨識及淺海地聲反演
從神話、發明到現實:自動駕駛船舶的形成之路
應用深度學習於自主式水下無人載具之潛水員影像偵測模擬組開發
水下LED色彩補償照明模組設計
三維掃描式聲納及水下工程之應用
智能海洋中的水下物聯網:系統架構和開放性問題
海洋及水下科技季刊一0九年度第三十卷第二期封面


「智能海洋」 專輯序言
(第三十卷第二期-序言)
摘要

  海洋無遠弗屆,而其中所蘊含豐富的資源更是讓海洋有了「生命之母」的稱號。因此,如何妥善的運用、珍惜這上帝所賜與我們的這塊瑰寶,便成了不容忽視的重要課題。隨著近年來人工智慧,智慧型載具技術快速發展,對運輸系統、國防、製造自動化等等方面帶來了革命性的改變,而此趨勢也對海洋技術與產業造成巨大的影響。現今對於海洋的探索,往往受人力物力資源所限制,而人工智慧,智慧型載具技術所帶來的衝擊,便能大大改善此問題,使我們對於海洋的了解,能有突破性的發展。有鑑於此,本期專輯收錄9篇以智能海洋為主題之文章,專輯文章由從事智能海洋技術發展多年的專家作者們共同編撰而成,可略分為三領域,分別為智能載台,智能感測以及人工智能物聯網。

智能載台領域,在教育方面,有「無人船載具開發環境與驗證:Duckiepond教學研究平台與RobotX競賽」,文中詳細介紹無人船教學研究平台Duckiepond其軟硬體組成,並在國內外大學進行課程、研究或展示。在智能載台應用面,有「被動水下聲學監測與智慧型水面無人載具整合之研究」,在智能載具上搭載水聽器,將即時時頻譜回傳,達到目標辨識以及定位之效果,並將此系統於基隆河進行實測。而「從神話、發明到現實:自動駕駛船舶的成形之路」,則由智能船舶在國內之歷史沿革切入,進而討論檢視臺灣目前的創新技術與相關法規,最後提出對於智能載台之未來展望。

  而在智能感測領域,「以環境噪訊為聲源的被動遙測:船舶聲紋辨識及淺海地聲反演」介紹如何利用被動聲學監測,達到船舶聲紋辨識及淺海底質遙測的目的。「國內自主聲學技術研發及智慧海洋應用」闡述運用聲學系統及技術,並將其運用於國防自主與離岸風力發電上,期能使讀者更了解國內聲學技術之發展與應用現況。「三維掃描式聲納及水下工程之應用」針對封閉性或淺水區等不適合船載式或拖曳式聲納的場域,作者利用掃描式聲納能快速取得高密度巨量資料的特色,將聲納訊號轉換為三維環境點雲資料,並提出從複雜點雲中提取特定物體並轉換為封閉幾何體之計算程序,能夠有效估算淤積土方量,其經濟便捷的特色對於水下工程施測來說是重要的應用參考。「水下LED色彩補償照明模組設計」考量不同波段光色在水中的衰減程度不一樣,作者整合了多色LED光源,建構水下LED色彩補償照明模組,經過實驗證明有效還原水下目標物色彩,甚至在水下距離目標物9m時,對青色與紅色辨視能力還能分別提升59.3%與50%,應用此一技術相信定能大幅增進水下光學影像目標物的識別、監控、探勘與觀測能力。除了光學影像之外,聲納影像在水下探勘調查也扮演重要角色。

  人工智能物聯網方面,「應用深度學習於自主式水下無人載具之潛水員影像偵測模組開發」提出AUV伴隨潛水員執行水下作業之應用,透過AUV搭載潛水員影像智能偵測模組,一方面達成潛水員跟隨,另一方面也可以與潛水員互動。作者針對高效率卷積神經網路進行潛水員偵測之訓練與測試,並從電耗、運算效能、以及辨識率等方面測試不同軟體程式與單板電腦,進而選出適合AUV之最佳運算效率軟硬體組合,以建構AUV潛水員影像偵測之即時運算平台。「智能海洋中的水下物聯網:系統架構和開放性問題」首先概述水下物聯網(Underwater Internet of Things, UIot)的水平,並提出當前挑戰和未來研究趨勢。

  綜合以上,智能海洋之趨勢方興未艾,雖然綜觀人工智慧、智慧型載具技術蓬勃發展不過十餘年,但在應用方面,各方面需求已經不斷萌生。透過更自主與智慧的方式進行海洋探測、調查、施工、偵搜、甚或是救援,已成為當前技術發展的趨勢。海洋環境相對於陸地與空中更加險惡與挑戰,資訊不足或判斷不正確就容易對人員或是工具衍生危害。未來透過智能技術有效感知環境變動的發展值得期待,將會讓海洋探勘調查與作業更有安全保障、降低成本、提升效率。本期專輯期能夠結合產官學業,結合各方先進之力量,共同朝這方向一同努力。

 

 

 

 

專輯主編:陳琪芳/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系特聘教授

       陳信宏/國立中山學海下科技研究所教授兼所長

 

無人船載具開發環境與驗證:Dockiepond教學研究平台與RobotX競賽
(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要

    無人船 (unmanned surface vehicle, USV) 水面載具自1940年代便開始發展,從初為國防軍事上的遠端遙控執行掃雷任務,已擴及到無人自主航行在科技與民生的多樣應用。近年AI機器學習與機器人技術蓬勃發展,從遙控到半自主控制甚至完全自主 (autonomous) 控制,使高階的控制系統及導航科技提升,應用範圍也進一步拓及到商用、學術探勘或是例行的海防任務。現今為了因應更複雜的任務,也有許多開發平台、中介軟體 (middleware) 進行無人船開發,然而,因系統版本或其硬體不同,導致系統相容不易,本論文介紹無人船教學研究平台Duckiepond硬體平台與軟體開發環境,包含:1) 低成本且易組裝多台的小型無人船Duckieboat,進行開發驗證, 2) Docker容器技術解決系統版本問題、3) 中介軟體機器人作業系統 (Robot Operating System, ROS) 中介軟體,並提供MOOS-IvP連結支援多台決策行為,完成自動駕駛導航需求,4) 支援Gazebo仿真模擬系統,於虛擬環境建立動力與感測器作為開發初期演算法驗證及系統整合,5) 整合機器學習相關軟硬體套件,使得系統可以奠基在開源 (open source) 軟體進一步開發水域導航任務。實體場域驗證部分,本研究將上述軟硬體平台以兩艘無人船的追蹤與跟隨 (track and trail) 任務,比較以視覺偵測為依據的學習方法 (learning approach) 與傳統全球定位系統 (GPS) 方法進行綜合比較並取得真實場域的研究資料,Duckiepond已在國內外大學進行課程、研究或展示。不同船隻系統整合驗證應用於長五米的自適應性波浪快艇 (Wave Adaptive Modular – Vessel, WAM-V) ,參加2018年RobotX國際水域無人載具競賽 (Maritime RobotX Challenge) ,該競賽於 2012由美國 Office of Naval Research (ONR) 發起,競賽的目的在於挑戰各組開發獨特的追蹤技術以及機器人於海洋發展等重要議題,本論文所提出的無人船系統在競賽中達成數個不同的任務獲得積分,最終於15個參賽團隊中獲得第五名的佳績。

關鍵詞:無人船,無人載具,自主導航,機器學習,教學研究平台

作者:王學誠/國立交通大學電控所

   黃靖欹/國立交通大學電控所

   洪靖唐/國立台灣大學工程科學及海洋工程學系暨研究所

   許朝鈞/國立交通大學機器人碩士學位學程

   林倪敬/國立交通大學電控所

   蕭宇杰/國立交通大學電控所

   莊弘鈺/國立交通大學科技法律研究所

   雷伯瑞/中華民國海軍軍官學校電機工程系

   陳琪芳/國立台灣大學工程科學及海洋工程學系暨研究所

被動水下聲學監測與智慧型水面無人載具整合之研究
(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要

  臺灣海峽地理環境優渥,擁有世界上數一數二優良之風場,因此具備極大的潛能做離岸風電之開發。然而現階段之單樁施工,需要透過施工船進行打樁的動作,而在打樁過程中,研究顯示其施工所輻射之水下噪音會影響中華白海豚(Sousa chinensis)生態。因此,施工期間偵測是否有白海豚出沒於施工區為施工單位與環保單位關注之訊息。故本文以此為出發點,建立了一套利用水面無人載具之被動水下聲學量測系統,透過即時水下音訊分析與即時時頻譜回傳,來得知水下之聲學環境,並且透過海豚之哨叫聲(Whistle)來判定量測區域中是否有海豚之存在,若目標訊號明確,載具將自主性移動至特定區域做進一步之量測。全系統透過C++實踐並且可應用於嵌入式系統。本文之系統可分為四大部分,分別為即時哨聲偵測、聲源方位計算、載具自主控制系統與即時監控系統。本文將說明各部分並透過台灣基隆河大直橋下水域,驗證本文所開發之系統之可行性,並且分析本系統之誤差來源與未來可精進項目。

關鍵字:被動水下聲學量測、水面無人載具、水下聲源定位法、即時哨聲偵測器、即時聲學量測系統,載具自主控制,聲源追蹤演算法,MOOS-IvP

 

 

 

 

作者:洪靖唐/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

   黃彥翔/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

   張祐誠/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

   洪徐永/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

   蘇逸芸/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

   何聲衛/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

   陳琪芳/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系

國內自主聲學技術研發及智慧海洋應用

(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要
  我國自2000年開始與美國海軍學院(Naval Postgraduate School)、木洞海洋研究院(Woods Hole Oceanographic Institution)等單位進行長期的臺美合作海洋聲學研究,本團隊透過臺美合作歷程發展多套自主聲納系統,在自主聲學系統的研發應用與執行聲納實驗的能力上,亦有非常顯著提升。近年來因應國內各種新興智慧海洋議題與國家政策,本團隊之聲學系統與聲學技術發展也開始應用於智慧海洋相關需求上。本文將介紹本團隊自行發展且應用成熟之聲學系統與技術,並介紹這些技術系統在國防自主與離岸風力發電這兩項重要政策方向上之應用範例與發展情形,期能使國人更了解國內聲學技術之發展與應用現況。

 

作者:邱永盛/國立中山大學海下科技研究所副教授

   張元櫻/國立中山大學海下科技研究所助理研究員

   楊濬維/國立中山大學海下科技研究所碩士班研究生

 

以環境噪音為聲源的被動遙測:船舶聲紋辨識及淺海地聲反演
(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要

 此篇說明如何利用被動聲學監測(Passive Acoustic Monitoring, PAM)方式,在不使用主動聲納拍發或水下音爆等控制聲源,僅以錨碇於海底的水下聽音器被動接收噪音訊號,並同時達到船舶聲紋辨識及淺海底質遙測的二項目標。

   被動聲學監測的資料包含了近場及遠場的噪訊,前者來源為暫態且較為高頻的近距離船舶音響,先輔以船舶聲紋辨識技術標記並分離出近距離暫態的船舶音訊,後者則為環境噪音所產生之被動信號包括遠距船舶的輻射噪音低頻噪訊(<110 Hz)。以環境噪音之干涉 (Noise Interferometry, NI) 為理論基礎,輔以點聲源場簡正波 (Normal Mode) 疊加之水中聲場基礎理論,搭配時間扭換 (Time Warping) 技術,以分離出淺海環境中噪音干涉所產生的被動信號,亦即噪音交叉相關函數 (Noise Cross-Correlation Function, NCCF) 的各階簡正波。籍由各階單一簡正波轉換成時頻後,其測量出的頻散曲線 (Dispersion Curve)對環境參數的高敏感度,地聲反演 (GeoacousticInversion) 出淺海底質參數。被動偵知的船舶聲紋及海底參數,亦可隱蔽性地應用於國防科技之上。

關鍵詞:被動聲學監測,特徵萃取,聲紋特徵,噪音干涉,時間扭換,地聲反演,淺海,遙測

 

 

 

 

作者:譚子偉/海軍官校海洋科學系

   方銀營/國家中山科學研究院資訊通信研究所水下科技組

 

 

從神話、發明到現實:自動駕駛船舶的形成之路
(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要

  智能船舶可說是近十年來船舶及海洋產業一個最新、也最被期待的分野。從歐盟贊助的『海上無人駕駛智慧型網路導航』研究計畫開始,到Yara Birkeland、Mayflower Autonomous Ship等無人船計畫,透過各家的實驗研究,能夠自主航行的智能船舶已經離我們越來越近。臺灣近年來也開始投入自駕船相關關鍵技術之開發,第一艘搭載了包括感知、決策及控制系統之可載人自駕船,已於2019年完成了包含船控、岸控及岸船間通訊之實場域測試(淡水河);第二艘自駕船配合「無人載具科技創新實驗條例」之沙盒試驗,目前正在愛河進行實場域測試。本文中並討論檢視臺灣目前的創新技術:在所開發的技術中,感知、決策及控制三個主要系統就如同船舶的眼睛、大腦和手,能夠觀察航行環境、規劃航路並把船駛向目的地;通訊和資安系統能確保岸端對船端的掌控;模擬測試場域則提供了自駕船核心操控程式調校及測試的環境。自駕船的應用範圍相當廣泛,國內已經漸漸浮現相關的需求。未來,當自駕船技術更加成熟、國內外法規更加完備時,可以想見自駕船將有更寬闊的舞台及更多樣的角色任務,也有賴研究者回歸使用者的人性需求,使自駕船成為服務人的科技。

 

 

作者:周顯光/財團法人船舶暨海洋產業研發中心執行長

   容菁/財團法人船舶暨海洋產業研發中心

 

應用深度學習於自主式水下無載具之潛水員影像偵測模組開發
(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要

  潛水員任務種類繁多並通常具有高複雜度與高風險性,若自主式水下無人載具(Autonomous underwater vehicle, AUV)能從旁協助潛水員執行任務,則可提高潛水員水下作業之效率與安全。為使潛水員便於和AUV進行互動,AUV必須具備跟隨潛水員之功能,而潛水員光學影像偵測便是開發跟隨式AUV之一項關鍵技術。中山大學海下科技研究所自主研發之AUV,預計搭載潛水員影像偵測模組,以進一步成為跟隨式AUV。為了開發AUV潛水員影像偵測模組,本研究應用卷積神經網路(Convolutional neural network, CNN)於潛水員光學影像偵測。本研究針對兩高效率卷積神經網路進行訓練與測試,並從中選出潛水員偵測綜合性能較佳之卷積神經網路,再利用此卷積神經網路之不同軟體實現方式,透過不同單板電腦進行運算速度比較,進而選出運算效率最佳之軟硬體組合,以建構AUV潛水員影像偵測之即時運算平台。

 

 

 

 

作者:周佑誠/國立中山大學海下科技研究所副教授

   陳信宏/國立中山大學海下科技研究所教授

   王兆璋/國立中山大學海下科技研究所教授

   周慧敏/國立中山大學海下科技研究所碩士生

 

↑回目錄

 

水下LED色彩補償照明模組設計
(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要

  本研究是整合多色LED光源、水下光能量衰減模型及光色補償演算法,建構水下LED色彩補償照明模組。其中光色補償演算法是針對不同波長之光能量在水下傳遞的衰減率,再計算所需補償之光能量並將訊號回傳至MCU控制器以調變多色LED光源,達到水下目標物色彩還原之效果。在水下環境中,當白色光源逐漸遠離目標物,亦即Practical Color Coordinate System (PCCS)色卡時,其紅色圖卡轉變為暗黑色、藍綠圖卡轉為暗藍色系,這表示紅色波段(630~680nm)能量已消耗殆盡,而藍綠波段能量(420~460nm)也有不等程度之損耗。藉由水下色彩觀測實驗得知,本研究之水下LED色彩補償照明模組,對紅色目標物的辨視能力可提升50%;對青色目標物的辨視能力可提升59.3%。因此,水下LED色彩補償照明模組較比白光LED、紅光LED及混合白光等光源更適合水下照明。將其掛載於水下載具將可提高水下目標物的識別、監控、探勘與觀測之能力。

關鍵詞:LED光源,水下照明,色彩補償,水下載具

 

 

作者:沈聖智/國立成功大學系統及船舶機電工程學系

   蔡旻靜/國立成功大學系統及船舶機電工程學系

   陳志宇/國立成功大學系統及船舶機電工程學系

   郭正元/國立成功大學系統及船舶機電工程學系

 

↑回目錄

 

三維掃描式聲納及水下工程之應用
(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要

  水下工程近年來愈具重要地位,而大部分碼頭水下工程均涉及疏濬。疏濬工程中,必須先掌握海床深度及變化趨勢,計算出運移之土方量來擬定工作計畫以確保疏濬工程順利執行。掃描式聲納對於封閉性或限制性之水域具有良好的水下目標物描繪與調查能力,有別於傳統海測作業方式,掃描式聲納定點固定於海床作業,除了有效進行水下目標物辨識及定量化尺度、外觀特徵與數量,也可應用於其他水下工程領域。本研究以高雄港內遊艇碼頭與蚵仔寮漁港做為實驗場域,透過三維掃描式聲納(BV5000)收集資料以建立水下三維點雲數據庫,並提出乙套程序來計算淤積土方量。透過隨機抽樣一致(RANdomSAmple Consensus, RANSAC)演算法將淤積之土方點雲從原始點雲中分割出來。補上海床點雲使其成為封閉幾何體,再使用Alpha Shape演算法以估測體積,最後以CloudCompare開源軟體加以驗證本研究提出的方法之準確度。

 

 

作者:朱峘瑜/國立中山大學海洋及環境工程所研究生

   蔡佳明/國立中山大學機械與機電工程學系博士生

   田文敏/國立中山大學海洋及環境工程所副教授

   彭昭暐/國立中山大學機械與機電工程學系教授

   賴怡宏/廈門大學嘉庚學院機電工程學院助理教授

   孫永大/海軍大氣海洋局局長

 

↑回目錄

 

智能海洋中的水下物聯網:系統架和開放性問題
(第三十卷第二期-智能海洋)
摘要

智能海洋的發展在於探索和理解海洋中的各種特徵。水下物聯網(Underwater Internet of Things, UIot)是物聯網(IoT)擴展到水下環境,構成智能性海洋的強大技術。本文概述UIoT,重點介紹當前進展,未來系統架構,應用程序,挑戰和未解決問題。UIoT是由自動水下車輛、智能傳感器、水下通信技術和水下路由協議的最新發展來實現。在未來幾年中,UIoT有望在感知海洋的各種技術之間架起連接橋樑,使其成為一種水下物體互連的智能網絡,具有相互學習和智能運算的功能。本文首先概述UIoT的水平。然後,提出用於未來UIoT的五層系統架構,該架構是由傳感、通信、網絡、融合和應用層組成。最後,我們提出UIoT當前挑戰和未來研究趨勢,其中雲運算、霧運算和人工智慧將相結合。

關鍵字:智能海洋、UIoT、系統架構、雲運算、霧運算、人工智慧。

 

 

作者:呂錫民/工研院能環所前研究員

 

↑回目錄

 

 

 

 

 

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