浩如烟海 
1173字
2020-09-12 16:02
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火星译客

它们可以追踪船只、风暴、野生动物和天气状况

地球上海洋的面积是陆地的两倍。然而海洋学家总爱吐槽说,科学对海洋的了解还不如对月球多。不过这可能很快就会改变,如果约翰·沃特斯顿(John Waterston)能够如愿以偿的话。

沃特斯顿是美国军事智库国防部高级研究计划局(DARPA)的“海基物联网”(Ocean of Things)项目的负责人。DARPA参与研发的事物从互联网到隐形战斗机无所不有。该项目的名称套用了“物联网”(Internet of Things)一词,这个有点别扭的词描述了一种趋势,即通过各种传感器将汽车、牙刷、工业机器人、门铃等形形色/色的普通物品用互联网连接起来。同样,海基物联网的目标是用大量漂浮的、互联的传感器把海洋连接起来。

这样的装置本身并不新鲜。在世界各地的海洋中已经漂浮着大约6000个由各国海军和研究机构布设的传感器。但沃特斯顿的雄心之大前所未有。在接下来的几年里,他希望能在一百万平方公里(比得克萨斯州大很多)的海域内布设五万个传感器。而该项目的最终目标——尽管目前还遥不可及——就是能对全球相当一部分海域展开持续的监测和分析。

探视海神的国度

DARPA的这个项目主要是为了跟踪船舶——毕竟它的名字中有个“D”(国防)。但沃特斯顿希望打造出的海基物联网不止于此,还能提供水温、浪高、天气状况、附近的野生生物等大量其他信息。所有这些信息届时都将无偿提供给科研和商业用户。

现有的“浮式仪器包”,也就是所谓的浮标或漂浮物,大多是定制的,配备的通常也都是当前质量最好的仪器。因此它们往往价格不菲,采购量也比较小。目前最常见的就是用于科研的Argo浮标。它的造价大约2万美元,可以测量水温和盐度。

海基物联网则反其道而行之。它尽可能多地使用便宜和现成的组件,打造低成本的仪器包。目前的浮标原型成本大概在750美元,沃特斯顿希望规模化生产还会进一步降低成本。这样即使布设几万个浮标,花费也不至于太大。能大量部署浮标对扩大监测范围至关重要,也有助于弥补个别仪器产生的误差。“一个5美元的传感器和一个1000美元的温度计量器效果能一样吗?”沃特斯顿设问,“如果有很多个传感器,那答案就是‘一样’。因为它们之间可以交叉关联。数学能让这个问题迎刃而解。”

项目研究人员正在评估来自不同厂商的三种设计方案,大小从6升到18升不等。由施乐公司(Xerox)的帕洛奥多研究中心(Palo Alto Research Centre)提出的第一种设计用玻璃制作,像一个老式的日本鱼漂。来自Areté Associates公司的第二种设计,用铝制作外壳,使用木头产生浮力。这两者都采用太阳能板。第三种来自Numurus公司,由涂漆的硬纸板制成,完全依靠自带的电池。三种设计的使用寿命都在一年左右,而且都尽量少用塑料,尽可能地环保。这一点很重要,因为根据设计,这些浮标在完成任务后会自沉海底。

目前可使用的一些仪器在任何一部智能手机里都能见到,如GPS传感器、用于探测运动的加速度计、罗盘、麦克风、温度传感器和相机等。其他一些仪器则是为该项目定制的,如水下麦克风、用来测量水体导电性(进而可以测得盐度)的小装置,以及用来接收雷达和无线电信号(包括从海上防撞航标传输的信号)的探测仪。来自这些仪器的数据有一些会在船上被处理,大部分会被分批传回陆地供分析。目前,这种传输连接由地球同步卫星组成的铱星网络提供。但沃特斯顿表示,与这些卫星通信所需的调制解调器是浮标上最昂贵也最耗电的装置。他希望,目前SpaceX和OneWeb等公司正在建造的新型低空卫星网络能成为更加经济的替代方案。

拥有众多不同类型的传感器有助于浮标最大限度地了解周边情况。例如,如果在加速度计显示运动的同时,麦克风也接收到了声音,那可能是有只鸟停在了浮标上。停在多个浮标上的多只鸟可能显示一群鸟的运动轨迹。反过来,鸟的存在可能表示附近有鱼群或其他生物活动。

同样,驶经浮标布设区域的船只也会留下各种痕迹。或许可以通过船上的无线电信标或雷达探测到船只。如果船行驶得足够近,浮标可以对它拍照,通过水听器能听到船只的声响,或者浮标会受到船只尾流的干扰。将多个浮标提供的数据关联在一起,就能显示船只的速度和方向。通过建立这种船只与浮标相遇的数据库,该项目的科学家希望能很快学会辨识不同种类的船舶。渔船可能使用寻鱼声纳或嘈杂的拖网。巨型油轮发出的声响又与海军护卫舰不同。

浮标上配备的各类传感器还会产生令海洋学家、气象学家和生物学家感兴趣的大量数据。例如,一定区域内浮标上的摄像机和麦克风可以探测并跟踪鲸和海豚。目前,在美国最繁忙的港口之一洛杉矶附近的航道上,只要发现海洋哺乳动物,船只就会放慢速度。更强大的追踪能让船只改变航线,这对生物和商业都有好处。浮标布设区域可用于监控非法捕鱼、走私和冰山活动,也可以监测和跟踪石油泄漏和藻华现象。

这至少是长期目标。迄今DARPA购买了约4500个浮标,而且只完成了小规模测试。下一阶段,也就是从今年春天开始,它将在墨西哥湾和加州附近海域一次性布设1000个浮标。它计划的布设密度是每三平方公里一个浮标。DARPA希望,随着技术的成熟,在把布设密度降低到每20平方公里一个浮标的情况下,仍能收集到有用的数据。地球上海洋面积多达3.61亿平方公里,一个名副其实的、能监测海面和水下万事万物的海基物联网将需要约1800万个浮标。这在短期内还无法实现。但沃特斯顿的计划拉开了序幕。

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