من بيانات الرادار إلى القرارات الآمنة: معالجة بيانات الرادار من أجل الاستقلالية البحرية

مركبة سطحية غير مأهولة من طراز SEA-KIT X، صُممت لصالح شركة Fugro. كانت SEA-KIT من أوائل الشركات التي اعتمدت تقنية معالجة الرادار من Cambridge Pixel. حقوق الصورة: SEA-KIT.

في غياب وجود بشري على متن السفن يتمتع بإدراك شامل للوضع المحيط، تُعدّ أنظمة الاستشعار في السفن ذاتية التشغيل والسفن التي تُدار عن بُعد بالغة الأهمية لسلامة الملاحة وفعالية المهمة. ويُركّز الاهتمام بشكل كبير على مجموعة الكاميرات الموجودة على متن السفينة، ولكن الرادارات، وما يرتبط بها من معالجة، تُشكّل أيضاً جزءاً من منظومة الاستشعار.

عندما يحدد المطورون مواصفات الرادار لسفينة ذاتية القيادة، غالبًا ما ينصب التركيز على عوامل مثل المدى والدقة وحجم الهوائي والتكنولوجيا المستخدمة. هذه الخيارات مهمة، لكنها لا تحدد ما يتلقاه نظام القيادة الذاتية أو المشغل عن بُعد في نهاية المطاف. هذا ما تحدده جودة معالجة الرادار.

يحتاج نظام التحكم الذاتي إلى معلومات قابلة للقراءة آليًا؛ ويحتاج المشغل عن بُعد إلى عرض الصورة البحرية بأوضح صورة ممكنة للمساعدة في اتخاذ القرارات وتقليل الجهد الذهني. وفي كلتا الحالتين، يُعدّ استخدام مجموعة من أجهزة الاستشعار، مع معالجة البيانات ودمجها في معلومات قابلة للاستخدام، مثاليًا.

لماذا يبقى الرادار مهماً؟

قد تحمل السفينة ذاتية القيادة كاميرات، وجهاز استقبال نظام التعريف الآلي (AIS)، وأجهزة استقبال نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS)، وجهاز LiDAR، وجهاز سونار، وغيرها من أجهزة الاستشعار. تساعد الكاميرات في تحديد هوية الجسم، بينما يوفر نظام التعريف الآلي (AIS) معلومات عن هوية السفينة المُرسِلة وموقعها ومسارها وسرعتها. مع ذلك، لا يوفر أي منهما بمفرده صورة كاملة.

قد تتأثر الكاميرات بالظلام والوهج والضباب والمطر والرذاذ. معظمها لا يوفر سوى معلومات عن اتجاه الاتصال، أو في أحسن الأحوال، تقديرًا تقريبيًا للمدى. من غير المرجح أن تحمل الأهداف الصغيرة والثابتة أجهزة إرسال واستقبال AIS، وحتى تلك المجهزة بها قد تكون معطلة أو غير مضبوطة بشكل صحيح. مع ذلك، يمكن للرادار العمل على مسافات طويلة في ظروف الرؤية الضعيفة، ويوفر معلومات دقيقة عن الموقع للأهداف الصغيرة وغير المتعاونة.

الرادار ليس معصوماً من الخطأ. يتأثر أداؤه بعوامل عديدة، منها التركيب، وحالة البحر، والطقس، وحجم الهدف وانعكاسيته، وإعدادات المعالج. ينبغي أن يُكمّل الرادار أجهزة الاستشعار الأخرى بدلاً من أن يحل محلها، ولكنه يبقى مصدراً مستقلاً هاماً للمعلومات لا ينبغي للأنظمة المستقلة تجاهله.

من الصدى إلى الكشف

يُخرج الرادار فيديو، إما بصيغة تناظرية أو، بشكل متزايد، بصيغة رقمية. في مصطلحات الرادار، يُقصد بـ"الفيديو" تدفق شدة الإشارات المرتدة من الرادار، على عكس لقطات الكاميرا الشبيهة بالصورة. وهو عبارة عن مجال انعكاسات متغير باستمرار، في الفضاء القطبي.

قد تكون صورة الفيديو الراداري مشوشة ومعقدة. قد تُصدر سفينة فولاذية إشارة رادار قوية، وكذلك جدار الميناء أو الجسر. قد يُصدر قارب مطاطي صغير صدى راداريًا ضعيفًا فقط، والذي قد تحجبه الأمواج مُحدثةً تشويشًا بحريًا. يُسبب المطر إشارات غير مرغوب فيها، وتُنتج منشآت اليابسة والموانئ انعكاسات مستمرة. لذا، فإن المعالجة الفعالة ضرورية.

يقوم برنامج معالجة الرادار أولاً بالحصول على بيانات فيديو الرادار من خلال واجهة أجهزة أو بث شبكة رقمية. ثم يطبق تقنيات التصفية والكشف للعثور على الإشارات المميزة عن الخلفية.

الأمر أكثر تعقيدًا من مجرد تحديد عتبة واحدة يُعتبر عندها انعكاس فيديو الرادار بمثابة اتصال. تتغير الخلفية بتغير المدى، وحركة المنصة، والطقس، وحالة البحر. قد تُنتج الإعدادات المناسبة للمياه الهادئة العديد من الإنذارات الكاذبة في حالة هطول أمطار غزيرة؛ بينما قد تُخفي الإعدادات التي تُقلل هذه الإنذارات هدفًا حقيقيًا.

تستجيب المعالجة التكيفية للظروف المحلية. ويُعدّل التحديد الديناميكي للعتبة مستويات الضوضاء المتغيرة، بينما تُقلل الأقنعة الجغرافية من المعالجة فوق الأراضي أو المنشآت المعروفة. وعندما يسمح البرنامج بذلك، يمكن تطبيق إعدادات معالجة رادارية مختلفة في مناطق مختلفة، مما يُتيح حساسية أكبر في قناة أو أمام السفينة مباشرةً. والهدف هو الحصول على اكتشافات مفيدة دون إنذارات خاطئة مُفرطة.

الكشف والتتبع والإبلاغ عن العوائق

بمجرد تحديد عائد مهم، يمكن تجميع العوائد المهمة المتجاورة في رسم بياني (اكتشاف). الرسم البياني هو ملاحظة واحدة: يظهر شيء مثير للاهتمام في موقع معين خلال مسح راداري واحد.

تُضيف عملية التتبع معلومات تاريخية ومسارًا. يقارن برنامج التتبع بين مسارات عمليات المسح المتتالية ويحدد أيها يُرجح أن ينتمي إلى نفس الجسم. ومن خلال هذه الملاحظات المترابطة، يُقدّر البرنامج المسار والسرعة والموقع المستقبلي المحتمل. وتساعد اختبارات الثقة في منع تحوّل الاكتشافات غير ذات الصلة إلى مسار خاطئ.

بالنسبة للأهداف الصغيرة، قد يصبح التتبع صعباً مع انخفاض قوة وموثوقية الكشف. وهنا تبرز أهمية التتبع عبر الفيديو؛ إذ يمكن الحفاظ على مسار تم الحصول عليه مسبقاً باستخدام أساليب الكشف والتتبع التقليدية لفترة أطول من خلال التتبع المباشر من فيديو الرادار.

في الملاحة الذاتية، ليس من المناسب دائمًا انتظار تحديد مسار كامل. قد تُشكل عمليات الكشف قصيرة المدى أو المتقطعة عن أجسام مثل حاوية عائمة أو عوامة ربط صغيرة خطرًا يستدعي الإبلاغ عنه قبل إنشاء المسار. تُبلغ عمليات الكشف عن القرب من معالج الرادار عن أقرب الردود التي تستوفي المعايير المحددة ضمن منطقة معينة حول السفينة.

يتم الإبلاغ عن اكتشافات الاقتراب بزمن استجابة منخفض للغاية، في كل مسح، أثناء دوران الرادار. يمكن أن تعكس مناطق الأمان السرعة والقدرة على المناورة والبيئة المحيطة. قد تمتد منطقة الأمان الأمامية لمسافة أبعد عند السرعات العالية، بينما قد تناسب منطقة الأمان الضيقة مناورات الميناء.

تُقدّم كامبريدج بيكسل مكونات تقنية لمطوري المركبات السطحية غير المأهولة (USV) والمركبات السطحية ذاتية القيادة (ASV) منذ أكثر من عقد، بما في ذلك برنامج SPx Server V2، الذي يشمل معالجة فيديو الرادار، واكتشاف القرب، والتتبع لتجنب الاصطدام والملاحة الذاتية. يوفر إعداد خادم الاكتشاف استخراج البيانات من المخططات واكتشاف القرب، بينما يُضيف خادم التتبع إمكانية تتبع الأهداف متعددة الفرضيات. يُمكن تزويد نظام تحكم خارجي أو نظام تحكم بالمركبات ببيانات العوائق والأهداف باستخدام تنسيقات مثل ASTERIX وNMEA-0183 وTAK وSAPIENT.

دمج أجهزة الاستشعار

قد يُظهر مسار الرادار اقتراب جسم ما أو ثبات اتجاهه دون تحديد هويته. وقد يوفر نظام التعرف الآلي (AIS) بيانات تعريفية يمكن ربطها بالمسار، بينما قد توفر الكاميرا تأكيدًا بصريًا. ويجمع دمج البيانات الحسية هذه الملاحظات لتكوين صورة أكثر شمولًا.

يعتمد نجاح عملية الدمج على اتساق التوقيت وأنظمة الإحداثيات، وفهم دقة كل مصدر، لا سيما فيما يتعلق بالموقع. وتُعدّ المربعات المحيطة التي تحدد هوامش عدم اليقين بالغة الأهمية بهدف زيادة عدد الارتباطات بين نقاط الاتصال وتقليل التطابقات الخاطئة. ويُشكّل الدمج الفعال أساس تحويل بيانات أجهزة الاستشعار المتعددة إلى صورة ملاحية متكاملة.

يربط تقرير المسار المترابط بين بيانات المستشعرات الفردية التي تدعمه، مما يسمح لنظام الاستقبال باختيار المعلومات من أي من المدخلات. على سبيل المثال، يمكن الحصول على السرعة والمسار من مسار الرادار، وتصنيف الأجسام وقياس الاتجاه المحسّن من مسار الفيديو، ومعلومات الشحنة من نظام التعرف الآلي (AIS).

يقوم خادم SPx Fusion التابع لشركة Cambridge Pixel بربط تقارير المسارات من مصادر رادار متعددة ونظام AlS في مسارات مدمجة واحدة. حقوق الصورة: Cambridge Pixel

سلامة الموقع بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)

تعتمد السفن ذاتية القيادة بشكل شائع على نظام تحديد المواقع العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS/GPS). ويُعد فقدان الإشارة مشكلة، في حين أن التشويش قد يمنع الاستقبال الموثوق، وقد يتسبب التزييف في قيام جهاز الاستقبال بالإبلاغ عن موقع معقول ولكنه خاطئ.

في المناطق الساحلية، يُمكن للرادار أن يُوفّر مُقارنة مُستقلة للمواقع المُستمدة من نظام تحديد المواقع العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS). يُقارن نظام GPS Assist من Cambridge Pixel بيانات الرادار المُباشرة بصورة رادار مُتوقعة مُولّدة من معلومات التضاريس والساحل. ومن خلال إيجاد المحاذاة التي تُطابق الصورتين على أفضل وجه، يُقدّر النظام موقع السفينة بشكل مُستقل عن بيانات نظام تحديد المواقع العالمي عبر الأقمار الصناعية الواردة.

إذا اختلفت المواقع بشكل كبير، يمكن لـ GPS Assist إطلاق إنذار وأيضًا إنشاء دفق NMEA-0183 بديل لتوفير معلومات الموقع الاحتياطية.

لن يتحقق التشغيل الذاتي الآمن والفعال للسفن من خلال جهاز استشعار واحد أو خوارزمية واحدة، بل من خلال أنظمة توفر أدلة مستقلة وفي الوقت المناسب وواضحة. يُعد الرادار عنصراً أساسياً في هذا السياق، لكن الإشارات الخام وحدها لا تكفي. فمن خلال معالجة دقيقة فقط، يستطيع الرادار توفير عمليات الكشف والتتبع والتحذير من العوائق التي تعتمد عليها أنظمة التشغيل الذاتي.