創新AI領航海洋 中山大學研發水下無人機
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【記者吉雄世/高雄報導】海洋富含資源卻也暗藏危機，為了進一步了解水下世界，國立中山大學執行國科會半導體射月計畫「水下無人載具人工智慧系統關鍵技術研發」整合型計畫，應用AI與深度學習（Deep Learning）技術，導入通訊技術、半導體、嵌入式系統，率先成功打造台灣第一台具備AI能力、100%MIT的海洋專用水下無人機，在辨識速度、影像資訊豐富度、定位、避障導航、充電效率等享有技術優勢，領航學術研究與產學合作。
要在海洋進行建設與學術發展，自主式水下無人機（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）技術至關重大。負責計畫的中山大學電機系教授兼研發長王朝欽指出，相較於空中無人機，海洋專用水下無人機面臨更嚴苛的環境考驗，團隊開發低功耗、高效能的輕量化神經網路演算法與硬體加速器，並應用影像除霧、色彩還原與LED智慧補光等AI技術，「將水下物件辨識正確率提升至80%以上，且辨識速度快如人眼，約為每秒辨識20張照片的高速效能。」
這台搭載創新AI技術的AUV，可辨識玻璃瓶、寶特瓶、輪胎，可望助攻海洋環保、污染監控工作，也能夠辨識潛水員、獅子魚、海龜、鯊魚、魟魚等20多種生物，能夠用於精準漁業養殖、海洋搜救。除了物件辨識外，團隊還為AUV搭載海床底質聲學遙測分析AI系統，能夠分析泥、沙、岩石等海床材質，可應用於國防（潛艇）、綠能（離岸風電）、魚探機等領域，例如精準有效監控離岸風電基樁周圍土壤變化情形，助攻我國未來綠電產業發展。
為了驗證研發的AUV能夠克服泥沙、洋流、光線昏暗等海洋環境考驗，團隊將AUV分階段於高雄港、安平港、小琉球外海實測，王朝欽教授還特地受訓考取「初階開放水域潛水員」執照，親自下海實測。上述實海測試確認AUV的除霧、避障、辨識、大範圍（80X80公尺）巡航等能力。
有限的電池電力，是所有無人機，不論是天上或是海下的，都必須面對的挑戰。為了降低AUV下水後的耗電，現階段必須取捨即時學習，以達到可即時辨識。王朝欽說明，團隊捨棄即時學習，在下水前就為AUV做好機器學習，將電力留給即時辨識的運算耗能，讓AUV在海洋中能夠做到即時偵測、辨識和追蹤物件。團隊並且發展出發展出兩種AUV快充技術，包括快速更換電池與無須上岸的隔水充電，為海洋研發續航取得時效優勢。
「水下無人載具人工智慧系統關鍵技術研發」計畫為期四年，中山大學身為我國首度為AUV搭載AI能力的研發團隊，過程中面臨各式難題。例如，要讓AI做到精準辨識，必須具備至少萬張的大量標示好的物件圖片，團隊在計畫初期即面臨圖片不足的挑戰，便善用3D建模技術將一張照片擴大至百張的效益，順利建立水下資料庫，提供AI學習、辨識、優化。此外，也運用鯊魚、小丑魚等玩偶為初步測試素材，兼顧學術研發與動物保育。
水下世界背景噪音大、聲波傳導更為複雜與困難，團隊首度在小琉球外海實測時，就發生母船下達啟動聲音訊號後，AUV卻無法啟動的狀況，透過加大聲音發射功率、發射角度對準AUV方位、避開海床或船隻等聲波折射干擾因素三管齊下，AUV能夠在近半海浬外接收到母船發出的訊息、順利啟動。
累積AI研發成果，中山大學在2020年率先腳步，成功打造台灣第一且唯一開發研製、具有AI能力的海洋專用水下無人機，在AI技術創新突破，能夠做到物體辨識、追蹤、避障、自我修正，為我國海洋科技產業奠定獨立自主技術根基，將貢獻於水下環境探勘、救援、資源搜集與生物紀錄、魚探、智慧養殖、污染監控、國防安全等領域。延續計畫的創新突破，2022年，王朝欽再度率領中山大學團隊深化水下人工智慧研究，開展為期兩年（2022 年至2024年）的「海洋物聯網之資訊安全設計與模擬」延續計畫，進一步將人工智慧導入水下網路資訊安全，確保水下無線網路的安全性，持續以AI研發助攻水下世界應用創新。
圖:左起中山大學海下科技研究所副教授邱永盛、教授兼所長陳信宏、電機系教授兼研發長王朝欽、海下所副教授周佑誠、教授王兆璋。
