■ 文/南京新視方舟智能科技有限公司 劉瀏

關(guān)鍵字：無(wú)人艇 路徑規(guī)劃 避障 通信

1 引言

船舶的無(wú)人化是現(xiàn)代船舶發(fā)展的一個(gè)重要方向，且隨著人工智能和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人艇已經(jīng)開始在部分行業(yè)凸顯出重要應(yīng)用前景，如安防巡邏和水面警戒。無(wú)人艇特別適合江湖海洋等大面積水域的應(yīng)用，可以解決人工檢測(cè)效率低下、檢測(cè)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，同時(shí)減少高危水域的人員傷亡。無(wú)人水面艇作為一款水面設(shè)備平臺(tái)，可以根據(jù)不同的任務(wù)需求搭載不同的任務(wù)載荷模塊，快速部署執(zhí)行任務(wù)。同時(shí)，現(xiàn)代無(wú)人艇具有自動(dòng)巡航功能、智能信息處理功能、通信及遙控功能、雷達(dá)和聲吶感知功能。針對(duì)具體要求，無(wú)人艇還可以靈活的選擇搭載諸如水質(zhì)檢測(cè)、警示設(shè)備等模塊來(lái)完成特定任務(wù)。隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，無(wú)人艇已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航、巡航能力，具備簡(jiǎn)單的任務(wù)自主實(shí)行能力。

2 無(wú)人艇的發(fā)展回顧

無(wú)人艇包括具有自主規(guī)劃、自主航行、自主環(huán)境感知能力的全自主型無(wú)人艇，以及自主航行的遙控型無(wú)人艇和按照內(nèi)置程序航行并執(zhí)行任務(wù)的半自主型無(wú)人艇。它集船舶設(shè)計(jì)、人工智能、信息處理、運(yùn)動(dòng)控制等專業(yè)技術(shù)為一體，研究?jī)?nèi)容涉及自動(dòng)駕駛、自主避障、規(guī)劃與導(dǎo)航、模式識(shí)別等多方面，可根據(jù)其作戰(zhàn)或使用功能的不同，采用不同的模塊，搭載不同的傳感器及設(shè)備，執(zhí)行情報(bào)收集、監(jiān)視偵察、掃雷、反潛、反恐、精確打擊、搜尋救助、水文地理勘察和中繼通信等任務(wù)。

2.1 國(guó)外無(wú)人艇發(fā)展及應(yīng)用

無(wú)人艇的發(fā)展最早可追溯到1898年，當(dāng)時(shí)著名發(fā)明家尼古拉·特拉斯發(fā)明了名為“無(wú)線機(jī)器人”的遙控艇。二戰(zhàn)時(shí)期，美軍就在無(wú)人水面艇(Unmanned Surface Vessel，USV)上架設(shè)槍炮和導(dǎo)彈。20世紀(jì)70年代，USV被廣泛應(yīng)用于美軍的反水雷艦艇系統(tǒng)上。二戰(zhàn)后期，美國(guó)海軍曾通過(guò)在小型登陸艇上加裝無(wú)線電控制的操舵裝置和掃雷裝置，用于淺海雷區(qū)掃雷作業(yè)。這些早期的無(wú)人艇大多由電纜發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)或母艦通過(guò)無(wú)線電控制，自主活動(dòng)能力非常有限。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著通信、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，制約無(wú)人艇發(fā)展的諸多技術(shù)瓶頸得以部分解決，各國(guó)加大了無(wú)人艇的研發(fā)力度，無(wú)人艇迎來(lái)了一段高速發(fā)展期。

2004年，英國(guó)普利茅斯大學(xué)MIDAS科研小組開始研發(fā)USV-“Springer”，主要用于內(nèi)河、水庫(kù)和沿海等淺水水域追蹤污染物，測(cè)量環(huán)境和航道信息。該船使用SLAM技術(shù)克服了GPS定位可靠性不夠高的缺點(diǎn)，能基于船舶航行環(huán)境預(yù)估船舶下一步位置。2005年以色列Elbit公司推出一款“黃貂魚（Stingary）”號(hào)USV，能夠完成海岸物標(biāo)識(shí)別、智能巡邏、電子戰(zhàn)爭(zhēng)等多項(xiàng)任務(wù)。2016年，美國(guó)完成最新型的海獵人無(wú)人反潛船，并且開始試驗(yàn)世界上最大無(wú)人駕駛船。非軍方方面，位于弗吉尼亞州的UOV公司研發(fā)了理論上續(xù)航能力為無(wú)限長(zhǎng)的UOV，適用于海洋數(shù)據(jù)收集、測(cè)量等。Navtec公司研發(fā)了基于噴水動(dòng)力的USV-Owl MKⅡ，它在隱蔽性和配重能力上有顯著提高，并具有側(cè)掃聲吶和攝像功能。

2.2 國(guó)內(nèi)無(wú)人艇發(fā)展及應(yīng)用

在無(wú)人艇發(fā)展方面，我國(guó)起步比較晚，與先進(jìn)國(guó)家存在一些差距。2013年我國(guó)研發(fā)的“海巡166號(hào)”無(wú)人艇采用玻璃鋼全封閉結(jié)構(gòu)，選用柴油機(jī)為動(dòng)力噴水推進(jìn)，具有良好的機(jī)動(dòng)性、抗沉性和抗風(fēng)浪能力。2017年，南京郵電大學(xué)和武漢大學(xué)聯(lián)合研制的無(wú)人艇具備自主路徑規(guī)劃、航跡自動(dòng)跟蹤、自主避障等自主功能，同時(shí)預(yù)留了超短基線和水聲通信接口，具備和水下無(wú)人潛航器協(xié)同自主工作的能力。

由于受到應(yīng)用場(chǎng)景限制以及我國(guó)警用裝備的發(fā)展模式影響，無(wú)人艇在警用領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展相對(duì)緩慢。首先無(wú)人艇必須應(yīng)用于大水域場(chǎng)地。其次我國(guó)警用裝備大多來(lái)自在軍用和民用領(lǐng)域發(fā)展成熟以后才會(huì)轉(zhuǎn)為警用。因此無(wú)人艇在警務(wù)應(yīng)用方面正是處于起步階段。

目前，武漢市已經(jīng)將無(wú)人艇作為其警用裝備并開始測(cè)試應(yīng)用。作為“百湖之市”的武漢，其廣闊的水域條件為社會(huì)安全管控提出特殊的要求，同時(shí)也為無(wú)人艇的廣泛應(yīng)用提供了舞臺(tái)，目前已經(jīng)投入使用的DF-C400等多款警用無(wú)人艇都達(dá)到了理想效果。無(wú)人艇能夠有效搭載多種警用設(shè)備及救生設(shè)備，具備在水面進(jìn)行大范圍監(jiān)控巡邏、目標(biāo)搜索、救援、輔助潛水作業(yè)、反恐偵察、危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種處理公共事務(wù)的能力。

無(wú)人艇還可以和無(wú)人機(jī)聯(lián)合執(zhí)行任務(wù)，二者可以形成有效的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。無(wú)人艇在續(xù)航時(shí)間、有效載荷、水面以下部署設(shè)備等方面具有特定優(yōu)勢(shì)；但在速度、航程以及監(jiān)控范圍等方面不及無(wú)人機(jī)。通過(guò)二者的結(jié)合，可以有效打造一張大型的水域立體防空網(wǎng)，在廣域尺度上實(shí)現(xiàn)及時(shí)、高效、實(shí)時(shí)的監(jiān)控管理及救援輔助等功能。

3 無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人艇涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛，除了傳統(tǒng)的造船技術(shù)外，還涉及圖像感知、機(jī)器人路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、冗余備份高可靠性軟硬件設(shè)計(jì)和機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)故障診斷技術(shù)等。另外，隨著無(wú)人艇集群的發(fā)展，甚至還涉及到基于物聯(lián)網(wǎng)的自組織網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)。無(wú)人艇必須能夠自主進(jìn)行環(huán)境探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、自主避障和路徑自主規(guī)劃等。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前無(wú)人艇研究涉及關(guān)鍵技術(shù)主要有以下方面。

3.1 自主路徑規(guī)劃技術(shù)

自主路徑規(guī)劃技術(shù)大致可分為兩類：（1）基于傳統(tǒng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的路徑生成技術(shù)，通過(guò)電子地圖獲得水域區(qū)域、水域深度、水上物標(biāo)等信息獲得可航行區(qū)域，然后依據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)使用路徑規(guī)劃算法自主規(guī)劃航路，但是規(guī)劃的路徑并不一定是實(shí)際的可行航線，例如，規(guī)劃的最短路徑可能在推薦航道中逆向行駛。（2）為了解決這一問(wèn)題，催生了另類方法-基于軌跡分析的自主路徑規(guī)劃技術(shù)，該類方法以船舶歷史軌跡為基礎(chǔ)，通過(guò)軌跡壓縮、軌跡聚類等提取實(shí)際可航路徑。除靜態(tài)航線自動(dòng)生成與路徑規(guī)劃技術(shù)外，還需解決基于動(dòng)態(tài)環(huán)境感知的局部航線自動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。

3.2 自主決策與避障技術(shù)

為降低無(wú)人艇對(duì)遠(yuǎn)程操控人員的依賴，同時(shí)擴(kuò)展多無(wú)人艇協(xié)同工作或作戰(zhàn)，需要無(wú)人艇具有較強(qiáng)的自主決策和智能避障能力，以確保無(wú)人艇可以獨(dú)立地執(zhí)行中長(zhǎng)期遠(yuǎn)程探測(cè)、信息搜集等任務(wù)。自主決策與避障技術(shù)是無(wú)人艇實(shí)現(xiàn)高智能化和全自主型的關(guān)鍵一步，目前已有較多科研機(jī)構(gòu)對(duì)船舶智能避碰技術(shù)進(jìn)行了廣泛深入的研究。

3.3 無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)人艇的通信技術(shù)主要涉及無(wú)線電通信、光學(xué)通信、水聲通信等方面。通信對(duì)象主要有無(wú)人艇與母船之間、無(wú)人艇之間，通信內(nèi)容主要有母船對(duì)無(wú)人艇的指令信息、無(wú)人艇實(shí)時(shí)回傳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息以及視頻信息等，通信媒介在近距離可依靠甚高頻通信，遠(yuǎn)距離可依靠衛(wèi)星通信。在無(wú)人艇的通信中重點(diǎn)解決超高頻擴(kuò)頻通信與衛(wèi)星通信信號(hào)的海上傳輸抗衰耗技術(shù)、抗多普勒頻移技術(shù)和抗多種干擾技術(shù)問(wèn)題。

3.4 水面目標(biāo)探測(cè)與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

水面目標(biāo)探測(cè)與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)船舶自主決策與自動(dòng)避障技術(shù)的重要基礎(chǔ)。由于無(wú)人艇形體較小，受波浪等因素影響較大，六自由度運(yùn)動(dòng)較為劇烈，因此水面物標(biāo)探測(cè)與目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)首先要解決視頻穩(wěn)像問(wèn)題和圖像質(zhì)量增強(qiáng)與平滑問(wèn)題，其次要解決適應(yīng)水天線和水岸線條件的水界線檢測(cè)技術(shù)、低信噪比和動(dòng)態(tài)背景條件下的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)以及基于多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和融合的水面目標(biāo)跟蹤技術(shù)。

4 無(wú)人艇在公安行業(yè)的應(yīng)用前景

4.1 對(duì)大面積水域的巡航監(jiān)管

由于在水面上固定監(jiān)控設(shè)備設(shè)置難度較大，公安機(jī)關(guān)實(shí)施水域管理主要依靠安裝在岸邊、橋梁和高空建筑上的攝像頭，對(duì)臨岸水面狀況進(jìn)行清晰穩(wěn)定的監(jiān)控，而對(duì)非臨岸的水面情況監(jiān)控就較為抽象，不能全面、直觀、完整的呈現(xiàn)實(shí)際狀況，甚至出現(xiàn)一些監(jiān)管空白。無(wú)人艇可以通過(guò)搭載攝像機(jī)、雷達(dá)、污染物探測(cè)儀等設(shè)備進(jìn)行水域巡航和監(jiān)管，不僅成本低、反饋信息及時(shí)，而且能在夜間和惡劣天氣下長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)。

4.2 水域事故現(xiàn)場(chǎng)的取證

因?yàn)樗鳌⒋皯T性等原因，一般發(fā)生在水域上的事故糾紛，等到民警到場(chǎng)時(shí)，第一現(xiàn)場(chǎng)往往不復(fù)存在，造成事故雙方對(duì)事故責(zé)任的確認(rèn)存有較大爭(zhēng)議。通過(guò)在無(wú)人艇上搭載取證模塊，可以獲得事故的第一現(xiàn)場(chǎng)資料，輔助民警更加公平、正義的處理糾紛。

4.3 水域中的搜索和救助

2015年6月1日，隸屬于重慶東方輪船公司的“東方之星”游輪，在從南京駛往重慶途中突遇罕見強(qiáng)對(duì)流天氣，在長(zhǎng)江中游湖北監(jiān)利水域沉沒，事故導(dǎo)致400余人遇難，事后搜救問(wèn)題重重。應(yīng)用無(wú)人艇搭載紅外探測(cè)儀或者光電跟蹤系統(tǒng)全時(shí)段、全天候自動(dòng)開展搜尋生命跡象，可以快速、高效、低成本地以集群方式聯(lián)合作業(yè)，可立即實(shí)現(xiàn)大面積的拉網(wǎng)式搜索，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，安排最近的無(wú)人艇迅速靠近救援，從而解決類似“東方之星”事故搜尋工作中暴露出的水上搜救耗時(shí)長(zhǎng)、水文氣象環(huán)境陌生等問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，大數(shù)據(jù)和智能化代表著工業(yè)水平下一階段的發(fā)展方向。在“十二五”收官之年，國(guó)家提出產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，以信息化與工業(yè)化深度融合為主線，重點(diǎn)發(fā)展包括海洋工程裝備及高科技船舶在內(nèi)的十大領(lǐng)域，推進(jìn)智能制造。目前，無(wú)人艇技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟并具有實(shí)用性，形成了一定規(guī)模。無(wú)人艇技術(shù)不僅擁有強(qiáng)大的科技實(shí)力，更能為水域智能管理提供實(shí)實(shí)在在的平臺(tái)支持，其強(qiáng)大的兼容和擴(kuò)展性將助力智能管理轉(zhuǎn)型。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和升級(jí)，相信包括無(wú)人艇技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)工業(yè)應(yīng)用將不斷促進(jìn)水域管理再上新臺(tái)階。