無人船艇關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展趨勢

聶 玲，張玲玲

（武警士官學(xué)校, 浙江 杭州 311400）

0 引言

近年來，隨著信息技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人船艇迎來了快速發(fā)展期。與有人船艇相比，無人船艇可控、可擴(kuò)展、自動(dòng)、無人工作的特點(diǎn)，可更近距離抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域，自主性能更優(yōu)、使用成本更低、隱蔽偽裝性能更好，能夠有效執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測、水下地形勘察、中繼通信以及軍事行動(dòng)等任務(wù)，其技術(shù)研究及應(yīng)用得到越來越多的關(guān)注。

1 國內(nèi)外無人船艇發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外無人船艇發(fā)展現(xiàn)狀

美國是研究與應(yīng)用無人船艇世界領(lǐng)先的國家。1997年，美國研制的遙控獵雷作戰(zhàn)原型艇參加了“海上獵雷”行動(dòng)演練，標(biāo)志著現(xiàn)代無人船艇正式邁向?qū)嶋H應(yīng)用階段。2007年，美國頒布《海軍無人水面艇主計(jì)劃》，對無人水面艇技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用重點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃。此后，美國開始加大無人船艇研發(fā)力度，多款船型已經(jīng)投入實(shí)際部署。以色列將自身強(qiáng)大的無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到無人船艇發(fā)展中，先后研制出多型無人船艇，其技術(shù)先進(jìn)性堪比美國。近年來，其他西方國家以及日本等也非常重視無人船艇研制工作，陸續(xù)突破了許多技術(shù)性難題。受人工智能技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響，俄羅斯無人船艇發(fā)展起步較晚。2014年2月15日，俄羅斯才在國防部成立機(jī)器人技術(shù)總科研試驗(yàn)中心，統(tǒng)一規(guī)劃、領(lǐng)導(dǎo)軍用無人裝備項(xiàng)目發(fā)展[1]。

在應(yīng)用方面，國外基本上貫徹了先軍后民、以軍帶民的思路。軍用無人船艇普遍航速高、善于機(jī)動(dòng)、便于隱蔽，常用于偵查監(jiān)視、水下通訊中繼以及搭載武器裝備。如美國“SPARTAN”無人船艇主要用于情報(bào)收集、海上巡邏、精確打擊行動(dòng)，海狐系列無人船艇主要遂行作戰(zhàn)評估及保障遠(yuǎn)航部隊(duì)行動(dòng)安全任務(wù)。以色列“銀槍魚”無人水面船艇已列入本國水面作戰(zhàn)系統(tǒng)，法國“旗魚”反水雷無人船艇、日本“UMV-H”軍用高速無人船艇、英國“衛(wèi)兵”無人船艇、德國“哨兵”無人船艇等都將進(jìn)入服役階段[2]。

與追求高速的軍用無人船艇不同，國外民用領(lǐng)域的無人船艇對噪音和反應(yīng)速度要求更高，一般航速較低，但同樣應(yīng)用廣泛。如美國“SCOUT”無人船艇可執(zhí)行水聲通訊中繼任務(wù)，“BATHYBOAT”無人船艇可用于水深測量；英國“SPRINGER”無人船艇可用于海洋環(huán)境監(jiān)測；法國“ROAZ”無人船艇用于海岸帶調(diào)查；意大利“SESAMO”無人船艇用于海表面水樣采集；葡萄牙“DELFIM”無人船艇則多用于水下調(diào)查。

1.2 國內(nèi)無人船艇發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)無人船艇研究與應(yīng)用興起較晚，但隨著軍事與民用需求的牽引作用日益強(qiáng)烈，國內(nèi)無人船艇的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)取得了系列成果。

哈爾濱工程大學(xué)的無人船艇技術(shù)起步早，研制成功的一款高速無人艇，可遂行水上巡邏及水面目標(biāo)自主跟蹤任務(wù)。上海大學(xué)研制開發(fā)的精海系列無人船艇，技術(shù)較為先進(jìn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。海軍工程大學(xué)長期致力于無人船艇運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)的研究，其研制的“Sturgeon”號無人艇已通過多項(xiàng)試驗(yàn)。

云洲公司是我國最早專注于無人船艇領(lǐng)域的高科技企業(yè)，迄今已形成海洋調(diào)查、環(huán)境測量、安防、軍用四大產(chǎn)品體系。該公司研制的車船一體無人船艇是一款能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)布放回收的無人船艇，在惡劣環(huán)境或有人船只無法進(jìn)入條件下尤其適合開展作業(yè)。M80無人船艇主要在特殊水域開展水文、氣象、水下地貌等信息收集采集任務(wù)。在軍事應(yīng)用上，由云洲公司聯(lián)合其它科研機(jī)構(gòu)共同研制的“瞭望者Ⅱ”無人船艇是我國第一艘察打一體導(dǎo)彈無人船艇，軍事應(yīng)用價(jià)值很大，可執(zhí)行水面警戒巡邏、精確打擊等任務(wù)。沈陽航天新光公司研發(fā)的“天象一號”高速無人艇，可自主測量風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、水溫測量等信息，為特定目標(biāo)提供氣象保障服務(wù)。由中船701所研制設(shè)計(jì)的“海翼1號”無人艇已通過驗(yàn)收，該艇具備復(fù)雜海情下的自主巡邏、搜索取證功能。

2 無人船艇關(guān)鍵技術(shù)

2.1 通訊技術(shù)

通訊技術(shù)用以保障無人船艇接收操作人員的控制指令和數(shù)據(jù)信息，并將有關(guān)任務(wù)信息反向傳遞回控制中心?，F(xiàn)有無人船艇控制通信方式可分為2類，1）“中繼式”，即利用地面中繼通信基站，或者依托可用于中轉(zhuǎn)信號的無人機(jī)、有人船艇等，以地面、空中甚至水下中繼的模式實(shí)現(xiàn)信號連接；2）將通信衛(wèi)星作為傳輸渠道，相比前一種方式可不受距離限制，優(yōu)勢明顯。

2.2 目標(biāo)與環(huán)境感知技術(shù)

目標(biāo)與環(huán)境感知技術(shù)是無人船艇分析任務(wù)環(huán)境并對目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、識別、跟蹤、研判的關(guān)鍵技術(shù)，包括目標(biāo)感知技術(shù)和環(huán)境感知技術(shù)。二者的指向各有不同，目標(biāo)感知的重點(diǎn)是目標(biāo)的檢測、識別及跟蹤，環(huán)境感知的對象是無人船艇的周圍環(huán)境及其自身狀態(tài)，其中后者是無人船艇與周圍地形、天候、人員及裝備等環(huán)境進(jìn)行自主交互的關(guān)鍵。

2.3 自主決策技術(shù)

自主決策技術(shù)是無人船艇實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵技術(shù)，包括自主航行需要的路徑規(guī)劃技術(shù)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)、自主避障和避碰技術(shù)，以及遂行任務(wù)需要的任務(wù)規(guī)劃與決策技術(shù)、多平臺集群控制與編隊(duì)控制技術(shù)[3]。

2.4 布放回收技術(shù)

布放回收技術(shù)是無人船艇的關(guān)鍵技術(shù)之一。布放技術(shù)較為簡單，回收過程相對復(fù)雜一些，一般包括自主返航、位置校準(zhǔn)、準(zhǔn)確附著及自主?？康拳h(huán)節(jié)。當(dāng)前無人船艇常用的布放回收方式主要是依托母艦上的吊架和坡道進(jìn)行，操作時(shí)間較長，全程需要具有一定操控經(jīng)驗(yàn)的人員協(xié)助，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，在航速較低、海況較好的情況下比較適用，在航速高、環(huán)境復(fù)雜情況下實(shí)施困難。

2.5 協(xié)同控制技術(shù)

為完成一些特殊環(huán)境下的行動(dòng)任務(wù)，有時(shí)需要無人船艇與其他無人、有人系統(tǒng)平臺進(jìn)行相互配合，其中主要依靠協(xié)同控制技術(shù)。協(xié)同控制架構(gòu)及技術(shù)要同時(shí)具備開放性、分布式兩項(xiàng)性能，開放性可以使包括無人船艇的單個(gè)無人平臺快速集成新技術(shù)、快速聯(lián)結(jié)其他無人平臺；分布式可有效確保單個(gè)無人系統(tǒng)的自主決策能力，同時(shí)避免當(dāng)某個(gè)無人平臺出現(xiàn)故障進(jìn)而對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。

2.6 船型優(yōu)化技術(shù)

船型設(shè)計(jì)是影響無人船艇快速性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。目前無人船艇的船型主要分為半潛式、常規(guī)滑行式以及水翼型船型。這些船型各具特點(diǎn)，如半潛式無人船艇穩(wěn)定性較高，但航速較慢；常規(guī)滑行無人船艇綜合性能較好，但穩(wěn)定性較差；水翼型無人船艇雖然相對其它船型適航性最高，但拖拽難度比較大。為滿足特定航速和任務(wù)需求，一些機(jī)構(gòu)還研制了純排水型船型、穿浪型船型以及多體船型等。

3 無人船艇未來發(fā)展趨勢

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加注重模塊化

隨著無人船艇應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對船體、載荷和接口實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，是無人船艇下一步研發(fā)的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容[4]。通過模塊化設(shè)計(jì)，可以大大縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測試和培訓(xùn)時(shí)間，加快研制進(jìn)度、控制研發(fā)成本，同時(shí)還能夠減少并降低設(shè)備維修難度。船體的模塊化通常選擇以通用船體或船體部分外形為母型，依據(jù)保障需求進(jìn)行船型設(shè)計(jì)。載荷和接口的模塊化則是在通用平臺基礎(chǔ)上，統(tǒng)一開展材料、規(guī)格等設(shè)計(jì)，提高平臺與各類載荷之間的適應(yīng)性。另外，無人船艇內(nèi)各類傳感器、電子設(shè)備以及智能算法、控制軟件等分系統(tǒng)的研發(fā)速度要遠(yuǎn)快于船艇平臺整體的更新?lián)Q代速度，如果在更換個(gè)別分系統(tǒng)時(shí)必須對無人船艇其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步改造或重新設(shè)計(jì)，會(huì)無謂地增加費(fèi)用。因此，對分系統(tǒng)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過最簡單的插拔式操作即可完成換件維修，對于節(jié)約人力和財(cái)力都十分必要。

3.2 決策控制更加注重智能化

高自主性、高度智能化是無人船艇發(fā)展的核心目標(biāo)。目前，國內(nèi)外在用無人船艇基本都是按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)算機(jī)程序，或是依賴遠(yuǎn)程人工控制的方式來完成各類任務(wù)。在此過程中，無人船艇控制機(jī)構(gòu)可以對細(xì)小偏差進(jìn)行調(diào)整并反饋，實(shí)現(xiàn)自主測量、自主規(guī)避，但它無法對復(fù)雜的外部環(huán)境快速作出應(yīng)對決策。未來，無人船艇將依托數(shù)據(jù)融合、環(huán)境感知、智能決策、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的支撐，通過任務(wù)自主規(guī)劃、態(tài)勢自主感知、深度自主學(xué)習(xí)和任務(wù)自主決策，大幅降低對人員的依賴甚至完全脫離人工實(shí)時(shí)控制，完成環(huán)境更加復(fù)雜、難度更高的任務(wù)。比如，軍用無人船艇在執(zhí)行識別敵方移動(dòng)目標(biāo)、實(shí)施火力打擊任務(wù)時(shí)，或者國土測量無人船艇在自然環(huán)境特別復(fù)雜的條件下執(zhí)行探測任務(wù)時(shí)，加入深度學(xué)習(xí)能力，對捕捉到的各類信息進(jìn)行更為快速、精準(zhǔn)的分析和判斷，在無人工控制的情況下進(jìn)行智能化決策，自主調(diào)整、優(yōu)化、實(shí)施任務(wù)行動(dòng)。

3.3 通訊聯(lián)絡(luò)更加注重高效、穩(wěn)定

無人船艇未來執(zhí)行任務(wù)的多樣性、采用技術(shù)的先進(jìn)性以及環(huán)境的復(fù)雜性，勢必產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，這些信息的搜集與處理對通訊技術(shù)的依賴性更強(qiáng)，要求后者必須滿足高帶寬、低延時(shí)的需要。未來無人船艇通訊技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)任務(wù)是：數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，根據(jù)任務(wù)需要對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行優(yōu)先級分類，自動(dòng)識別關(guān)鍵信息，不同級別信息采用分時(shí)傳輸方式，重要數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸；數(shù)據(jù)壓縮、加密和解壓技術(shù)，以有效降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的帶寬和時(shí)延；多信道獨(dú)立傳輸技術(shù)，在提高數(shù)據(jù)信號和控制信號傳輸效率的同時(shí)，確保數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的安全性；光學(xué)通訊技術(shù)，以信號接收和發(fā)射的指向精度為研究重點(diǎn)，提高船艇通信系統(tǒng)的抗干擾能力，軍事上也可有效降低被敵探測、攔截的概率；水下通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，依靠水聲通信方式和多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建大帶寬、高速率的水下通信網(wǎng)絡(luò)體系，以適應(yīng)多個(gè)無人系統(tǒng)共同執(zhí)行任務(wù)時(shí)的指揮控制需要。此外，提高發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作效率、傳輸更寬頻率范圍的信號也是一個(gè)研究重點(diǎn)。

3.4 航行距離更加注重長續(xù)航能力

續(xù)航能力是影響無人船艇作用發(fā)揮的一個(gè)重要因素。為提高無人船艇的續(xù)航能力，目前國內(nèi)外的研究重點(diǎn)多放在能源技術(shù)的角度。國外有機(jī)構(gòu)正在研制一種混合能量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是通過一種專門的轉(zhuǎn)換設(shè)備，將熱電、熱離子等轉(zhuǎn)化為無人船艇航行所需的先進(jìn)熱機(jī)能量。國內(nèi)也正在圍繞電能、風(fēng)能、光能等復(fù)合能源系統(tǒng)開展研究。技術(shù)上能夠幫助無人船艇延長航行距離的研究方向還有：改進(jìn)船型設(shè)計(jì)，降低無人船艇在航行過程中的阻力，提升其環(huán)境適應(yīng)性；研制新型發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，為無人船艇提供更強(qiáng)大的航行動(dòng)力；開展伴隨保障，采用有人船艇作為移動(dòng)式基地，在無人船艇任務(wù)區(qū)域附近為其提供燃料供應(yīng)、設(shè)備維修等保障；發(fā)展特殊環(huán)境地形導(dǎo)航、聲波定位等技術(shù)，提高導(dǎo)航定位能力，及時(shí)修正航行線路偏差。此外，提高無人船艇自身的安全性和可靠性，開發(fā)能夠提供水下電力保障的技術(shù)和裝備，也有助于提升無人船艇的續(xù)航能力。

3.5 平臺之間更加注重協(xié)同性

無人系統(tǒng)平臺相互協(xié)同作為無人化裝備發(fā)展的重要分支，將在未來軍事打擊、海上救援、地理測繪、環(huán)境監(jiān)測等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，其相關(guān)研究重點(diǎn)也引起了越來越多的重視。一是共享信息網(wǎng)絡(luò)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，保障無人船艇和其他無人平臺在共享各類信息數(shù)據(jù)過程中能夠無縫連接，實(shí)現(xiàn)信息跨域通聯(lián)。二是拓展任務(wù)范圍，發(fā)揮無人船艇與其他無人平臺之間“1+1＞2”的優(yōu)勢，拓展現(xiàn)有單一的任務(wù)模式，承擔(dān)在科學(xué)考察、軍事行動(dòng)等任務(wù)中目前暫無法實(shí)現(xiàn)的功能。三是發(fā)展智能感知技術(shù)，確保無人船艇與其他無人平臺能夠精確識別到任務(wù)環(huán)境中的合作信息和威脅因素，奠定多平臺協(xié)作效能最大化的技術(shù)前提和基礎(chǔ)。如目前正在開展的仿鷹眼視覺實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識別、跟蹤技術(shù)，就能為無人船艇與其它無人平臺協(xié)作系統(tǒng)提供外界復(fù)雜環(huán)境的智能感知問題解決方案[5]。

4 結(jié)語

無人船艇的發(fā)展正方興未艾，作為新事物，無人船艇在通訊、目標(biāo)與環(huán)境感知、自主決策、布放回收、協(xié)同控制和船型優(yōu)化等關(guān)鍵核心技術(shù)上仍存在許多亟待研究的領(lǐng)域，與實(shí)際應(yīng)用之間的磨合也需進(jìn)一步加強(qiáng)。未來，我國應(yīng)抓住自主學(xué)習(xí)技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的有利契機(jī)，借鑒國外成熟經(jīng)驗(yàn)，國家層面應(yīng)加強(qiáng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌布局、政策與資金支持，科研院所、重點(diǎn)企業(yè)應(yīng)加大研究攻關(guān)，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域范圍和深度，確保無人船艇在國家現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮更大的作用。