■ 文/南京新視方舟智能科技有限公司 劉瀏

關(guān)鍵字：無人艇 路徑規(guī)劃 避障 通信

1 引言

船舶的無人化是現(xiàn)代船舶發(fā)展的一個重要方向，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，可以解決人工檢測效率低下、檢測周期長等問題，同時減少高危水域的人員傷亡。無人水面艇作為一款水面設(shè)備平臺，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，現(xiàn)代無人艇具有自動巡航功能、智能信息處理功能、通信及遙控功能、雷達和聲吶感知功能。針對具體要求，無人艇還可以靈活的選擇搭載諸如水質(zhì)檢測、警示設(shè)備等模塊來完成特定任務(wù)。隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，無人艇已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主導航、巡航能力，具備簡單的任務(wù)自主實行能力。

2 無人艇的發(fā)展回顧

無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人艇，以及自主航行的遙控型無人艇和按照內(nèi)置程序航行并執(zhí)行任務(wù)的半自主型無人艇。它集船舶設(shè)計、人工智能、信息處理、運動控制等專業(yè)技術(shù)為一體，研究內(nèi)容涉及自動駕駛、自主避障、規(guī)劃與導航、模式識別等多方面，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 國外無人艇發(fā)展及應(yīng)用

無人艇的發(fā)展最早可追溯到1898年，當時著名發(fā)明家尼古拉·特拉斯發(fā)明了名為“無線機器人”的遙控艇。二戰(zhàn)時期，美軍就在無人水面艇(Unmanned Surface Vessel，USV)上架設(shè)槍炮和導彈。20世紀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，美國海軍曾通過在小型登陸艇上加裝無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)。這些早期的無人艇大多由電纜發(fā)送的導航信號或母艦通過無線電控制，自主活動能力非常有限。進入21世紀，隨著通信、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，制約無人艇發(fā)展的諸多技術(shù)瓶頸得以部分解決，各國加大了無人艇的研發(fā)力度，無人艇迎來了一段高速發(fā)展期。

2004年，英國普利茅斯大學MIDAS科研小組開始研發(fā)USV-“Springer”，主要用于內(nèi)河、水庫和沿海等淺水水域追蹤污染物，測量環(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，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USV，能夠完成海岸物標識別、智能巡邏、電子戰(zhàn)爭等多項任務(wù)。2016年，美國完成最新型的海獵人無人反潛船，并且開始試驗世界上最大無人駕駛船。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)航能力為無限長的UOV，適用于海洋數(shù)據(jù)收集、測量等。Navtec公司研發(fā)了基于噴水動力的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 國內(nèi)無人艇發(fā)展及應(yīng)用

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

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

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

無人艇還可以和無人機聯(lián)合執(zhí)行任務(wù)，二者可以形成有效的優(yōu)勢互補。無人艇在續(xù)航時間、有效載荷、水面以下部署設(shè)備等方面具有特定優(yōu)勢；但在速度、航程以及監(jiān)控范圍等方面不及無人機。通過二者的結(jié)合，可以有效打造一張大型的水域立體防空網(wǎng)，在廣域尺度上實現(xiàn)及時、高效、實時的監(jiān)控管理及救援輔助等功能。

3 無人艇關(guān)鍵技術(shù)

無人艇涵蓋的技術(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、機器人路徑規(guī)劃、運動控制技術(shù)、冗余備份高可靠性軟硬件設(shè)計和機電系統(tǒng)的自動故障診斷技術(shù)等。另外，隨著無人艇集群的發(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)。無人艇必須能夠自主進行環(huán)境探測、目標識別、自主避障和路徑自主規(guī)劃等。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前無人艇研究涉及關(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)機器人路徑規(guī)劃技術(shù)的路徑生成技術(shù)，通過電子地圖獲得水域區(qū)域、水域深度、水上物標等信息獲得可航行區(qū)域，然后依據(jù)起點和終點使用路徑規(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)，通過軌跡壓縮、軌跡聚類等提取實際可航路徑。除靜態(tài)航線自動生成與路徑規(guī)劃技術(shù)外，還需解決基于動態(tài)環(huán)境感知的局部航線自動規(guī)劃問題。

3.2 自主決策與避障技術(shù)

為降低無人艇對遠程操控人員的依賴，同時擴展多無人艇協(xié)同工作或作戰(zhàn)，需要無人艇具有較強的自主決策和智能避障能力，以確保無人艇可以獨立地執(zhí)行中長期遠程探測、信息搜集等任務(wù)。自主決策與避障技術(shù)是無人艇實現(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構(gòu)對船舶智能避碰技術(shù)進行了廣泛深入的研究。

3.3 無線通信技術(shù)

無人艇的通信技術(shù)主要涉及無線電通信、光學通信、水聲通信等方面。通信對象主要有無人艇與母船之間、無人艇之間，通信內(nèi)容主要有母船對無人艇的指令信息、無人艇實時回傳的運動狀態(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，遠距離可依靠衛(wèi)星通信。在無人艇的通信中重點解決超高頻擴頻通信與衛(wèi)星通信信號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)問題。

3.4 水面目標探測與自動識別技術(shù)

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

4 無人艇在公安行業(yè)的應(yīng)用前景

4.1 對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，公安機關(guān)實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，對臨岸水面狀況進行清晰穩(wěn)定的監(jiān)控，而對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)實際狀況，甚至出現(xiàn)一些監(jiān)管空白。無人艇可以通過搭載攝像機、雷達、污染物探測儀等設(shè)備進行水域巡航和監(jiān)管，不僅成本低、反饋信息及時，而且能在夜間和惡劣天氣下長時間執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)。

4.2 水域事故現(xiàn)場的取證

因為水流、船舶慣性等原因，一般發(fā)生在水域上的事故糾紛，等到民警到場時，第一現(xiàn)場往往不復存在，造成事故雙方對事故責任的確認存有較大爭議。通過在無人艇上搭載取證模塊，可以獲得事故的第一現(xiàn)場資料，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對流天氣，在長江中游湖北監(jiān)利水域沉沒，事故導致400余人遇難，事后搜救問題重重。應(yīng)用無人艇搭載紅外探測儀或者光電跟蹤系統(tǒng)全時段、全天候自動開展搜尋生命跡象，可以快速、高效、低成本地以集群方式聯(lián)合作業(yè)，可立即實現(xiàn)大面積的拉網(wǎng)式搜索，一旦發(fā)現(xiàn)目標，安排最近的無人艇迅速靠近救援，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長、水文氣象環(huán)境陌生等問題。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)4.0時代的到來，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，推進智能制造。目前，無人艇技術(shù)已經(jīng)相對成熟并具有實用性，形成了一定規(guī)模。無人艇技術(shù)不僅擁有強大的科技實力，更能為水域智能管理提供實實在在的平臺支持，其強大的兼容和擴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，相信包括無人艇技術(shù)在內(nèi)的先進工業(yè)應(yīng)用將不斷促進水域管理再上新臺階。