聶 玲，張玲玲

（武警士官學校, 浙江 杭州 311400）

0 引言

近年來，隨著信息技術、遠程控制技術以及人工智能技術的發(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、可擴展、自動、無人工作的特點，可更近距離抵達目標區(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)行水質監(jiān)測、水下地形勘察、中繼通信以及軍事行動等任務，其技術研究及應用得到越來越多的關注。

1 國內外無人船艇發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外無人船艇發(fā)展現(xiàn)狀

美國是研究與應用無人船艇世界領先的國家。1997年，美國研制的遙控獵雷作戰(zhàn)原型艇參加了“海上獵雷”行動演練，標志著現(xiàn)代無人船艇正式邁向實際應用階段。2007年，美國頒布《海軍無人水面艇主計劃》，對無人水面艇技術發(fā)展與應用重點進行系統(tǒng)規(guī)劃。此后，美國開始加大無人船艇研發(fā)力度，多款船型已經投入實際部署。以色列將自身強大的無人機技術應用到無人船艇發(fā)展中，先后研制出多型無人船艇，其技術先進性堪比美國。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)突破了許多技術性難題。受人工智能技術和經濟發(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器人技術總科研試驗中心，統(tǒng)一規(guī)劃、領導軍用無人裝備項目發(fā)展[1]。

在應用方面，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、善于機動、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收集、海上巡邏、精確打擊行動，海狐系列無人船艇主要遂行作戰(zhàn)評估及保障遠航部隊行動安全任務。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，國外民用領域的無人船艇對噪音和反應速度要求更高，一般航速較低，但同樣應用廣泛。如美國“SCOUT”無人船艇可執(zhí)行水聲通訊中繼任務，“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查。

1.2 國內無人船艇發(fā)展現(xiàn)狀

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

哈爾濱工程大學的無人船艇技術起步早，研制成功的一款高速無人艇，可遂行水上巡邏及水面目標自主跟蹤任務。上海大學研制開發(fā)的精海系列無人船艇，技術較為先進，應用領域廣泛。海軍工程大學長期致力于無人船艇運動控制系統(tǒng)和體系結構的研究，其研制的“Sturgeon”號無人艇已通過多項試驗。

云洲公司是我國最早專注于無人船艇領域的高科技企業(yè)，迄今已形成海洋調查、環(huán)境測量、安防、軍用四大產品體系。該公司研制的車船一體無人船艇是一款能夠實現(xiàn)自動布放回收的無人船艇，在惡劣環(huán)境或有人船只無法進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。在軍事應用上，由云洲公司聯(lián)合其它科研機構共同研制的“瞭望者Ⅱ”無人船艇是我國第一艘察打一體導彈無人船艇，軍事應用價值很大，可執(zhí)行水面警戒巡邏、精確打擊等任務。沈陽航天新光公司研發(fā)的“天象一號”高速無人艇，可自主測量風速、風向、氣溫、濕度、水溫測量等信息，為特定目標提供氣象保障服務。由中船701所研制設計的“海翼1號”無人艇已通過驗收，該艇具備復雜海情下的自主巡邏、搜索取證功能。

2 無人船艇關鍵技術

2.1 通訊技術

通訊技術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，并將有關任務信息反向傳遞回控制中心。現(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信號的無人機、有人船艇等，以地面、空中甚至水下中繼的模式實現(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 目標與環(huán)境感知技術

目標與環(huán)境感知技術是無人船艇分析任務環(huán)境并對目標進行監(jiān)測、識別、跟蹤、研判的關鍵技術，包括目標感知技術和環(huán)境感知技術。二者的指向各有不同，目標感知的重點是目標的檢測、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)境進行自主交互的關鍵。

2.3 自主決策技術

自主決策技術是無人船艇實現(xiàn)智能化的關鍵技術，包括自主航行需要的路徑規(guī)劃技術、運動規(guī)劃技術、自主避障和避碰技術，以及遂行任務需要的任務規(guī)劃與決策技術、多平臺集群控制與編隊控制技術[3]。

2.4 布放回收技術

布放回收技術是無人船艇的關鍵技術之一。布放技術較為簡單，回收過程相對復雜一些，一般包括自主返航、位置校準、準確附著及自主?？康拳h(huán)節(jié)。當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行，操作時間較長，全程需要具有一定操控經驗的人員協(xié)助，存在一定的安全風險，在航速較低、海況較好的情況下比較適用，在航速高、環(huán)境復雜情況下實施困難。

2.5 協(xié)同控制技術

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

2.6 船型優(yōu)化技術

船型設計是影響無人船艇快速性、穩(wěn)定性的關鍵因素之一。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，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需求，一些機構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 結構設計更加注重模塊化

隨著無人船艇應用范圍的不斷擴大，對船體、載荷和接口實行模塊化設計，是無人船艇下一步研發(fā)的一項重點內容[4]。通過模塊化設計，可以大大縮短系統(tǒng)的設計、測試和培訓時間，加快研制進度、控制研發(fā)成本，同時還能夠減少并降低設備維修難度。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)保障需求進行船型設計。載荷和接口的模塊化則是在通用平臺基礎上，統(tǒng)一開展材料、規(guī)格等設計，提高平臺與各類載荷之間的適應性。另外，無人船艇內各類傳感器、電子設備以及智能算法、控制軟件等分系統(tǒng)的研發(fā)速度要遠快于船艇平臺整體的更新?lián)Q代速度，如果在更換個別分系統(tǒng)時必須對無人船艇其他結構進行進一步改造或重新設計，會無謂地增加費用。因此，對分系統(tǒng)接口進行標準化設計，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。目前，國內外在用無人船艇基本都是按照預先設定的計算機程序，或是依賴遠程人工控制的方式來完成各類任務。在此過程中，無人船艇控制機構可以對細小偏差進行調整并反饋，實現(xiàn)自主測量、自主規(guī)避，但它無法對復雜的外部環(huán)境快速作出應對決策。未來，無人船艇將依托數(shù)據(jù)融合、環(huán)境感知、智能決策、深度學習等技術的支撐，通過任務自主規(guī)劃、態(tài)勢自主感知、深度自主學習和任務自主決策，大幅降低對人員的依賴甚至完全脫離人工實時控制，完成環(huán)境更加復雜、難度更高的任務。比如，軍用無人船艇在執(zhí)行識別敵方移動目標、實施火力打擊任務時，或者國土測量無人船艇在自然環(huán)境特別復雜的條件下執(zhí)行探測任務時，加入深度學習能力，對捕捉到的各類信息進行更為快速、精準的分析和判斷，在無人工控制的情況下進行智能化決策，自主調整、優(yōu)化、實施任務行動。

3.3 通訊聯(lián)絡更加注重高效、穩(wěn)定

無人船艇未來執(zhí)行任務的多樣性、采用技術的先進性以及環(huán)境的復雜性，勢必產生大量的數(shù)據(jù)信息，這些信息的搜集與處理對通訊技術的依賴性更強，要求后者必須滿足高帶寬、低延時的需要。未來無人船艇通訊技術發(fā)展重點任務是：數(shù)據(jù)預處理技術，根據(jù)任務需要對數(shù)據(jù)信息進行優(yōu)先級分類，自動識別關鍵信息，不同級別信息采用分時傳輸方式，重要數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸；數(shù)據(jù)壓縮、加密和解壓技術，以有效降低數(shù)據(jù)傳輸時的帶寬和時延；多信道獨立傳輸技術，在提高數(shù)據(jù)信號和控制信號傳輸效率的同時，確保數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的安全性；光學通訊技術，以信號接收和發(fā)射的指向精度為研究重點，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)絡技術，依靠水聲通信方式和多節(jié)點通信網(wǎng)絡技術，構建大帶寬、高速率的水下通信網(wǎng)絡體系，以適應多個無人系統(tǒng)共同執(zhí)行任務時的指揮控制需要。此外，提高發(fā)射機和接收機工作效率、傳輸更寬頻率范圍的信號也是一個研究重點。

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)揮的一個重要因素。為提高無人船艇的續(xù)航能力，目前國內外的研究重點多放在能源技術的角度。國外有機構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換設備，將熱電、熱離子等轉化為無人船艇航行所需的先進熱機能量。國內也正在圍繞電能、風能、光能等復合能源系統(tǒng)開展研究。技術上能夠幫助無人船艇延長航行距離的研究方向還有：改進船型設計，降低無人船艇在航行過程中的阻力，提升其環(huán)境適應性；研制新型發(fā)動機系統(tǒng)，為無人船艇提供更強大的航行動力；開展伴隨保障，采用有人船艇作為移動式基地，在無人船艇任務區(qū)域附近為其提供燃料供應、設備維修等保障；發(fā)展特殊環(huán)境地形導航、聲波定位等技術，提高導航定位能力，及時修正航行線路偏差。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)測等軍用和民用領域發(fā)揮重要的作用，其相關研究重點也引起了越來越多的重視。一是共享信息網(wǎng)絡，在結構設計上實行統(tǒng)一標準，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，實現(xiàn)信息跨域通聯(lián)。二是拓展任務范圍，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)有單一的任務模式，承擔在科學考察、軍事行動等任務中目前暫無法實現(xiàn)的功能。三是發(fā)展智能感知技術，確保無人船艇與其他無人平臺能夠精確識別到任務環(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前提和基礎。如目前正在開展的仿鷹眼視覺實現(xiàn)目標的識別、跟蹤技術，就能為無人船艇與其它無人平臺協(xié)作系統(tǒng)提供外界復雜環(huán)境的智能感知問題解決方案[5]。

4 結語

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)化等關鍵核心技術上仍存在許多亟待研究的領域，與實際應用之間的磨合也需進一步加強。未來，我國應抓住自主學習技術、導航技術發(fā)展的有利契機，借鑒國外成熟經驗，國家層面應加強規(guī)劃設計、統(tǒng)籌布局、政策與資金支持，科研院所、重點企業(yè)應加大研究攻關，擴展應用領域范圍和深度，確保無人船艇在國家現(xiàn)代化進程中發(fā)揮更大的作用。