水面高速無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)研究分析

林劍峰，馬善偉

（1. 海軍駐上海電站輔機(jī)廠軍事代表室，上海 201104；2. 上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

0 引 言

隨著美軍在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)成功地使用捕食者無(wú)人機(jī)發(fā)射海爾法導(dǎo)彈攻擊塔利班的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，標(biāo)志著無(wú)人控制系統(tǒng)已開(kāi)始執(zhí)行打擊任務(wù)。水面高速無(wú)人艇具有體積小、高速、較好的隱身、智能、無(wú)人員傷亡等優(yōu)點(diǎn)，在軍事方面能夠靈活作戰(zhàn)、部署機(jī)動(dòng)、使用方便、可跟隨戰(zhàn)斗艦船出航執(zhí)行任務(wù)，并可以在危險(xiǎn)區(qū)域或者不適宜派遣有人艦船的區(qū)域獨(dú)立自主執(zhí)行任務(wù)， 拓展了海上作戰(zhàn)范圍， 具有良好的費(fèi)效比。因而越來(lái)越多地受到各國(guó)海軍的重視。無(wú)人艇自主控制是完成各種作業(yè)任務(wù)的基礎(chǔ)。我國(guó)作為海岸線廣闊、維護(hù)海權(quán)任務(wù)眾多的發(fā)展中國(guó)家，加強(qiáng)無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)于保護(hù)海上權(quán)益具有重要意義。

1 水面高速無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)內(nèi)涵

水面高速無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)是以完成任務(wù)為最終目標(biāo)，通過(guò)環(huán)境感知手段，進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別，自主進(jìn)行路徑規(guī)劃、自主避碰，自主駕控并采取合理控制策略完成各種任務(wù)和作業(yè)使命的系統(tǒng)，它的核心內(nèi)涵是自主性，在接受新任務(wù)之前，根據(jù)當(dāng)前態(tài)勢(shì)，具有智能生物特征隨時(shí)自主做出合理決策，而非單純接受外部的遙控指令去完成任務(wù)的系統(tǒng)；它是不考慮人的承受性，采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化、集成化模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自身環(huán)境感知、無(wú)人艇之間以及與平臺(tái)之間的信息搜集、傳輸、處理和綜合應(yīng)用，自主融合做出合理決策，完成既定任務(wù)的無(wú)人艇核心控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是無(wú)人艇完成偵察、搜索測(cè)量、運(yùn)輸?shù)雀鞣N任務(wù)的關(guān)鍵系統(tǒng)。通常由任務(wù)模塊、環(huán)境感知模塊、智能控制模塊、通信模塊、自主決策模塊、推進(jìn)與駕控模塊等組成。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水面無(wú)人艇的發(fā)展可追溯到第二次世界大戰(zhàn)，初始的目的是設(shè)計(jì)成魚(yú)雷形狀在沿海區(qū)域進(jìn)行排雷或清障。在第二次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人艇成功地完成任務(wù)，以美國(guó)為代表的西方國(guó)家已將其列為重要的發(fā)展方向，其他國(guó)家海軍也高度關(guān)注該技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展和動(dòng)態(tài)。

美國(guó)在發(fā)展無(wú)人艇上占領(lǐng)先地位，2001年美國(guó)海軍正式提出建造瀕海戰(zhàn)斗艦概念，明確提出了水面高速無(wú)人艇。2003年美國(guó)又先后開(kāi)發(fā)“幽靈衛(wèi)士”、“水虎魚(yú)”和“斯巴達(dá)”等無(wú)人艇，2007年，美國(guó)海軍發(fā)布了“無(wú)人艇主計(jì)劃”[1～3]， 規(guī)劃了未來(lái)無(wú)人艇發(fā)展相關(guān)的技術(shù)投資及進(jìn)程。同時(shí)，以色列、德國(guó)、日本、法國(guó)及新加坡等國(guó)家也開(kāi)展了關(guān)于海上無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的研制，由此可見(jiàn)，隨著未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)發(fā)展無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的需求, 無(wú)人艇將成為各國(guó)海上無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分，并向著智能化、體系化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展[4,5]。

無(wú)人艇在民用方面多用于氣象探測(cè)、水文探測(cè)等功能相對(duì)簡(jiǎn)單的領(lǐng)域，2011-11-28美國(guó)Liquid Robotics公司打造的“波浪滑翔機(jī)”無(wú)人駕駛船橫渡太平洋，在開(kāi)闊水域航行約5.9533萬(wàn)km，收集并把數(shù)據(jù)發(fā)送給谷歌地球的“海洋展”，開(kāi)創(chuàng)了無(wú)人艇在民用領(lǐng)域的新紀(jì)元。

我國(guó)無(wú)人艇技術(shù)的研究尚處于起步階段，很多技術(shù)領(lǐng)域與美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在很大差距。根據(jù)已有的報(bào)道，主要有海軍某通信修理廠、中國(guó)航空科工集團(tuán)公司沈陽(yáng)新光公司、哈爾濱工程大學(xué)曾從事這方面的研究。沈陽(yáng)新光公司推出的XG-2概念無(wú)人艇能依靠衛(wèi)星通信，承擔(dān)海上反潛任務(wù)；無(wú)人駕駛海上探測(cè)船“天象一號(hào)”曾為北京奧運(yùn)會(huì)的青島奧帆賽提供氣象保障服務(wù)。哈爾濱工程大學(xué)水下智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室在智能水面無(wú)人艇的研發(fā)上做了一些前期工作，已經(jīng)完成了“××號(hào)”無(wú)人艇的設(shè)計(jì)和實(shí)艇建造等工作，并且開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究和海上試驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)國(guó)際上無(wú)人艇技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的研究進(jìn)展進(jìn)行分析和對(duì)比（見(jiàn)表1）。當(dāng)今世界無(wú)人艇技術(shù)盡管取得了一些突破，但尚屬探索階段，其控制多局限于遙控層面，如美國(guó)的海上貓頭鷹、幽靈衛(wèi)士、X持續(xù)跟蹤自主艦艇，以色列的保護(hù)者等，在自主控制層面，僅是航向控制、航線規(guī)劃、自主避碰等，對(duì)于自主控制的核心內(nèi)容如自主決策技術(shù)目前尚未納入研究范疇。而要真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的基本功能，甚或?qū)崿F(xiàn)多智能體協(xié)同作戰(zhàn)，基于任務(wù)完成性的無(wú)人艇的自主決策能力是根本。2008年美國(guó)在機(jī)器人自主決策方面做了一些探索性工作，如特種武器觀測(cè)偵察探測(cè)系統(tǒng)，但由于其自主決策軟件故障導(dǎo)致機(jī)器人將槍口對(duì)準(zhǔn)了人類指揮官，導(dǎo)致該批機(jī)器人士兵緊急退出陣地。究其原因是目前尚沒(méi)有一套控制自動(dòng)控制系統(tǒng)出錯(cuò)的有效措施。自主決策能力的提高依賴于人工智能技術(shù)的飛速進(jìn)步和對(duì)無(wú)人平臺(tái)應(yīng)用需提前設(shè)定嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和使用緊箍咒，否則將出現(xiàn)失控狀況。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

1) 重視提高無(wú)人艇控制系統(tǒng)的綜合效能。通過(guò)人工智能、信息化等技術(shù)的組合應(yīng)用，在無(wú)人艇上加裝多種任務(wù)模塊，如監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集為一體，使無(wú)人艇能夠獨(dú)立或配合完成各種任務(wù)，是未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)；

2) 以任務(wù)為中心設(shè)計(jì)，重視任務(wù)完成性，無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化發(fā)展。通過(guò)通用化、系列化、模塊化的設(shè)計(jì)方法，在基本型上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)并搭載相應(yīng)的任務(wù)設(shè)備，來(lái)完成不同的任務(wù)，是快速、高效、低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展無(wú)人艇新型裝備的重要方向；

3) 重視無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、集成化發(fā)展[5]。提高各類無(wú)人平臺(tái)之間以及與有人平臺(tái)之間的信息搜集、傳輸、處理和綜合應(yīng)用能力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)迅速感知、資源共享以及各種平臺(tái)之間的協(xié)同，滿足未來(lái)的迫切需要。

表1 國(guó)際上無(wú)人艇技術(shù)研究進(jìn)展對(duì)比

3 研究熱點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 研究熱點(diǎn)

1) 基礎(chǔ)理論?；A(chǔ)理論研究涉及水面高速無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系、任務(wù)完成性、系統(tǒng)集成技術(shù)、模塊化技術(shù)、系統(tǒng)容錯(cuò)控制技術(shù)、功能模擬驗(yàn)證技術(shù)以及數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)等研究?jī)?nèi)容；

2) 環(huán)境感知。主要進(jìn)行風(fēng)、浪、流、溫度、壓力等研究，為無(wú)人艇路徑規(guī)劃和自主控制提供基礎(chǔ)輸入；惡劣海況下、艇體持續(xù)顛簸時(shí)水面目標(biāo)探測(cè)及識(shí)別理論和技術(shù)研究；海洋環(huán)境障礙物識(shí)別新理論和新方法研究；動(dòng)態(tài)背景和低信噪比條件下的目標(biāo)檢測(cè)方法研究；

3) 任務(wù)模塊設(shè)計(jì)。研究重點(diǎn)集中在任務(wù)模塊分解、優(yōu)化配置及關(guān)聯(lián)技術(shù)研究，如多傳感器信息融合技術(shù)的研究以及目標(biāo)跟蹤理論研究，探索目標(biāo)跟蹤、軌跡預(yù)測(cè)、不同海況預(yù)測(cè)修正的基礎(chǔ)理論和方法，進(jìn)行動(dòng)力定位、動(dòng)態(tài)定位跟蹤、跟蹤策略設(shè)計(jì)等技術(shù)的研究；

4) 自主決策。自主控制策略研究（如避障、返回、等待等）；態(tài)勢(shì)判斷與決策基礎(chǔ)理論及方法；不同通信模式的權(quán)限管理技術(shù)，無(wú)人艇優(yōu)先、通信控制優(yōu)先等的確定策略；

5) 推進(jìn)與駕控。復(fù)雜海洋環(huán)境下無(wú)人艇自主操縱穩(wěn)性理論及方法；控制參數(shù)與控制策略優(yōu)化技術(shù)，航跡控制理論；控制性能分析，并對(duì)控制策略進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 水面高速無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制

該技術(shù)關(guān)系到水面高速無(wú)人艇自主控制功能實(shí)現(xiàn)與否，一旦容錯(cuò)失效，將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。容錯(cuò)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：控制軟件容錯(cuò)、控制硬件容錯(cuò)、控制指令容錯(cuò)，同時(shí)容錯(cuò)又有一定的限度，容錯(cuò)與安全性緊密相關(guān)。結(jié)合任務(wù)完成性目標(biāo)，進(jìn)行水面高速無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制策略研究。

3.2.2 水面高速無(wú)人艇自主決策

水面高速無(wú)人艇自主決策能力是實(shí)現(xiàn)任務(wù)完成性的基石，水面無(wú)人艇在實(shí)際海洋環(huán)境中航行，通過(guò)環(huán)境感知模塊獲取環(huán)境和敵我態(tài)勢(shì)信息，實(shí)時(shí)評(píng)估任務(wù)完成性，模擬智能生物體做出正確決策是完成任務(wù)的前提，現(xiàn)有控制系統(tǒng)多借助于人工遙控實(shí)現(xiàn)，存在通信信息量大，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，自身安全性差的缺陷。因此水面高速無(wú)人艇自主決策技術(shù)是一項(xiàng)必須突破的關(guān)鍵技術(shù)，。

4 應(yīng)對(duì)策略

針對(duì)我國(guó)無(wú)人艇方面的研究與國(guó)外先進(jìn)水平還存在較大差距的情況，應(yīng)積極開(kāi)展無(wú)人艇各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，推進(jìn)無(wú)人艇的實(shí)用化進(jìn)程。

1) 加強(qiáng)技術(shù)前沿的探索研究，盡快制定無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃；

2) 加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，根據(jù)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的特點(diǎn)和無(wú)人艇的使用要求，制定軍民協(xié)同發(fā)展、多種裝備協(xié)同發(fā)展的統(tǒng)一規(guī)劃；

3) 制定無(wú)人艇標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)通用化、系列化和模塊化設(shè)計(jì)，努力實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)、互通、互操作”的目標(biāo)；

4) 充分發(fā)揮國(guó)防工業(yè)部門(mén)和自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu)的主力軍作用，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研及技術(shù)儲(chǔ)備。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)水面高速無(wú)人艇自主控制系統(tǒng)的若干問(wèn)題進(jìn)行了分析和研究，提出應(yīng)奮起直追，同步研發(fā)，提升我國(guó)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，加快實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國(guó)之夢(mèng)。

[1] US DOD, Unmanned systems road map 2007-2032[Z], 2007.

[2] 賈 賓，劉 蕾，劉 斌. 蓬勃發(fā)展中的美國(guó)海軍無(wú)人系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子工程，2008(1)：14-20.

[3] 羅納德，歐羅克. 美國(guó)海軍無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展文集[M]，伍其榮. 2007.

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[5] 尚燕麗. 海軍發(fā)展無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的需求、現(xiàn)狀與展望[J]. 國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2009(1): 40-44.