智能化無(wú)人艇發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

蘇艷琴（海軍航空大學(xué)）

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)人艇的研究現(xiàn)狀及其在軍事和民用方面的需求，對(duì)智能化海面無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)分析，未來(lái)將人工智能技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人艇的研究將極具應(yīng)用價(jià)值和實(shí)踐意義。

隨著無(wú)人化作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)日益突出，陸?？仗煲惑w化無(wú)人作戰(zhàn)體系必將對(duì)未來(lái)作戰(zhàn)樣式和形式產(chǎn)生深刻影響。為了更好地應(yīng)付來(lái)自海上的作戰(zhàn)威脅，同時(shí)隨著國(guó)家“一帶一路”大戰(zhàn)略海上絲綢之路建設(shè)，大力開(kāi)展智能化無(wú)人艇研究非常必要和迫切。

智能化海上無(wú)人系統(tǒng)是具備一定智能水平的、可以借助遙控或自主模式連續(xù)接觸水面運(yùn)行的、完成一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)的海上無(wú)人系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人系統(tǒng)包括空中、地面和水面水下無(wú)人系統(tǒng)。涉及海洋空間的無(wú)人系統(tǒng)包括水面無(wú)人艇（USV）與水下無(wú)人潛航器（UUV），無(wú)人艇是依靠近乎連續(xù)接觸水面運(yùn)行的海上無(wú)人系統(tǒng)，包括常規(guī)船體艦船、水翼艦船和半潛式艦船。無(wú)人水下潛航器的運(yùn)行不必與水面接觸（但可能出于通信目的需要接近水面浮標(biāo)進(jìn)行通信），有些可以秘密航行。這里僅對(duì)海面上具備一定智能水平的無(wú)人系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)能實(shí)現(xiàn)智能自主航行的海面無(wú)人艇的軍用和民用發(fā)展需求及未來(lái)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上，對(duì)基于載荷的運(yùn)用和基于任務(wù)的協(xié)同用途進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

早在二戰(zhàn)時(shí)期，美軍利用裝有槍炮和導(dǎo)彈的無(wú)人艇實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程攻擊任務(wù)，在越南戰(zhàn)爭(zhēng)中曾用無(wú)人艇來(lái)掃雷；可以說(shuō)，無(wú)人艇發(fā)展長(zhǎng)期以來(lái)一直受到美國(guó)海軍的關(guān)注。近些年，隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器和任務(wù)載荷能力提升，呈現(xiàn)模塊化、互操作、多任務(wù)、自主性等趨勢(shì)。2007年，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部制定《海軍USV總體規(guī)劃》提出，無(wú)人艇需要具備高度自動(dòng)化水平，以減少遠(yuǎn)程通信的需求和操作人員的負(fù)擔(dān)。該計(jì)劃對(duì)USV的軍事任務(wù)做了如下概括∶（1）掃雷；（2）反潛作戰(zhàn)；（3）海事安全；（4）水面戰(zhàn)爭(zhēng)；（5）支持特種作戰(zhàn)；（6）電子戰(zhàn)爭(zhēng)；（7）海事特別任務(wù)。

美國(guó)和以色列兩國(guó)憑借其在整個(gè)無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在無(wú)人艇方面走在世界前列。較為出名的無(wú)人艇型號(hào)有美國(guó)的“斯巴達(dá)偵察兵”（Sapartan Scout）以及以色列的“保護(hù)者”（Protector）等，除此之外，英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家也己經(jīng)開(kāi)始了水面無(wú)人艇的研究并取得了一定的成果，表1給出國(guó)外幾種典型無(wú)人艇的性能參數(shù)。

國(guó)內(nèi)對(duì)于無(wú)人艇的研究起步較國(guó)外晚，但近些年發(fā)展迅速，且已從最初的概念設(shè)計(jì)階段逐漸過(guò)渡到實(shí)際運(yùn)用階段。哈爾濱工程大學(xué)、大連海事大學(xué)等院校和中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)、國(guó)家海洋局第一海洋研究所等機(jī)構(gòu)，以及海蘭信、云洲、沈陽(yáng)新光集團(tuán)等公司都對(duì)無(wú)人艇展開(kāi)了一定程度的研究，主要工作圍繞平臺(tái)展開(kāi)，包括無(wú)人艇平臺(tái)總體技術(shù)建模與仿真、無(wú)人艇自主控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)、任務(wù)模塊設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、任務(wù)規(guī)劃與決策以及協(xié)同等領(lǐng)域。

表1 國(guó)外幾種典型無(wú)人艇性能參數(shù)表

無(wú)人艇發(fā)展需求分析

民用需求

隨著人類(lèi)認(rèn)識(shí)海洋的步伐逐步加快，信息、網(wǎng)絡(luò)和人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，USV可用于執(zhí)行民用的海洋數(shù)據(jù)收集、海洋環(huán)境保護(hù)、航運(yùn)、航道測(cè)量、搜救和救援等任務(wù)。

其中，歐美等國(guó)家和日本利用無(wú)人艇采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，這樣技術(shù)已較為成熟，大大節(jié)約了人力和物料費(fèi)用。我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)在國(guó)家運(yùn)輸業(yè)中發(fā)揮的作用日漸明顯，航道作為航運(yùn)三大基本要素之一，航道數(shù)據(jù)是航運(yùn)管理的重要依據(jù)，也是構(gòu)建“智能航道”的必要條件。航道數(shù)據(jù)主要包括河床數(shù)據(jù)、航道尺寸、航道演變、水文數(shù)據(jù)、水位、航標(biāo)及其他助航設(shè)施布設(shè)情況等。并且，受潮汐、氣候因素的影響，航道數(shù)據(jù)變化頻繁，需及時(shí)更新。我國(guó)內(nèi)河航道中的部分河段較窄、船舶交通量大、橋梁多，船舶事故時(shí)有發(fā)生。船舶事故發(fā)生后，越早發(fā)現(xiàn)危害越小，生命財(cái)產(chǎn)保全的可能性也越大。同時(shí)，內(nèi)河沿線多為人口集中區(qū)，事故如沒(méi)有得到及時(shí)地處理，會(huì)對(duì)沿線的居民生活帶來(lái)危害。目前，相關(guān)海事部門(mén)采用人員定期巡航，巡航時(shí)間和次數(shù)有限，且在夜間和大風(fēng)浪天氣下巡航較少。在當(dāng)前技術(shù)條件下將USV應(yīng)用于內(nèi)河巡航已成為可能。

軍用需求

以任務(wù)需求為牽引，美國(guó)和以色列研究和發(fā)展無(wú)人船/艇的腳步一直走在世界前列，并制定了一系列研究計(jì)劃，其他歐美等國(guó)家和日本也相繼發(fā)展各自的無(wú)人船/艇計(jì)劃。歸納起來(lái)，無(wú)人船/艇的軍事任務(wù)需求歸納為：

（1）沿海智能巡邏、情報(bào)收集、監(jiān)視和偵察(ISR)，這是主要任務(wù)需求，包括使用各個(gè)級(jí)別的運(yùn)載工具，在人員和潛艇無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域，進(jìn)行情報(bào)收集、監(jiān)視和偵察；

（2）掃雷，主要是部署能夠發(fā)現(xiàn)和摧毀敵軍水雷的無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)；

（3）反潛，不僅能發(fā)現(xiàn)和跟蹤敵方潛艇，并對(duì)其發(fā)起攻擊，還能安全潛入敵方潛艇基地，對(duì)其發(fā)動(dòng)毀滅性攻擊；

（4）水面作戰(zhàn)，包括運(yùn)送特種部隊(duì)所需的裝備，或在某一水域散播自動(dòng)監(jiān)視器等；

（5）反恐，主要是防范可能從海上發(fā)起的恐怖襲擊；

（6）通信導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，是指作為未來(lái)陸?？仗煲惑w化作戰(zhàn)體系中，海面無(wú)人化戰(zhàn)爭(zhēng)中全球通信體系的一個(gè)節(jié)點(diǎn)或一部分；

（7）電子戰(zhàn)，是指利用海面無(wú)人系統(tǒng)實(shí)施干擾敵軍通信網(wǎng)絡(luò)，包括通信對(duì)抗、雷達(dá)對(duì)抗等，或作為誘餌，即遙控靶船，實(shí)施干擾和混淆敵方偵察情報(bào)的目的；

（8）遠(yuǎn)程火力攻擊，搭載各類(lèi)導(dǎo)彈或炸彈甚至包括核彈頭，對(duì)敵方實(shí)施火力打擊。

智能化無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)

近幾年來(lái)，人工智能（Artificial Intelligence）在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。在海面智能無(wú)人系統(tǒng)方面，由于艇上無(wú)人，從對(duì)海洋環(huán)境的智能感知，到地面站對(duì)其智能指揮控制等方面都需要利用人工智能技術(shù)。

基于智能通信網(wǎng)絡(luò)的信息鏈技術(shù)

無(wú)人艇與母船或者地面站之間需要通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行信息交互，以目前測(cè)控通信技術(shù)的“四合一”通信體制來(lái)看，有兩條頻道，即地面指控站向無(wú)人艇發(fā)送遙控指令、無(wú)人艇回傳遙測(cè)和載荷獲取視頻圖像等信息。實(shí)現(xiàn)功能包括遙控、遙測(cè)、視頻圖像信息和跟蹤測(cè)距等，而且需要滿足一定的信息傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，需要考慮頻率資源、相鄰頻段干擾的問(wèn)題，尤其在超視距情況下，還需要考慮衛(wèi)星帶寬資源、租用費(fèi)用、軍事衛(wèi)星保密、抗干擾和實(shí)時(shí)性等問(wèn)題。

在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通互操作以及通用化的基礎(chǔ)上，為一站多艇的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供可能。一站多艇，即一個(gè)母船或地面站控制多艘、甚至多型無(wú)人艇的技術(shù)。一般地，一站多機(jī)可以采用時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）的形式等。

（上）智能化海面無(wú)人艇組成示意圖。

（下）海面智能無(wú)人系統(tǒng)智能診斷系統(tǒng)示意圖。

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能感知技術(shù)

在未知環(huán)境中，無(wú)人系統(tǒng)必須解決各種復(fù)雜環(huán)境的感知與理解任務(wù)。復(fù)雜氣象、復(fù)雜電磁、復(fù)雜威脅條件以及復(fù)雜地形決定了環(huán)境感知任務(wù)的艱巨性，對(duì)現(xiàn)有環(huán)境感知理論提出了重大挑戰(zhàn)，多平臺(tái)多傳感器信息融合感知已成為重要發(fā)展方向，因此，智能感知是海面無(wú)人情況下的核心技術(shù)，幾乎涉及所有海面無(wú)人系統(tǒng)電子信息系統(tǒng)，具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可裁剪、可重配置、開(kāi)放式體系架構(gòu)、系列化發(fā)展、綜合效費(fèi)比高的特點(diǎn)，根據(jù)使命任務(wù)的不同，可裝備于港口型、可搭載型、遠(yuǎn)洋長(zhǎng)航時(shí)型等多種海面無(wú)人系統(tǒng)。

模塊化的任務(wù)載荷技術(shù)

海面無(wú)人系統(tǒng)總是面對(duì)特定任務(wù)而存在，不同應(yīng)用背景，單獨(dú)還是集群任務(wù)不同，對(duì)任務(wù)載荷要求都不同，據(jù)此開(kāi)發(fā)模塊化、通用化的任務(wù)載荷系統(tǒng)是趨勢(shì)。另外，由于海面無(wú)人系統(tǒng)載重有限，因此，其上的載荷設(shè)備需要輕量型，低功耗等等。從智能化海面無(wú)人艇組成示意圖可以看出任務(wù)載荷在整個(gè)海面智能無(wú)人系統(tǒng)中的作用。

基于信息融合算法的智能診斷技術(shù)

故障診斷是一門(mén)涉及現(xiàn)代信息技術(shù)、控制科學(xué)、與模式識(shí)別、電子技術(shù)、人工智能學(xué)、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)等學(xué)科的綜合性較強(qiáng)的學(xué)科分支。無(wú)人艇故障可以劃分為機(jī)械設(shè)備故障和電子設(shè)備故障，無(wú)人艇為被測(cè)對(duì)象。

智能診斷過(guò)程步驟：（1）利用各類(lèi)傳感器和數(shù)據(jù)采集通道獲取無(wú)人艇的信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送給診斷服務(wù)器；（2）服務(wù)器運(yùn)行智能診斷與數(shù)據(jù)融合算法，得出診斷結(jié)果；（3）診斷結(jié)束存放故障信息；（4）數(shù)據(jù)庫(kù)管理；（5）診斷結(jié)果通知維修人員，維修人員維修反饋結(jié)果。智能診斷算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心，無(wú)人艇故障的多樣性決定了故障診斷的復(fù)雜性和診斷方法的多樣性，通常情況下，單一故障診斷技術(shù)很難做到面面俱到，將多種智能故障診斷技術(shù)的融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，能更有效更全面地診斷故障。

智能化多艇協(xié)同技術(shù)

目前己知的水面無(wú)人艇類(lèi)別繁多，艇型復(fù)雜，承擔(dān)的任務(wù)多種多樣，電子系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單，規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)各不統(tǒng)一，這么多種類(lèi)的無(wú)人艇的地面指揮控制系統(tǒng)僅能在本廠家和型號(hào)以內(nèi)實(shí)現(xiàn)通用，跨廠家、跨型號(hào)之間還未能實(shí)現(xiàn)對(duì)其指揮控制的通用化和互操作，互連互通性差導(dǎo)致工作效能較低，生產(chǎn)維護(hù)成本高，不具備高水平的協(xié)同協(xié)作能力，不符合未來(lái)水面無(wú)人艇網(wǎng)絡(luò)化多域協(xié)同作戰(zhàn)的發(fā)展趨勢(shì)，與未來(lái)一體化作戰(zhàn)中，無(wú)人系統(tǒng)編隊(duì)間、無(wú)人艇與其它作戰(zhàn)力量間、無(wú)人艇跨區(qū)域間協(xié)同作戰(zhàn)的需要存在巨大矛盾。因此，急需研究一種信息獲取能力強(qiáng)、自主化水平高、任務(wù)處理能力強(qiáng)，支持能力擴(kuò)展，支持多種作戰(zhàn)樣式，支持互聯(lián)互通互操作，支持多種類(lèi)型水面無(wú)人艇，統(tǒng)一架構(gòu)的新型水面無(wú)人艇載電子信息系統(tǒng)。

面對(duì)某一特定海上任務(wù)，無(wú)人艇可與航母、有人艦艇/船、空中有人/無(wú)人機(jī)、地面有人/無(wú)人車(chē)輛及武器系統(tǒng)等協(xié)同完成。這牽扯到目標(biāo)分配的任務(wù)分工、自主行為決策的協(xié)同控制、協(xié)同通信資源分配和復(fù)用等。

結(jié)束語(yǔ)

隨著人工智能技術(shù)日益受到追捧，無(wú)人艇近來(lái)研究的熱度也不斷提升，將先進(jìn)的人工智能算法應(yīng)用于無(wú)人艇研究中，獲得更好的效能是未來(lái)研究的重要方向。 ■