海上無人裝備關(guān)鍵技術(shù)與智能演進展望

金克帆，王鴻東，易宏，劉旌揚，王健

1 上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海 200240

2 上海交通大學(xué)海洋智能裝備與系統(tǒng)教育部重點實驗室，上海 200240

0 引 言

海洋不但蘊藏著大量寶貴的資源，也見證了無數(shù)的戰(zhàn)爭。在科技飛速發(fā)展的21世紀，隨著陸地資源的日益匱乏，逐步開發(fā)海洋資源是必然趨勢。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，海上無人裝備技術(shù)突飛猛進。海上無人裝備具有成本低、功能多、機動性高等優(yōu)點，能夠在檢測海底預(yù)埋設(shè)施、水雷偵察以及跟蹤打擊等海洋作業(yè)中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢［1-2］。為了在未來可能的戰(zhàn)爭中處于有利地位，大力發(fā)展無人智能裝備，提高無人裝備的智能水平非常有必要［3］。

在無人智能裝備發(fā)展過程中，對其進行等級劃分有助于準確衡量當(dāng)前技術(shù)水平，明確下一階段的研究方向。2004年，在美國海軍發(fā)布的《海軍無人水下機器人（UUV）總體規(guī)劃》中［4］，UUV根據(jù)載荷量被分為以下4個等級：便攜級、輕量級、重量級以及巨型級。2007年，在美國海軍發(fā)布的《海軍無人水面艇（USV）總體規(guī)劃》［5］中，將USV根據(jù)作業(yè)特點以及尺寸分為：X級、海港級、“斯諾科勒”級以及艦隊級。

然而，僅僅以載荷為標(biāo)準并不能很好地衡量海上無人裝備的性能以及功能特點。在未來的海洋戰(zhàn)爭中，必然需要海上無人裝備編隊的智能化作業(yè)。屆時，海上裝備的智能化水平將是決定其作業(yè)能力的關(guān)鍵。相比于智能化程度較低的裝備，高智能化水平的海上無人裝備能夠完成更復(fù)雜的任務(wù)，具備更廣泛的作業(yè)范圍以及更高的任務(wù)可靠性。目前，各種海上無人裝備的智能化水平各有不同，但是，對于海上無人裝備的智能水平劃分尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準，難以指導(dǎo)海上無人裝備的智能化發(fā)展。本文將對海上無人裝備的智能演進路線進行規(guī)劃，這有助于判斷我國海上無人裝備當(dāng)前所處的技術(shù)水平，明確其智能系統(tǒng)距下一智能等級所欠缺的技術(shù)，確定下一階段的研究方向。

1 海上無人裝備發(fā)展現(xiàn)狀

海上無人裝備主要包括USV和UUV。相比其他無人裝備，海上無人裝備起步較晚，而且由于海洋的特殊性，其技術(shù)發(fā)展較為緩慢。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，海上無人裝備逐步迎來了一段高速發(fā)展的時期。

1.1 USV

1898年，著名發(fā)明家特斯拉發(fā)明了名為“無線機器人”的世上第1艘無人艇。到20世紀50～60年代，USV初步應(yīng)用于作戰(zhàn)。但受技術(shù)所限，當(dāng)時的USV主要用于向敵方發(fā)動自殺式攻擊［6］，或者作為演習(xí)中的海上靶標(biāo)。直到20世紀90年代，無人艇成本低、無人身安全危險以及可長時間值守的優(yōu)勢才開始顯露，人們對無人艇的認識逐步加深。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，USV迎來了一段飛速發(fā)展的時期。在2007年美國海軍發(fā)布的《海軍無人水面艇（USV）總體規(guī)劃》［5］中，明確了無人艇的7個主要任務(wù)：反水雷、反潛艇、海上安全保障、海上作戰(zhàn)、特戰(zhàn)隊作戰(zhàn)協(xié)助、電子戰(zhàn)、水面攔截與火力封鎖任務(wù)支持。

如今的USV在反潛、反水雷、情報偵察以及地理勘探等領(lǐng)域均發(fā)揮著巨大作用。美國海軍水下作戰(zhàn)聯(lián)合公司聯(lián)合法國、新加坡相關(guān)公司共同研制的“斯巴達偵察兵”號無人艇屬于艦隊級無人艇，艇長7～11 m，最高航速達50 kn，可持續(xù)航行8～48 h，航程150 n mile（最大可達1 000 n mile），可配備情報偵察、反水雷、精確打擊以及反潛共4個任務(wù)模塊，既支持遠程遙控，也支持自主航行［7］。以色列研發(fā)的“保護者”號艇長11 m，航速達40 kn，艇上搭載有多種傳感器以及武器裝備，并且采用模塊化設(shè)計，使用輕型材料控制重量，可以添加數(shù)種任務(wù)模塊。美國國防部高級研究計劃局主導(dǎo)研發(fā)的“海上獵人”號USV（圖1），艇長40 m，最高航速可達27 kn，續(xù)航時間長達2～3個月，以反潛并進行持續(xù)追蹤為主要任務(wù)，預(yù)計2018年投入使用。而我國研發(fā)的“天象一號”［8］的續(xù)航時間可達20天，能夠探測海上氣象，在北京奧運會奧帆賽期間順利完成了任務(wù)。上海大學(xué)研制的“精?！毕盗袩o人艇可以完成自主定位、航跡跟蹤以及自主避障等任務(wù)。云洲M80B海底探測無人艇（圖2）可成功地在環(huán)境惡劣的南極海域完成海底地形測量作業(yè)。

1.2 UUV

早在20世紀50年代，一些國家就開始了對UUV的研制。早期的UUV功能較單一，主要以開發(fā)海洋石油和天然氣為目的進行研發(fā)。到上個世紀末，UUV技術(shù)得到了進一步的發(fā)展，其性能更加強大，功能更加豐富，能夠完成海底信息探測、協(xié)助水下科考、海底管道維修，以及水下長時間潛伏偵察等多種任務(wù)。許多國家都成立了UUV研究中心，如美國麻省理工學(xué)院的AUV實驗室、美國海軍研究生院智能水下運載器研究中心、日本東京大學(xué)機器人應(yīng)用實驗室、英國海事技術(shù)中心等［9］。而在國內(nèi)，上海交通大學(xué)水下工程研究所、哈爾濱工程大學(xué)水下機器人實驗室等多個機構(gòu)也致力于這方面的研究。

目前，各國針對UUV的研發(fā)已有一定的成果［10］。美國海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部的無人搜索系統(tǒng)的下潛深度達到了6 000 m，并且能夠從深海向水面?zhèn)鬏旊姾神詈掀骷曨l以及聲吶數(shù)據(jù)。美國海軍研究辦公室資助華盛頓應(yīng)用物理實驗室研發(fā)的翼身融合水下滑翔機X-Ray能夠很好地探測并跟蹤淺水域的低噪聲潛艇，擁有長達數(shù)月的作業(yè)能力，其第2代產(chǎn)品Z-Ray在水動力性能上擁有更優(yōu)良的性能。俄羅斯目前正致力于研發(fā)一款能夠攜帶核武器的高速自主式水下機器人，預(yù)計續(xù)航距離10 000 km，最高航速可達56 kn。而我國以上海交通大學(xué)為首研發(fā)的“海馬”號搖控水下機器人（ROV）（圖3）能夠達到4 502 m的下潛深度［11］，可完成水下布纜、海底沉淀物采樣以及海底探測設(shè)備布放等任務(wù)，并且能夠在水下進行部分科學(xué)實驗。哈爾濱工程大學(xué)的“智水”系列水下機器人實現(xiàn)了水下自主規(guī)劃航線和模擬自主清除目標(biāo)等多項功能［6］。

2 海上無人裝備關(guān)鍵技術(shù)

從國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，近年來，海上無人裝備技術(shù)發(fā)展迅速，各項性能不斷提升，主要體現(xiàn)為以下技術(shù)：設(shè)備高可靠性技術(shù)、裝備模塊化技術(shù)、海上通信技術(shù)、長期續(xù)航技術(shù)以及人工智能技術(shù)等。這些技術(shù)是海上無人裝備能否實現(xiàn)智能化并充分發(fā)揮其優(yōu)勢的關(guān)鍵，能夠極大地拓展海上無人裝備的任務(wù)范圍，提高作業(yè)能力，使得智能化策略更好地得到實現(xiàn)。

2.1 設(shè)備高可靠性技術(shù)

可靠性是指在規(guī)定時間內(nèi)、規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力［12］。海上無人裝備在作業(yè)過程中不但會受到風(fēng)、浪、流等自然環(huán)境的影響，還會遭受敵方的惡意干擾，由于沒有人能夠?qū)ζ溥M行維護，一旦發(fā)生故障，可能直接導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此，如何在惡劣的條件下保證設(shè)備的高可靠性至關(guān)重要。為了提高海上無人裝備的可靠性，降低故障率，應(yīng)當(dāng)充分分析所有設(shè)備的潛在失效模式，根據(jù)具體作業(yè)環(huán)境，對其發(fā)生的可能性進行評估，并做出有效的改進或者預(yù)防措施。同時，不同關(guān)鍵重要度的設(shè)備評估標(biāo)準不同，對于一旦發(fā)生故障則會對裝備作業(yè)產(chǎn)生極大影響的重要設(shè)備，應(yīng)確保其具備足夠高的可靠度。

2.2 裝備模塊化技術(shù)

裝備的模塊化對海上無人裝備技術(shù)的研發(fā)有著很大的促進作用。一方面，包括傳感器、計算芯片等硬件以及智能控制軟件在內(nèi)的船用設(shè)備正迅速地更新?lián)Q代；另一方面，裝備本身的演進過程卻相對緩慢。為了能夠及時對無人裝備上的設(shè)備進行更新，需要對無人裝備進行模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用“即插即用”型任務(wù)模塊［6］，對不同設(shè)備、組件的接口以及搭載方式進行通用化、標(biāo)準化處理，以實現(xiàn)設(shè)備的即時更新，并降低新設(shè)備的更新周期與成本。此外，可以根據(jù)所執(zhí)行的任務(wù)，便捷地更換搭載的模塊，以滿足不同的作業(yè)要求，最終實現(xiàn)“一體多用”。

2.3 海上通信技術(shù)

安全可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸通信能力是無人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［13］。海上無人裝備的通信通常分為：

1）裝備與基站之間的通信。該通信主要傳輸運載器的作業(yè)進展、偵測得到的有效信息、基站下達的指令信息等。由于距離較遠，通常采用衛(wèi)星進行通信。為提高信息傳輸距離以及信息傳輸容量，可采用多波束、窄波束工作，并且向更高頻段發(fā)展。

2）同一編隊中智能裝備之間的通信。該通信主要傳輸需要編隊內(nèi)共享的數(shù)據(jù)信息以及編隊協(xié)作的控制信息等。由于編隊內(nèi)裝備之間距離較短，通常采用超短波頻段進行通信［14］。為解決短波信道的時變色散特性和高電平干擾的問題，提高短波通信質(zhì)量，可采用自適應(yīng)技術(shù)使得系統(tǒng)能主動適應(yīng)環(huán)境的變化、抵御人為干擾［2］。

2.4 長期續(xù)航技術(shù)

目前，為執(zhí)行長時間巡航值守、情報收集偵察、反潛、反水雷等任務(wù)，無人裝備的續(xù)航力越來越受到各國的重視。能否在海上進行長達數(shù)天甚至數(shù)月的持續(xù)作業(yè)，很大程度上影響了海上無人裝備的作業(yè)能力。為實現(xiàn)長期續(xù)航能力，僅利用傳統(tǒng)的燃油能源是不夠的，還需對新能源的有效利用進行開發(fā)。

由于海上有豐富的可再生新能源，如太陽能、風(fēng)能以及波浪能等，因此，相比于無人機、無人車等其他智能裝備，海上無人裝備在新能源的獲取方面更具優(yōu)勢。在作業(yè)過程中，無人裝備可以通過利用上述新能源為系統(tǒng)充電，此外，風(fēng)能不僅能為系統(tǒng)供電，甚至可以為無人裝備直接提供驅(qū)動力。隨著人們對新能源利用能力的提高，海上無人裝備的續(xù)航能力逐步提升，其作業(yè)能力以及應(yīng)用范圍也將得到進一步拓展［15］。

2.5 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)主要包括監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)以及強化學(xué)習(xí)，近年來在諸多領(lǐng)域取得了突破性的成果，是實現(xiàn)海上無人裝備智能化的關(guān)鍵技術(shù)，通常體現(xiàn)在視覺識別以及策略控制方面：

1）視覺識別是實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。主要包括：障礙物的識別、河岸和海岸的檢測，以及任務(wù)目標(biāo)的識別。傳統(tǒng)的計算機視覺可以大致分為如下幾個步驟：特征感知、圖像預(yù)處理、特征提取、特征篩選、推理預(yù)測與識別［16］。而深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模仿人類大腦的作業(yè)方式建立神經(jīng)元，將圖像數(shù)據(jù)抽象化并進行特征提取。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展以及高效算法的提出，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）［17］、生成對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Generative Adversarial Networks，GAN）［18］等算法為代表的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在目標(biāo)識別［19］、視覺推理［20-21］、實時追蹤等領(lǐng)域取得了突破性的進展，在一定程度上已經(jīng)接近甚至超越了人類判別的準確率。

2）策略控制系統(tǒng)通過視覺識別得到的信息對海上無人裝備做出控制指令。能夠自主實現(xiàn)策略控制是海上無人裝備智能化的必要能力。強化學(xué)習(xí)作為一種通過不斷“試錯—優(yōu)化”與環(huán)境進行交互，探索自然、社會科學(xué)以及工程領(lǐng)域序貫決策問題最優(yōu)策略的學(xué)習(xí)方法［22］，是實現(xiàn)海上無人裝備智能化的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的強化學(xué)習(xí)策略以視覺識別的結(jié)果作為輸入，不斷探索環(huán)境，根據(jù)反饋實現(xiàn)優(yōu)化過程。而近年來，深度強化學(xué)習(xí)［23-24］、模仿學(xué)習(xí)［25］等技術(shù)迅速發(fā)展，讓端到端的控制策略［26］成為可能。該技術(shù)跳過視覺識別過程，直接輸入原始像素數(shù)據(jù)，返回控制命令，避免了二次訓(xùn)練的誤差累計，強化了智能體的作業(yè)能力。此外，通過與遷移學(xué)習(xí)［27］相結(jié)合，在仿真環(huán)境中的智能體可以直接遷移到海上無人裝備中，不但避免了訓(xùn)練過程中錯誤嘗試導(dǎo)致的不良后果，同時還極大地縮短了訓(xùn)練周期。而元學(xué)習(xí)（meta learning）方法［28］通過探索任務(wù)分布，為模型創(chuàng)造核心價值，在學(xué)習(xí)任務(wù)過程中形成元知識的經(jīng)驗積累，讓智能體學(xué)會如何學(xué)習(xí)，進一步提升其智能水平。

3 智能演進等級

設(shè)備高可靠性技術(shù)、裝備模塊化技術(shù)、海上通信技術(shù)、長期續(xù)航技術(shù)的發(fā)展從硬件上保證了海上無人裝備的作業(yè)能力，拓展了其任務(wù)范圍。而人工智能技術(shù)則決定了海上無人裝備能否在自主作業(yè)的情況下，較好地運用自身的各項功能，制定合理的策略，完成目標(biāo)任務(wù)。為了更好地衡量海上無人裝備的智能化水平，規(guī)劃智能系統(tǒng)的發(fā)展方向，本文以任務(wù)為導(dǎo)向，根據(jù)不同的作業(yè)能力，提出了一套智能演進等級劃分標(biāo)準，將智能水平分為以下5個等級：

1）遠程測控級；

2）單機自主級；

3）合作交互級；

4）自主學(xué)習(xí)級；

5）智能對抗級。

3.1 遠程測控級

該等級的海上無人裝備可以在人為遠程控制下完成任務(wù)。

該等級的無人裝備有完成任務(wù)所需的執(zhí)行力，沒有自主的決策層。工作時通過電纜與母船相連，或者通過無線與基站進行通信，對外界事物有圖像采集能力，作業(yè)過程依賴人類對目標(biāo)的識別與判斷，執(zhí)行來自基站的宏觀指令。作業(yè)過程中，該等級裝備能夠利用多傳感器為人提供輔助航行的信息，如港口信息、海圖信息、海流狀況等，以及實時可靠的導(dǎo)航定位和姿態(tài)運動情報等裝備自身航行狀態(tài)的信息，為人的決策提供參考。最終，無人裝備通過接收來自基站的宏觀指令，經(jīng)計算，最優(yōu)化執(zhí)行命令，如自動實現(xiàn)最優(yōu)舵角、確定打舵時間、選擇最佳航線，以及根據(jù)當(dāng)時的海況判斷并實現(xiàn)達到理想航速等功能。

該等級無人裝備由于依然有人在后臺控制，因此能夠完成大多數(shù)有人裝備可以完成的任務(wù)，如貨運、巡邏等。此外，由于是無人裝備，它適用于不宜有人的危險任務(wù)，如復(fù)雜海況下的水文探測、危險海域的情報偵察、水雷排查等。遠程測控級海上無人裝備主要依賴自動控制技術(shù)以及一定程度的智能優(yōu)化，其技術(shù)已相對成熟。目前，已有許多國家著手研制該等級的商業(yè)化貨船：如羅爾斯·羅伊斯公司透露，其海運部門正在開發(fā)一艘沿海岸自動航行的樣船；世界上最大的礦業(yè)集團必和必拓目前在研發(fā)一種巨型的自動航行貨輪；歐洲企業(yè)正在政府的支持下推進自主無人船的研發(fā)進程，表示爭取在未來3年內(nèi)實現(xiàn)波羅的海域的完全遙控船舶運營。相信在數(shù)年之后，遠程測控級無人船將大量涌現(xiàn)。

3.2 單機自主級

該等級的海上無人裝備可以自主完成任務(wù)，能夠和基站進行通信、反饋作業(yè)進程，并隨時接受來自基站的遙控操作。

為了脫離人為控制，單機自主級海上無人裝備必須擁有目標(biāo)識別能力以及自主決策層。目標(biāo)識別能力是保證自主作業(yè)的基礎(chǔ)，包括障礙物的識別、河岸與海岸的檢測、任務(wù)目標(biāo)的識別，是海上裝備實現(xiàn)自主智能化的關(guān)鍵［29］。根據(jù)工作海域海況的不同，目標(biāo)識別能力必須保證在惡劣海況下具備較高的可靠性。自主決策層主要通過人工智能技術(shù)來實現(xiàn)。在出航作業(yè)之前需要人為提供學(xué)習(xí)樣本，經(jīng)過大量的學(xué)習(xí)后，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的自主航行，并完成任務(wù)。

單機自主級無人裝備在實現(xiàn)自主作業(yè)的同時，能夠?qū)崟r向基站反饋作業(yè)情況，包括設(shè)備自身的運轉(zhuǎn)情況，便于后臺人員的監(jiān)控，并且在必要的時候可以調(diào)整為遙控操作。但是該等級的無人裝備沒有與其他單位進行協(xié)同合作的能力，只能獨立進行作業(yè)。對于入港、卸貨等需要與其他設(shè)備互動協(xié)作的任務(wù)，仍然需要人為控制。此外，由于該等級無人裝備僅能處理通過樣本學(xué)習(xí)過的事件，對于未知事件沒有很好的處理能力，因此，單機自主級海上無人裝備僅適用于可預(yù)測的工作環(huán)境。

3.3 合作交互級

該等級的無人裝備能夠與其他裝備進行通信，并合作完成任務(wù)。

通過大量的集群訓(xùn)練，合作交互級海上無人裝備能夠基于互聯(lián)通信與其他裝備進行編隊協(xié)作，不同裝備負責(zé)作業(yè)策略中的不同任務(wù)，共同實現(xiàn)同一目標(biāo)，如編隊圍捕、護航、作戰(zhàn)等。目前，無人艇編隊控制的主要方法有：基于行為法、虛擬結(jié)構(gòu)法和領(lǐng)航跟隨者法［30］。其中，基于行為法通過將編隊的整體行為分解到各個單元的行為來實現(xiàn)整體的控制；虛擬結(jié)構(gòu)法提出為編隊系統(tǒng)設(shè)定一個剛性隊形，各個單位在作業(yè)過程中以隊形中相應(yīng)參考點為預(yù)期位置狀態(tài)進行運動；領(lǐng)航跟隨者法為編隊確立一個或數(shù)個領(lǐng)航者，其他單位則作為追隨者通過一定的策略跟隨領(lǐng)航者進行運動，通過控制領(lǐng)航者來控制編隊的運動。這種方法控制簡單，易于實現(xiàn)集中式或分布式控制，在艦艇編隊控制方面應(yīng)用較為廣泛。

在一個復(fù)雜的作業(yè)中，通常需要多種功能協(xié)同工作，如火力打擊、偵察通信、環(huán)境感知等，單獨作業(yè)通常難以很好地實現(xiàn)所有功能。而編隊集成了多個單位，各個單位可以負責(zé)不同的任務(wù)，最大化利用所有資源，并通過通信技術(shù)實現(xiàn)信息共享，以彌補個體單位的能力不足。此外，編隊作業(yè)具有更強的容錯能力，每個單位僅負責(zé)作業(yè)中的部分任務(wù)。即使個別單位發(fā)生損毀，其他單位可以及時頂替該單位，使其作業(yè)能力、范圍以及可靠性都有極大提高，從而能夠完成高強度、高難度和高要求的任務(wù)。

編隊協(xié)作能夠最大限度地發(fā)揮整體的優(yōu)勢、裝備以及武器的威力，并且能夠?qū)崟r機動地變換隊形，密切協(xié)作，便于整體指揮以及戰(zhàn)術(shù)的布置。然而，合作交互級海上無人裝備的作業(yè)范圍依然局限于已知任務(wù)。對于作業(yè)過程中出現(xiàn)的未知情況，仍不能采取較好的應(yīng)對措施。為了解決這個問題，可以將合作交互級裝備與遠程測控級裝備相結(jié)合。在系統(tǒng)編隊中加入一定數(shù)量的遠程測控級裝備，作業(yè)過程中以遠程測控級裝備為領(lǐng)航者，合作交互級裝備作為跟隨者，遭遇未知事件時，通過人為控制遠程測控級裝備引導(dǎo)，合作交互級裝備協(xié)同作業(yè)，強化其作業(yè)能力。

3.4 自主學(xué)習(xí)級

自主學(xué)習(xí)級海上無人裝備能夠在完成作業(yè)的過程中持續(xù)學(xué)習(xí)，不斷提高自己的智能化水平。

該等級的海上無人裝備的學(xué)習(xí)過程不再局限于人為提供的學(xué)習(xí)樣本，可以在執(zhí)行任務(wù)的過程中不斷學(xué)習(xí)，并及時同步，因此，可以一定程度上應(yīng)對作業(yè)過程中出現(xiàn)的未知事件。為了實現(xiàn)海上無人裝備的自主學(xué)習(xí)能力，可以采用強化學(xué)習(xí)［31］的深度學(xué)習(xí)策略。強化深度學(xué)習(xí)在遇到未知事件時，首先嘗試做出一些行為來得到一個該事件對于這種行為的后果，隨后通過該結(jié)果下環(huán)境產(chǎn)生的反饋對自身策略進行優(yōu)化，并在下一次遇見該事件時，做出更優(yōu)的判斷。隨著反饋學(xué)習(xí)次數(shù)的增加，自主學(xué)習(xí)級海上無人裝備逐漸掌握對于該事件的處理方式。

但在執(zhí)行高危任務(wù)時，一個錯誤的嘗試很可能會導(dǎo)致該單位被破壞，那么“學(xué)習(xí)”所得到的結(jié)果就會全部失去。因此，編隊中所有單位必須能夠?qū)崟r共享所做的每個嘗試性動作以及其所得到的結(jié)果，使得“學(xué)習(xí)”不是個體行為，每個單位都能從其他單位的行為和結(jié)果中進行學(xué)習(xí)，并及時把“學(xué)習(xí)成果”傳輸?shù)交?，以防止錯誤嘗試所引發(fā)的不良結(jié)果導(dǎo)致學(xué)習(xí)成果丟失，以致學(xué)習(xí)過程停滯。

在處理未知情況的過程中，由于沒有相應(yīng)樣本的積累，強化學(xué)習(xí)過程的結(jié)果反饋可能會有一定的延遲，需要在多次“試錯—優(yōu)化”的過程后才能做出正確的判斷。為了加速學(xué)習(xí)進程并且最大化地利用資源，統(tǒng)一規(guī)劃所有海上無人裝備單元，并實時將任務(wù)樣本傳輸至基站。同時，基站將各學(xué)習(xí)樣本及時同步至所有海上無人裝備，實現(xiàn)所有自主學(xué)習(xí)級海上無人裝備的智能等級同步提升，縮短學(xué)習(xí)周期。

自主學(xué)習(xí)級海上無人裝備能夠較好地處理未知事件，適合執(zhí)行細節(jié)信息缺失、不確定性強、未知程度高的高難度任務(wù)。隨著執(zhí)行任務(wù)量的增加，自主學(xué)習(xí)級海上無人裝備將逐步增強作業(yè)能力，擴大作業(yè)范圍，提升智能水平。

3.5 智能對抗級

智能對抗級海上無人裝備擁有相當(dāng)程度的智能化水平，并能夠和人類一樣進行快速學(xué)習(xí)。

在自主學(xué)習(xí)級智能水平的基礎(chǔ)上，智能對抗級海上無人裝備能夠通過元學(xué)習(xí)形成自身的核心價值，實現(xiàn)通用作業(yè)能力，能夠在短時間內(nèi)適應(yīng)未知的任務(wù)環(huán)境，并完成任務(wù)。在戰(zhàn)斗中，該等級海上無人裝備可以迅速地對周圍局勢以及戰(zhàn)況做出判斷，對敵方的戰(zhàn)斗力進行評估，并對未來的發(fā)展做出預(yù)測，及時將有效信息上傳到基站，提供對當(dāng)前戰(zhàn)局的分析。此外，在遇到未知事件時，智能對抗級海上無人裝備通過已有元知識的積累，能夠迅速理解現(xiàn)狀，實現(xiàn)快速學(xué)習(xí)并做出判斷，擬定參考作業(yè)策略。

該等級的海上無人裝備功能強大、可靠性高，作業(yè)模式不局限于單一任務(wù)，能夠兼顧多個并行任務(wù)，支持作業(yè)內(nèi)容的即時切換。此外，智能對抗級海上無人裝備不再僅僅是完成任務(wù)的工具，同時也是深入戰(zhàn)場的移動指揮臺，不僅能夠及時提供戰(zhàn)場信息，還能夠?qū)π畔⑦M行分析，為指揮者提供策略建議。

表1總結(jié)了上述智能演進的方式以及級差優(yōu)勢。

表1 智能演進說明表Table 1 Intelligence evolution

目前，第1智能等級的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，國內(nèi)外的海上無人裝備智能等級尚處于第2級與第3級之間：編隊的整體行為仍然需要人為干預(yù)，相比于完全自主的無人單位，作為領(lǐng)航者的無人單位依然依賴于人為的遠程測控。隨著技術(shù)的發(fā)展，合作交互級無人裝備系統(tǒng)最終將對水下、水面、海上空間進行智能裝備云部署，完成無人水下機器人、無人水面艇、海上無人機等多種類智能裝備深度協(xié)同作業(yè)，集巡航、偵察、追蹤、護衛(wèi)、反擊等任務(wù)于一體的廣域任務(wù)鏈，實現(xiàn)海洋領(lǐng)土的一年365天不間斷防衛(wèi)。合作交互級海上智能裝備編隊作為任務(wù)范圍廣、高魯棒性的復(fù)雜作業(yè)系統(tǒng)，將成為未來數(shù)十年內(nèi)海上智能裝備的主要發(fā)展方向，是海上戰(zhàn)爭的重要組成部分。第4級無人裝備彌補了人為預(yù)編程可能造成的疏漏，通過對各智能體進行互聯(lián)、共享任務(wù)過程，采集龐大的作業(yè)樣本庫，從而實現(xiàn)智能水平的自我更迭。而第5級無人裝備作為海上無人智能體的最終形態(tài)，具備自身的核心價值，對戰(zhàn)場環(huán)境、任務(wù)內(nèi)容有相當(dāng)?shù)恼J識和理解，能夠基于新的戰(zhàn)況以及作業(yè)任務(wù)為人擬定參考策略。近年來，人工智能技術(shù)與船海學(xué)科正逐步交叉融合，驅(qū)動著海上裝備無人化、智能化的發(fā)展。雖然目前海上無人裝備的智能化水平離第4級和第5級尚有一定的距離，但相關(guān)技術(shù)正飛速發(fā)展，相信在不久的將來一定能實現(xiàn)。

4 結(jié) 語

本文對發(fā)展海上無人裝備的意義以及在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀進行了闡述，分析了人工智能的發(fā)展對海上無人裝備技術(shù)的影響。詳細介紹了實現(xiàn)海上無人裝備智能化的5項必要技術(shù)：設(shè)備高可靠性技術(shù)、裝備模塊化技術(shù)、海上通信技術(shù)、長期續(xù)航技術(shù)以及人工智能技術(shù)，并根據(jù)作業(yè)能力和特點對其智能化水平進行了等級劃分，主要將其分為：遠程測控級、單機自主級、合作交互級、自主學(xué)習(xí)級以及智能對抗級。描述了各個等級的作業(yè)能力、任務(wù)內(nèi)容等細節(jié)，明確了各個等級之間演進的關(guān)鍵技術(shù)以及功能差異。

海上無人裝備成本低、功能多、機動性強等優(yōu)勢使其擁有廣闊的應(yīng)用前景，而人工智能技術(shù)的發(fā)展使其性能有了進一步的提升。在未來，海上無人裝備必將極大地影響海洋運輸、海洋資源開發(fā)的格局，而大量無人化軍事裝備也將在戰(zhàn)爭中得到使用，成為海洋戰(zhàn)爭中重要的組成部分。為此，我國應(yīng)盡快制定海上無人裝備智能演進發(fā)展路線，加大對海上無人裝備研發(fā)支持力度，為加快海洋強國建設(shè)提供強大的裝備支撐。