無人駕駛船舶未來的應用前景

王之樂/ 中船重工第七一四研究所，北京市 海淀區(qū) 100101

隨著無人化、智能化及信息化技術的快速發(fā)展以及在海洋平臺中的廣泛應用，無人艇展現(xiàn)出了巨大的應用前景。本文介紹了無人艇的發(fā)展歷程，分析了世界各主要國家無人艇的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了無人艇未來的發(fā)展趨勢，并指出了發(fā)展的重大前沿問題以及發(fā)展建議。

黨的十九大報告中明確要求“堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設海洋強國”，為建設海洋強國再一次吹響了號角。隨著社會發(fā)展和科學技術的不斷進步，海上無人化、智能化、信息化系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。作為有人裝備的必要補充，海上無人裝備可以有效降低人員可能遭遇到的威脅，減少傷亡，在未來民用領域、信息化戰(zhàn)爭，及反恐斗爭中將具有獨特的地位。

近年來，隨著自動控制、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的快速發(fā)展，與船舶有關的環(huán)境感知技術、通信導航技術等也得到廣泛應用，為無人艇的發(fā)展提供了廣闊的技術可行性。

無人艇的特點和定位

無人艇(Unmanned Surface Vessel， USV)是一種可以無人操作，借助精確衛(wèi)星定位和自身傳感即可按照預設任務在水面航行的水面艦艇。無人艇具有小型輕便、便于艦載、機動能力強、隱蔽性好、無人員傷亡、建造與使用成本低、模塊化設計與建造等特點，無論是在軍用領域還是民用領域都有非常大的應用潛力。無人艇對于我國建設海洋強國、維護海洋權益，促進海洋領域軍民科技協(xié)同創(chuàng)新以及海洋經(jīng)濟的發(fā)展都具有非常重要的意義。

在軍用領域，無人艇已被世界許多國家的海軍用來執(zhí)行各種任務，如反水雷、反潛作戰(zhàn)、海上安全、水面作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)和海上封鎖等。它一般分為偵察水面無人艇、武裝水面無人艇、信息支援水面無人艇、反潛水面無人艇等。在民用領域，越來越多的無人艇被應用在海洋科學考察、海洋測繪、海洋巡邏、海洋事故監(jiān)測及救援、海洋石油開采等。

無人艇相對于有人駕駛船舶具有非常明顯的優(yōu)勢：

第一，安全。眾所周知，由于船員疲勞與不良情緒而導致的操作失誤已成為危害船舶航行安全最主要因素。無人艇可以從根本上減少人為因素對船舶航行安全的影響。羅爾斯·羅伊斯公司海洋革新工程負責人萊萬德指出：“無人艇可以通過設置電腦程序，以便在事先輸入的航線或計劃出現(xiàn)問題時能自動停止或及時應對?！痹谂c其他船只或暗礁有碰撞危險，或遇到巨浪暴風雨的惡劣環(huán)境時，遠程操控將會比人員操控更安全、更從容。萊萬德預計，無人艇的應用將會使海難事故減少三分之二。

第二，模塊化設計，功能多樣。無人艇通常采取模塊化設計，通過更換任務模塊使其能夠執(zhí)行不同的使命。因此，搭載不同的任務模塊，無人艇可以完成從民用到軍用的各種任務。

第三，作業(yè)更高效、標準。利用精準的自主導航和船體小的特點，可以在多種作業(yè)環(huán)境中更高效的執(zhí)行任務。同時，由于作業(yè)過程全受計算機控制，可以讓作業(yè)過程嚴格按設定執(zhí)行，任務結果更準確、更標準。

第四，小巧靈活、隱蔽性好。無人艇的外形通常低矮平滑，表面又涂有各種隱身材料，加之體型小巧，可借助海浪、島礁等的掩護，因此遭毀傷的概率小、生存能力很強。

第五，實現(xiàn)作業(yè)無人化、智能化作業(yè)。有人駕駛船舶的船員長期在海上生活，十分辛苦。無人艇不需要或者弱化了人的參與，從而將人從繁重的、強度高的水上任務中解放出來。

無人艇的控制

現(xiàn)有無人艇的控制方案主要基于如圖1所示的方式進行無人艇，在岸控制中心接收船舶通過衛(wèi)星通訊系統(tǒng)反饋來的實際定位信號，通過將該反饋信號與控制指令信號比較，得出相應的速度控制及方向控制調整值，并將該調整值發(fā)送至船端，由船端執(zhí)行。

由于上述方案的信號接收與信號處理單元全部設置在岸端，岸端接收到船端反饋信號，經(jīng)比較處理后將控制信號發(fā)送至船端后，由于船舶航行海況復雜，船端接收到控制信號后當前船端反饋信號已有改變。因此，現(xiàn)有的無人駕駛船控制方案存在控制延時的技術問題，還尚未實現(xiàn)真正的無人化和智能化。

圖1 無人艇的控制方案

無人艇的發(fā)展現(xiàn)狀

無人艇研究較無人機起步晚，但發(fā)展迅速。近10多年來，無人艇得到了較快的發(fā)展和應用，美國、以色列、中國、加拿大、英國、德國、荷蘭、日本等國都開發(fā)了各自的產(chǎn)品。

由于無人艇的工程研制難度較大，涉及多個前沿學科，盡管不少國家紛紛斥資投入開發(fā)，但迄今為止，大多數(shù)國家開發(fā)的無人艇仍處于試驗階段。無人艇的發(fā)展思路與無人潛航器基本相同。以色列、中國、德國、法國、英國等國都研制了采用模塊化設計的無人艇。

美國、以色列、英國、法國和德國等國已將無人艇作為重要軍事項目進行研究和開發(fā)，其中最具代表性的是美國的“斯巴達人”和以色列的“保護者”等。圖1列出了世界無人艇發(fā)展的標志性事件。

圖2 無人艇發(fā)展的標志性事件

在無人水面艇研發(fā)和使用領域，美國和以色列一直處于領先地位，已經(jīng)有多個艇型正式在海軍服役，并有十多年的無人水面艇開發(fā)和使用經(jīng)驗[1]。2017年，美國無人艇產(chǎn)量占比為36%，歐洲無人艇產(chǎn)量占比為24%，以色列占比為16%，日本占比為10%。而當年中國無人艇產(chǎn)量僅為140艘，占比不到10%。美國、以色列發(fā)展的無人艇主要服務于國家，而其他國家的無人艇更多服務于民用領域。美國是無人艇需求量和產(chǎn)量最大的國家，歐洲、以色列和日本緊隨其后。

國外發(fā)展現(xiàn)狀

無人艇等海上無人平臺的開發(fā)一直都是近年來美國海軍關注和研究的重點。美國早在2007年就提出了《美國海軍USV主計劃》，主計劃確定了無人艇優(yōu)先發(fā)展的7個任務領域，按優(yōu)先級分為：反水雷戰(zhàn)；反潛作戰(zhàn)；海上安全；水面作戰(zhàn)；特種部隊作戰(zhàn)；電子戰(zhàn)；支持海上攔截作戰(zhàn)(MIO)。此外，主計劃將無人艇分為4個級別：X級(X Class)、海港級(Harbor Class)、通氣管級(Snorkeler Class)和艦隊級(Fleet Class)。4個級別在長度上依次從小到大，續(xù)航力從小到大，模塊從非標準級到標準級，任務從低層次到高層次。美國防部《無人系統(tǒng)2013-2038年路線圖》將無人艇列為重點發(fā)展對象，并提出了美國海軍無人艇使用方案及支持戰(zhàn)略。2017年9月，美海軍已經(jīng)創(chuàng)建了第一個水下無人艇中隊(UUVRON 1)。迄今為止，美國已經(jīng)開發(fā)并服役了多種型號無人艇(如表1所示)，例如“斯巴達號”、“海上獵人”號等。特別的，2018年，美國防高級研究計劃局(DARPA)研制成功并于同年4月服役的“海上獵手”反潛無人艇，其原理同“AlphaGo”，是大型無人水面艇技術和自主能力發(fā)展的一大里程碑。

以色列是全世界無人艇發(fā)展最快的國家，目前已經(jīng)列裝了63個型號，其中“保護者”型無人艇已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，并裝備軍隊、出口外銷。2016年，以色列推出世界上首艘反潛無人艇——“海鷗”，其甚至可以取代目前被用于在海上搜尋潛艇、造價高昂且需要大量人力操作的護衛(wèi)艦和反潛機，在一定程度上改變了反潛作戰(zhàn)形態(tài)。2017年，以色列推出世界上首艘能發(fā)射導彈的無人艇——“海上騎士”。表2列出了以色列典型的無人艇發(fā)展情況。

表1 美國典型無人艇

除上述國家外，還有一些國家也都開展了無人艇相關技術的研究，并研制出了自己的無人艇，例如俄羅斯的“探索者”無人艇、日本OT-91無人艇以及英國的MAST無人艇等。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在無人艇技術上發(fā)展比較晚，雖然發(fā)展速度較快，但多項關鍵技術相對于美國、以色列等國還較為薄弱，且應用主要集中在民用領域，包括近岸巡邏、水體采樣、水文測量等。在軍用領域，中船重工701、702、707、716等科研院所開展了無人艇的研究工作，并取得了快速進展。例如，716所正在研發(fā)的JARIUSV多用途無人作戰(zhàn)艇，是世界上集成度最高的無人作戰(zhàn)艇，相當于一艘千噸級導彈護衛(wèi)艦。

隨著我國軍民科技協(xié)同創(chuàng)新的穩(wěn)步行進，一些民企開始積極投身軍用和軍民兩用無人艇技術發(fā)展。如，哈爾濱工程大學和和深圳海斯比船艇公司于2017年合作研發(fā)的“天行一號”無人艇，最高航速超過50kn，堪稱當時世界最快。2018年，珠海云洲設計的80余條小型無人艇同時協(xié)同運行，成功演示了“鯊群”無人艇集群航行，實現(xiàn)了世界最大規(guī)模的無人艇集群演示。

無人艇未來的主要應用方向

在民用領域，無人艇在巡邏、航道檢測和測量、污染監(jiān)測、科考、海難事故援助、可靠檢測、運輸?shù)群＞?、海事及科研活動等領域將會具有廣闊的應用前景。在軍用領域，無人艇將會廣泛應用在情報偵察與監(jiān)視、反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、信息戰(zhàn)等。下面將具體闡述一下無人艇未來主要的應用方向。

表3 中國典型無人艇

(1)搜救和救援無人艇(軍民兩用)搜救和救援無人艇將會通過配備水面搜索雷達、電子光學系統(tǒng)、傷員擔架、處理傷亡的機械臂以及病患狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等，實現(xiàn)無人艇的自主搜救和救援功能。試想一下，如果馬航370失蹤時，無人艇可以成熟應用的話，就可以在事發(fā)第一時間空投幾十艘無人艇到事發(fā)水域，在事發(fā)后2h的黃金搜救時間展開大面積的地毯式搜索和救援，將有可能有更多的機會找到生還者，因為現(xiàn)在的大船航行過去需要一天的時間。

(2)快速反應消防無人艇(軍民兩用)消防無人艇可以配備滅火器，并依靠其快速反應的能力，在發(fā)生火災的海域或者海港，迅速部署到任何位置，從而進行初步滅火并利用電光傳感器報告火災情況。消防無人艇的應用不僅可以避免消防員在滅火時的潛在傷亡，還可以通過控制系統(tǒng)使火災的消防反應更加協(xié)調。

(3)海港保護無人艇(軍民兩用)

海港保護無人艇通過配備海港聲吶、自我清潔聲吶或者可變深度聲吶(在任何天氣情況下，可變深度聲吶都能優(yōu)化對潛水員和潛水器的檢測)系統(tǒng)，實現(xiàn)在郵輪附近進行可視化巡邏并且同時進行水下搜索，在“國際敏感海域”執(zhí)行巡邏任務，挽救海軍的生命、保護艦艇、捍衛(wèi)海港和港口等多種海港保護的功能。

(4)河道清理、水文測量、環(huán)污檢測無人艇(民用領域)

河道清理、水文測量、環(huán)污檢測無人艇不僅可以節(jié)省人工成本，還可以解決作業(yè)人員在船上作業(yè)時的安全問題。當有些河道比較狹窄、水流比較急時，單純靠人工作業(yè)比較危險，此類無人艇的優(yōu)勢就會顯現(xiàn)出來。其中河道清理無人艇不僅可以清理河道垃圾，還可以清理像浮藻之類的植物。例如，寧波歐卡海洋科技有限公司于2019年4月試驗的無人清潔船，通過專門運營管理的APP對其進行遙控。此無人清潔船通過物聯(lián)網(wǎng)技術、自主的循跡導航算法以及毫米波雷達和圖像識別系統(tǒng)等，實現(xiàn)遠程遙控指揮作業(yè)。并具有自主識別水面垃圾或障礙，進行自主的清潔或躲避的功能，其清潔的工作量是人工的5至6倍。

未來，基于5G網(wǎng)絡的無人船河道清理檢測系統(tǒng)也將會得到廣泛應用。無人船河道清理檢測系統(tǒng)依托5G技術極高速率、極大容量和極低時延的三大明顯優(yōu)勢，可以實現(xiàn)水域信息高清視頻實時回傳、VR后端演示、水質監(jiān)測以及自動駕駛控制，徹底改變傳統(tǒng)水文測量、水質采樣監(jiān)測、暗管探測和河道清理等水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管模式，推動世界進入水上智能時代。

(5)海運物流無人艇(民用領域)

由于無人駕駛船舶比無人駕駛汽車的運行環(huán)境更理想。并且可以提高航運的安全性、降低成本同時降低能耗，在未來將會具有良好的應用空間。

例如，羅爾斯·羅伊斯公司已經(jīng)聯(lián)手麥基嘉研發(fā)智能集裝箱航行及貨物系統(tǒng)，并目標在2025年提供世界上第一艘自主航行的商船、服務和生態(tài)系統(tǒng)。此外，康士伯集團與航運供應商威爾姆森公司(Wilhelmsen)合作，于2018年春季聯(lián)手建立了全球首家無人船航運公司Massterly，并在8月全面投入運營。

但是，無人駕駛船舶最難的是進出港和機艙無人化，以及航行中突發(fā)危險的處理。并且世界整體性的海上活動規(guī)范化管理也是亟待解決的問題。

(6)現(xiàn)代海戰(zhàn)場建設的新興力量

隨著智能化和信息化時代的開啟，無人艇正在世界海洋領域成為一顆炙手可熱的新星，無數(shù)與之相關的新技術被推陳出新。如今，無人艇的自主控制系統(tǒng)發(fā)展也趨近成熟，其任務不僅僅局限于傳統(tǒng)的遠距離觀測或者投放彈藥等等，隨著其自身的性能不斷優(yōu)化，配備了更現(xiàn)代化的傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)，在整體實力上升的基礎上，隨之也衍生出了更多的任務范圍，通過海戰(zhàn)場指揮、控制、通信、計算機、情報及監(jiān)視和偵察的C4ISR系統(tǒng)，可以執(zhí)行更為廣泛的戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務，包括反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、信息戰(zhàn)、情報搜集、海戰(zhàn)場監(jiān)視和偵察等。

無人艇未來的發(fā)展方向

無人艇協(xié)同自主化。減少操作人員的數(shù)量、構建安全的艦艇網(wǎng)絡、具備自主機動和待命以及清除障礙的能力，是未來無人艇能力建設的重要方面。由于無人艇所處的水面環(huán)境十分復雜，不僅包含靜態(tài)障礙物，同時還受海況、其他艦船航行的影響，對自主化操作的要求很高。因此，相比于其他無人系統(tǒng)，除了傳感器、通信與數(shù)據(jù)接口、動力等所有無人系統(tǒng)都存在的技術問題外，高度自主化是影響未來無人艇發(fā)展的一個關鍵環(huán)節(jié)。

(1)無人作戰(zhàn)能力。實現(xiàn)無人艇和無人機的協(xié)同作戰(zhàn)將會成為未來海軍在無人艇發(fā)展方面的新趨勢。未來，“無人作戰(zhàn)”將如同電子戰(zhàn)一樣，成為獨立的作戰(zhàn)樣式，改變進攻作戰(zhàn)模式。“無人作戰(zhàn)”極可能作為火力打擊之前相對獨立的一個作戰(zhàn)階段存在，并在首戰(zhàn)中發(fā)揮關鍵性作用。類似美軍提出的“蜂群攻擊”，“無人作戰(zhàn)”主要是運用大量低成本的無人地面平臺、無人機、無人艇對作戰(zhàn)目標實施飽和式攻擊，力求以較小代價換取最大化作戰(zhàn)效果。

(2)續(xù)航能力提高。隨著未來無人艇向執(zhí)行偵察監(jiān)視、反水雷、反潛等多種任務的方向發(fā)展，對其續(xù)航能力要求越來越高，但由于要與速度、耐波性以及有效載荷和動力等方面進行權衡，制約了續(xù)航能力的發(fā)展。為此，在未來，提高無人艇的燃料有效載荷率是技術發(fā)展的目標之一，同時還在可以研究通過轉化太陽能、海浪能量等方式為無人艇提供持續(xù)不斷的能源供應。

(3)武器化。武器化將是未來無人艇發(fā)展的一個重要趨勢。正如無人機近年來走過的歷程一樣，無人艇未來最有可能首先具備反潛攻擊能力，可發(fā)射魚雷或小型反魚雷武器，其在反水雷方面所發(fā)揮的作用將進一步拓展，可以執(zhí)行目前由有人駕駛直升機和反水雷系統(tǒng)承擔的任務。無人艇還將在電子戰(zhàn)領域得到應用，幫助海軍艦艇對敵實施引誘和迷惑。

(4)系列化、模塊化發(fā)展。作為一類海軍裝備平臺，應根據(jù)無人艇的使命和性能要求，分為多個級別，系列化地研發(fā)和應用，在這方面，美國已經(jīng)對其進行了分級。隨著模塊化設計與建造技術的不斷成熟，以及各種傳感器及任務載荷技術的不斷進步，傳感器及任務載荷的搭載與軟硬件接口將逐漸標準化，使得同一無人艇平臺搭載不同的任務模塊成為可能，并實現(xiàn)即插即用。采取模塊化設計，通過更換任務模塊使其能夠執(zhí)行不同的使命，完成從民用到軍用的各種任務。

無人艇發(fā)展的重大前沿問題

對于無人艇的研究主要集中在總體技術、環(huán)境感知技術和自主決策與控制技術、有效載荷模塊等方面。目前，一批技術難點已經(jīng)得到突破，可以預期，在不久的將來，上述關鍵技術將會得到不同程度的解決。根據(jù)我國無人艇的發(fā)展現(xiàn)狀以及國際無人艇的發(fā)展趨勢分析，關于無人艇的重大前沿問題主要有：

(1)人工智能技術。人工智能是未來無人艇最基本的特點。無人艇必須能夠自主進行環(huán)境探測、目標識別、自主決策、自主避障、自主規(guī)劃路徑等。

(2)控制技術?？刂萍夹g也是核心技術之一，對指令的反應是否靈敏等是決定無人艇能否成功航行的關鍵。

(3)無人艇與其他有人或無人作戰(zhàn)平臺聯(lián)合作戰(zhàn)問題。覆蓋陸?？仗斓闹悄芑療o人作戰(zhàn)系統(tǒng)將成為未來戰(zhàn)爭的發(fā)展方向。2018年美國國防部發(fā)布了《無人系統(tǒng)綜合路線圖(2017-2042)》，旨在指導軍用無人機、無人潛航器、無人水面艇、無人地面車輛等無人系統(tǒng)的全面發(fā)展，進一步提升美國軍隊使用無人系統(tǒng)的軍事能力。

中國無人艇發(fā)展的建議

通過技術與裝備引進、消化吸收、再創(chuàng)新實現(xiàn)跨越式發(fā)展

圖3 無人艇未來發(fā)展方向

當前，我國尚未有一種無人艇成為軍事裝備，該領域的軍用型號尚屬空白。但在無人艇若干關鍵技術取得重大突破的基礎上，國內(nèi)同行計劃開展USV試驗樣機研制和演示驗證工作，無人艇型號研制已擺上議事日程。我國可以通過技術與裝備引進、消化吸收、再創(chuàng)新的路子，實現(xiàn)跨越式發(fā)展，填補國內(nèi)空白，實現(xiàn)自主可控，形成特色能力。

根據(jù)軍事需求緊迫性及技術傳統(tǒng)優(yōu)勢，按優(yōu)先順序發(fā)展無人艇

根據(jù)我國軍事需求的緊迫性以及技術傳統(tǒng)優(yōu)勢，建議優(yōu)先發(fā)展的三種特定任務無人艇為：

通用偵察無人艇。用于要地守備、港口防護、島礁守備等特定地域安全防護的情報偵察需求。

通用火力支援無人艇。在通用偵察無人艇基礎上，增加致命或非致命武器，滿足反恐海盜護航、海洋執(zhí)法等軍民兩用需求。

通用電子戰(zhàn)無人艇。在通用無人艇平臺基礎上，增加高精度伺服穩(wěn)定平臺，在其上加裝舷外有源干擾機或無源干擾釋放裝置，作為艦隊伴隨護航的通用電子戰(zhàn)平臺。

遠期可開發(fā)的平臺還包括通用反水雷無人艇、反潛無人艇等型號。

未來的海(船)員需要具備什么素質

更加數(shù)字化。未來的海員也需要更加“數(shù)字化”，具備能夠從數(shù)字化系統(tǒng)的眾多信息中快速解讀信息的能力。

更全面的專業(yè)技能。未來海員需要更多的個人交叉技能而不是簡單的航海技能或輪機工程方面技能。

更強的決策能力。最重要的一點，未來的海員需要更強的決策能力。機器都是不可靠的，未來的海員需要能夠隨時對于“機器“所反饋的信息作出判斷。

實現(xiàn)產(chǎn)學研結合

可以依托互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)等技術，技術成果、知識產(chǎn)權、專利等信息經(jīng)過整合后匯聚于線上平臺。企業(yè)精準定位符合自身需求的科研成果；高校通過云名片宣傳研發(fā)成果，更迅速獲得企業(yè)反饋，從而可以根據(jù)市場需求隨時調整科研方向，科研成果轉化率得以保障。此外，還可以成立無人艇產(chǎn)學研創(chuàng)新聯(lián)盟，納入一些高校、企業(yè)、科研機構，形成良好的溝通合作機制和人才培養(yǎng)機制。 ■