無人水面艇發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

錢雯 侯毅男 羅東宏 陳順洪

摘 ? ?要：本文主要介紹了無人水面艇的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了無人水面艇的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，為我國無人水面艇的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：無人水面艇;發(fā)展現(xiàn)狀;關(guān)鍵技術(shù);趨勢

中圖分類號：U674.91?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper introduces the development status of the unmanned surface Vessel， summarizes the key technologies and development trend of the unmanned surface vessel.

Key words： Unmanned surface vessel; Development Status; Key Technology; Trend

1 ? ? 前言

近年來，隨著無人技術(shù)、人工智能技術(shù)、空間技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和低可探測技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代海上船艇裝備正快速向電子化、信息化、智能化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。無人水面艇是一種可由水面艦船或岸基裝置布放和回收，以半自主或全自主方式在水面航行的無人作業(yè)平臺。無人水面艇因其具有無人化的特點(diǎn)，能夠超越人類生理極限完成大機(jī)動、超長時間的任務(wù)，以及具備自主學(xué)習(xí)、決策、行動能力，能夠適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜多變、作戰(zhàn)任務(wù)的高難度性與臨時變更的特點(diǎn)，已經(jīng)成為今后艦艇裝備發(fā)展的趨勢和重點(diǎn)之一。

無人水面艇具有隱蔽性好、可長期水面航行、活動區(qū)域廣等特點(diǎn)，與有人水面艇相比，具有無人值守、無人員傷亡、使用靈活、成本低等優(yōu)勢，可廣泛用于執(zhí)行海上情報(bào)監(jiān)視偵察、海洋調(diào)查、反水雷、電子戰(zhàn)、潛戰(zhàn)、反艦戰(zhàn)等任務(wù)。

2 ? ? 無人水面艇發(fā)展及現(xiàn)狀

無人水面艇最早誕生于二戰(zhàn)期間，發(fā)展至今已有70多年的歷史，主要以欺騙性目標(biāo)和靶艇為主。無人水面艇近年來在世界幾次主要海戰(zhàn)中表現(xiàn)出來的巨大優(yōu)異性，極大地加強(qiáng)了各國海軍對大力發(fā)展無人艇的興趣。當(dāng)前，世界上軍事發(fā)達(dá)國家，包括北美地區(qū)以美國為代表、歐洲地區(qū)以英國、法國和以色列為代表、亞洲地區(qū)以日本、韓國為代表的國家都在大力研發(fā)性能優(yōu)越的無人水面艇，以充實(shí)本國軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力。

美國是當(dāng)前在無人水面艇領(lǐng)域投入最大和發(fā)展最快的國家，位居世界領(lǐng)先地位。自2007年以來，美國先后發(fā)布了《海軍水面無人艇主計(jì)劃》和《2013-2038 年無人航行器綜合路線圖》等文件，為其無人水面艇的發(fā)展制定規(guī)劃和思路。2017年，美國國防部提出了實(shí)施“霸王計(jì)劃”，其內(nèi)容是發(fā)展大中型無人艦艇;2019年3月，美國海軍發(fā)布公告，計(jì)劃在未來五年內(nèi)花費(fèi)27億美元購買10艘大型無人艦;當(dāng)前，美國海軍研制的多型無人水面艇已交付部隊(duì)列裝使用，主要有“海上獵人”、“斯巴達(dá)”、 “海上貓頭鷹”、“X-2”號、“幽靈衛(wèi)士”和“海狐”等無人水面艇。

美國海軍于2010年開始研制的世界上噸位最大的中型無人艇“海上獵人”號（見圖1），采用三體船型，船長40.2 m、排水量140 t、最大航速27 kn，于2016年和2017年完成各項(xiàng)海上試驗(yàn)。該型無人水面艇的成功研制，為美國海軍加快發(fā)展大中型無人水面艇提供了技術(shù)保障，也標(biāo)志著大中型無人水面艇將是未來發(fā)展的趨勢和方向。

美國“斯巴達(dá)”號無人水面艇已交付美國海軍使用，共有兩型艇：艇長分別為7 m和11 m;可負(fù)載1360 kg和2 270 kg;最大航速35 kn;續(xù)航時間6小時;配有光電取證、搜索雷達(dá)、數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)及自主無人控制系統(tǒng)等設(shè)備，可搭載反水雷模塊和導(dǎo)彈模塊等武器系統(tǒng)。

歐洲在無人水面艇領(lǐng)域的技術(shù)水平緊跟美國步伐，在關(guān)鍵技術(shù)方面與美國水平相當(dāng)。2010年，歐防局成員國共同發(fā)布了《海上無人系統(tǒng)方法與協(xié)調(diào)路線圖》，提出協(xié)調(diào)各國力量共同促進(jìn)海上無人水面艇的發(fā)展。近年來，英國、法國和以色列等國研發(fā)了多種型號的無人水面艇，圖2為以色列研制的“海鷗”號反潛無人艇。

我國在無人水面艇方面的研究起步較晚，目前國內(nèi)無人水面艇的軍用領(lǐng)域主要包括情報(bào)收集、表征物理環(huán)境收集、對潛作戰(zhàn)、訓(xùn)練測試平臺等;民用領(lǐng)域主要有海事安全、港口監(jiān)控、水文勘測、水質(zhì)采樣、海事搜救等。

國內(nèi)主要從事無人水面艇的研究機(jī)構(gòu)有中船集團(tuán)、中國航天科工集團(tuán)和中科院等國企;哈爾濱工程大學(xué)等高校;以及部分民營企業(yè)。其中，中船集團(tuán)等單位已研制出一定數(shù)量的自主化程度較高的無人水面艇。

3 ? ?無人水面艇的關(guān)鍵技術(shù)

無人水面艇的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：船型技術(shù);自主控制技術(shù);智能協(xié)同控制技術(shù)和布放回收技術(shù)等。

3.1 ? 船型技術(shù)

船型技術(shù)作為無人艇的一項(xiàng)核心技術(shù)，主要包括：船體線型、高速航行穩(wěn)定性、耐波性和自扶正技術(shù)等。

當(dāng)前無人水面艇用得最多的兩種艇型：一種是常規(guī)滑行艇型;另一種是半滑行艇型。其中，常規(guī)滑行艇型多采用V型或深V型，這種艇型具有綜合性能優(yōu)良以及拖曳能力強(qiáng)的特點(diǎn)，航速一般能達(dá)到30 kn以上。但是其阻力性能對重量及其分布高度敏感，導(dǎo)致艇體穩(wěn)定性能比較差;半滑行艇型具有較低的阻力及較好的適航性，是一種快速性能好、穩(wěn)定性能高的無人水面艇，航速可達(dá)到20 kn以上;此外，使用較多的艇型，還包括小水線面雙體船型、穿浪雙體船型和多體艇型等。

3.2 ? 自主控制技術(shù)

自主控制技術(shù)是通過環(huán)境感知手段，進(jìn)行目標(biāo)探測與識別，自主進(jìn)行路徑規(guī)劃、避碰和駕控，并通過采用合理的控制策略，完成各種任務(wù)和作業(yè)使命的技術(shù)。開展該項(xiàng)技術(shù)研究，可以提升無人艇的自主智能認(rèn)知和決策能力：認(rèn)知能力包括對作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)目標(biāo)、作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場態(tài)勢、設(shè)備狀態(tài)等的認(rèn)知;決策能力包括對航行狀態(tài)、載荷執(zhí)行動作等的決策。該技術(shù)的核心是使無人艇具備理解目前處境并作出合理決策的能力，實(shí)現(xiàn)根據(jù)任務(wù)需要自主有效的控制平臺及任務(wù)載荷執(zhí)行相關(guān)動作的功能，達(dá)到作戰(zhàn)任務(wù)要求。

3.3 ? 智能協(xié)同控制技術(shù)

智能協(xié)同控制技術(shù)是通過戰(zhàn)場環(huán)境模型構(gòu)建及協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)群體能力在環(huán)境感知、信息處理、有效決策、協(xié)同作戰(zhàn)等方面的有效整合。該項(xiàng)技術(shù)主要解決無人水面艇編隊(duì)的群體自主認(rèn)知及決策問題，包括無人水面艇編隊(duì)內(nèi)的協(xié)同認(rèn)知/協(xié)同決策，以及無人艇編隊(duì)與有人平臺的協(xié)同認(rèn)知/協(xié)同決策問題。

3.4 ?布放回收技術(shù)

水面無人艇的布放回收技術(shù)是能否成功自主進(jìn)行作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。目前無人艇基本上都是以布置在母船上的小艇為基礎(chǔ)演化而來的，其布放和回收的方法主要基于有人工作艇的收放技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)創(chuàng)新和改進(jìn)。無人艇的布放和回收面臨的難題主要有布放回收自主作業(yè)的安全性、可操作性、系統(tǒng)的通用性和可移植性等。

目前，美國在此領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先水平，其已開發(fā)出可用于無人水面艇布放回收的助力拖曳吊艙及自動導(dǎo)引鉤錨系統(tǒng)，但仍然存在需要人員高度參與及高海況下操作人員存在安全隱患等問題。

4 ? ?無人水面艇發(fā)展趨勢

4.1 ? 集群化和協(xié)同化

在復(fù)雜的近岸淺水海域存在的威脅多種多樣，單一的無人水面艇往往不能有效應(yīng)對。隨著無人水面艇的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，無人水面艇除了單獨(dú)執(zhí)行任務(wù)外，還需要多艘無人水面艇協(xié)同組網(wǎng)作業(yè)，共同完成更加復(fù)雜的任務(wù)。集群的無人水面艇通過大范圍的水上通訊網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)融合、信息共享、任務(wù)協(xié)同和群體行為控制，實(shí)現(xiàn)多個體磋商、協(xié)同決策和管理，進(jìn)行群體協(xié)同作業(yè)。

4.2 ? 遠(yuǎn)航程、高航速和大型化

當(dāng)前無人水面艇主要應(yīng)用于內(nèi)河和沿海區(qū)域，隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和無人水面艇廣泛應(yīng)用，無人水面艇將向遠(yuǎn)航程、高航速和大型化方向發(fā)展。當(dāng)前西方發(fā)達(dá)國家已開始研制遠(yuǎn)航程、高航速和大型化的無人水面艇，典型代表是“海上獵人”號。該型無人艇排水量達(dá)140 t、續(xù)航力達(dá)6 200 km、可持續(xù)執(zhí)行任務(wù)長達(dá)30天。

4.3 ? 應(yīng)用范圍大、使命任務(wù)多功能化

當(dāng)前無人水面艇數(shù)量還不多，大部分用來承擔(dān)海上巡邏警戒、對潛作戰(zhàn)、電子對抗等任務(wù)。隨著智能控制技術(shù)、軟件系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、模塊化技術(shù)以及裝備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的發(fā)展，無人水面艇將廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，可同時承擔(dān)多種使命任務(wù)，實(shí)現(xiàn)使命任務(wù)的多功能化。

4.4 ? 標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化

為實(shí)現(xiàn)無人水面艇研制風(fēng)險(xiǎn)低、研制費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、研制周期短、可批量化生產(chǎn)、性能質(zhì)量高、使用方便、具備較高的通行性的發(fā)展目標(biāo)，無人水面艇應(yīng)積極探索和推廣標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的整體設(shè)計(jì);在研制期間根據(jù)相關(guān)電氣、機(jī)械、軟件任務(wù)載荷的標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)格式的要求，分模塊進(jìn)行總體布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計(jì)可使各系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，但同時又能提高各系統(tǒng)之間的融合水平，從而提升無人水面艇的綜合性能，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的可擴(kuò)展和可重構(gòu)性。

5 ? ? 結(jié)束語

當(dāng)前我國正大力依托海洋資源優(yōu)勢，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)及先進(jìn)裝備制造產(chǎn)業(yè)，對無人水面艇的市場需求快速增長。無人水面艇必將在未來多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，對人類水上工程應(yīng)用、海洋軍事活動和海洋開發(fā)建設(shè)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。當(dāng)然，發(fā)展無人水面艇裝備是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國內(nèi)無人水面艇科研單位要立足現(xiàn)狀、著眼長遠(yuǎn)開展整體謀劃和頂層設(shè)計(jì)，緊密圍繞國家發(fā)展戰(zhàn)略，組織關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，建立無人水面艇標(biāo)準(zhǔn)體系，引領(lǐng)并促進(jìn)無人水面艇快速發(fā)展。

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