基于物聯(lián)網(wǎng)的水面無人艇技術(shù)體系和系統(tǒng)功能架構(gòu)的研究

謝慧　楊忠　吳有龍　顧娟

摘 要：為了滿足水面無人艇（USV）對軍用、民用的任務(wù)需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了水面無人艇系統(tǒng)的五級技術(shù)體系架構(gòu)模型，并對模型中各層功能結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)討論。分析了水面無人艇系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計出水面無人艇系統(tǒng)功能框架圖，提出加強基本功能系統(tǒng)的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)，為用戶提供多樣性應(yīng)用。最后指出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水面無人艇技術(shù)存在的風(fēng)險，為水面無人艇統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);水面無人艇;技術(shù)體系;功能架構(gòu);RFID;5G

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2020）03-00-03

0 引 言

水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）作為一種智能化、無人化水面平臺，既可用在情報收集、監(jiān)視偵察、海事巡航、島礁測繪等方面，提高我國海上作戰(zhàn)能力[1-4]，也可用在水體監(jiān)測、預(yù)警救災(zāi)、智能航運等方面[5-7]。一方面，USV功能和應(yīng)用范圍在不斷拓寬，對物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)等方面的要求越來越高[8];另一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展也促進了USV在軍事、民用領(lǐng)域的應(yīng)用。

文獻[9-10]對USV的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用進行了分析，對無人艇的基本技術(shù)特點進行了總結(jié)，提出了無人艇應(yīng)向著智能化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展;文獻[11]設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的USV智能航行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人艇遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測等功能。盡管國內(nèi)無人艇的研究進展迅速，但仍然存在問題：目前USV類別多樣，承擔(dān)的任務(wù)不同，缺乏統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)，不符合未來USV的發(fā)展趨勢[12]。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水面無人艇五級技術(shù)體系架構(gòu)和系統(tǒng)功能框架，為USV統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)提供參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部署

基于物聯(lián)網(wǎng)的USV技術(shù)體系架構(gòu)如圖1所示，共分為五層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層。每層之間和層內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸和處理都要遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，同時為了保證系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，要有統(tǒng)一完善的安全保障體系[13]。

1.1 感知層

感知層主要由RFID、傳感器、氣象測量儀、流速測量儀、水深測量儀、雷達等感知設(shè)備提取水域信息、地理信息、氣象信息、水質(zhì)信息、系統(tǒng)自身運行狀態(tài)等，并將采集到的基礎(chǔ)信息上傳至網(wǎng)絡(luò)層。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括互聯(lián)網(wǎng)、微波通信、衛(wèi)星通信、GPRS、4G、5G [14]等，通過網(wǎng)絡(luò)層接收感知層傳來的信息，甚至多個USV進行協(xié)同任務(wù)時，相互之間可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。我國在5G技術(shù)方面已經(jīng)取得了國際領(lǐng)先地位，5G通信技術(shù)在傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋性等方面優(yōu)勢明顯，必將為USV技術(shù)的發(fā)展提供良好契機。

1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要用以收集、匯總從感知層和網(wǎng)絡(luò)層傳來的各類位置信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)等，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐，并對數(shù)據(jù)庫進行大數(shù)據(jù)分析、同構(gòu)化處理，將處理的結(jié)果通過應(yīng)用層提供給用戶層。對感知層的異常數(shù)據(jù)進行處理，如對特定區(qū)域的非法入侵船只和USV進行識別和報警。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要通過數(shù)據(jù)層傳來的數(shù)據(jù)啟動各種應(yīng)用系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的集成和遠(yuǎn)程控制平臺，用于將各類USV的預(yù)警監(jiān)測、警戒巡邏、情報偵察等應(yīng)用服務(wù)信息進行整合集成，實現(xiàn)信息共享和無人艇集群的協(xié)同配合，根據(jù)所處情勢的緊急級別和任務(wù)的優(yōu)先級別自主確定應(yīng)采取的措施，如避障、待命、返回等，替代操作人員。

1.5 用戶層

用戶層主要是通過電腦、手機等設(shè)備，根據(jù)用戶需求將應(yīng)用層的結(jié)果推送給目標(biāo)用戶完成相應(yīng)操作。操作人員可以通過該層對USV的狀態(tài)進行監(jiān)測，實現(xiàn)火力控制、回收布放、設(shè)備維修等操作。

2 無人艇系統(tǒng)功能框架

2.1 功能需求分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的USV功能需求如圖2所示。

（1）環(huán)境感知需求

USV的感知層配備多種傳感器，可以探測外部環(huán)境，有效執(zhí)行氣象調(diào)查、水質(zhì)調(diào)差、海情研究等多種民用和軍事任務(wù)，特別是獲取邊防島嶼和鄰國邊界附近的水域信息較為復(fù)雜，利用環(huán)境感知來測量水文氣象信息和規(guī)劃航行線路尤為重要。在水域航行時，無人艇會受惡劣天氣和風(fēng)浪的影響，艇體顛簸的情況下執(zhí)行跟蹤、巡邏、避障等任務(wù)變得更加困難，需要對感知層多種信息進行融合處理，利用環(huán)境感知技術(shù)完成任務(wù)。

（2）通信需求

無人艇可在海上作戰(zhàn)時擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)信息平臺，為用戶層提供通信信息，配合導(dǎo)航系統(tǒng)對特定目標(biāo)進行定位跟蹤，根據(jù)母艦收到的威脅信號，裝載相應(yīng)的通信設(shè)施，傳輸實時信號至母艦，為己方的飛機、無人機、船只、母艦等提供定位引導(dǎo)和掩護，同時可以壓制敵方通信信號，或者發(fā)出信號干擾敵方的判斷。

（3）數(shù)據(jù)分析功能需求

USV根據(jù)預(yù)設(shè)值或自主算出的指令，對當(dāng)前位置信息、運行狀態(tài)進行綜合判斷，實現(xiàn)自主避障和自主巡航。從感知層傳出的數(shù)據(jù)顯示航線上有障礙物或者水深較淺時，無人艇改變航線，自主避障，以保證航行的安全。在執(zhí)行偵察任務(wù)時，對偵察數(shù)據(jù)進行初級處理，并將結(jié)果傳給用戶層，用戶層根據(jù)目標(biāo)的位置變化指揮無人艇編隊變更路線方向和偵察目標(biāo)。

（4）視頻功能需求

無人艇根據(jù)感知層的傳感器和攝像機對目標(biāo)進行識別和監(jiān)控，通過上傳的視頻觀察、分析、篩選、鎖定目標(biāo)，最終對目標(biāo)實現(xiàn)搜索和追蹤，為應(yīng)用層提供支撐信息，可應(yīng)用到預(yù)警監(jiān)測、警戒巡邏等海警執(zhí)法中。無人艇可以移動完成監(jiān)控任務(wù)，將核電站、水電站、跨海大橋等重要區(qū)域拍攝的視頻信息及時傳輸?shù)娇偪嘏_，克服了攝像頭安裝位置固定，鏡頭容易被破壞的風(fēng)險，無人艇在海上巡航時，如果拍攝到可疑人員和不明物體時，用戶層根據(jù)視頻對無人艇做出指示，使無人艇逃離或者繼續(xù)跟進拍攝更清晰的視頻，便于在執(zhí)法過程中更加智能可靠地采取行動。

（5）智能控制需求

無人艇有多種雷達、通信、環(huán)境采集模塊，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的航線航速，可以將無人艇卸載到指定區(qū)域，同樣也可以設(shè)置好回收布放的路徑，在無人艇檢測到闖入的不明威脅信號之后，立即向用戶層發(fā)送報警信息，同時可以智能控制無人艇，對目標(biāo)實施跟蹤定位，對不法分子進行政策性喊話，對違法犯罪行為實施武力打擊，實現(xiàn)海上安全管理。

2.2 系統(tǒng)功能框架

結(jié)合USV系統(tǒng)的功能需求，為確保各類功能的實施應(yīng)用，如圖3所示，可將USV系統(tǒng)功能框架分為基本功能系統(tǒng)和實用功能系統(tǒng)?；竟δ芟到y(tǒng)是為了保證USV安全航行和應(yīng)用的基本功能所開發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、能源驅(qū)動系統(tǒng)、測距避碰系統(tǒng)等。實用功能系統(tǒng)是根據(jù)軍用、民用范圍內(nèi)常見應(yīng)用設(shè)計的系統(tǒng)，包括水質(zhì)檢測、水域監(jiān)測、智能救援、自主滅火、武力打擊等系統(tǒng)。

2.2.1 基本功能系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是USV的核心系統(tǒng)，是無人艇的“大腦”，為了實現(xiàn)各功能需求，各傳感器感知外部環(huán)境、接收數(shù)據(jù)并分析后傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的性能關(guān)系到整個無人艇系統(tǒng)的可靠性，目前應(yīng)用較多的控制器有PLC、單片機等。

（2）導(dǎo)航定位系統(tǒng)

導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有使用精度高、性能好、定位快等特點，可以為USV提供行駛方向、航行速度、實時定位等信息，更快、更準(zhǔn)確地獲取無人艇的實時位置，為無人艇的安全性能提供保障。

（3）通信系統(tǒng)

USV在水上執(zhí)行任務(wù)時，需要與基站通信，通過各類傳感器和有線、無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各無人艇與基站間的信息交換。但是目前沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議，建立規(guī)范的通信協(xié)議有助于無人艇的兼容協(xié)作。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，音頻、視頻等格式的數(shù)據(jù)通信需求越來越大，在5G技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)研究應(yīng)用的背景下，無人艇的智能化程度會越來越高。

（4）視頻監(jiān)控

通過攝像頭、發(fā)射機和接收機完成視頻的實時監(jiān)測和采集工作，并完成視頻實時圖傳。夜晚或者無人艇行駛到光線暗的區(qū)域時拍攝的視頻不清晰，就需要安裝具有紅外補光功能的攝像頭，同時存儲拍攝的視頻，以供管理人員回看。

（5）能源驅(qū)動

能源驅(qū)動系統(tǒng)為USV提供航行的動力，對航行時間和續(xù)航能力有較高要求，隨著環(huán)境污染的加重，綠色能源的發(fā)展?jié)摿Ρ魂P(guān)注，海上有足夠多的風(fēng)能、波浪能和太陽能，獲取穩(wěn)定和持續(xù)的能源動力才能保證無人艇用電系統(tǒng)的可靠。

（6）測距避碰系統(tǒng)

USV在自主航行過程中保持一定的安全距離和避開障礙物尤為重要，需要靠自身來感知障礙，通過測距避碰系統(tǒng)快速測量出障礙物的位置、距離和移動方向，將光學(xué)、聲學(xué)等多種避碰方式有效結(jié)合以克服盲區(qū)，為無人艇的智能航行提供安全保障。

2.2.2 實用功能系統(tǒng)

實用功能系統(tǒng)主要是針對特定功能開發(fā)出的系統(tǒng)，用來增強USV功能的多樣性，滿足用戶的多樣化需求。某些區(qū)域較為偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣，不適合人工監(jiān)控和檢測，或者人為執(zhí)行任務(wù)會存在安全風(fēng)險，USV 可以高效、零人員傷亡地代替執(zhí)行任務(wù)。把USV、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和基本功能系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計出無人艇水質(zhì)檢測、水域監(jiān)測、智能救援、自主滅火、武力打擊等實用功能系統(tǒng)，因此加強基本功能系統(tǒng)的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研發(fā)以降低實用功能系統(tǒng)的研發(fā)成本，更好地為用戶提供多元應(yīng)用。根據(jù)無人艇的應(yīng)用可劃分不同的功能系統(tǒng)，通過各功能系統(tǒng)來完成無人艇的各項應(yīng)用，確保系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，使無人艇的使用效率和效果得到顯著提高。

3 新技術(shù)存在的風(fēng)險

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得萬物互聯(lián)成為可能，加快實現(xiàn)了USV的智能化，但也存在一定的安全隱患。

（1）感知層設(shè)備可靠性

感知層數(shù)據(jù)信息是整個物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，直接影響應(yīng)用層和用戶層的應(yīng)用和決策部署。USV執(zhí)行任務(wù)時經(jīng)常面臨惡劣、不可控的環(huán)境，傳感終端的損壞會直接導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)信息失控。

（2）網(wǎng)絡(luò)的安全問題

USV的傳感器節(jié)點需要部署在無人實時看守的環(huán)境中，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)更容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，除了一般的信息泄露、篡改數(shù)據(jù)等風(fēng)險之外，還面臨傳感節(jié)點信息被攻擊者截獲從而控制網(wǎng)絡(luò)，對無人艇的功能加以利用的威脅。

（3）數(shù)據(jù)傳輸與處理故障

物聯(lián)網(wǎng)中感知層的傳感節(jié)點數(shù)量大、種類多。在通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層時，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，數(shù)據(jù)層處理數(shù)據(jù)的能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)的智能性受到影響。

（4）云計算等技術(shù)的滲透

云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展加速了物聯(lián)網(wǎng)的進程，但是數(shù)據(jù)可能會被云服務(wù)巨頭公司獨占，對無人艇的軍用、民用方面功能加以干預(yù)或者泄露相關(guān)信息，存在一定的安全隱患。

4 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及USV在軍用、民用方面的迫切需求，USV各項功能系統(tǒng)的研究得到了廣泛關(guān)注。本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的USV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部署，分析了USV的功能需求，以需求為牽引，歸納出無人艇系統(tǒng)功能框架，提出加強基本功能系統(tǒng)的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)，降低研發(fā)成本，為用戶提供多樣性應(yīng)用，最后提出新技術(shù)存在的風(fēng)險，為USV統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)提供參考。

參 考 文 獻

[1]陳霄，劉忠，羅亞松，等.海洋環(huán)境下欠驅(qū)動無人艇航跡跟蹤控制算法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，50（10）：110-117.

[2] FU M Y，WANG D S，WANG C L. Formation control for water-jet USV based on bio-inspired method [J]. China ocean engineering，2018，32（1）：117-122.

[3] LV Z C，ZHANG J，JIN J C，et al. Energy consumption research of mobile data collection protocol for underwater nodes using an USV [J]. Sensors，2018，18（4）：1211.

[4]鐘雨軒，葛磊，張鑫，等.無人水面艇島礁海域完全遍歷路徑規(guī)劃[J].上海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，23（1）：17-26.

[5]苗潤龍，龐碩，姜大鵬，等.海洋自主航行器多海灣區(qū)域完全遍歷路徑規(guī)劃[J].測繪學(xué)報，2019，48（2）：256-264.

[6] LIANG J，ZHANG J，MA Y，et al. Derivation of bathymetry from high resolution optical satellite imagery and USV sounding data [J]. Marine geodesy，2017，40（6）：466-479.

[7]嚴(yán)新平，柳晨光.智能航運系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].智能系統(tǒng)學(xué)報，2016，11（6）：807-817.

[8]馬天宇，楊松林，王濤濤，等.多USV協(xié)同系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展概述[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36（6）：7-13.

[9]柳晨光，初秀民，吳青，等.USV發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國造船，2014，55（4）：194-205.

[10]王石，張建強，楊舒卉，等.國內(nèi)外無人艇發(fā)展現(xiàn)狀及典型作戰(zhàn)應(yīng)用研究[J].火力與指揮控制，2019，44（2）：11-15.

[11]喬大雷，侯嬌，薛鋒.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人船智能航行控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2017，39（23）：149-152.

[12]張波，王磊，李英軍.無人艇的發(fā)展趨勢[J].科技視界，2016

（19）：301.

[13]王曉芳，張艷.現(xiàn)代海上船聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系框及體系表研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2017，39（6）：147-149.

[14]王健，羅瀟，劉旌揚，等.復(fù)合動力超長續(xù)航無人艇系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].船舶工程，2017，39（5）：48-52.