海洋智能無人艇

謝少榮

海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要支撐力量：無人艇

我國(guó)有1.8萬公里海岸線，1.4萬千公里島礁岸線，大量的海洋資源等待開發(fā)。海洋安全是國(guó)家安全保障的核心之一，隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋成為大國(guó)博弈的“主戰(zhàn)場(chǎng)”。尤其是近年來，隨著“一帶一路”建設(shè)的逐步推進(jìn)，以及新冠疫情暴發(fā)后世界局勢(shì)的變化，西方國(guó)家接連在我國(guó)附近海域展開軍事演習(xí)等活動(dòng)，威脅我國(guó)海洋安全。

同時(shí)，隨著科技的發(fā)展，智能化的無人設(shè)備和技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用?？缭健翱?天-地-?！钡臒o人系統(tǒng)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。民用上是用更多的機(jī)器人系統(tǒng)替代人的工作，特別是從可能有危險(xiǎn)、不適合人做的、枯燥乏味的工作中把人解放出來。而從軍事應(yīng)用上來講，就是發(fā)展無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，這將從根本上改變未來的戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)。無人作戰(zhàn)系統(tǒng)是西方國(guó)家未來戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，直指我國(guó)南海，將通過無人水面和水下裝備、無人機(jī)等武器突破我國(guó)的防御，威脅我國(guó)國(guó)家安全。未來戰(zhàn)場(chǎng)可能會(huì)成為無人系統(tǒng)而不是人類之間的角逐。因此，在海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的過程中，亟需無人艦艇這樣的高精尖新型海洋智能裝備，它們是我們邁向海洋強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵支撐力量。

什么是無人艇

無人艇，這里特指“無人水面艇”（unmanned surface vehicle，USV），是指依靠遙控或自主方式在水面航行的無人化、智能化機(jī)器人平臺(tái)。因此，它也叫海洋機(jī)器人、海上無人系統(tǒng)。具有自主導(dǎo)航、自主避障能力，并可以自主完成海面、水下環(huán)境信息感知、目標(biāo)探測(cè)及各種作業(yè)任務(wù)。

眾所周知，飛機(jī)與飛機(jī)，飛機(jī)和地面、水面可以通過無線電通信。但是，由于海水中存在一定的導(dǎo)電介質(zhì)，傳統(tǒng)的無線電波很難穿透海水，在海面以下進(jìn)行通信?，F(xiàn)代各國(guó)普遍采用長(zhǎng)波/超長(zhǎng)波水下通信系統(tǒng)，它在海水中衰減較其他頻段電波小，入水傳播深度可達(dá)到100米，基本滿足深水中進(jìn)行通信的需求。但是它發(fā)射時(shí)需要龐大的發(fā)射天線或者超高的發(fā)射功率，使得發(fā)射設(shè)備極易受到敵方的打擊；加上傳輸頻帶窄，只能與岸基進(jìn)行單向通信，不能進(jìn)行雙向通信；另外隱蔽性差，水下傳輸速率低，潛艇主要還是依靠上浮接收信息，降低了潛艇的隱蔽性，增大了潛艇的危險(xiǎn)系數(shù)。

因此，無人水面艇的出現(xiàn)，為聯(lián)通水面與水下通信提供了革命性的裝備，成為打通“空-天-地-?！睙o人作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要跨域節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，未來海戰(zhàn)可能是無人母艦搭載系列小型無人艇、無人機(jī)，配合地面移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人完成登島奪島等作戰(zhàn)。因此，無人水面艇是改變未來海上游戲規(guī)則的顛覆性技術(shù)。

目前世界上正在研制無人艇的國(guó)家大多是美國(guó)及其盟國(guó)，研制單位包括大型軍火企業(yè)、高校實(shí)驗(yàn)室和軍工研究單位等，以軍工企業(yè)為主。除此以外，正在開發(fā)無人艇的國(guó)家有以色列、瑞典、新加坡、意大利和英國(guó)等。在已經(jīng)服役及技術(shù)成熟度已達(dá)到服役水平的無人艇中，軍事用途的無人艇數(shù)量約占70%，其余主要集中在石油/天然氣行業(yè)、大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室等研究領(lǐng)域。從尺寸、自持力、有效載荷和有效輸出功率等與平臺(tái)大小相關(guān)的指標(biāo)看，大部分在研無人艇為小型平臺(tái)。較小的平臺(tái)具備成本低、試驗(yàn)便利的優(yōu)點(diǎn)。在任務(wù)領(lǐng)域方面，主要集中在海事安全、情報(bào)監(jiān)視偵察（ISR）、反水雷、環(huán)境調(diào)查、反恐、禁毒、石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的保護(hù)等領(lǐng)域。由于大多數(shù)無人艇需要有一定的環(huán)境感知的能力，以便遠(yuǎn)程操作人員或算法可以對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)，因此執(zhí)行“情報(bào)收集”類任務(wù)的無人艇數(shù)量最多。

鑒于無人艇的功能特點(diǎn)，它在海圖測(cè)繪、水下探測(cè)和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面均具有重要應(yīng)用價(jià)值，正在成為重要的海洋無人裝備。國(guó)內(nèi)也有包括中船集團(tuán)、珠海云洲和多所高校在內(nèi)的單位開展無人艇的研究工作。國(guó)內(nèi)外對(duì)無人艇研究的熱潮，更加堅(jiān)定了我們發(fā)展無人艇的決心。

無人艇的關(guān)鍵技術(shù)

無人艇需要具備什么樣的特殊能力才能在海洋上完成如此之多的重要任務(wù)呢？首先，我們看一張南海島礁水面之下的地形地貌圖，又稱為海圖。就像地圖一樣，海圖是我國(guó)主權(quán)的象征，具有重要的戰(zhàn)略意義。我國(guó)有300萬平方公里的海域面積，在這么廣闊的海域之下，海圖對(duì)船舶航行，乃至整個(gè)國(guó)家的海洋經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全都是至關(guān)重要的。

對(duì)海圖的測(cè)量，一般通過海測(cè)船來進(jìn)行。而據(jù)估計(jì)，我國(guó)廣闊的海域里面，東海有島礁3 500多個(gè)，南海有1 700多個(gè)。這些島礁附近很多地方水深不到5米。在這些島礁周邊測(cè)繪海圖，用海測(cè)船顯然是不行的，但是島礁周邊的海圖對(duì)中國(guó)的海洋權(quán)又非常重要。我們通過機(jī)器人相關(guān)的研究基礎(chǔ)，開發(fā)無人艇來解決這個(gè)問題。無人艇吃水很淺，能夠?qū)崿F(xiàn)自主航行、自主避障、自主地進(jìn)行島礁測(cè)繪。通過無人艇上的聲納發(fā)射聲波到海底或者暗礁再反射回來，再通過專門的聲吶測(cè)繪法，海底的地形地貌就出來了。

但是，由于無人艇所處的水面環(huán)境十分復(fù)雜，不僅包含靜態(tài)障礙物，同時(shí)受海況、其他艦船航行的影響，因此相比于無人機(jī)、無人駕駛汽車等其他無人系統(tǒng)，自主性成為影響無人艇的關(guān)鍵技術(shù)因素，其他無人系統(tǒng)自主性方面的技術(shù)并不適合無人艇，這里面有幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

第一，島礁周邊的水流紊亂，裂流、渦流多，給無人艇帶來很大的干擾。聲納測(cè)繪要求無人艇必須穩(wěn)定地走直線，但是島礁的周邊浪很大，走直線特別困難。需要用抗涌流的控制方法讓它走得準(zhǔn)。例如，無人艇在島礁周邊測(cè)繪的時(shí)候，一個(gè)大浪過來，它會(huì)偏離原來的航線，通過無人艇上的傳感器，能測(cè)出它的偏移量，根據(jù)偏移量的大小施以一個(gè)反作用力，就能回到航線上來。但是如果在海上航行的話，一個(gè)浪過來之后造成一個(gè)偏移量，而下一個(gè)浪的大小還不知道，所以偏移量帶有一定的盲目性。怎么辦呢？解決辦法就是通過無人艇上的雷達(dá)將它周邊的海浪信息收集起來，建成一個(gè)動(dòng)態(tài)的擾動(dòng)空間模型。無人艇上面有很多的傳感器，把它的姿態(tài)測(cè)出來，形成一個(gè)姿態(tài)空間。雖然姿態(tài)空間和擾動(dòng)空間都是不停變化的，只要把擾動(dòng)空間和姿態(tài)空間對(duì)應(yīng)起來，找到一個(gè)映射關(guān)系，就知道該怎樣來控制無人艇的糾偏量，達(dá)到走得準(zhǔn)的效果。

無人艇的關(guān)鍵技術(shù)

第二個(gè)關(guān)鍵問題是避障。無人艇對(duì)靜態(tài)目標(biāo)避障是很容易的，通過雷達(dá)，激光測(cè)定它的位置，用一定的算法就可以避開。但是在海上的時(shí)候，除了礁石，還有很多正在航行的船舶，該如何避障？人在奔跑的時(shí)候，遇到另一個(gè)人跑過來，會(huì)估計(jì)自己的速度、方向，還會(huì)估計(jì)對(duì)方的速度和方向，然后通過大腦的判斷和反應(yīng)就可以避免碰撞。海上的船舶也是利用這個(gè)原理，通過無人艇上的傳感器和雷達(dá)，把對(duì)方的信息估算出來。但是因?yàn)闊o人艇在海上的航行的時(shí)候，它的速度和方向都是有誤差的，通過誤差信息去估計(jì)對(duì)方的誤差信息，會(huì)有更大的偏差。所以還需要將這兩方的誤差信息計(jì)算成誤差錐體，在兩個(gè)錐體沒有交集的時(shí)候，才能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)避障。

第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是無人艇的回收。因?yàn)闊o人艇的航行距離只有幾百公里，如果進(jìn)行遠(yuǎn)海航行作業(yè)的話，必須要跟母艦配合著使用?？墒窃诤Ｉ?，三級(jí)、四級(jí)的海風(fēng)是很常見的，無人艇作業(yè)完成之后，再回到母船一直是非常困難的事情，美國(guó)也在研究解決方案。海風(fēng)大的時(shí)候大船和無人艇都會(huì)晃得十分厲害，讓兩邊的吊鉤結(jié)合對(duì)接，把無人艇吊上來，難度非常大。通過在無人艇上做一個(gè)拋射的牽引繩，需要回收的時(shí)候，就把牽引繩自動(dòng)拋到母艦甲板上面來，工作人員就能實(shí)現(xiàn)回收。在擾動(dòng)的情況下做回收，這個(gè)方法的效果比較好。

長(zhǎng)年奮斗在海洋一線的上海大學(xué)“精?！比?/p>

除了上述關(guān)鍵技術(shù)外，影響無人艇作戰(zhàn)效能和使用方式的因素還包括：無人艇的部署/回收與補(bǔ)給、通用平臺(tái)和模塊化載荷、續(xù)航力等方面。這些技術(shù)因素的突破，不僅可以大大拓展無人艇的作戰(zhàn)使用方式，還可以對(duì)其作戰(zhàn)效能產(chǎn)生重要影響，將成為無人艇未來發(fā)展的趨勢(shì)。

“精?！睙o人艇和它背后的團(tuán)隊(duì)

通過攻克前面提到的關(guān)鍵技術(shù)，上海大學(xué)有一批年輕老師懷揣著海洋報(bào)國(guó)的夢(mèng)想，研制了10余個(gè)型號(hào)的無人艇，并取名“精?！?。這里首先寓意了發(fā)揮“精衛(wèi)填?！钡膴^斗精神，還有就是研發(fā)的無人艇能夠精準(zhǔn)執(zhí)行海上任務(wù)。這個(gè)年輕團(tuán)隊(duì)組建了上海大學(xué)無人艇工程研究院，是國(guó)內(nèi)成立的第一個(gè)水面無人艇專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，是集機(jī)械、控制、通信、力學(xué)、材料、計(jì)算機(jī)等相關(guān)學(xué)科為一體的交叉研究中心。研究院的核心研究人員由國(guó)家有突出貢獻(xiàn)中青年專家、國(guó)家杰出青年、上海領(lǐng)軍人才、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、青年科技啟明星、上海市優(yōu)秀青年教師等40余名青年人才組成。人才隊(duì)伍建設(shè)效果顯著，且團(tuán)隊(duì)還在不斷壯大。

研究院承擔(dān)了幾十項(xiàng)國(guó)家和省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目，代表性成果有精海無人艇、極地科考機(jī)器人、水下機(jī)器人、上海世博會(huì)多功能掃測(cè)艇、小型飛行機(jī)器人以及國(guó)慶60周年海寶機(jī)器人等；科研成果已獲專利130余項(xiàng)，發(fā)表論文300余項(xiàng)。研發(fā)的“精?！毕盗袩o人艇已經(jīng)成功完成了南海島礁、南極羅斯海海域探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救援等重要的應(yīng)用，推進(jìn)海上監(jiān)測(cè)的智能化、無人化；精海系列無人艇也獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)航海學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等10余個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

自2009年起，上海大學(xué)“精海”無人艇團(tuán)隊(duì)研發(fā)了從精海1號(hào)到精海10號(hào)的一系列無人艇。我國(guó)從北到南3.2萬公里的海岸線和島礁岸線，都遍布“精?！睙o人艇的身影。2013年，精海1號(hào)隨中國(guó)海事166海巡船赴南海巡航，探測(cè)南海海域，實(shí)現(xiàn)我國(guó)無人艇在南海第一次應(yīng)用。2014年，精海2號(hào)裝備于雪龍?zhí)柨瓶即?，探測(cè)南極羅斯海，首次為雪龍?zhí)枠O地科考船在南極羅斯海找到錨地，并繪制了難言島附近1:5 000大比例尺海圖，助力國(guó)家極地戰(zhàn)略。2015年，精海3號(hào)隨向陽紅19船赴東海進(jìn)行大范圍海圖測(cè)繪，填補(bǔ)了島礁群海域、淺灘測(cè)繪空白。2016年，精海3號(hào)完成對(duì)南海七連嶼島礁海域探測(cè)。2017年，精海3號(hào)完成海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查。2018年，精海3號(hào)、精海7號(hào)在東?！吧＜啞敝卮笞泊鹿手校晒ν瓿沙链綔y(cè)以及污染水樣取樣，為大規(guī)模凝析油泄漏事件評(píng)估和處置提供了重要數(shù)據(jù)支持。

期間團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一千多次的試驗(yàn)，每一艘無人艇的成功研發(fā)，背后都是團(tuán)隊(duì)用“精衛(wèi)填海”般的精神換來的。我們這個(gè)平均年齡32歲的年輕團(tuán)隊(duì)，懷揣著海洋強(qiáng)國(guó)的理想，勇于攻克“卡脖子”技術(shù)。團(tuán)隊(duì)成員不怕冷風(fēng)吹，不怕海水泡，忍得住暈船，耐得住寂寞，能征善戰(zhàn)，長(zhǎng)年奮斗在海洋一線，為實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)堅(jiān)持不懈，努力奮斗，彰顯出持續(xù)不斷的創(chuàng)新活力和驚人的爆發(fā)力。我們相信，通過一代代“精?！比瞬粩鄤?chuàng)新和努力，海洋強(qiáng)國(guó)終將實(shí)現(xiàn)。