水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化:挑戰(zhàn)與進(jìn)展

閆 敬,關(guān)新平,羅小元,楊 晛

(1.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北秦皇島 066004;2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240;3.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北秦皇島 066004)

1 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),海洋將成為人類生存與發(fā)展的新空間.為提升海洋探測能力,可在特定水域部署具有計算、通信和控制能力的水下計算單元和物理對象,以構(gòu)建具有維度廣、安全性高以及實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)的水下信息物理系統(tǒng).上述系統(tǒng)利用計算、通信和控制手段,可實(shí)現(xiàn)水下物理對象與信息網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同融合,對推動水下機(jī)器人、水下搜救與抓取、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、水聲通信、水下預(yù)警與監(jiān)控等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的升級換代和跨越式發(fā)展意義重大.

2 水下信息物理系統(tǒng)

在水下信息物理系統(tǒng)中,聲吶傳感器與潛器(例如:水下滑翔機(jī)以及自主水下機(jī)器人)等物理對象通過水聲無線通信方式構(gòu)成一個多跳自組織異構(gòu)探測網(wǎng)絡(luò).與靜態(tài)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]相比,上述探測網(wǎng)絡(luò)引入了潛器,通過異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的通信組網(wǎng)與反饋協(xié)同,提升了探測網(wǎng)絡(luò)的靈活性與適變性;與動態(tài)多潛器網(wǎng)絡(luò)[2]相比,聲吶傳感器的引入增強(qiáng)了探測網(wǎng)絡(luò)時空覆蓋能力,提升了水下探測的快速性與持續(xù)性.由此可見,水下信息物理系統(tǒng)集水下泛在探測、適變通信和協(xié)同控制等功能于一體,具有終端異構(gòu)化、結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化和功能靈活化等突出優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)智能化與互聯(lián)化的關(guān)鍵.

2.1 水下探測-通信-控制一體化設(shè)計

現(xiàn)有的水下探測、通信與控制系統(tǒng)通常是相互獨(dú)立的.具體來說,探測系統(tǒng)主要關(guān)注如何利用水聽器、多輸入多輸出探測聲吶來接收目標(biāo)輻射噪聲與信息,同時結(jié)合信號處理手段,以提取目標(biāo)特征、方位和距離等信息;通信系統(tǒng)主要關(guān)注如何針對水聲窄帶寬、多徑、頻率選擇性衰減以及高噪聲等信道特點(diǎn),采取高性能、可實(shí)現(xiàn)的組網(wǎng)通信協(xié)議,以將信息從源點(diǎn)傳輸?shù)浇K端;控制系統(tǒng)主要關(guān)注如何根據(jù)已獲取的導(dǎo)航信息,設(shè)計比例-積分-微分、預(yù)測、滑模、自適應(yīng)以及多種智能控制器,以驅(qū)動潛器實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、縱傾、回轉(zhuǎn)、升降和橫移等運(yùn)動.可以看出,探測與通信系統(tǒng)功能上具有重疊性,如果探測與通信系統(tǒng)互不關(guān)注對方收到的數(shù)據(jù),那么探測與通信系統(tǒng)在頻譜資源、能耗上將互相競爭.同時,控制系統(tǒng)通常假設(shè)探測與通信是完美實(shí)現(xiàn)的,即假設(shè)傳感器與潛器等節(jié)點(diǎn)的反饋信息是可靠獲取且實(shí)時傳輸?shù)?然而水下復(fù)雜環(huán)境使得上述假設(shè)很難保證.綜上可知,探測、通信、控制的分離設(shè)計,一方面使控制指令易產(chǎn)生信息不完整約束,另一方面探測與通信又缺少有效的反饋機(jī)制,嚴(yán)重制約了水下信息物理系統(tǒng)整體性能的提升.因此,為實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化設(shè)計,有必要建立水下探測、通信、控制聯(lián)合設(shè)計架構(gòu).

圖1是一典型的水下信息物理系統(tǒng)探測、通信、控制聯(lián)合設(shè)計架構(gòu)[3],其主要目的是對特定水域內(nèi)移動目標(biāo)探測、定位、跟蹤和圍捕.在此系統(tǒng)中,傳感器負(fù)責(zé)探測、采集和預(yù)測覆蓋區(qū)域內(nèi)目標(biāo)位置、姿態(tài)與速度等信息,而潛器不僅可作為移動錨節(jié)點(diǎn)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行通信轉(zhuǎn)發(fā),也可根據(jù)任務(wù)需要動態(tài)調(diào)整姿態(tài)以達(dá)到組網(wǎng)靈活性的提升.同時,水下傳感器與潛器以水聲通信與電磁波通信的形式,將收集到的水下目標(biāo)位置、姿態(tài)與速度等信息,通過水面浮標(biāo)與空中衛(wèi)星上傳到岸基控制中心.岸基中心融合目標(biāo)態(tài)勢,并根據(jù)探測與通信的需要形成調(diào)度控制環(huán),進(jìn)而將控制指令回傳給傳感器與潛器,實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)探測、通信與控制性能聯(lián)合提升.

圖1 水下信息物理系統(tǒng)探測、通信、控制聯(lián)合設(shè)計架構(gòu)Fig.1 Co-design framework of detection,communication and control for underwater cyber physical system

2.2 探測-通信-控制一體化面臨的挑戰(zhàn)

2.2.1 水下環(huán)境開放性使得一體化架構(gòu)建立難

水下環(huán)境的開放性,使得很難建立固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施.因此,為了滿足水下不同監(jiān)測需求,需要部署分布在不同物理空間的異構(gòu)終端[4],包括主/被動聲納、前視和側(cè)掃聲納、聲學(xué)路徑垂直陣、測深儀、聲速剖面儀、岸基浮標(biāo)、水面監(jiān)控平臺等探測感知終端.需要指出,水面監(jiān)控平臺可通過衛(wèi)星通信、短波、北斗等多種寬窄帶通信方式,以實(shí)現(xiàn)常規(guī)海況下的寬帶接入與惡劣海況下的窄帶接入;水面浮標(biāo),可通過水聲通信方式與水下探測設(shè)備窄帶接入,也可通過寬帶接入的方式與水面監(jiān)控平臺通信;水下設(shè)備主要通過水聲組網(wǎng)通信方式與水面浮標(biāo)以及水下其它設(shè)備窄帶接入.上述終端全向/定向通信并存、使用頻段種類多、服務(wù)優(yōu)先級不同,導(dǎo)致不同接入技術(shù)差異性大且不可兼容,使得建立具有自組織泛在能力的水下探測-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常困難.此外,水下信息物理系統(tǒng)寬帶受限、通信時延大、能量有限等弱通信特性,以及水下潮汐洋流等不確定環(huán)境條件,又加劇了水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立的難度.

2.2.2 聲吶資源受限下探測通信一體化實(shí)現(xiàn)難

探測通信一體化設(shè)計,不僅可以克服傳統(tǒng)分離設(shè)計帶來的資源互相競爭、效能低下的不足,而且可以通過共享射頻資源與天線孔徑,提升頻譜利用率、降低設(shè)備間電磁干擾、增強(qiáng)隱蔽性.需要指出的是,探測通信一體化技術(shù)最早應(yīng)用于雷達(dá)[5],其主要采用分時、分頻或者分波束的方式進(jìn)行功能集成,并依靠電磁波進(jìn)行探測通信,具有傳播速率高(≈3×108m/s)、孔徑大、可用頻帶寬(3 MHz～300 GHz)等特點(diǎn).然而,電磁波在水中呈指數(shù)規(guī)律衰減,使得基于雷達(dá)的探測通信一體化技術(shù)并不能直接應(yīng)用于水下.目前,聲吶仍然是水下遠(yuǎn)距離探測通信的唯一有效手段.相比于雷達(dá)信號,聲吶信號傳播速率低(≈1500 m/s)、孔徑小、可用帶寬窄(3 Hz～97 kHz)、多徑效應(yīng)明顯[6].聲吶上述資源受限約束一方面導(dǎo)致水下通信信號易出現(xiàn)線性與非線性失真、相位抖動、頻率偏移,另一方面使得水下探測與通信帶外干擾嚴(yán)重且互相抑制、增加了共享信號設(shè)計難度.如何克服聲吶資源受限約束,成為水下探測通信一體化設(shè)計面臨的一大挑戰(zhàn).

2.2.3 水聲弱通信特性導(dǎo)致組網(wǎng)傳輸穩(wěn)健性弱

水下探測-通信-控制一體化設(shè)計的核心基礎(chǔ)是構(gòu)建具有自組織、泛在、強(qiáng)實(shí)時、高可靠性的異構(gòu)探測網(wǎng)絡(luò),通過探測感知、信息共享與協(xié)同控制,最大限度把信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢,以實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)整體性能的提升.上述過程離不開聲吶傳感器與潛器等物理對象的組網(wǎng)傳輸,然而水聲具有弱通信特性[7],例如:1)電磁波在水中呈指數(shù)規(guī)律衰減,使得北斗等定位系統(tǒng)并不能直接應(yīng)用于水下,且受高噪聲以及多徑干擾等不穩(wěn)定因素影響,水下節(jié)點(diǎn)間的時鐘同步難以精確實(shí)現(xiàn);2)水中不均勻分布的聲速剖面造成聲線彎曲;3)水聲通信主要通過發(fā)送器和水聽器實(shí)現(xiàn)信息收發(fā),傳播時延大且消耗的能量遠(yuǎn)高于無線電波通信.水聲上述弱通信特性,導(dǎo)致陸地環(huán)境下的組網(wǎng)傳輸協(xié)議并不適用于水下.此外,水下節(jié)點(diǎn)所處的水體,在外力和自身環(huán)境參數(shù)變化等因素影響下會不斷地流動,形成快時變的水下流速場,增加了組網(wǎng)傳輸?shù)牟淮_定性與脆弱性,進(jìn)而對水下信息物理系統(tǒng)探測感知與控制指令的實(shí)時共享與可靠反饋提出了新的挑戰(zhàn).

2.2.4 復(fù)雜水下環(huán)境易使控制與反饋信息不完整

在水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化設(shè)計過程中,探測-通信系統(tǒng)為控制系統(tǒng)提供必要的信息支撐,而控制系統(tǒng)又可通過潛器等移動節(jié)點(diǎn)運(yùn)動促進(jìn)探測-通信性能的反饋提升.具體來說,潛器等移動節(jié)點(diǎn)通過自身攜帶的水聲通信模塊動態(tài)協(xié)同鄰域內(nèi)節(jié)點(diǎn),進(jìn)而通過航跡規(guī)劃、追蹤以及編隊控制形式實(shí)現(xiàn)水下探測與通信性能的反饋提升.為此,如何在探測-通信-控制一體化框架下設(shè)計潛器反饋控制律顯得尤為重要.目前,學(xué)者們提出了很多適合陸地環(huán)境的移動機(jī)器人反饋控制律[8],其通常忽略機(jī)器人與物理環(huán)境間的耦合關(guān)系.然而,受水聲弱通信、水流、復(fù)雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素,以及潛器動力學(xué)模型強(qiáng)非線性、高耦合度等內(nèi)部因素影響,潛器與水下物理環(huán)境間的交互耦合異常緊密.水下物理環(huán)境局部攝動、通信時延、鏈路失效、噪聲干擾等不確定性因素均會通過網(wǎng)絡(luò)直接或者間接地波及到潛器控制單元,甚至導(dǎo)致整個反饋控制律的失效.因此,在設(shè)計潛器反饋控制律時,不僅要考慮潛器控制性能的優(yōu)化,而且還需要聯(lián)合考慮探測-通信性能的優(yōu)化.然而,受限于目前探測、通信技術(shù)以及系統(tǒng)建模水平,許多關(guān)鍵的狀態(tài)在水下復(fù)雜環(huán)境中無法實(shí)時反饋,一些重要的參數(shù)難以準(zhǔn)確測量,導(dǎo)致水下控制與反饋信息不能完整匹配.如何克服復(fù)雜水下環(huán)境中控制與反饋信息不完整限制,成為反饋提升探測與通信性能面臨的一大難題.

3 水下探測-通信-控制一體化研究進(jìn)展

水下探測-通信-控制一體化研究,主要內(nèi)容涉及水下立體探測、通信組網(wǎng)與協(xié)同控制,其相互依賴與制約的關(guān)系如圖2所示.基于此關(guān)系,從如下3個方面進(jìn)行綜述:1)水下探測通信一體化;2)弱通信條件下定位組網(wǎng);3)復(fù)雜水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制.

圖2 水下信息物理系統(tǒng)探測、通信、控制內(nèi)部關(guān)聯(lián)Fig.2 Internal relationship of detection,communication and control in underwater cyber physical system

3.1 水下探測通信一體化

水下被動與主動探測是最常見的兩種探測方式,其中被動探測主要利用水聽器與聲吶陣列被動接收目標(biāo)的輻射噪聲[9],例如:潛艇與水體摩擦產(chǎn)生的水流噪聲以及潛器自身機(jī)械噪聲等,進(jìn)而結(jié)合波束形成、方位估計等信號處理方式提取目標(biāo)特征、方位、深度以及距離等信息.與此不同,主動探測技術(shù)通過發(fā)射聲波以及接收目標(biāo)反射回波方式進(jìn)行探測,其發(fā)展形成了以低頻大功率探測[10]、雙/多基地探測[11]、前向散射探測[12]和多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)[13-14]為主要分支的技術(shù)脈絡(luò).盡管如此,現(xiàn)有的水下被動或主動探測系統(tǒng)多假設(shè)其與水下通信系統(tǒng)是兩個獨(dú)立的子系統(tǒng),并沒有考慮兩者間功能上的重疊性與資源上的競爭性.

為了實(shí)現(xiàn)探測通信系統(tǒng)的集成化與智能化,Mealey于上個世紀(jì)60年代首次提出利用雷達(dá)脈沖對通信信號進(jìn)行調(diào)制的思想[5].受此啟發(fā),學(xué)者們從不同角度提出了多種信號處理機(jī)制,例如:分時機(jī)制[15]、分頻機(jī)制[16]、分波束機(jī)制[17]以及全共享機(jī)制[18].具體來說,分時機(jī)制將時間劃分為多個時隙,進(jìn)而利用轉(zhuǎn)換開關(guān)在不同時隙發(fā)送探測或者通信信號,其中同一時隙不能同時發(fā)送探測與通信信號;分頻機(jī)制在不同頻段分別實(shí)現(xiàn)探測與通信功能;分波束機(jī)制將相控陣?yán)走_(dá)的陣面劃分為不同的區(qū)域與波束,進(jìn)而利用不同波束實(shí)現(xiàn)探測與通信;全共享機(jī)制將探測與通信信號共享到同一發(fā)射波,使探測與通信同時同頻運(yùn)行.上述四種信號處理機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示.考慮到雷達(dá)具有高帶寬、大孔徑以及快傳播速度特點(diǎn),現(xiàn)有雷達(dá)探測通信一體化系統(tǒng)常采用分時、分頻或分波束機(jī)制.然而,水下聲吶系統(tǒng)可用帶寬窄、孔徑小、聲波傳播速率低,相比較而言水下聲吶系統(tǒng)更適合采用全共享機(jī)制.

表1 雷達(dá)通信一體化常用機(jī)制優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantagesanddisadvantagesofcommon mechanisms for integrated radar and communication

目前,學(xué)者們對全共享機(jī)制下聲吶探測通信一體化進(jìn)行了初步研究,并從不同角度設(shè)計了多種類型的共享波形.這些共享波形主要分為探測與通信信號疊加下的共享波形、基于探測信號的共享波形以及基于通信信號的共享波形.其中,探測與通信信號疊加下的共享波形采用相互正交的波形分別執(zhí)行探測與通信任務(wù)[19],其優(yōu)點(diǎn)是可以獨(dú)立設(shè)計波形,但是信號間互干擾嚴(yán)重、接收端信號分離困難.基于探測信號的共享波形將通信信息調(diào)制到探測信號上[20],保證了探測性能,但是其通信方向受探測波束方向性影響較大,不利于組網(wǎng)傳輸.基于通信信號的共享波形將探測信息調(diào)制到通信信號上[21],保證了通信性能,但是其聲源級低特點(diǎn)限制了探測性能的提升,盡管如此,水下信息物理系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)多節(jié)點(diǎn)協(xié)同特點(diǎn)可彌補(bǔ)此不足.為更清晰表示上述結(jié)論,圖3描述了基于通信信號的水下共享波形設(shè)計模式,主要包括:1)利用自身通信信號進(jìn)行主動目標(biāo)探測,即利用自身發(fā)射通信信號分別完成探測與傳輸;2)在通信同時被動目標(biāo)探測;3)利用其他節(jié)點(diǎn)通信信號進(jìn)行探測,即利用其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射的通信信號作為探測照射源實(shí)現(xiàn)探測與通信功能一體化.

圖3 基于通信信號的水下共享波形設(shè)計模式Fig.3 Design models for underwater shared waveform with the assistance of communication signal

除此之外,自干擾抑制以及回波信號處理是水下全共享機(jī)制另外兩個必須考慮的問題.對于雷達(dá)系統(tǒng)[22],一般采用聲學(xué)隔離、聲學(xué)抑制、模擬域發(fā)射泄漏抑制、數(shù)字域發(fā)射泄漏抑制的方式進(jìn)行自干擾抑制,以提高有效信號信噪比.同時,采用匹配濾波、信號分段以及估計融合等方式,對接收信號進(jìn)行解調(diào)與信息提取,以確保系統(tǒng)的探測與通信性能.上述工作為聲吶系統(tǒng)全共享機(jī)制的設(shè)計奠定了良好基礎(chǔ),但是水下聲吶孔徑與可用頻帶受限,使得上述基于雷達(dá)的全共享機(jī)制并不能直接應(yīng)用于水下.因此,水下聲吶探測通信一體化研究不能簡單照搬陸地雷達(dá)探測通信一體化相關(guān)技術(shù),而應(yīng)該綜合考慮聲吶資源受限約束,同時結(jié)合水聲低速傳輸、強(qiáng)多徑等信道特點(diǎn),設(shè)計與其相適應(yīng)的全共享機(jī)制.

3.2 弱通信條件下定位組網(wǎng)

定位組網(wǎng)是水下探測-通信-控制一體化設(shè)計的中間環(huán)節(jié),其目的是確定水下目標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)(例如:傳感器與潛器)的位置信息,進(jìn)而通過水聲通信協(xié)議設(shè)計的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健組網(wǎng),上述過程對確保水下探測信息的可靠傳輸與控制信息的有效反饋至關(guān)重要.

現(xiàn)有定位技術(shù)大致可分為兩類:距離相關(guān)技術(shù);距離無關(guān)技術(shù).前者主要利用主/被動聲吶、前視/側(cè)掃聲吶、測深儀等探測設(shè)備進(jìn)行定位,其定位精度高、受制因素少,是目前普遍采用的定位技術(shù).一些學(xué)者已經(jīng)對距離相關(guān)定位技術(shù)進(jìn)行了研究,并從不同角度出發(fā)開發(fā)了協(xié)同定位算法.這些算法大多利用信號到達(dá)時間差(TDOA)、信號到達(dá)時間(TOA)、信號飛行時間(TOF)、以及信號到達(dá)角度(AOA)進(jìn)行距離測量.例如,Liu等人[23]基于TDOA設(shè)計了多潛器協(xié)作的定位算法,實(shí)現(xiàn)了移動潛器群的精確定位.Zhou等人[24]為減小網(wǎng)絡(luò)通信能耗,考慮水下潛器與傳感器位置的時空相關(guān)性,提出了基于移動預(yù)測與TOA的協(xié)同定位算法.Luo等人[25]對傳感器節(jié)點(diǎn)的被動移動進(jìn)行分析,提出了混合網(wǎng)絡(luò)下協(xié)同定位算法.上述定位算法假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的時鐘是同步且聲線是直線傳播的,但是受水聲弱通信特性影響,節(jié)點(diǎn)間時鐘很難達(dá)到精確同步且聲線是彎曲傳輸?shù)?具體來說,水下異步時鐘與聲線彎曲模型可表示為[26-27]

其中:T表示節(jié)點(diǎn)本地時鐘;t表示真實(shí)時鐘;α與β分別表示節(jié)點(diǎn)時鐘漂移與偏移;C(z)表示深度為z時節(jié)點(diǎn)的水聲傳輸速度;表示與水下環(huán)境相關(guān)的聲速剖面陡度;b表示水面聲速.

基于上述時鐘與聲線模型,文獻(xiàn)[28]通過錨節(jié)點(diǎn)信息交互提出了多階段請求式異步定位算法,該算法能夠消除節(jié)點(diǎn)間時鐘偏移以及聲線彎曲的影響,但是存在定位延遲長、算法復(fù)雜度高的不足.為此,Mortazavi等人[29]對時鐘同步與定位聯(lián)合求解,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行聲線補(bǔ)償.為進(jìn)一步減少通信能耗,文獻(xiàn)[30]設(shè)計了一種基于移動預(yù)測的異步定位協(xié)議,文獻(xiàn)[31]提出了基于無跡卡爾曼濾波的水下異步定位算法.但是,上述文獻(xiàn)在定位估計問題求解過程中,需對非線性測量方程進(jìn)行近似線性化處理,這種近似線性化求解易引入模型誤差,使其定位精度降低.為克服上述不足,文獻(xiàn)[32]提出了基于無跡變換和最小二乘法的定位策略,然而最小二乘法易使定位陷入局部最優(yōu)解.為尋求全局最優(yōu)解,一些學(xué)者嘗試?yán)猛箖?yōu)化的方法對定位估計問題求解.盡管如此,水聲弱通信約束使得水下非凸問題轉(zhuǎn)化非常復(fù)雜甚至無解,因此傳統(tǒng)基于凸優(yōu)化策略的定位思路并不適用于求水下這類具有復(fù)雜約束的定位問題.為規(guī)避凸優(yōu)化轉(zhuǎn)化過程,一些學(xué)者嘗試將迭代學(xué)習(xí)應(yīng)用于定位過程,例如文獻(xiàn)[33]提出了基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的新型定位優(yōu)化估計策略,采用值迭代的方法對增量進(jìn)行更新,以快速收斂位置估計的全局最優(yōu)解.進(jìn)一步,文獻(xiàn)[34]分別設(shè)計了基于監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)與半監(jiān)督學(xué)習(xí)(見圖4)的水下目標(biāo)定位算法,并給出了算法全局收斂的穩(wěn)定性條件,確保了收斂速度穩(wěn)定、提升了位置估計準(zhǔn)確性.

圖4 基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的水下定位估計器框架Fig.4 Architecture of the semisupervised learningbased underwater localization estimator

在水下定位過程中,水體受外力和自身環(huán)境參數(shù)變化等因素影響會不斷地流動,形成快時變的水下流速場.水下流速場的存在增加了定位的不確定性、限制了異構(gòu)節(jié)點(diǎn)間協(xié)同能力的提升.現(xiàn)有文獻(xiàn)主要聚焦于如何通過設(shè)計定位估計器來確保定位精度,很少考慮水流等物理場對定位性能的影響.為此,Kim[35]將水流估計融入到水下定位協(xié)議中,提出了基于多潛器協(xié)同的水下流速場與定位聯(lián)合估計算法.此外,文獻(xiàn)[36]提出了基于拓?fù)淝袚Q機(jī)制的水流估計與潛器定位算法,文獻(xiàn)[37]設(shè)計了基于觀測器的定位與水流聯(lián)合估計算法.然而,上述文獻(xiàn)在定位與流速場聯(lián)合估計過程中并沒有考慮異步時鐘、聲線彎曲等弱通信特性.為彌補(bǔ)上述不足,文獻(xiàn)[38]設(shè)計了如圖5所示的異步定位協(xié)議,進(jìn)而提出了異步時鐘與聲線彎曲下聯(lián)合定位與流速場估計新方法,實(shí)現(xiàn)了弱通信約束下定位與流速場聯(lián)合估計、克服了流速場對定位帶來的不確定性.

圖5 水下異步定位協(xié)議Fig.5 Underwater asynchronous localization protocol

基于已獲取的節(jié)點(diǎn)位置信息,如何確保異構(gòu)節(jié)點(diǎn)間穩(wěn)健組網(wǎng)是通信層面另外一個亟需解決的問題.水下目標(biāo)的動態(tài)特性,帶來了探測的不確定性,僅通過挖掘目標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)來調(diào)度傳感器/潛器休眠-喚醒模式[39-40],并不能確保異構(gòu)節(jié)點(diǎn)間穩(wěn)健組網(wǎng).此外,水下通信環(huán)境復(fù)雜,且受海面、海底、物體的反射與聲速變化引起的折射以及多徑效應(yīng)等因素影響,水下節(jié)點(diǎn)感知與通信范圍具有時變特性,甚至出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效,影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B通性,造成拓?fù)浞指罴熬植客負(fù)涫?而水下洋流造成節(jié)點(diǎn)不可避免的漂移,使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袆討B(tài)特性.為確保信息的可靠傳輸,需要考慮網(wǎng)絡(luò)在動態(tài)漂流條件下的拓?fù)渥兓?以實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥B通性動態(tài)保持.目前,一些學(xué)者已經(jīng)對水聲傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性進(jìn)行了研究.Gjanci等[41]構(gòu)建了基于水下傳感器/潛器協(xié)同的探測架構(gòu),設(shè)計了貪婪自適應(yīng)調(diào)度算法來增強(qiáng)水下網(wǎng)絡(luò)連通性.Pompili等人[42]對水下傳感器的三維移動特性進(jìn)行研究提出了Bottom-grid算法,Akkaya等人[43]在該算法的基礎(chǔ)上提出自移動算法,通過持續(xù)調(diào)整節(jié)點(diǎn)深度,進(jìn)一步減少相鄰節(jié)點(diǎn)的重復(fù)覆蓋,提高了探測水域的連通性和覆蓋率.此外,Ibrahim等人[44]將水下節(jié)點(diǎn)配置描述為整數(shù)線性規(guī)劃問題,并利用啟發(fā)式算法求解接近最優(yōu)的NPhard動態(tài)優(yōu)化問題,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)連通性前提下覆蓋度的提高.然而,現(xiàn)有研究多以網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度作為水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性動態(tài)保持的度量,并沒有考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對探測性能的影響,易導(dǎo)致連通性和覆蓋度的提高以對水下移動目標(biāo)探測性能的降低為代價.

此外,為降低組網(wǎng)過程中的通信能耗,學(xué)者們從路由以及MAC協(xié)議等角度出發(fā)設(shè)計了多種高能效水聲通信協(xié)議,例如,文獻(xiàn)[45]采用維諾圖和二分圖的方式降低通信能耗,文獻(xiàn)[46]將定位地圖融入到通信協(xié)議以確保通信中斷時拓?fù)溥B通性.為實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥B通性與能量有效性的均衡,文獻(xiàn)[47]采用圖論中最優(yōu)剛性圖的方法來對水下能量均衡鏈路進(jìn)行優(yōu)化.具體來說,最優(yōu)剛性圖是通信復(fù)雜度最小的剛性圖,可在保持2連通(或3連通)同時減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間不必要的通信消耗.為此,文獻(xiàn)[47]將節(jié)點(diǎn)間的權(quán)值函數(shù)定義為節(jié)點(diǎn)之間的能量均衡函數(shù),即

式中:Ecos,j與Ecos,k分別為節(jié)點(diǎn)j與k傳輸一個數(shù)據(jù)包所需能量;Eres,j與Eres,k分別表示節(jié)點(diǎn)j與k儲存的剩余能量;Nj表示節(jié)點(diǎn)j的鄰居集合.上述公式意味著最優(yōu)剛性圖是拓?fù)渚S持在剛性架構(gòu)下能量均衡最優(yōu)的剛性圖.為此,依據(jù)三維空間中最優(yōu)剛性圖的剛度矩陣是一個行數(shù)為3n-6的行滿秩矩陣這一性質(zhì)(n為節(jié)點(diǎn)個數(shù)),依照對應(yīng)邊的長度(即能量均衡鏈路長度大小)對剛度矩陣進(jìn)行排序重組,整理出其中行數(shù)為3n-6的行滿秩矩陣,即得出由邊長和最小的3n-6條邊所組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對應(yīng)的剛度矩陣.將上述剛度矩陣的3n-6行所表示的邊連接于對應(yīng)的水下節(jié)點(diǎn)之間即得通信鏈路的最優(yōu)剛性圖.根據(jù)鄰域規(guī)則,若每個節(jié)點(diǎn)(包括水下傳感器與潛器)都需與其鄰居進(jìn)行通信,則水下網(wǎng)絡(luò)通信鏈路較為復(fù)雜,如圖6左圖所示.圖6右圖就是通信拓?fù)渌鶎?yīng)的最優(yōu)剛性圖,通過比較可知圖6右圖通信鏈路明顯減少,相對應(yīng)地其水下網(wǎng)絡(luò)能量均衡性能更優(yōu).

圖6 基于剛性圖的通信鏈路優(yōu)化Fig.6 Rigid graph-based communication link optimization

基于文獻(xiàn)[47]中的水下剛性拓?fù)鋬?yōu)化思想,文獻(xiàn)[48]將定位精度的一個重要指標(biāo)“克拉美羅下界(CRLB)”作為定位性能的衡量指標(biāo),設(shè)計水聲弱通信多約束條件下的剛性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的最優(yōu)部署方式,使得水下移動目標(biāo)在異步時鐘、聲線彎曲及能量受限約束下達(dá)到最好的定位效果.上述結(jié)果對進(jìn)一步研究基于剛性拓?fù)涞乃路€(wěn)健組網(wǎng)策略意義重大.

3.3 復(fù)雜水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制

受水流干擾等因素影響,水下傳感器對目標(biāo)探測誤差會不斷累積.因此,有必要面向探測與傳輸需要,增加部署少量可以自主移動的潛器,一方面作為移動錨節(jié)點(diǎn)向傳感器提供自定位參考,并根據(jù)探測的需要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)、拓?fù)湫迯?fù)與組網(wǎng)協(xié)同;另一方面根據(jù)傳感器已探測到的目標(biāo)信息,通過自身攜帶的水聲通信模塊動態(tài)協(xié)同鄰域內(nèi)的潛器,并組成特定的編隊圍捕隊形,以完成對水下移動目標(biāo)的近距離、高精度、全方位自主探測.為完成上述任務(wù),潛器需根據(jù)探測信息進(jìn)行航跡調(diào)度,進(jìn)而根據(jù)已規(guī)劃航跡進(jìn)行多潛器協(xié)同控制.

針對潛器的航跡規(guī)劃問題,劉妹琴等人[49]對水下目標(biāo)追蹤研究進(jìn)行了梳理,并建設(shè)性地給出了潛器航跡規(guī)劃中需要考慮的因素.文獻(xiàn)[50]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多潛器動態(tài)航跡規(guī)劃算法,文獻(xiàn)[51]考慮水下障礙物環(huán)境提出了一種水下無碰撞航跡規(guī)劃策略.進(jìn)一步,文獻(xiàn)[52]采用粒子群優(yōu)化算法,利用質(zhì)心交互框架設(shè)計了多潛器協(xié)同路徑規(guī)劃算法.文獻(xiàn)[53]考慮水流與障礙物的影響,提出了一種基于速度集成向量的多潛器航跡規(guī)劃方法.基于此,文獻(xiàn)[54]將潛器能量有效性、水流與障礙物約束聯(lián)合考慮,提出了一種基于蟻群算法的潛器航跡規(guī)劃策略.此外,文獻(xiàn)[55]考慮海流對潛器的影響,提出了基于區(qū)間優(yōu)化的潛器最優(yōu)時間路徑規(guī)劃算法.同時,文獻(xiàn)[56]基于自適應(yīng)差分進(jìn)化算法,提出了潛器能量最優(yōu)航跡規(guī)劃策略.在上述工作中,潛器的路徑長度被視為優(yōu)化指標(biāo),其目的是盡可能的設(shè)計一條路徑最短的軌跡,以確保潛器最短時間(或能量最小)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn).然而,在水下移動目標(biāo)探測過程中,僅僅考慮路徑長短并不能滿足感知與組網(wǎng)的要求,例如,為實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)探測過程中局部拓?fù)涞男迯?fù),潛器需要設(shè)計一條能聯(lián)合考慮能量有效性與覆蓋全面性的航跡.在陸地環(huán)境中,Mosto fi等人[57-58]將信道質(zhì)量融入到機(jī)器人航跡規(guī)劃過程中.基于此,文獻(xiàn)[59]聯(lián)合考慮水下通信與控制性能,提出了基于模型預(yù)測控制的多潛器路徑規(guī)劃算法.文獻(xiàn)[60]將通信與控制性能描述為環(huán)境收益函數(shù),設(shè)計了基于多目標(biāo)離散搜索的多潛器航跡規(guī)劃算法.然而,文獻(xiàn)[59-60]只是簡單地將通信性能映射為不同節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)溥B通性,并沒有考慮水下信道質(zhì)量.為解決上述不足,文獻(xiàn)[61]首次從MAC層出發(fā),構(gòu)建了通信與控制性能一體化下的聯(lián)合優(yōu)化問題,提出了面向水下數(shù)據(jù)收集的潛器航跡規(guī)劃算法,實(shí)現(xiàn)了潛器通信能耗與巡航時間的均衡.此外,文獻(xiàn)[62]將通信與控制性能聯(lián)合優(yōu)化問題描述為Q學(xué)習(xí)過程,提出了基于Q學(xué)習(xí)的多潛器航跡規(guī)劃算法.上述算法對未來進(jìn)一步考慮多徑、陰影、干擾等復(fù)雜水聲通信條件下的潛器通信-控制聯(lián)合航跡優(yōu)化問題提供了借鑒.

隨著潛器航跡的確定,潛器能否達(dá)到所需要的位置將最終決定整個自主協(xié)作監(jiān)測過程的成敗.對于單潛器追蹤控制,文獻(xiàn)[63]基于模型預(yù)測方法提出了潛器追蹤控制器.進(jìn)一步,文獻(xiàn)[64]設(shè)計了基于反推法(backstepping)的追蹤控制器,以解決潛器軌跡規(guī)劃和跟蹤控制聯(lián)合優(yōu)化問題.上述控制器建立在潛器動力學(xué)模型精確可知基礎(chǔ)上,然而與陸地機(jī)器人相比,潛器的動力學(xué)模型呈現(xiàn)強(qiáng)非線性、高耦合度等特點(diǎn),且受水流、復(fù)雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素影響,使得建立潛器精確的動力學(xué)模型非常困難.針對模型不確定問題,比例-積分-微分(PID)控制器仍然是目前最簡單且常用的控制方法[65-66].該方法具有原理簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn),但PID控制器參數(shù)選擇的好壞將直接影響控制器整體性能.針對模型不確定問題,文獻(xiàn)[67]采用時滯與積分滑模面來估計模型不確定與擾動.文獻(xiàn)[68]考慮模型參數(shù)不確定性、未知外界干擾和輸入飽和限制的影響,設(shè)計了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的欠驅(qū)動水下機(jī)器人三維同步跟蹤和鎮(zhèn)定控制器.為提高收斂速度,文獻(xiàn)[69]提出了有限時間滑模追蹤控制器,并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計不確定與擾動項.上述文獻(xiàn)都假設(shè)潛器速度可以通過多普勒速度儀(DVL)精確測量的,然而受水下環(huán)境干擾以及經(jīng)濟(jì)等因素影響,潛器的速度信息不可能一直能夠精確獲取.盡管文獻(xiàn)[70-71]考慮速度不可測約束,提出了基于觀測器的潛器追蹤控制器,但是其收斂速度過慢,即只能實(shí)現(xiàn)漸近收斂.為此,文獻(xiàn)[72]采用快速終端滑模速度觀測器來實(shí)現(xiàn)潛器速度信息有限時間觀測,采用自適應(yīng)方法估計模型不確定項,進(jìn)而設(shè)計了基于自適應(yīng)非奇異快速終端滑模的追蹤控制器,實(shí)現(xiàn)了潛器有限時間內(nèi)速度估計與位置追蹤.同時,文獻(xiàn)[73]采用自適應(yīng)非奇異快速終端滑?？刂苼韺?shí)現(xiàn)潛器輸入受限下的有限時間追蹤控制.

此外,受AlphaGo之父戴密斯提出的深度學(xué)習(xí)啟發(fā)[74],一些學(xué)者嘗試將增強(qiáng)學(xué)習(xí)等智能算法應(yīng)用到潛器追蹤控制中.例如,文獻(xiàn)[75]將水下目標(biāo)追蹤描述為馬爾科夫切換過程,提出了基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的潛器追蹤控制器.然而,上述潛器追蹤控制方法并沒有聯(lián)合考慮探測或者通信性能.為此,文獻(xiàn)[76]考慮水聲通信過程中的異步時鐘以及潛器模型不確定約束,設(shè)計了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的潛器聯(lián)合定位與追蹤控制算法,對于潛器模型中的不確定參數(shù),使用統(tǒng)計學(xué)中的多元概率配置法來減少獲取系統(tǒng)準(zhǔn)確均值所需的計算量,其中定位與追蹤控制耦合關(guān)系如圖7所示.此外,文獻(xiàn)[77]聯(lián)合考慮水下探測與追蹤控制性能,設(shè)計了基于改進(jìn)PID的潛器追蹤控制算法,其利用光學(xué)探測設(shè)備對海底目標(biāo)進(jìn)行探測.

圖7 潛器自定位與追蹤控制關(guān)系Fig.7 Relationship between self-localization and tracking control for underwater vehicle

作為單潛器追蹤控制系統(tǒng)的擴(kuò)展,多潛器編隊控制應(yīng)用廣泛,例如,不同任務(wù)(如拾取、運(yùn)輸和部署)下多潛器-機(jī)械臂系統(tǒng)的單獨(dú)和合作控制[78].一般來說,編隊協(xié)同控制可分為如下3種形式:基于行為的控制策略[79]、虛擬結(jié)構(gòu)策略[80]和領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者形成策略[81],其中領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略以其簡單性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)得到了眾多研究的廣泛重視.基于上述結(jié)構(gòu),學(xué)者們提出了多種潛器編隊控制器,然而現(xiàn)有研究通常忽略了水聲通信時延的影響.需要注意的是,水聲通信的低傳播速度,使得每傳輸1000 m大約需要0.67 s,水下節(jié)點(diǎn)時鐘不易同步等原因引起傳輸沖突等問題,進(jìn)而導(dǎo)致丟包或重傳,加劇了通信時延;而水聲通信速度又隨水的鹽度、溫度的升降而升降,因此使得水聲網(wǎng)絡(luò)通信時延呈現(xiàn)動態(tài)變化的特點(diǎn),而對于潛器控制系統(tǒng)而言,即使通信網(wǎng)絡(luò)中存在很小的時間延遲也會導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定.為此,文獻(xiàn)[82]考慮潛器編隊控制中的時變通信時延,將潛器1選擇為領(lǐng)航者,其目的是追蹤目標(biāo)點(diǎn)Xd.同時,其余潛器與領(lǐng)航者保持期望的相對狀態(tài),進(jìn)而設(shè)計如下形式的編隊控制器:

式中:τi表示第i個潛器的控制輸入;N表示潛器的總個數(shù);aij表示潛器i與j之間的鄰接關(guān)系;ki與αi為待設(shè)的增益矩陣;ηi表示潛器i的姿態(tài),γi為潛器i與1之間理想的相對狀態(tài),進(jìn)而表示經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的水下慣性向量;bi表示潛器i與目標(biāo)點(diǎn)連通關(guān)系增益,其中b1＞0,對于跟隨者潛器bi=0;di(t)表示潛器i與水面浮標(biāo)之間的時變通信時延.

與此同時,一些學(xué)者從其他角度提出了多種潛器編隊控制器,例如,不確定擾動[83]以及執(zhí)行器飽和[84]等.上述編隊控制器大部分考慮全驅(qū)動控制系統(tǒng),然而水下不確定因素可使?jié)撈饕粋?cè)推進(jìn)器失效,此外欠驅(qū)動控制具有減輕潛器重量、提高總體推進(jìn)效率等優(yōu)點(diǎn).因此,大部分潛器更適合采取欠驅(qū)動控制系統(tǒng).盡管如此,欠驅(qū)動系統(tǒng)獨(dú)立控制輸入維數(shù)少于運(yùn)動自由度,如何實(shí)現(xiàn)有限控制量控制更多自由度,是欠驅(qū)動控制的關(guān)鍵與難點(diǎn).為此,Saber首次提出將欠驅(qū)動下的歐拉-拉格朗日系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為級聯(lián)系統(tǒng)[85],進(jìn)而可采用傳統(tǒng)控制方法對機(jī)器人進(jìn)行控制[85].基于此,Lu等人[86]提出了欠驅(qū)動系統(tǒng)的滑?？刂?但是此方法的原始模型建立在機(jī)器人坐標(biāo)系下,而潛器欠驅(qū)動發(fā)生在歐拉-拉格朗日方程各自由度的控制中,因此并不適用于欠驅(qū)動潛器控制系統(tǒng).Ashra fiuon等人[87]利用雅克比矩陣轉(zhuǎn)將潛器坐標(biāo)系換成大地坐標(biāo)系,同時船體坐標(biāo)系下各自由度的欠驅(qū)動被轉(zhuǎn)化成控制耦合關(guān)系,進(jìn)而建立了平面欠驅(qū)動系統(tǒng)控制算法,然而該方法對參考軌跡運(yùn)動方程限制過強(qiáng),不適用于任意目標(biāo)軌跡的追蹤編隊.此外,Lefeber提出將追蹤誤差動力學(xué)方程轉(zhuǎn)化成兩個線性子系統(tǒng),進(jìn)而分別設(shè)計控制器[88].基于此,文獻(xiàn)[89]將艏向角及偏航角速度誤差系統(tǒng)定義為子系統(tǒng)2,其余誤差動力學(xué)方程定義為子系統(tǒng)1,將偏航角速度誤差看作子系統(tǒng)1的時變擾動信號,進(jìn)一步采用直接Lyapunov法設(shè)計了欠驅(qū)動水下機(jī)器人全局控制算法.然而,上述方法均假設(shè)期望軌跡的偏航角速度滿足持續(xù)激勵條件,也就是說,上述方法難以實(shí)現(xiàn)直線軌跡追蹤.針對這一問題,Wang等人[90]構(gòu)造輔助系統(tǒng),進(jìn)一步利用輔助系統(tǒng)構(gòu)造誤差動力學(xué)方程,從而避免持續(xù)激勵假設(shè),Park等人[91]提出了速度不可測下的欠驅(qū)動船體機(jī)器人的軌跡追蹤算法,其模型中慣性矩陣為非對角結(jié)構(gòu),且參數(shù)未知.上述研究工作為水聲弱通信條件下多潛器協(xié)同編隊控制奠定了良好的基礎(chǔ).

4 水下探測-通信-控制應(yīng)用

為最終實(shí)現(xiàn)水下立體探測、通信組網(wǎng)與協(xié)同控制,有必要搭建水下探測-通信-控制一體化平臺.圖8是一個典型的水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化平臺.目前,水下探測-通信-控制平臺搭建相關(guān)研究正處于起步階段,但是國內(nèi)外已經(jīng)開展的相關(guān)工作對未來一體化平臺搭建意義重大.

受美國海軍“水聲監(jiān)視系統(tǒng)”(SOSUS)啟發(fā),科學(xué)家在上世紀(jì)60年代就提出“建立水下探測網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)想.進(jìn)入21世紀(jì),尤其是“911事件”后,美國、日本等國家加快了建設(shè)水下探測網(wǎng)絡(luò)的步伐.2005年,美國國防部斥資開展“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)”(PLUSNET),使得基于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的探測系統(tǒng)在水下環(huán)境中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)[92].2016年,美國國家基金委宣布,歷時10年、耗資3.86億美元的“大型海洋觀測計劃”(OOI)正式啟動運(yùn)行[93].同年,美國國防高級研究計劃局投資研發(fā)的分布式敏捷反潛系統(tǒng)完成了海試,其利用數(shù)十個無人潛航器組網(wǎng),首創(chuàng)自下而上探測模式,提升了探測精度,實(shí)驗表明40個潛器組成的網(wǎng)絡(luò)可以探測近18萬平方千米的海域.2020年11月,麻省理工學(xué)院開發(fā)了一種水下反向散射定位系統(tǒng)[94],其通過反射調(diào)制的音頻信號生成二進(jìn)制脈沖,進(jìn)而計算往返時間以確定位置,實(shí)驗表明其淺水區(qū)估計距離精度約50 cm.此外,日本2002年構(gòu)建了“新型實(shí)時海底探測網(wǎng)”(ARENA),并于2017年宣布將聯(lián)合美國、韓國以及我國臺灣籌建“太平洋海底觀測網(wǎng)”.歐盟在海洋科學(xué)技術(shù)項目MAST-III的支持下,也相繼開展了一系列水下信息物理系統(tǒng)探測研究.例如,法國推出了Alister輕型水下潛器,長度為1.7～2.5 m、重量為50～90公斤,可有效探測及識別水雷,搭載有合成孔徑雷達(dá),比普通聲吶探測效果高5～10倍.上述重大項目的開展與相關(guān)計劃的制定,推動了水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制應(yīng)用的落地,成為各國/地區(qū)技術(shù)競爭的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)布局的焦點(diǎn).

我國擁有300萬平方公里管轄海域、1.8萬公里海岸線,深耕與經(jīng)略這片藍(lán)色國土,必須以強(qiáng)大的海洋探測能力作為技術(shù)支撐.與國外研究相比,我國水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制應(yīng)用研究起步較晚,但發(fā)展迅猛.國內(nèi)眾多研究所與高校,也開展了水下探測-通信-控制相關(guān)的應(yīng)用研究,并取得了一定的成果.2009年,同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合相關(guān)單元建成“小衢山海底觀測實(shí)驗站”[95],成為我國首個海底綜合觀測試驗與示范系統(tǒng).2013年,中科院南海海洋研究所、沈陽自動化研究所、聲學(xué)研究所共同建設(shè)的“三亞海底觀測示范系統(tǒng)”投入運(yùn)行[96].哈爾濱工程大學(xué)完成的“深海高精度水聲綜合定位技術(shù)”入選2017年度“中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”.2020年6月,中科院沈陽自動化研究所研制的“海斗一號”潛航器完成了10907 m下潛深度,刷新了我國潛水器下潛深度及作業(yè)深度的記錄.國內(nèi)這些已開展并取得的研究成果,給水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化應(yīng)用研究奠定了良好的基礎(chǔ).

5 思考與展望

“向海則興,背海則衰”,大力發(fā)展海洋事業(yè)已成為全世界的廣泛共識.隨著海洋裝備制造、傳感器、信息處理和人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展,水下信息物理系統(tǒng)正朝著無人化、集成化與智能化的方向快速發(fā)展.可以預(yù)見,通過探測、通信與控制的一體化設(shè)計來實(shí)現(xiàn)水下各種資源的共享與協(xié)同優(yōu)化將成為水下信息物理系統(tǒng)的一個重要研究方向,也將成為未來水下綜合電子信息系統(tǒng)發(fā)展的趨勢.

本文最后列出水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化設(shè)計過程中,一些重要但尚需解決的問題以及未來值得深入探究的研究方向.

1)在探測層面,各類探測感知設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn),只用某個單一設(shè)備并不能長時間、高可靠地確保水下探測任務(wù)的實(shí)現(xiàn)[97].因此,要實(shí)現(xiàn)對移動目標(biāo)全天候、全方位的實(shí)時探測,需要部署多平臺,獲得多維度、多層次、互補(bǔ)型的動態(tài)多源數(shù)據(jù),對其進(jìn)行高效融合處理,協(xié)同完成探測任務(wù).然而,水下環(huán)境的快時變和移動目標(biāo)的高機(jī)動,使得多平臺與移動目標(biāo)的信息具有多尺度(時間、空間等)、多粒度、高動態(tài)、高沖突等特點(diǎn).同時,水聲信道的窄帶寬、強(qiáng)多徑干擾使得3～5 km距離的典型數(shù)據(jù)傳輸率只有6～7 kb/s,致使信息傳輸易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或污染,且聲波傳播的慢速率造成的傳輸秒級長時延及時延抖動,引發(fā)數(shù)據(jù)時空失配和錯序.陸地環(huán)境下,苑晶等人[98]基于雷達(dá)與視覺進(jìn)行多源信息融合以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人目標(biāo)探索跟蹤.考慮水下復(fù)雜環(huán)境與目標(biāo)機(jī)動性等約束,如何對動態(tài)多源探測信息進(jìn)行高效融合以組建水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)尚未得到充分解決.

2)在通信層面,水下靜態(tài)與動態(tài)節(jié)點(diǎn)通過聲通信確定自身以及目標(biāo)位置信息,進(jìn)而利用水聲通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健組網(wǎng).現(xiàn)有的水下定位組網(wǎng)方式存在如下3個問題:1)通信協(xié)議主要關(guān)注如何將信息從源點(diǎn)傳輸?shù)浇K端,而不關(guān)注探測與控制性能,使得通信性能的提升有可能以犧牲探測與控制性能為代價;2)傳輸過程中的信息安全大多忽視,但是水下節(jié)點(diǎn)的隱私保護(hù)與攻擊防護(hù)不容忽視[99];3)信息處理優(yōu)化求解大多利用傳統(tǒng)最小二乘或者凸優(yōu)化求解,導(dǎo)致陷入局部最優(yōu)或者求解困難.針對上述問題,文獻(xiàn)[100]提出基于差分計算的隱私防護(hù)模型,進(jìn)而考慮水聲弱通信與流速場影響,設(shè)計了水下傳感器與目標(biāo)安全定位算法;文獻(xiàn)[101]指出針對復(fù)雜優(yōu)化問題,可以基于感知得到的動態(tài)環(huán)境信息,利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法以解決復(fù)雜優(yōu)化問題,以使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)高復(fù)雜、高動態(tài)、強(qiáng)對抗環(huán)境開展作業(yè)任務(wù).目前已有研究只是做了初步的探索,但如何在探測-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效安全通信與協(xié)同定位尚需進(jìn)一步研究.

3)在控制層面,控制對象與其性能要求隨探測-傳輸?shù)淖兓兓?對潛器反饋控制提出新的挑戰(zhàn).目前,潛器反饋控制通常假設(shè)探測與通信是完美實(shí)現(xiàn)的,即主要關(guān)注如何根據(jù)已獲取的導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制,然而水下復(fù)雜環(huán)境使得上述假設(shè)很難保證.可以預(yù)見,未來潛器協(xié)同控制,不僅需要具有一定的自主控制能力,而且還需要根據(jù)任務(wù)的需要具有信息獲取、任務(wù)規(guī)劃、無線通信、水質(zhì)適應(yīng)、長續(xù)航等能力,這離不開探測、通信、導(dǎo)航、信號處理、人工智能技術(shù)的支持.需要注意的是,利用潛器探測海洋生態(tài)環(huán)境(探測方向)、潛器的自供電技術(shù)(能源方向)、潛器的自適應(yīng)控制(控制方向)、基于蟻群算法的潛器路徑規(guī)劃(控制方向)、基于潛器的水下物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建(網(wǎng)絡(luò)方向)、潛器編隊控制(協(xié)同方向)、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的潛器跟蹤控制(控制方向)、潛器仿生設(shè)計(總體方向)、以潛器為移動邊緣的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(通信方向)、多潛器協(xié)同任務(wù)(協(xié)同方向)、移動式水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步(導(dǎo)航方向)、利用過氧化氫或直接推進(jìn)的動力系統(tǒng)(能源方向)、潛器水下無線充電(能源方向)、水陸兩棲無人系統(tǒng)(總體方向)、基于滑?？刂频臐撈鞲櫩刂?控制方向)、改進(jìn)潛器的單信標(biāo)導(dǎo)航精度(導(dǎo)航方向)、聲吶圖像中的目標(biāo)識別(探測方向)、潛器視覺定位(導(dǎo)航方向)、優(yōu)化潛器的環(huán)境采樣任務(wù)(探測方向)、潛器的深海探測任務(wù)(探測方向)已經(jīng)被列入潛器的20項前沿技術(shù)趨勢.因此,如何將一體化系統(tǒng)的反饋需求與面向控制的探測-通信相結(jié)合,進(jìn)而對潛器進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計與優(yōu)化將是一項具有挑戰(zhàn)性的研究方向.目前部分研究已經(jīng)開始朝著這個方向開展,但是尚需結(jié)合水下物理系統(tǒng)的特征(例如,水聲信道、噪弱通信性、噪聲特性與潛器物理受限等)進(jìn)一步深入研究.

4)在應(yīng)用層面,水下探測-通信-控制一體化平臺搭建相關(guān)研究正處于起步階段,研究結(jié)果主要通過仿真軟件進(jìn)行驗證.目前已有的海上實(shí)驗還停留在節(jié)點(diǎn)通信、組網(wǎng)和控制分離驗證的階段.因此,如何將探測-通信-控制一體化理論成果進(jìn)行海上驗證,并根據(jù)海試結(jié)果進(jìn)一步指導(dǎo)理論結(jié)果是未來需要重點(diǎn)研究的另外一個方向.此外,水下信息物理系統(tǒng)發(fā)展關(guān)鍵是面向應(yīng)用場景,從技術(shù)發(fā)展到解決實(shí)際應(yīng)用場景需求還有很多新的問題需要解決和突破.以海洋牧場中海珍品自主抓取為例,如何在弱光照與動態(tài)海流下實(shí)現(xiàn)“看得見”與“抓得著”是其面臨的兩個主要技術(shù)問題,這涉及多方面的技術(shù)突破,包括弱光照下水下圖像自主識別技術(shù)、動態(tài)水流下目標(biāo)定位技術(shù)、潛器航行與抓取聯(lián)動裝置設(shè)計技術(shù)、機(jī)械手自主抓取與回收技術(shù)等.需要強(qiáng)調(diào)的是,澳大利亞Blueprint實(shí)驗室生產(chǎn)的REACH ALPHA 5機(jī)械臂是目前世界上最小最輕的水下五功能機(jī)械手,具有質(zhì)量輕、精度高等優(yōu)點(diǎn),但是其價格昂貴,不利于規(guī)模化推廣.因此,一方面需要根據(jù)應(yīng)用場景的不同實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科背景、多技術(shù)領(lǐng)域的科研人員協(xié)作;另一方面需要推進(jìn)海洋試驗平臺共用以及數(shù)據(jù)共享,以期促進(jìn)水下信息物理系統(tǒng)信息化與智能化.