人工智能技術(shù)在未來海洋無人艇平臺的應(yīng)用

■文/王 健 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院海洋智能裝備與系統(tǒng)教育部重點實驗室助理研究員

作為新型的技術(shù)手段，人工智能技術(shù)在無人艇領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，也必將為未來海洋無人艇平臺智能化的提升帶來突破。

海洋無人艇是一種可以在無人狀態(tài)下自主作業(yè)的海上無人平臺，具有操縱靈活性、功能多樣性、作業(yè)水域復雜性等特點，可模塊化搭載感知載荷、任務(wù)載荷等，代替人工執(zhí)行危險作業(yè)任務(wù)。近年來，海洋無人艇在海上測繪、環(huán)境監(jiān)測、海事監(jiān)管、軍事偵察等領(lǐng)域均發(fā)揮了一定的作用，是海洋無人裝備領(lǐng)域的一個亮點裝備。

當前，隨著機器人、電子信息、計算機、自動控制等技術(shù)在無人艇平臺上的成熟應(yīng)用，無人艇的自動化水平得到了迅猛提升。在該領(lǐng)域，無人艇平臺已經(jīng)具備以下成熟能力：一是無人艇平臺船型多樣化與高性能能力；二是可靠的自主航行控制能力；三是多樣化的載荷能力。

然而，無人艇雖然具備了一定的自主航行功能，自動化能力得到了產(chǎn)品級驗證，但是其智能化水平還亟須進一步提升。相較于陸地機器人、無人車、無人機等無人裝備，海洋無人艇工作環(huán)境特殊，導致其在智能化提升的過程中遇到了諸多困難。在海洋環(huán)境中，無人艇自身具有大時滯、大慣性、非線性、欠驅(qū)動、模型不確定性等特點，傳統(tǒng)的航行控制算法難以應(yīng)對復雜海況下的高精度航行任務(wù)。再者，海上存在的風、浪、流、霧、暗礁等復雜環(huán)境特征，為無人艇感知海上環(huán)境及目標帶來了極端挑戰(zhàn)，感知能力的欠缺將直接影響無人艇的任務(wù)決策能力。此外，海上復雜的環(huán)境干擾會使通信效率降低，導致多艇協(xié)同作業(yè)難以有效實現(xiàn)。因此，亟須新的思路和技術(shù)應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，以進一步提升無人艇的智能化水平。

人工智能技術(shù)在醫(yī)療、機器人、計算機、工業(yè)、服務(wù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，在某些應(yīng)用場景下，機器已經(jīng)超越人類，能夠高可靠地執(zhí)行任務(wù)?？梢钥隙?，無人艇所面臨的挑戰(zhàn)將被人工智能技術(shù)逐一攻克。面向未來海洋無人艇平臺，人工智能技術(shù)需要在以下幾個方面做出突破。

一是復雜海況下的自主航行控制方面。由于海上運動的復雜非線性和不確定性，無法獲得無人艇的精確數(shù)學模型?？刹杉L浪中無人艇的運動時歷數(shù)據(jù)，使用人工智能技術(shù)開展運動趨勢預(yù)報及運動控制參數(shù)智能匹配，解決復雜變化環(huán)境下的高精度自主航行控制問題。

二是自主智能健康管理方面。復雜的海洋環(huán)境擾動必然會使無人艇故障率升高，如通信中斷、執(zhí)行機構(gòu)故障等。這就要求無人艇平臺在具有較高可靠性的同時，具備一定的自我健康診斷、預(yù)測以及故障自主處理能力，人工智能技術(shù)在該方面將發(fā)揮積極作用。

三是目標識別與態(tài)勢感知方面。海上高鹽霧、高風浪，以及平臺的縱搖、橫搖、升沉等運動，使得傳統(tǒng)目標識別方法無法有效和持續(xù)地感知目標，這也對人工智能技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。此外，在有效的感知手段的基礎(chǔ)上，如何基于感知數(shù)據(jù)形成有效的環(huán)境態(tài)勢，是支撐無人艇自主決策的核心之一。

四是智能任務(wù)決策方面。面向無人艇自身航行任務(wù)，基于動態(tài)多變的環(huán)境態(tài)勢，人工智能技術(shù)可支撐無人艇實現(xiàn)自主的任務(wù)規(guī)劃與決策。

五是多艇集群協(xié)同作業(yè)方面。多智能體強化學習等技術(shù)可進一步拓展無人艇海上集群自主協(xié)同作業(yè)能力，如自主協(xié)同追擊目標、自主協(xié)同探測等。