水面無人觀測平臺的發(fā)展與應(yīng)用

隨著科技的不斷發(fā)展，水面無人觀測平臺憑借其自身的靈活性、低成本和高效性逐漸取代了傳統(tǒng)有人船只來執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測資源勘探和安全巡邏等任務(wù)，在海洋科研和工程中的應(yīng)用越來越廣泛，成為重要的研究和觀測工具。

傳統(tǒng)的海洋調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測依賴于有人船只，不僅會面臨高昂的成本，在惡劣天氣和復(fù)雜海況的情形下還可能存在巨大的安全隱患，因此亟待開發(fā)一種可以代替有人船只的工具使海洋觀測更加靈活、經(jīng)濟、高效。水面無人觀測平臺（unmannedsurfacevehicle，USV）[1]作為一種集自動化控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸、環(huán)境監(jiān)測等功能于一體的自主平臺，在海洋、湖泊、河流等水域的研究與應(yīng)用中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。20世紀初，國外就已開始了對水面無人觀測平臺的研發(fā)，而我國在這一領(lǐng)域的研究起步較晚。近年來在國家各項政策的支持下，我國在水面無人觀測平臺的技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用上發(fā)展迅速，水面無人觀測平臺的性能和應(yīng)用場景也得到了顯著擴展。

水面無人觀測平臺的分類

水面無人觀測平臺可以根據(jù)不同的功能、結(jié)構(gòu)和平臺形式應(yīng)用在不同環(huán)境和任務(wù)當中。

根據(jù)應(yīng)用平臺功能，可分為環(huán)境監(jiān)測平臺、海洋勘探平臺和海上安全監(jiān)控平臺。環(huán)境監(jiān)測平臺主要用于監(jiān)測海洋、湖泊、河流等水域的環(huán)境信息，通常會搭載各種觀測環(huán)境的傳感器，對水體中水質(zhì)、溫度、pH、溶解氧、渾濁度、污染物濃度等各種環(huán)境參數(shù)進行采集。海洋勘探平臺通常配備聲吶、海面成像儀和化學(xué)探測儀器執(zhí)行各類勘探任務(wù)，主要用于探索礦產(chǎn)、油氣和生物等海洋資源。安全監(jiān)控平臺通常配備雷達、視頻監(jiān)控設(shè)備和自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）等設(shè)備進行海域巡邏和監(jiān)控并承擔(dān)海上安保、海域執(zhí)法和交通安全檢查等任務(wù)。

根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)，可分為單體結(jié)構(gòu)平臺、雙體結(jié)構(gòu)平臺和三體結(jié)構(gòu)平臺。單體結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計較為簡單，適用于大多數(shù)海況，但容易受到強風(fēng)和巨浪等復(fù)雜環(huán)境的影響而不能穩(wěn)定工作。雙體結(jié)構(gòu)平臺由兩個平行船體構(gòu)成，三體結(jié)構(gòu)平臺由一個中央船體和兩個較小的側(cè)浮體組成，這兩種結(jié)構(gòu)均具備較強的承載能力和高穩(wěn)定性，在惡劣海況下表現(xiàn)出色，適合搭載大型傳感器，但由于其本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，兩種平臺的整體設(shè)計和制造難度較大，成本也相對較高，在狹窄水域中的適應(yīng)性較差。

根據(jù)動力結(jié)構(gòu)，可分為常規(guī)推進系統(tǒng)平臺、水噴推進系統(tǒng)平臺和風(fēng)帆推進平臺。常規(guī)推進系統(tǒng)平臺使用的是傳統(tǒng)船舶推進方式，如螺旋槳和外部馬達，主要依賴水流推力前進，適合在平穩(wěn)環(huán)境中作業(yè)。水噴推進系統(tǒng)平臺利用高壓水流進行推進，適用于需要高機動性和快速反應(yīng)的任務(wù)，能在復(fù)雜海況中實現(xiàn)精準控制，但其設(shè)計和維護成本較高。風(fēng)帆推進平臺主要依靠風(fēng)力驅(qū)動，可以無須燃料就滿足平臺長時間運行的需求，但容易受環(huán)境條件制約，應(yīng)用場景十分有限。

不同的結(jié)構(gòu)使這些平臺在任務(wù)執(zhí)行、機動性、穩(wěn)定性和承載能力等方面各具獨特的優(yōu)勢和適應(yīng)性。

根據(jù)其形式，可分為無人船、無人浮標和無人水面機器人。無人船是最常見的水面無人觀測平臺，搭載多種觀測設(shè)備[2]，如水質(zhì)和氣象傳感器、雷達和聲吶等，可通過遙控或自主導(dǎo)航完成巡航監(jiān)測等任務(wù)。無人浮標依靠浮力漂浮在水面上，專注于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集任務(wù)，配有氣象、溫度、鹽度和波浪等傳感器。無人水面機器人集成自動導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行功能，適合更為復(fù)雜的水面作業(yè)。

水面無人觀測平臺的技術(shù)進展

水面無人觀測平臺在傳感器集成、導(dǎo)航與控制、能源利用效率等方面取得了顯著的技術(shù)進展，這些技術(shù)的進步不僅推動了平臺應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，還提高了平臺的性能與可靠性。

傳感器技術(shù)

基于傳感器種類的豐富與精度的提高，平臺已集成多種小型化、高精度的傳感器，使其能夠在海洋環(huán)境中進行更為細致和多樣化的觀測。

環(huán)境傳感器集成

水質(zhì)監(jiān)測傳感器主要包括光譜分析儀和電化學(xué)傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測多種污染物、溶解氣體和微量元素。光譜分析儀能通過測量水體對不同波長光的吸收和反射特性，準確迅速地定位污染源，實現(xiàn)對水質(zhì)變化的實時監(jiān)測。電化學(xué)傳感器則適用于檢測水中的溶解氧、氨氮和亞硝酸鹽等污染物。

氣象傳感器常用于監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等海面氣象參數(shù)，根據(jù)測量的參數(shù)不同細分為不同的傳感器。溫濕度傳感器是氣象傳感器中較為常用的傳感器，用于測量大氣中的溫度和濕度，在高濕環(huán)境下精度高，且穩(wěn)定性好不易受到灰塵等環(huán)境因素的影響。大氣壓力和風(fēng)速傳感器同理也是分別用于測量大氣中的空氣壓力和風(fēng)速的傳感器，均是氣象傳感器的重要組成部分。

傳統(tǒng)觀測溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)時往往需分別配置相應(yīng)的設(shè)備，而新型集成式溫鹽深測量儀將溫度、鹽度和深度測量技術(shù)結(jié)合，能同步采集三者的數(shù)據(jù)，減少設(shè)備體積并提高測量效率。光學(xué)鹽度傳感器引入光學(xué)技術(shù)，采用光散射原理檢測水體的光學(xué)特性來推算鹽度，適用于快速變化的海洋環(huán)境。

聲吶與圖像設(shè)備

為了滿足海洋資源勘探和水面物體探測的需求，高分辨率的多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、激光掃描儀等設(shè)備的應(yīng)用，使得平臺能夠精確探測海洋環(huán)境的變化。

聲吶是海洋環(huán)境監(jiān)測中不可或缺的重要工具，常用于探測水面障礙物、測繪水面情形以及監(jiān)測水面生物，可以通過發(fā)射多個波束并接收回波信號從而生成高分辨率的海面地圖，具有更高的分辨率能夠識別環(huán)境中微小的物體或障礙。

平臺搭載高清水面攝像頭可提供實時視頻監(jiān)控和清晰的環(huán)境圖像，特別是在復(fù)雜環(huán)境下，平臺還可搭載激光掃描儀通過三維激光快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場景的三維可視化模型?；谝陨嫌^測設(shè)備，平臺識別物體和感知環(huán)境將更加智能，從而可以執(zhí)行更加復(fù)雜的水面觀測任務(wù)。

導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

導(dǎo)航與控制系統(tǒng)是水面無人觀測平臺的核心技術(shù)之一。目前，平臺的導(dǎo)航與控制系統(tǒng)已經(jīng)具備自主導(dǎo)航、自動避障、完成預(yù)定任務(wù)的能力。

自主導(dǎo)航與避障技術(shù)

自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertialnavigationsystems，INS）和視覺導(dǎo)航等多種導(dǎo)航技術(shù)。

GNSS通過接收衛(wèi)星信號來確定平臺的位置和速度，為平臺提供全球范圍的定位服務(wù)。而INS則通過測量加速度和角速度推算平臺的位置和姿態(tài)，提供實時導(dǎo)航信息。兩者通常聯(lián)合使用，在GNSS信號丟失或受到干擾的情況下，INS能夠繼續(xù)提供導(dǎo)航支持，確保平臺的穩(wěn)定運行。視覺導(dǎo)航技術(shù)則利用攝像頭和圖像處理算法提取環(huán)境特征點，適用于封閉環(huán)境或復(fù)雜海域，無須依賴外部信號即可完成平臺的視覺定位和路徑規(guī)劃。

現(xiàn)代平臺通常將導(dǎo)航技術(shù)同激光雷達和聲吶等傳感器相結(jié)合，激光雷達和聲吶技術(shù)可以為平臺提供實時三維環(huán)境感知能力，使其能夠在多種復(fù)雜場景中進行精準的導(dǎo)航與探測。在此基礎(chǔ)上，自主避障技術(shù)將觀測數(shù)據(jù)進行融合，確保平臺在復(fù)雜海洋環(huán)境中準確識別環(huán)境信息，檢測漂浮物、其他船只和海洋設(shè)施等環(huán)境障礙進行規(guī)避。

協(xié)同控制技術(shù)

協(xié)同控制技術(shù)通過多平臺協(xié)調(diào)合作，可實現(xiàn)單個平臺無法完成的任務(wù)，主要涉及信息共享、協(xié)同決策、任務(wù)分配及控制方式。

多平臺的協(xié)同控制主要基于各平臺之間的實時通信。常用的通信技術(shù)包括無線局域網(wǎng)、藍牙、衛(wèi)星通信和低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)。無線局域網(wǎng)和藍牙適合短距離平臺間的通信，通常用于較小海域或靠近岸邊的環(huán)境。衛(wèi)星通信則適合長距離通信，可提供全球覆蓋和高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)特別適合長期監(jiān)測任務(wù)，例如無人浮標等平臺可提供低功耗和長距離通信能力，滿足持續(xù)監(jiān)測的需求。

在協(xié)同控制中，為避免平臺間彼此碰撞，規(guī)避外部障礙物，需要為平臺設(shè)計縝密的控制算法。常用的路徑規(guī)劃與避障算法包括 A^* 算法、Dijkstra算法、基于采樣的快速隨機探索樹（rapidly-exploringrandomtree，RRT）和概率路圖法（probabilistic road map，PRM）以及人工勢場法（artificialpotentialfield，APF）。協(xié)同控制系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行時還必須具備實時的自適應(yīng)能力。自適應(yīng)控制算法和反饋控制機制能夠根據(jù)電池電量、負載、故障等平臺狀態(tài)和海浪、風(fēng)速、能見度等環(huán)境條件的變化進行實時監(jiān)控和響應(yīng)，保持平臺的穩(wěn)定運行。

能源系統(tǒng)

由于水面無人觀測平臺應(yīng)用場景的日益復(fù)雜，其能源系統(tǒng)的設(shè)計與發(fā)展直接影響平臺的穩(wěn)定性、機動性、續(xù)航及執(zhí)行任務(wù)的能力。

電池與能源存儲技術(shù)

水面無人觀測平臺的續(xù)航能力一直是影響其應(yīng)用廣度的關(guān)鍵因素。而高性能電池技術(shù)的發(fā)展，特別是在鋰電池技術(shù)上的突破，使平臺的續(xù)航能力大幅提高。固態(tài)電池和超級電容器等新型的高能量密度儲能設(shè)備為平臺長時間運行提供了強有力的保障。

平臺能源系統(tǒng)中可采用太陽能電池板等可再生能源設(shè)備，尤其在鈣鈦礦太陽能電池、雙面太陽能電池和柔性光伏膜等新型光伏材料的出現(xiàn)之后，使得太陽能電池板對太陽能的利用效率可以同樣保障平臺的續(xù)航能力。太陽能電池板還可以與高效能鋰電池進行組合使用，在光照充足的情況下，冗余的太陽能通過鋰電池儲存下來補充平臺能源消耗，進一步延長平臺的觀測時間。此外，太陽能電池板可應(yīng)用于平臺集成式光伏系統(tǒng)，不僅將太陽能電池板作為主要電力來源，還能將其融入平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計當中，實現(xiàn)降本增效。光伏系統(tǒng)的布局和角度可根據(jù)平臺的任務(wù)需求和使用環(huán)境進行優(yōu)化，以最大限度提高能源收集效率，進一步增強平臺的續(xù)航能力和環(huán)境適應(yīng)性。

此外，還有一些平臺已開始集成波浪能轉(zhuǎn)化裝置，通過捕捉水面波動將動能轉(zhuǎn)化為電力，為平臺在遠海工作提供長期動力支持。同時，潮汐發(fā)電裝置也在大型水面無人觀測平臺逐步得到應(yīng)用，特別是在潮汐顯著的海域，可以持續(xù)為平臺提供電力。這些能源技術(shù)在水面無人觀測平臺上的應(yīng)用，為平臺實現(xiàn)更長續(xù)航和更高自主性奠定了基礎(chǔ)。

智能能源管理系統(tǒng)

智能能源管理系統(tǒng)（energymanagementsystem，EMS）通過實時監(jiān)控平臺的電池狀態(tài)、功耗及環(huán)境條件，動態(tài)調(diào)整能源使用策略，從而優(yōu)化能源利用效率并延長平臺的工作時間。尤其在多任務(wù)協(xié)同過程中，EMS能顯著提升平臺的作業(yè)效率。

在能源技術(shù)的優(yōu)化中，鋰電池和固態(tài)電池等高效能電池的使用是關(guān)鍵。鋰離子電池作為目前主流儲能設(shè)備，以其高能量密度和長壽命的特點被廣泛應(yīng)用于水面無人觀測平臺。固態(tài)電池的研發(fā)也逐漸成熟，具備更高的安全性和能量密度。超級電容器與電池系統(tǒng)協(xié)同運作能夠提供短時間內(nèi)的大功率能量輸出，可以顯著提高平臺的響應(yīng)速度和操作性能。

水面無人觀測平臺應(yīng)用場景的日益復(fù)雜，越來越多的平臺開始集成EMS。EMS在平臺采用鋰電池、太陽能和風(fēng)力發(fā)電等多種能源系統(tǒng)的組合下，能夠根據(jù)環(huán)境條件靈活調(diào)整能源供給方式。通過EMS對多能源協(xié)同管理，平臺能夠有效降低對單一能源的依賴，提高其在復(fù)雜環(huán)境中的作業(yè)能力。

國外水面無人觀測平臺的研究動態(tài)

當前，全球范圍內(nèi)對水面無人觀測平臺的研究與應(yīng)用不斷深化，各國在技術(shù)研發(fā)和實際應(yīng)用上各具特色。美國對水面無人觀測平臺的研究和應(yīng)用一直處于全球領(lǐng)先地位，是最早開展無人平臺研發(fā)的國家。美國海軍、美國國家航空航天局（nationalaeronauticsandspaceadministration，NASA）和美國國家海洋和大氣管理局（nationaloceanicandatmosphericadministration，NOAA）等積極參與平臺的研發(fā)工作，形成了完整的研究體系，清晰的發(fā)展目標和路線，產(chǎn)品逐漸實現(xiàn)系列化[3]。美國制定了許多有關(guān)平臺的標準，使其在該技術(shù)領(lǐng)域一直保持全球領(lǐng)先地位，引領(lǐng)著行業(yè)發(fā)展方向。美國海軍開發(fā)的“SeaHunter”無人船，是這一領(lǐng)域的典型代表，其源于“反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無人水面艇”（anti-submarinewarfarecontinuous trailunmannedvessel，ACTUV）項目，旨在研發(fā)一種具備超長續(xù)航能力的自主反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)[4]。該船采用三體結(jié)構(gòu)，配有兩個增加浮力和穩(wěn)定性的側(cè)片體，船長40米，全寬12.19米（含兩側(cè)浮體），中央船體寬3.35米，排水量約140噸，使用雙軸柴油機推進，最大航速達27節(jié)，能夠在5級海況下持續(xù)運行，并在7級海況下保持航行與生存能力。該項目始于2010年，2016年完成下水和海試，驗證艇正式命名為“海上獵人”。此外，美國還廣泛利用水面無人觀測平臺執(zhí)行海洋監(jiān)測、氣象觀測和安全巡邏等任務(wù)。目前，美國已研發(fā)或應(yīng)用的無人水面艇種類多達30種，包括“海上貓頭鷹”“海上獵手”“斯巴達偵察兵”“幽靈衛(wèi)士”和“金槍魚”等[3]。

以色列的水面無人觀測平臺研制技術(shù)僅次于美國，其將豐富和先進的無人機研制經(jīng)驗應(yīng)用于無人艇研制，被公認為該領(lǐng)域的先驅(qū)之一，許多國家的無人艇設(shè)計都是基于以色列的無人艇技術(shù)進行改造的。拉斐爾公司、埃爾比特系統(tǒng)公司和以色列航空工業(yè)公司是該國無人平臺技術(shù)的主要推動者，對外出口多種型號的水面無人艇，其中包括“保護者”“海上騎士”“卡塔娜”“黃貂魚”“海星”“銀色馬林魚”“海鷗”等[5]。以色列率先出口的“保護者”型無人水面艇成為標志性產(chǎn)品，新加坡海軍是其首個海外用戶。與美國類似，以色列主要將水面平臺應(yīng)用于國防領(lǐng)域，充分發(fā)揮其在海上安全和軍事任務(wù)中的優(yōu)勢。

日本研究水面無人觀測平臺的時間也比較早，20世紀80年代，日本就開始了對平臺的研究，但受制于網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，未真正實現(xiàn)智能化。日本的無人觀測平臺技術(shù)強調(diào)高精度航行控制和多傳感器集成，主要用于海洋資源調(diào)查、氣候變化監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域。其中最具代表性的為“SOLEIL”無人船：長222.5米、寬25米、吃水7.4米，最大航速為28.3節(jié)，具備自主進出港、目標檢測、避碰和高速航行能力，成功完成了全球首次大型渡船自主航行實驗。而“Shin-Ei”無人船則配備先進的聲吶、光學(xué)傳感器和環(huán)境監(jiān)測儀器，廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測和漁業(yè)資源管理。

在歐洲，英國、法國、意大利等國在水面無人觀測平臺技術(shù)的研究中也取得了顯著成果。英國研發(fā)的無人船包括“哨兵”“衛(wèi)兵”“黑魚”“翡翠鳥”“鷂”“FIACRT”“C-CAT4”（多功能型）“C-Sweep\"（反水雷型）“Atlas”“Pacific950”“MAST-13”“Madfox”“ARCIMS”和\"FMTD\"[3]等。英國ASV公司開發(fā)的“C-Enduro”號全艇采用碳纖維材料建造，艇體為雙體船型，艇長為4.1米，寬為2.4米，高為2.8米，吃水為0.45米，滿載排水量為450千克。該平臺整合了太陽能帆板、柴油和風(fēng)力發(fā)電機三種動力系統(tǒng)[4]，由2臺1.4千瓦水面直流無刷電機驅(qū)動，最高航速為7節(jié)，可在海上持續(xù)航行約3個月，具備自傾覆恢復(fù)能力。平臺上搭載有GPS、AIS、MBES、CTD、ADCP和防撞雷達等設(shè)備，主要應(yīng)用于凱爾特海域的海洋生物科研。

法國在水面無人觀測平臺領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)相對落后，無人船種類有限，但在海洋污染監(jiān)測和清理方面取得了顯著突破，多利用平臺執(zhí)行海洋垃圾收集等任務(wù)。法國的無人船包括“檢察員”（MK1/MK2）“羅德爾”“巴西爾”“超大型無人潛航器”（XLUUV）“FDS-3”“Sterenn Du”“ROAZ”“Inspector”和“CatarobT-02”[3]等。Sirehna公司研發(fā)的“Rodeur”號長9.2米，基于RHIB平臺設(shè)計，主要用于海洋環(huán)境監(jiān)測、偵察、反潛和獵雷等任務(wù)。

意大利的水面無人觀測平臺種類豐富，涵蓋軍事、科研和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，主要包括GHOST系列、ARCIMS系列、MIRAGE系列、VULCANO和LUMEN無人艇等。其中，“Charlie”號為代表性平臺，艇長2.4米、寬1.7米，配備高效太陽能電池板，由無刷直流電機驅(qū)動，可持續(xù)工作超過20天，主要用于海洋微表層取樣、氣候監(jiān)測和魚雷探測等任務(wù)。

國內(nèi)水面無人觀測平臺的研究動態(tài)

我國在水面無人觀測平臺的研究起步較晚，近年來政府為促進無人船技術(shù)的發(fā)展陸續(xù)出臺了多項政策，涵蓋了無人船發(fā)展規(guī)劃、標準體系和保障措施等方面，為行業(yè)發(fā)展提供了方向和支持。2017年，國務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，旨在提升我國在人工智能領(lǐng)域的全球競爭力；2020年，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《智能船舶標準體系建設(shè)指南（征求意見稿）》[]，明確了智能船舶標準體系的建設(shè)原則、范圍和重點；2023年，國家發(fā)展改革委出臺《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2023年）》，鼓勵綠色智能運輸船舶的建設(shè)與發(fā)展。

在各項政策支持和各級推動下，我國在水面無人觀測平臺方面的研究飛速發(fā)展，形成了由科研機構(gòu)、航天科技公司、軍工企業(yè)等多方合作推動的技術(shù)研發(fā)格局。中國科學(xué)院海洋研究所及其下屬單位積極開展水面無人觀測平臺的研發(fā)工作，代表性平臺有“海洋遙感一號”系列，廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測和氣候研究等領(lǐng)域。上海大學(xué)于2013年成功研制“精?！毕盗袩o人艇，平臺總長6.28米，設(shè)計吃水0.43米，續(xù)航力達130海里，巡航航速可達10節(jié)。該系列平臺具備遙控與自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、自動避障、遠距離航行等多項功能，并融合了單波束和多波束聲吶測深、前視多波束聲吶、三?？刂频燃夹g(shù)，具備較強的技術(shù)優(yōu)勢。

2016年，海軍工程大學(xué)成功完成其最新研制的“海鱘號”無人艇的首次湖試。該平臺采用模塊化設(shè)計理念，搭載了先進的導(dǎo)航系統(tǒng)、光電系統(tǒng)以及多種探測設(shè)備，并配備了高性能的智能控制算法，可實現(xiàn)路徑規(guī)劃、區(qū)域監(jiān)控、自主巡航、伴隨航行以及智能避障等多種工作模式，展現(xiàn)出卓越的多任務(wù)執(zhí)行能力和自主性。2017年，哈爾濱工程大學(xué)研制的“天行1”號完成專家組的海事驗收，具備“高航速、大航程、自主監(jiān)測”等領(lǐng)先技術(shù)，支持手操、遙控、半自主和全自主4種工作模式。此外，武漢理工大學(xué)設(shè)計的無人試驗船控制平臺，在三體船“MSA”號上成功進行了遠程遙控與航向PID控制的測試，驗證了航向控制算法。中國船級社、珠海市政府和武漢理工大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的全球首艘小型無人貨船“筋斗云”于2020年初下水，主要用于內(nèi)河航運和海島日常補給，旨在降低遠距離海島補給的高成本。

除高校和研究所等科研單位之外，國內(nèi)許多高新科技公司在水面無人觀測平臺研究方面也做出了突出貢獻。中船重工、中船集團等國有大型企業(yè)，在平臺的研發(fā)方面投入大量資源，逐漸形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無人船平臺技術(shù)。這些平臺主要應(yīng)用于海洋科研、海洋環(huán)保、海上安全等領(lǐng)域。2008年，中國航天科工集團公司所屬沈陽航天新光集團與中國氣象局大氣探測技術(shù)中心共同成功研制了我國首艘無人駕駛海上氣象探測船“天象1”號[4]，其船身采用碳纖維材料，最大長度為6.7米、最大寬度為2.45米、總高3.5米、重2.3噸，搭載GPS、雷達、圖像傳輸和處理系統(tǒng)等先進設(shè)備，融合了智能駕駛、雷達搜索、衛(wèi)星應(yīng)用、圖像處理與傳輸?shù)惹把丶夹g(shù)，有人工遙控和自動駕駛兩種駕駛方式[7]，該系統(tǒng)作為應(yīng)急裝備成功為同年舉辦的青島奧帆賽提供了氣象保障服務(wù)。

中船集團研發(fā)的“大智”號是我國首艘將“智能”概念應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的智能船舶，也是全球首艘通過船級社認證的智能船。該船長179米、型寬32米、型深15米，搭載全球首個能夠自主學(xué)習(xí)的智能運行與維護系統(tǒng)，能夠獲取船舶自身及海洋洋流等相關(guān)信息，自動規(guī)劃航線，評估船舶健康狀況，并發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。中國船舶黃埔文沖船舶有限公司成功研發(fā)了全球首艘具有遠程遙控和開闊水域自主航行功能的智能型無人系統(tǒng)科考母船—“珠海云”號。該船長88.5米、型寬14米、型深6.1米、吃水3.7米、最大航速18節(jié)、經(jīng)濟航速13節(jié)，可搭載不同類型的觀測儀器，主要用于海洋觀測和科研任務(wù)。青島藍谷智慧航海（青島）科技有限公司研發(fā)的“智飛”號是我國首艘自主航行的300TEU集裝箱商船，具備人工駕駛、遠程遙控駕駛和無人自主航行三種模式[8]。該船全長110米、型寬15米、型深10米，設(shè)計航速12節(jié)，具備航行環(huán)境智能感知、自主循跡、航線自動規(guī)劃、智能避碰、自主靠離泊等功能。

挑戰(zhàn)與展望

盡管水面無人觀測平臺在海洋科研、環(huán)境監(jiān)測和海上安全等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但在實際中仍面臨一些技術(shù)和應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。

首先，水面無人觀測平臺在復(fù)雜海況下的穩(wěn)定性和可靠性仍是一個技術(shù)難題，風(fēng)浪、潮汐和流速等環(huán)境因素均會影響其航行的穩(wěn)定性，特別在極端氣候條件下，單體結(jié)構(gòu)平臺容易受損或失控。采用輕量化、抗風(fēng)浪材料與新型多體結(jié)構(gòu)，或?qū)⒂行岣咂脚_在復(fù)雜海況中的航行穩(wěn)定性和工作可靠性。

其次，盡管能源效率有所進展，但平臺的續(xù)航能力仍受較大的限制。尤其在遠海監(jiān)測等復(fù)雜任務(wù)中，電池和太陽能的續(xù)航時間、充電速度和能源利用率無法滿足需求。采用結(jié)合氫能、風(fēng)能、太陽能等多能源的管理系統(tǒng)將能夠支持平臺長時間的無人作業(yè)，特別是在偏遠海域監(jiān)測中的持續(xù)應(yīng)用。

最后，自主導(dǎo)航與避障技術(shù)雖已有進展，但平臺在復(fù)雜海況中的定位精度、障礙物識別和路徑規(guī)劃等方面仍略顯不足。應(yīng)用人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的水面無人觀測平臺將更加智能化，能夠?qū)崟r處理復(fù)雜的環(huán)境信息，進行更加精確的任務(wù)決策和規(guī)劃。

展望未來，水面無人觀測平臺作為海洋領(lǐng)域的核心技術(shù)裝備，其應(yīng)用潛力將進一步釋放。隨著智能感知、自主航行等關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)突破，該平臺將為全球海洋科學(xué)研究、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及氣候變遷評估提供更精準的時空數(shù)據(jù)支撐。其全天候、立體化的觀測能力，不僅有助于完善海洋數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)，更為人類實現(xiàn)藍色可持續(xù)發(fā)展目標構(gòu)建起智能化的決策支持體系，將在智慧海洋建設(shè)中發(fā)揮不可替代的戰(zhàn)略作用。

[1」魏星.海面雨霧環(huán)境下的無人艇光學(xué)圖像恢復(fù)與語義分割算法.哈爾濱工程大學(xué)，2022.

[2]王成才，商志剛，何宇帆，等.無人船信息融合與避障關(guān)鍵技術(shù)綜述.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2019，14（12）：1228-1232.

[3]張文拴，李爭，鄭瑤.國內(nèi)外無人船發(fā)展現(xiàn)狀及研發(fā)趨勢.艦船科學(xué)技術(shù)，2024，46（15）：79-83.

[4]熊勇，余嘉俊，張加，等.無人艇研究進展及發(fā)展方向.船舶工程，2020，42（02）：12-19.

[5]陳映彬.無人船發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)綜述.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（2）：65-66.

[6]朱飛祥，李國帥，王少博.智能船舶航行系統(tǒng)測試的方法與體．中國航海，2022，45（01）：127-132.

[7]軍武.中國無人艇有多厲害.生命與災(zāi)害，2024，（02）：24-25.

[8]嚴新平，褚端峰，劉佳侖，等.智能交通發(fā)展的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望.交通運輸研究，2021，7（06）： 2-10+22