无人驾驶船舶未来的应用前景

王之乐/ 中船重工第七一四研究所，北京市 海淀区 100101

随着无人化、智能化及信息化技术的快速发展以及在海洋平台中的广泛应用，无人艇展现出了巨大的应用前景。本文介绍了无人艇的发展历程，分析了世界各主要国家无人艇的发展现状，提出了无人艇未来的发展趋势，并指出了发展的重大前沿问题以及发展建议。

党的十九大报告中明确要求“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”，为建设海洋强国再一次吹响了号角。随着社会发展和科学技术的不断进步，海上无人化、智能化、信息化系统已经成为现代系统的发展趋势。作为有人装备的必要补充，海上无人装备可以有效降低人员可能遭遇到的威胁，减少伤亡，在未来民用领域、信息化战争，及反恐斗争中将具有独特的地位。

近年来，随着自动控制、大数据、人工智能等技术的快速发展，与船舶有关的环境感知技术、通信导航技术等也得到广泛应用，为无人艇的发展提供了广阔的技术可行性。

无人艇的特点和定位

无人艇(Unmanned Surface Vessel， USV)是一种可以无人操作，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的水面舰艇。无人艇具有小型轻便、便于舰载、机动能力强、隐蔽性好、无人员伤亡、建造与使用成本低、模块化设计与建造等特点，无论是在军用领域还是民用领域都有非常大的应用潜力。无人艇对于我国建设海洋强国、维护海洋权益，促进海洋领域军民科技协同创新以及海洋经济的发展都具有非常重要的意义。

在军用领域，无人艇已被世界许多国家的海军用来执行各种任务，如反水雷、反潜作战、海上安全、水面作战、电子战和海上封锁等。它一般分为侦察水面无人艇、武装水面无人艇、信息支援水面无人艇、反潜水面无人艇等。在民用领域，越来越多的无人艇被应用在海洋科学考察、海洋测绘、海洋巡逻、海洋事故监测及救援、海洋石油开采等。

无人艇相对于有人驾驶船舶具有非常明显的优势：

第一，安全。众所周知，由于船员疲劳与不良情绪而导致的操作失误已成为危害船舶航行安全最主要因素。无人艇可以从根本上减少人为因素对船舶航行安全的影响。罗尔斯·罗伊斯公司海洋革新工程负责人莱万德指出：“无人艇可以通过设置电脑程序，以便在事先输入的航线或计划出现问题时能自动停止或及时应对。”在与其他船只或暗礁有碰撞危险，或遇到巨浪暴风雨的恶劣环境时，远程操控将会比人员操控更安全、更从容。莱万德预计，无人艇的应用将会使海难事故减少三分之二。

第二，模块化设计，功能多样。无人艇通常采取模块化设计，通过更换任务模块使其能够执行不同的使命。因此，搭载不同的任务模块，无人艇可以完成从民用到军用的各种任务。

第三，作业更高效、标准。利用精准的自主导航和船体小的特点，可以在多种作业环境中更高效的执行任务。同时，由于作业过程全受计算机控制，可以让作业过程严格按设定执行，任务结果更准确、更标准。

第四，小巧灵活、隐蔽性好。无人艇的外形通常低矮平滑，表面又涂有各种隐身材料，加之体型小巧，可借助海浪、岛礁等的掩护，因此遭毁伤的概率小、生存能力很强。

第五，实现作业无人化、智能化作业。有人驾驶船舶的船员长期在海上生活，十分辛苦。无人艇不需要或者弱化了人的参与，从而将人从繁重的、强度高的水上任务中解放出来。

无人艇的控制

现有无人艇的控制方案主要基于如图1所示的方式进行无人艇，在岸控制中心接收船舶通过卫星通讯系统反馈来的实际定位信号，通过将该反馈信号与控制指令信号比较，得出相应的速度控制及方向控制调整值，并将该调整值发送至船端，由船端执行。

由于上述方案的信号接收与信号处理单元全部设置在岸端，岸端接收到船端反馈信号，经比较处理后将控制信号发送至船端后，由于船舶航行海况复杂，船端接收到控制信号后当前船端反馈信号已有改变。因此，现有的无人驾驶船控制方案存在控制延时的技术问题，还尚未实现真正的无人化和智能化。

图1 无人艇的控制方案

无人艇的发展现状

无人艇研究较无人机起步晚，但发展迅速。近10多年来，无人艇得到了较快的发展和应用，美国、以色列、中国、加拿大、英国、德国、荷兰、日本等国都开发了各自的产品。

由于无人艇的工程研制难度较大，涉及多个前沿学科，尽管不少国家纷纷斥资投入开发，但迄今为止，大多数国家开发的无人艇仍处于试验阶段。无人艇的发展思路与无人潜航器基本相同。以色列、中国、德国、法国、英国等国都研制了采用模块化设计的无人艇。

美国、以色列、英国、法国和德国等国已将无人艇作为重要军事项目进行研究和开发，其中最具代表性的是美国的“斯巴达人”和以色列的“保护者”等。图1列出了世界无人艇发展的标志性事件。

图2 无人艇发展的标志性事件

在无人水面艇研发和使用领域，美国和以色列一直处于领先地位，已经有多个艇型正式在海军服役，并有十多年的无人水面艇开发和使用经验[1]。2017年，美国无人艇产量占比为36%，欧洲无人艇产量占比为24%，以色列占比为16%，日本占比为10%。而当年中国无人艇产量仅为140艘，占比不到10%。美国、以色列发展的无人艇主要服务于国家，而其他国家的无人艇更多服务于民用领域。美国是无人艇需求量和产量最大的国家，欧洲、以色列和日本紧随其后。

国外发展现状

无人艇等海上无人平台的开发一直都是近年来美国海军关注和研究的重点。美国早在2007年就提出了《美国海军USV主计划》，主计划确定了无人艇优先发展的7个任务领域，按优先级分为：反水雷战；反潜作战；海上安全；水面作战；特种部队作战；电子战；支持海上拦截作战(MIO)。此外，主计划将无人艇分为4个级别：X级(X Class)、海港级(Harbor Class)、通气管级(Snorkeler Class)和舰队级(Fleet Class)。4个级别在长度上依次从小到大，续航力从小到大，模块从非标准级到标准级，任务从低层次到高层次。美国防部《无人系统2013-2038年路线图》将无人艇列为重点发展对象，并提出了美国海军无人艇使用方案及支持战略。2017年9月，美海军已经创建了第一个水下无人艇中队(UUVRON 1)。迄今为止，美国已经开发并服役了多种型号无人艇(如表1所示)，例如“斯巴达号”、“海上猎人”号等。特别的，2018年，美国防高级研究计划局(DARPA)研制成功并于同年4月服役的“海上猎手”反潜无人艇，其原理同“AlphaGo”，是大型无人水面艇技术和自主能力发展的一大里程碑。

以色列是全世界无人艇发展最快的国家，目前已经列装了63个型号，其中“保护者”型无人艇已经开始批量生产，并装备军队、出口外销。2016年，以色列推出世界上首艘反潜无人艇——“海鸥”，其甚至可以取代目前被用于在海上搜寻潜艇、造价高昂且需要大量人力操作的护卫舰和反潜机，在一定程度上改变了反潜作战形态。2017年，以色列推出世界上首艘能发射导弹的无人艇——“海上骑士”。表2列出了以色列典型的无人艇发展情况。

表1 美国典型无人艇

除上述国家外，还有一些国家也都开展了无人艇相关技术的研究，并研制出了自己的无人艇，例如俄罗斯的“探索者”无人艇、日本OT-91无人艇以及英国的MAST无人艇等。

国内发展现状

我国在无人艇技术上发展比较晚，虽然发展速度较快，但多项关键技术相对于美国、以色列等国还较为薄弱，且应用主要集中在民用领域，包括近岸巡逻、水体采样、水文测量等。在军用领域，中船重工701、702、707、716等科研院所开展了无人艇的研究工作，并取得了快速进展。例如，716所正在研发的JARIUSV多用途无人作战艇，是世界上集成度最高的无人作战艇，相当于一艘千吨级导弹护卫舰。

随着我国军民科技协同创新的稳步行进，一些民企开始积极投身军用和军民两用无人艇技术发展。如，哈尔滨工程大学和和深圳海斯比船艇公司于2017年合作研发的“天行一号”无人艇，最高航速超过50kn，堪称当时世界最快。2018年，珠海云洲设计的80余条小型无人艇同时协同运行，成功演示了“鲨群”无人艇集群航行，实现了世界最大规模的无人艇集群演示。

无人艇未来的主要应用方向

在民用领域，无人艇在巡逻、航道检测和测量、污染监测、科考、海难事故援助、可靠检测、运输等海警、海事及科研活动等领域将会具有广阔的应用前景。在军用领域，无人艇将会广泛应用在情报侦察与监视、反水雷战、反潜战、信息战等。下面将具体阐述一下无人艇未来主要的应用方向。

表3 中国典型无人艇

(1)搜救和救援无人艇(军民两用)搜救和救援无人艇将会通过配备水面搜索雷达、电子光学系统、伤员担架、处理伤亡的机械臂以及病患状态监控系统等，实现无人艇的自主搜救和救援功能。试想一下，如果马航370失踪时，无人艇可以成熟应用的话，就可以在事发第一时间空投几十艘无人艇到事发水域，在事发后2h的黄金搜救时间展开大面积的地毯式搜索和救援，将有可能有更多的机会找到生还者，因为现在的大船航行过去需要一天的时间。

(2)快速反应消防无人艇(军民两用)消防无人艇可以配备灭火器，并依靠其快速反应的能力，在发生火灾的海域或者海港，迅速部署到任何位置，从而进行初步灭火并利用电光传感器报告火灾情况。消防无人艇的应用不仅可以避免消防员在灭火时的潜在伤亡，还可以通过控制系统使火灾的消防反应更加协调。

(3)海港保护无人艇(军民两用)

海港保护无人艇通过配备海港声呐、自我清洁声呐或者可变深度声呐(在任何天气情况下，可变深度声呐都能优化对潜水员和潜水器的检测)系统，实现在邮轮附近进行可视化巡逻并且同时进行水下搜索，在“国际敏感海域”执行巡逻任务，挽救海军的生命、保护舰艇、捍卫海港和港口等多种海港保护的功能。

(4)河道清理、水文测量、环污检测无人艇(民用领域)

河道清理、水文测量、环污检测无人艇不仅可以节省人工成本，还可以解决作业人员在船上作业时的安全问题。当有些河道比较狭窄、水流比较急时，单纯靠人工作业比较危险，此类无人艇的优势就会显现出来。其中河道清理无人艇不仅可以清理河道垃圾，还可以清理像浮藻之类的植物。例如，宁波欧卡海洋科技有限公司于2019年4月试验的无人清洁船，通过专门运营管理的APP对其进行遥控。此无人清洁船通过物联网技术、自主的循迹导航算法以及毫米波雷达和图像识别系统等，实现远程遥控指挥作业。并具有自主识别水面垃圾或障碍，进行自主的清洁或躲避的功能，其清洁的工作量是人工的5至6倍。

未来，基于5G网络的无人船河道清理检测系统也将会得到广泛应用。无人船河道清理检测系统依托5G技术极高速率、极大容量和极低时延的三大明显优势，可以实现水域信息高清视频实时回传、VR后端演示、水质监测以及自动驾驶控制，彻底改变传统水文测量、水质采样监测、暗管探测和河道清理等水生态环境监测监管模式，推动世界进入水上智能时代。

(5)海运物流无人艇(民用领域)

由于无人驾驶船舶比无人驾驶汽车的运行环境更理想。并且可以提高航运的安全性、降低成本同时降低能耗，在未来将会具有良好的应用空间。

例如，罗尔斯·罗伊斯公司已经联手麦基嘉研发智能集装箱航行及货物系统，并目标在2025年提供世界上第一艘自主航行的商船、服务和生态系统。此外，康士伯集团与航运供应商威尔姆森公司(Wilhelmsen)合作，于2018年春季联手建立了全球首家无人船航运公司Massterly，并在8月全面投入运营。

但是，无人驾驶船舶最难的是进出港和机舱无人化，以及航行中突发危险的处理。并且世界整体性的海上活动规范化管理也是亟待解决的问题。

(6)现代海战场建设的新兴力量

随着智能化和信息化时代的开启，无人艇正在世界海洋领域成为一颗炙手可热的新星，无数与之相关的新技术被推陈出新。如今，无人艇的自主控制系统发展也趋近成熟，其任务不仅仅局限于传统的远距离观测或者投放弹药等等，随着其自身的性能不断优化，配备了更现代化的传感器系统、通信系统和武器系统，在整体实力上升的基础上，随之也衍生出了更多的任务范围，通过海战场指挥、控制、通信、计算机、情报及监视和侦察的C4ISR系统，可以执行更为广泛的战争和非战争军事任务，包括反水雷战、反潜战、信息战、情报搜集、海战场监视和侦察等。

无人艇未来的发展方向

无人艇协同自主化。减少操作人员的数量、构建安全的舰艇网络、具备自主机动和待命以及清除障碍的能力，是未来无人艇能力建设的重要方面。由于无人艇所处的水面环境十分复杂，不仅包含静态障碍物，同时还受海况、其他舰船航行的影响，对自主化操作的要求很高。因此，相比于其他无人系统，除了传感器、通信与数据接口、动力等所有无人系统都存在的技术问题外，高度自主化是影响未来无人艇发展的一个关键环节。

(1)无人作战能力。实现无人艇和无人机的协同作战将会成为未来海军在无人艇发展方面的新趋势。未来，“无人作战”将如同电子战一样，成为独立的作战样式，改变进攻作战模式。“无人作战”极可能作为火力打击之前相对独立的一个作战阶段存在，并在首战中发挥关键性作用。类似美军提出的“蜂群攻击”，“无人作战”主要是运用大量低成本的无人地面平台、无人机、无人艇对作战目标实施饱和式攻击，力求以较小代价换取最大化作战效果。

(2)续航能力提高。随着未来无人艇向执行侦察监视、反水雷、反潜等多种任务的方向发展，对其续航能力要求越来越高，但由于要与速度、耐波性以及有效载荷和动力等方面进行权衡，制约了续航能力的发展。为此，在未来，提高无人艇的燃料有效载荷率是技术发展的目标之一，同时还在可以研究通过转化太阳能、海浪能量等方式为无人艇提供持续不断的能源供应。

(3)武器化。武器化将是未来无人艇发展的一个重要趋势。正如无人机近年来走过的历程一样，无人艇未来最有可能首先具备反潜攻击能力，可发射鱼雷或小型反鱼雷武器，其在反水雷方面所发挥的作用将进一步拓展，可以执行目前由有人驾驶直升机和反水雷系统承担的任务。无人艇还将在电子战领域得到应用，帮助海军舰艇对敌实施引诱和迷惑。

(4)系列化、模块化发展。作为一类海军装备平台，应根据无人艇的使命和性能要求，分为多个级别，系列化地研发和应用，在这方面，美国已经对其进行了分级。随着模块化设计与建造技术的不断成熟，以及各种传感器及任务载荷技术的不断进步，传感器及任务载荷的搭载与软硬件接口将逐渐标准化，使得同一无人艇平台搭载不同的任务模块成为可能，并实现即插即用。采取模块化设计，通过更换任务模块使其能够执行不同的使命，完成从民用到军用的各种任务。

无人艇发展的重大前沿问题

对于无人艇的研究主要集中在总体技术、环境感知技术和自主决策与控制技术、有效载荷模块等方面。目前，一批技术难点已经得到突破，可以预期，在不久的将来，上述关键技术将会得到不同程度的解决。根据我国无人艇的发展现状以及国际无人艇的发展趋势分析，关于无人艇的重大前沿问题主要有：

(1)人工智能技术。人工智能是未来无人艇最基本的特点。无人艇必须能够自主进行环境探测、目标识别、自主决策、自主避障、自主规划路径等。

(2)控制技术。控制技术也是核心技术之一，对指令的反应是否灵敏等是决定无人艇能否成功航行的关键。

(3)无人艇与其他有人或无人作战平台联合作战问题。覆盖陆海空天的智能化无人作战系统将成为未来战争的发展方向。2018年美国国防部发布了《无人系统综合路线图(2017-2042)》，旨在指导军用无人机、无人潜航器、无人水面艇、无人地面车辆等无人系统的全面发展，进一步提升美国军队使用无人系统的军事能力。

中国无人艇发展的建议

通过技术与装备引进、消化吸收、再创新实现跨越式发展

图3 无人艇未来发展方向

当前，我国尚未有一种无人艇成为军事装备，该领域的军用型号尚属空白。但在无人艇若干关键技术取得重大突破的基础上，国内同行计划开展USV试验样机研制和演示验证工作，无人艇型号研制已摆上议事日程。我国可以通过技术与装备引进、消化吸收、再创新的路子，实现跨越式发展，填补国内空白，实现自主可控，形成特色能力。

根据军事需求紧迫性及技术传统优势，按优先顺序发展无人艇

根据我国军事需求的紧迫性以及技术传统优势，建议优先发展的三种特定任务无人艇为：

通用侦察无人艇。用于要地守备、港口防护、岛礁守备等特定地域安全防护的情报侦察需求。

通用火力支援无人艇。在通用侦察无人艇基础上，增加致命或非致命武器，满足反恐海盗护航、海洋执法等军民两用需求。

通用电子战无人艇。在通用无人艇平台基础上，增加高精度伺服稳定平台，在其上加装舷外有源干扰机或无源干扰释放装置，作为舰队伴随护航的通用电子战平台。

远期可开发的平台还包括通用反水雷无人艇、反潜无人艇等型号。

未来的海(船)员需要具备什么素质

更加数字化。未来的海员也需要更加“数字化”，具备能够从数字化系统的众多信息中快速解读信息的能力。

更全面的专业技能。未来海员需要更多的个人交叉技能而不是简单的航海技能或轮机工程方面技能。

更强的决策能力。最重要的一点，未来的海员需要更强的决策能力。机器都是不可靠的，未来的海员需要能够随时对于“机器“所反馈的信息作出判断。

实现产学研结合

可以依托互联网+大数据等技术，技术成果、知识产权、专利等信息经过整合后汇聚于线上平台。企业精准定位符合自身需求的科研成果；高校通过云名片宣传研发成果，更迅速获得企业反馈，从而可以根据市场需求随时调整科研方向，科研成果转化率得以保障。此外，还可以成立无人艇产学研创新联盟，纳入一些高校、企业、科研机构，形成良好的沟通合作机制和人才培养机制。 ■