无人船艇关键技术及未来发展趋势

聂 玲，张玲玲

（武警士官学校, 浙江 杭州 311400）

0 引言

近年来，随着信息技术、远程控制技术以及人工智能技术的发展，无人船艇迎来了快速发展期。与有人船艇相比，无人船艇可控、可扩展、自动、无人工作的特点，可更近距离抵达目标区域，自主性能更优、使用成本更低、隐蔽伪装性能更好，能够有效执行水质监测、水下地形勘察、中继通信以及军事行动等任务，其技术研究及应用得到越来越多的关注。

1 国内外无人船艇发展现状

1.1 国外无人船艇发展现状

美国是研究与应用无人船艇世界领先的国家。1997年，美国研制的遥控猎雷作战原型艇参加了“海上猎雷”行动演练，标志着现代无人船艇正式迈向实际应用阶段。2007年，美国颁布《海军无人水面艇主计划》，对无人水面艇技术发展与应用重点进行系统规划。此后，美国开始加大无人船艇研发力度，多款船型已经投入实际部署。以色列将自身强大的无人机技术应用到无人船艇发展中，先后研制出多型无人船艇，其技术先进性堪比美国。近年来，其他西方国家以及日本等也非常重视无人船艇研制工作，陆续突破了许多技术性难题。受人工智能技术和经济发展影响，俄罗斯无人船艇发展起步较晚。2014年2月15日，俄罗斯才在国防部成立机器人技术总科研试验中心，统一规划、领导军用无人装备项目发展[1]。

在应用方面，国外基本上贯彻了先军后民、以军带民的思路。军用无人船艇普遍航速高、善于机动、便于隐蔽，常用于侦查监视、水下通讯中继以及搭载武器装备。如美国“SPARTAN”无人船艇主要用于情报收集、海上巡逻、精确打击行动，海狐系列无人船艇主要遂行作战评估及保障远航部队行动安全任务。以色列“银枪鱼”无人水面船艇已列入本国水面作战系统，法国“旗鱼”反水雷无人船艇、日本“UMV-H”军用高速无人船艇、英国“卫兵”无人船艇、德国“哨兵”无人船艇等都将进入服役阶段[2]。

与追求高速的军用无人船艇不同，国外民用领域的无人船艇对噪音和反应速度要求更高，一般航速较低，但同样应用广泛。如美国“SCOUT”无人船艇可执行水声通讯中继任务，“BATHYBOAT”无人船艇可用于水深测量；英国“SPRINGER”无人船艇可用于海洋环境监测；法国“ROAZ”无人船艇用于海岸带调查；意大利“SESAMO”无人船艇用于海表面水样采集；葡萄牙“DELFIM”无人船艇则多用于水下调查。

1.2 国内无人船艇发展现状

国内无人船艇研究与应用兴起较晚，但随着军事与民用需求的牵引作用日益强烈，国内无人船艇的发展十分迅速，已经取得了系列成果。

哈尔滨工程大学的无人船艇技术起步早，研制成功的一款高速无人艇，可遂行水上巡逻及水面目标自主跟踪任务。上海大学研制开发的精海系列无人船艇，技术较为先进，应用领域广泛。海军工程大学长期致力于无人船艇运动控制系统和体系结构的研究，其研制的“Sturgeon”号无人艇已通过多项试验。

云洲公司是我国最早专注于无人船艇领域的高科技企业，迄今已形成海洋调查、环境测量、安防、军用四大产品体系。该公司研制的车船一体无人船艇是一款能够实现自动布放回收的无人船艇，在恶劣环境或有人船只无法进入条件下尤其适合开展作业。M80无人船艇主要在特殊水域开展水文、气象、水下地貌等信息收集采集任务。在军事应用上，由云洲公司联合其它科研机构共同研制的“瞭望者Ⅱ”无人船艇是我国第一艘察打一体导弹无人船艇，军事应用价值很大，可执行水面警戒巡逻、精确打击等任务。沈阳航天新光公司研发的“天象一号”高速无人艇，可自主测量风速、风向、气温、湿度、水温测量等信息，为特定目标提供气象保障服务。由中船701所研制设计的“海翼1号”无人艇已通过验收，该艇具备复杂海情下的自主巡逻、搜索取证功能。

2 无人船艇关键技术

2.1 通讯技术

通讯技术用以保障无人船艇接收操作人员的控制指令和数据信息，并将有关任务信息反向传递回控制中心。现有无人船艇控制通信方式可分为2类，1）“中继式”，即利用地面中继通信基站，或者依托可用于中转信号的无人机、有人船艇等，以地面、空中甚至水下中继的模式实现信号连接；2）将通信卫星作为传输渠道，相比前一种方式可不受距离限制，优势明显。

2.2 目标与环境感知技术

目标与环境感知技术是无人船艇分析任务环境并对目标进行监测、识别、跟踪、研判的关键技术，包括目标感知技术和环境感知技术。二者的指向各有不同，目标感知的重点是目标的检测、识别及跟踪，环境感知的对象是无人船艇的周围环境及其自身状态，其中后者是无人船艇与周围地形、天候、人员及装备等环境进行自主交互的关键。

2.3 自主决策技术

自主决策技术是无人船艇实现智能化的关键技术，包括自主航行需要的路径规划技术、运动规划技术、自主避障和避碰技术，以及遂行任务需要的任务规划与决策技术、多平台集群控制与编队控制技术[3]。

2.4 布放回收技术

布放回收技术是无人船艇的关键技术之一。布放技术较为简单，回收过程相对复杂一些，一般包括自主返航、位置校准、准确附着及自主停靠等环节。当前无人船艇常用的布放回收方式主要是依托母舰上的吊架和坡道进行，操作时间较长，全程需要具有一定操控经验的人员协助，存在一定的安全风险，在航速较低、海况较好的情况下比较适用，在航速高、环境复杂情况下实施困难。

2.5 协同控制技术

为完成一些特殊环境下的行动任务，有时需要无人船艇与其他无人、有人系统平台进行相互配合，其中主要依靠协同控制技术。协同控制架构及技术要同时具备开放性、分布式两项性能，开放性可以使包括无人船艇的单个无人平台快速集成新技术、快速联结其他无人平台；分布式可有效确保单个无人系统的自主决策能力，同时避免当某个无人平台出现故障进而对整个系统产生较大影响。

2.6 船型优化技术

船型设计是影响无人船艇快速性、稳定性的关键因素之一。目前无人船艇的船型主要分为半潜式、常规滑行式以及水翼型船型。这些船型各具特点，如半潜式无人船艇稳定性较高，但航速较慢；常规滑行无人船艇综合性能较好，但稳定性较差；水翼型无人船艇虽然相对其它船型适航性最高，但拖拽难度比较大。为满足特定航速和任务需求，一些机构还研制了纯排水型船型、穿浪型船型以及多体船型等。

3 无人船艇未来发展趋势

3.1 结构设计更加注重模块化

随着无人船艇应用范围的不断扩大，对船体、载荷和接口实行模块化设计，是无人船艇下一步研发的一项重点内容[4]。通过模块化设计，可以大大缩短系统的设计、测试和培训时间，加快研制进度、控制研发成本，同时还能够减少并降低设备维修难度。船体的模块化通常选择以通用船体或船体部分外形为母型，依据保障需求进行船型设计。载荷和接口的模块化则是在通用平台基础上，统一开展材料、规格等设计，提高平台与各类载荷之间的适应性。另外，无人船艇内各类传感器、电子设备以及智能算法、控制软件等分系统的研发速度要远快于船艇平台整体的更新换代速度，如果在更换个别分系统时必须对无人船艇其他结构进行进一步改造或重新设计，会无谓地增加费用。因此，对分系统接口进行标准化设计，通过最简单的插拔式操作即可完成换件维修，对于节约人力和财力都十分必要。

3.2 决策控制更加注重智能化

高自主性、高度智能化是无人船艇发展的核心目标。目前，国内外在用无人船艇基本都是按照预先设定的计算机程序，或是依赖远程人工控制的方式来完成各类任务。在此过程中，无人船艇控制机构可以对细小偏差进行调整并反馈，实现自主测量、自主规避，但它无法对复杂的外部环境快速作出应对决策。未来，无人船艇将依托数据融合、环境感知、智能决策、深度学习等技术的支撑，通过任务自主规划、态势自主感知、深度自主学习和任务自主决策，大幅降低对人员的依赖甚至完全脱离人工实时控制，完成环境更加复杂、难度更高的任务。比如，军用无人船艇在执行识别敌方移动目标、实施火力打击任务时，或者国土测量无人船艇在自然环境特别复杂的条件下执行探测任务时，加入深度学习能力，对捕捉到的各类信息进行更为快速、精准的分析和判断，在无人工控制的情况下进行智能化决策，自主调整、优化、实施任务行动。

3.3 通讯联络更加注重高效、稳定

无人船艇未来执行任务的多样性、采用技术的先进性以及环境的复杂性，势必产生大量的数据信息，这些信息的搜集与处理对通讯技术的依赖性更强，要求后者必须满足高带宽、低延时的需要。未来无人船艇通讯技术发展重点任务是：数据预处理技术，根据任务需要对数据信息进行优先级分类，自动识别关键信息，不同级别信息采用分时传输方式，重要数据优先传输；数据压缩、加密和解压技术，以有效降低数据传输时的带宽和时延；多信道独立传输技术，在提高数据信号和控制信号传输效率的同时，确保数据及系统的安全性；光学通讯技术，以信号接收和发射的指向精度为研究重点，提高船艇通信系统的抗干扰能力，军事上也可有效降低被敌探测、拦截的概率；水下通信网络技术，依靠水声通信方式和多节点通信网络技术，构建大带宽、高速率的水下通信网络体系，以适应多个无人系统共同执行任务时的指挥控制需要。此外，提高发射机和接收机工作效率、传输更宽频率范围的信号也是一个研究重点。

3.4 航行距离更加注重长续航能力

续航能力是影响无人船艇作用发挥的一个重要因素。为提高无人船艇的续航能力，目前国内外的研究重点多放在能源技术的角度。国外有机构正在研制一种混合能量系统，该系统主要是通过一种专门的转换设备，将热电、热离子等转化为无人船艇航行所需的先进热机能量。国内也正在围绕电能、风能、光能等复合能源系统开展研究。技术上能够帮助无人船艇延长航行距离的研究方向还有：改进船型设计，降低无人船艇在航行过程中的阻力，提升其环境适应性；研制新型发动机系统，为无人船艇提供更强大的航行动力；开展伴随保障，采用有人船艇作为移动式基地，在无人船艇任务区域附近为其提供燃料供应、设备维修等保障；发展特殊环境地形导航、声波定位等技术，提高导航定位能力，及时修正航行线路偏差。此外，提高无人船艇自身的安全性和可靠性，开发能够提供水下电力保障的技术和装备，也有助于提升无人船艇的续航能力。

3.5 平台之间更加注重协同性

无人系统平台相互协同作为无人化装备发展的重要分支，将在未来军事打击、海上救援、地理测绘、环境监测等军用和民用领域发挥重要的作用，其相关研究重点也引起了越来越多的重视。一是共享信息网络，在结构设计上实行统一标准，保障无人船艇和其他无人平台在共享各类信息数据过程中能够无缝连接，实现信息跨域通联。二是拓展任务范围，发挥无人船艇与其他无人平台之间“1+1＞2”的优势，拓展现有单一的任务模式，承担在科学考察、军事行动等任务中目前暂无法实现的功能。三是发展智能感知技术，确保无人船艇与其他无人平台能够精确识别到任务环境中的合作信息和威胁因素，奠定多平台协作效能最大化的技术前提和基础。如目前正在开展的仿鹰眼视觉实现目标的识别、跟踪技术，就能为无人船艇与其它无人平台协作系统提供外界复杂环境的智能感知问题解决方案[5]。

4 结语

无人船艇的发展正方兴未艾，作为新事物，无人船艇在通讯、目标与环境感知、自主决策、布放回收、协同控制和船型优化等关键核心技术上仍存在许多亟待研究的领域，与实际应用之间的磨合也需进一步加强。未来，我国应抓住自主学习技术、导航技术发展的有利契机，借鉴国外成熟经验，国家层面应加强规划设计、统筹布局、政策与资金支持，科研院所、重点企业应加大研究攻关，扩展应用领域范围和深度，确保无人船艇在国家现代化进程中发挥更大的作用。