楊毅， 江濤， 柯俊，陳匯資

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 上海 200444

在陸地資源和發(fā)展空間日趨緊張的情況下，海洋已成為臨海國(guó)家獲取更多資源和更大發(fā)展空間的主渠道。海洋運(yùn)載平臺(tái)是當(dāng)前世界各國(guó)開(kāi)發(fā)、利用海洋最直接的一種通用手段，其主要包含三部分：智能平臺(tái)本體、智能平臺(tái)控制系統(tǒng)和多功能任務(wù)載荷系統(tǒng)。平臺(tái)本體是基礎(chǔ)，搭載著控制系統(tǒng)設(shè)備和各個(gè)測(cè)量設(shè)備，其穩(wěn)定性、適航性、抗傾覆性、自扶正能力保證了智能平臺(tái)能夠穩(wěn)定、高效地執(zhí)行任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)是核心，使得平臺(tái)本體部分具備自主定位、自主航行、自主避障、遠(yuǎn)程通信等功能，能夠以全自動(dòng)化的方式執(zhí)行用戶設(shè)定的任務(wù)。多功能組合任務(wù)載荷系統(tǒng)能夠搭載不同型號(hào)、不同用途的測(cè)量設(shè)備，使得智能平臺(tái)滿足多種作業(yè)任務(wù)的需求，極大地拓展了智能平臺(tái)的適用性。其中，控制系統(tǒng)是決定海洋運(yùn)載平臺(tái)功能和性能的主要因素，在一定程度上制約著海洋運(yùn)載平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。它的主要任務(wù)就是控制海洋運(yùn)載平臺(tái)在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等。因此，為了更好地發(fā)展面向未來(lái)的高性能海洋運(yùn)載平臺(tái)，我們結(jié)合當(dāng)前的平臺(tái)控制技術(shù)、未來(lái)的實(shí)際作業(yè)需求與實(shí)體控制技術(shù)發(fā)展形勢(shì)，對(duì)海洋運(yùn)載平臺(tái)控制技術(shù)展開(kāi)深入探討和分析。

1 研究現(xiàn)狀

海洋運(yùn)載平臺(tái)面向動(dòng)態(tài)定位[1]、軌跡跟蹤[2]和路徑跟隨[3]等任務(wù)需求，利用傳感器感知的位置、姿態(tài)和外部信息，使運(yùn)載平臺(tái)具備“經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員”的控制能力，成功穩(wěn)定地做出各種航行任務(wù)動(dòng)作。隨著控制理論研究的發(fā)展，海洋領(lǐng)域相關(guān)研究人員將當(dāng)前最新相關(guān)技術(shù)用于提升海洋運(yùn)載平臺(tái)的控制性能[4]。

在一定假設(shè)條件下，海洋運(yùn)載平臺(tái)有相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并能對(duì)其進(jìn)行模型辨識(shí)[5]。盡管精確和完整的平臺(tái)模型對(duì)于控制具有十分重要的意義，但是在數(shù)學(xué)建模過(guò)程中存在兩方面問(wèn)題：一是數(shù)值模型的建立十分困難、代價(jià)高且耗時(shí)；二是由于平臺(tái)本身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變、外部干擾、質(zhì)量變化和傳感器觀測(cè)值不確定等因素都會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)模型的不確定性，從而影響基于模型控制器的性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

海洋運(yùn)載平臺(tái)控制器設(shè)計(jì)通常根據(jù)其所面臨的任務(wù)和主要挑戰(zhàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。海洋空間包括水面與水下，相應(yīng)地，海洋運(yùn)載平臺(tái)包括水面運(yùn)載平臺(tái)和水下運(yùn)載平臺(tái)兩大類。水面運(yùn)載平臺(tái)的控制面臨模型高度非線性和不確定性、系統(tǒng)欠驅(qū)動(dòng)、船體本身及執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)滯性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和特性、不可預(yù)測(cè)的強(qiáng)外部干擾和系統(tǒng)故障等挑戰(zhàn)[6]。針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，可以采用反步法和李雅普諾夫直接法來(lái)解決[7]；針對(duì)非線性問(wèn)題可以采用反步法解決[8]；針對(duì)抗干擾問(wèn)題可以采用逼近控制方法[9]。另外還可以采用智能控制方法同時(shí)解決無(wú)人船模型不確定性、非線性和外界干擾問(wèn)題[10-11]。由于水面運(yùn)載平臺(tái)模型和所面臨運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通常采用復(fù)合控制結(jié)構(gòu)和方法以提升控制性能[9]。

從控制角度來(lái)看，將水面運(yùn)載平臺(tái)的控制設(shè)計(jì)應(yīng)用于水下運(yùn)載平臺(tái)在原理上完全可行[6]。盡管如此，需將水面運(yùn)載平臺(tái)在二維平面的運(yùn)動(dòng)控制擴(kuò)展至三維空間運(yùn)動(dòng)控制，即需要考慮垂直方向的運(yùn)動(dòng)控制[12]。水下運(yùn)載平臺(tái)控制面臨的主要挑戰(zhàn)包括水下平臺(tái)高度非線性和自身運(yùn)動(dòng)耦合性、平臺(tái)水動(dòng)力參數(shù)不精確導(dǎo)致的模型不確定性、不確定外部干擾(系繩力、末端執(zhí)行器有效載荷力和洋流等)以及欠驅(qū)動(dòng)性[13]。目前應(yīng)用于水下運(yùn)載平臺(tái)的控制方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[14]、自適應(yīng)控制、PID控制[1]和S面控制等。

實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于海洋運(yùn)載平臺(tái)這種大慣性系統(tǒng)[9]，執(zhí)行器在響應(yīng)速度、飽和度和耐用性等方面存在約束?？刂破髦噶詈蛯?shí)體執(zhí)行并不等同?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)過(guò)程中若沒(méi)有考慮這些因素將會(huì)極大地降低控制器的性能甚至發(fā)散。雖然很多控制器考慮幅度和速率約束，但是并沒(méi)有考慮驅(qū)動(dòng)器和水面運(yùn)載平臺(tái)整體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

當(dāng)前已有不少研究者對(duì)海洋運(yùn)載平臺(tái)提出了很多新的控制策略，并通過(guò)相應(yīng)的仿真或?qū)嶓w平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。隨著對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)和利用，人類對(duì)海洋運(yùn)載平臺(tái)要求越來(lái)越高，相應(yīng)地對(duì)控制性能的需求也逐步提升。目前，海洋運(yùn)載控制存在以下問(wèn)題：

(1)目前很多海洋運(yùn)載平臺(tái)控制方法是在有規(guī)律或小干擾條件下進(jìn)行仿真測(cè)試，無(wú)法滿足實(shí)體海洋環(huán)境各種不規(guī)則復(fù)合干擾條件下的平臺(tái)控制要求；

(2)雖然關(guān)于海洋運(yùn)載平臺(tái)已有很多模型，但是隨著平臺(tái)本體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和物理屬性的改變，平臺(tái)模型隨之也會(huì)發(fā)生改變，單一模型無(wú)法滿足控制要求；

(3)雖然有些控制方法可應(yīng)用于實(shí)體平臺(tái)，但是方法自適應(yīng)能力差，即無(wú)法適用于不同平臺(tái)和不同環(huán)境；

(4)現(xiàn)有控制方法可以在仿真平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)同質(zhì)甚至異質(zhì)平臺(tái)之間的相互協(xié)同，然而無(wú)法適用于實(shí)體協(xié)同，并且協(xié)同過(guò)程中沒(méi)有有效考慮人員因素。

海洋運(yùn)載控制系統(tǒng)在模型不確定性、干擾時(shí)變、未知性和多平臺(tái)之間協(xié)同等方面需要根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求進(jìn)一步研究。

2 挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

從控制層面看，海洋運(yùn)載平臺(tái)本身和其所面臨的運(yùn)行環(huán)境較空中和地面運(yùn)載平臺(tái)有其特有的挑戰(zhàn)性。單體海洋平臺(tái)控制面臨的挑戰(zhàn)主要包括平臺(tái)本身和外部環(huán)境兩部分。平臺(tái)本身挑戰(zhàn)為平臺(tái)本體慣性大、模型高度非線性等。外部環(huán)境挑戰(zhàn)主要是環(huán)境惡劣、干擾強(qiáng)且變化大等。另外，海洋廣袤，為擴(kuò)大海洋運(yùn)載平臺(tái)的效能，需多個(gè)海洋運(yùn)載平臺(tái)進(jìn)行有人和無(wú)人及其水面和水下相互協(xié)同。為此，面向任務(wù)和控制需求，研究能有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)時(shí)變干擾、慣性大、高度非線性和系統(tǒng)欠驅(qū)動(dòng)的單體海洋運(yùn)載平臺(tái)控制系統(tǒng)及其同質(zhì)和異質(zhì)多平臺(tái)協(xié)同控制系統(tǒng)是未來(lái)海洋運(yùn)載平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。

為解決上述挑戰(zhàn)，未來(lái)海洋運(yùn)載平臺(tái)控制主要包含如下4個(gè)研究方向：海洋環(huán)境干擾估計(jì)及預(yù)測(cè)、海洋運(yùn)載平臺(tái)模型估計(jì)及預(yù)測(cè)、類人海洋運(yùn)載平臺(tái)控制、控制任務(wù)分解和綜合及其機(jī)群和人的交互協(xié)同控制。

3 未來(lái)海洋運(yùn)載平臺(tái)控制技術(shù)

3.1 重要性及可能性

自20世紀(jì)以來(lái)，世界人口呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，很多陸地資源無(wú)法滿足人類生存所需。海洋中蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)、生物和金屬等各種資源。目前，美國(guó)、英國(guó)和日本等世界主要海洋強(qiáng)國(guó)都先后將海洋開(kāi)發(fā)及其權(quán)益維護(hù)上升至國(guó)家戰(zhàn)略層面，均投入大量人力、物力和財(cái)力爭(zhēng)相發(fā)展海洋技術(shù)。

海洋運(yùn)載平臺(tái)屬于機(jī)器人系統(tǒng)中的一類。同其他機(jī)器人系統(tǒng)一樣，海洋運(yùn)載平臺(tái)能維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益，可提升我國(guó)開(kāi)發(fā)和利用海洋的能力，是實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)非常重要的一類高端海洋裝備。海洋運(yùn)載平臺(tái)可以根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求搭載不同載荷設(shè)備，用于執(zhí)行特別危險(xiǎn)、特別枯燥以及其他不適于有人平臺(tái)執(zhí)行的任務(wù)。軍事方面，海洋運(yùn)載平臺(tái)可以從偵查、威懾、抵制威脅和攻擊等方面成為海軍的主要力量倍增器；民用方面，其可以從資源勘測(cè)、水文和地形調(diào)查等方面成為各海洋部門的主要功能倍增器。同時(shí)，海洋運(yùn)載平臺(tái)與平臺(tái)之間、與人員之間進(jìn)行相互協(xié)同，可進(jìn)一步提升其效能比?？刂剖菦Q定海洋運(yùn)載平臺(tái)功能和性能的主要因素，在一定程度上制約著海洋運(yùn)載平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

美國(guó)和歐洲等海洋強(qiáng)國(guó)通過(guò)迭代遞歸制定總體戰(zhàn)略規(guī)劃和相關(guān)項(xiàng)目，指引其海洋運(yùn)載平臺(tái)穩(wěn)步有序發(fā)展。2007年，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)制定了《海軍無(wú)人水面艇總體規(guī)劃》，表明美國(guó)將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)進(jìn)行無(wú)人艇的開(kāi)發(fā)研制。此后，美軍方開(kāi)始統(tǒng)籌各軍種無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展，并統(tǒng)一發(fā)布《無(wú)人系統(tǒng)路線圖》。2016年，美國(guó)國(guó)防科學(xué)委員會(huì)發(fā)布了《下一代水下無(wú)人系統(tǒng)》報(bào)告。在“2016無(wú)人駕駛船舶技術(shù)研討會(huì)”上，羅爾斯?羅伊斯公司推出了“高級(jí)無(wú)人駕駛船舶應(yīng)用開(kāi)發(fā)計(jì)劃”(AAWA)，并發(fā)布了AAWA 項(xiàng)目白皮書(shū)，闡述了該項(xiàng)目如何實(shí)現(xiàn)遙控與無(wú)人駕駛船舶的美好愿景，并規(guī)劃了到2035年的發(fā)展目標(biāo)。

在我國(guó)“一帶一路”宏觀戰(zhàn)略規(guī)劃中，海洋起著至關(guān)重要的作用。2016年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、中共中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)辦公室制定的《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》中，海洋運(yùn)載平臺(tái)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、推廣工作被列為重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目。

近年隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，其感知和處理信息越來(lái)越實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和完備，可為系統(tǒng)控制提供穩(wěn)定的輸入數(shù)據(jù)源；水上/水下通信和定位等信息處理技術(shù)為海洋運(yùn)載平臺(tái)的遠(yuǎn)距人機(jī)交互和定位提供技術(shù)支撐；水面和水下運(yùn)載平臺(tái)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為控制技術(shù)的研究和應(yīng)用提供平臺(tái)；大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的興起為控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了新的工具和舞臺(tái)。為此，將傳統(tǒng)控制技術(shù)同傳感技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)等結(jié)合，以實(shí)際挑戰(zhàn)和問(wèn)題為導(dǎo)向，以應(yīng)用為目的，將應(yīng)用和理論交互結(jié)合，是未來(lái)海洋運(yùn)載平臺(tái)控制器的主要任務(wù)。

3.2 遠(yuǎn)景目標(biāo)

未來(lái)海洋運(yùn)載平臺(tái)控制器將態(tài)勢(shì)響應(yīng)同態(tài)勢(shì)感知和人機(jī)交互結(jié)合，使海洋運(yùn)載平臺(tái)具備“經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員”的駕駛控制能力，實(shí)現(xiàn)在非受控環(huán)境下自主/半自主控制，滿足各種復(fù)雜任務(wù)的航行控制需求。要實(shí)現(xiàn)上述目的，控制器需感知外部環(huán)境干擾和內(nèi)部自身狀態(tài)變化，對(duì)外部干擾和內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測(cè)，形成控制態(tài)勢(shì)感知圖；利用人工智能方法學(xué)習(xí)人工駕駛策略，增強(qiáng)人機(jī)交互作用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)自主/半自主控制分解和綜合，具備多平臺(tái)協(xié)同自主/半自主控制能力；同時(shí)保證控制器的控制精確性和智能性，從而滿足非受控環(huán)境下的復(fù)雜多任務(wù)對(duì)控制精度和控制應(yīng)變能力需求。具體需要具備以下功能：

(1)外部強(qiáng)干擾實(shí)時(shí)感知和預(yù)測(cè)

海洋運(yùn)載平臺(tái)在海洋環(huán)境操作中，通常會(huì)遭遇外部不定期的強(qiáng)干擾。對(duì)于水面運(yùn)載平臺(tái)而言，其干擾主要包括風(fēng)、浪和涌流等；而水下運(yùn)載平臺(tái)干擾主要包括末端執(zhí)行器有效載荷力和涌流。如果干擾大且不可預(yù)測(cè)，則會(huì)造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響海洋運(yùn)載平臺(tái)的安全性能。為此，實(shí)現(xiàn)海洋運(yùn)載平臺(tái)穩(wěn)定控制需發(fā)展相應(yīng)的干擾感知傳感器及其相應(yīng)的處理和預(yù)測(cè)理論，為后續(xù)控制方法提供有效表征的干擾。

(2)模型感知和變化預(yù)測(cè)

海洋運(yùn)載平臺(tái)在航行和作業(yè)過(guò)程中，其本身重心和浮心會(huì)發(fā)生瞬間和緩慢變化，同時(shí)平臺(tái)水動(dòng)力參數(shù)難以進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。這就需要建立平臺(tái)本體模型的實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，對(duì)平臺(tái)自身有個(gè)準(zhǔn)確評(píng)估。特別是對(duì)于瞬間變化模型應(yīng)有預(yù)測(cè)功能，從而及時(shí)調(diào)整控制器，以應(yīng)對(duì)瞬間模型變化而導(dǎo)致的控制發(fā)散問(wèn)題。

(3)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)駕駛能力學(xué)習(xí)

駕控人員能根據(jù)感知到的局部環(huán)境信息在多種航速下作出各種體現(xiàn)駕駛技術(shù)的操作。海洋運(yùn)載平臺(tái)可以通過(guò)錄入駕控人員的駕駛數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)的策略和價(jià)值函數(shù)，通過(guò)自我學(xué)習(xí)提升駕駛能力。

(4)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制任務(wù)分解和綜合能力學(xué)習(xí)

人類在完成某個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)時(shí)靠一個(gè)人即可完成。當(dāng)任務(wù)復(fù)雜度增加時(shí)，需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行層次化分解，然后綜合。為此，海洋運(yùn)載平臺(tái)完成任務(wù)時(shí)，可通過(guò)學(xué)習(xí)的方法，使其具有自主任務(wù)分解和綜合能力。分解出的子任務(wù)可以通過(guò)平臺(tái)的自主演化行為完成，也可以通過(guò)一定規(guī)則讓平臺(tái)完成，還可以分配給操控人員完成。分解的各子任務(wù)模塊可以借用已有模塊，也可重新開(kāi)發(fā)。

(5)海洋運(yùn)載多平臺(tái)人機(jī)交互協(xié)同

不管海洋運(yùn)載平臺(tái)自主能力多強(qiáng)，其終究是為人類服務(wù)，降低人類海洋作業(yè)的危險(xiǎn)和減輕長(zhǎng)期出海作業(yè)的壓力，從而將人類解放出來(lái)的大部分時(shí)間去從事更高層的工作。人類終將是主宰者，海洋運(yùn)載平臺(tái)的智能性無(wú)法同人類相比。海洋運(yùn)載平臺(tái)在作業(yè)過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)其同人類的無(wú)縫對(duì)接，在發(fā)揮平臺(tái)精準(zhǔn)執(zhí)行力的同時(shí)借助人類的智能。這要求海洋運(yùn)載平臺(tái)控制器同時(shí)具備控制精確性和控制智能兩種能力，從而使一個(gè)人能同時(shí)操控?cái)?shù)量足夠多的海洋運(yùn)載平臺(tái)，提升其效能比。

3.3 研究方向

海洋運(yùn)載平臺(tái)應(yīng)面向?qū)嶋H需求，以提升工作效能、實(shí)現(xiàn)人和機(jī)群無(wú)縫協(xié)同為目標(biāo)，將傳統(tǒng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等相互結(jié)合，構(gòu)建海洋運(yùn)載平臺(tái)控制理論體系和工程技術(shù)架構(gòu)，使海洋運(yùn)載平臺(tái)控制器同時(shí)具備控制精確性和控制智能兩種能力，從而滿足非受控環(huán)境下的復(fù)雜多任務(wù)對(duì)控制精度和控制應(yīng)變能力的需求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，讓海洋運(yùn)載平臺(tái)具備期望功能，需針對(duì)如下方向開(kāi)展研究：海洋環(huán)境干擾估計(jì)及預(yù)測(cè)、海洋運(yùn)載平臺(tái)模型估計(jì)及預(yù)測(cè)、類人海洋運(yùn)載平臺(tái)控制、控制任務(wù)分解和綜合及其機(jī)群和人的交互協(xié)同控制。各研究方向及其相關(guān)技術(shù)之間的關(guān)系如圖1。

圖1 海洋運(yùn)載平臺(tái)研究方向的體系架構(gòu)

具體研究方向包括以下幾個(gè)方面：

(1)海洋環(huán)境干擾估計(jì)及預(yù)測(cè)

海洋運(yùn)載平臺(tái)在海洋操作環(huán)境中，通常會(huì)遭遇外部不定期的強(qiáng)干擾。如果海洋運(yùn)載平臺(tái)在控制過(guò)程中無(wú)法對(duì)干擾進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)和預(yù)測(cè)，則通常會(huì)導(dǎo)致控制過(guò)程失效，從而使海洋運(yùn)載平臺(tái)系統(tǒng)失衡，引發(fā)事故。目前海洋干擾不僅探測(cè)手段有限，而且估計(jì)精度不高，預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確。這些在很大程度上限制了控制方法在實(shí)體平臺(tái)中的應(yīng)用。為此需發(fā)展如下海洋運(yùn)載平臺(tái)干擾估計(jì)技術(shù)：海浪估計(jì)與預(yù)測(cè)、風(fēng)干擾估計(jì)與預(yù)測(cè)、涌流估計(jì)與預(yù)測(cè)。風(fēng)浪流估計(jì)與預(yù)測(cè)的研究框架如圖2。在對(duì)海洋環(huán)境干擾估計(jì)和預(yù)測(cè)中需利用多傳感器信息融合處理和估計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)海浪、風(fēng)速和流速等主要干擾的幅度、空間和時(shí)間分布規(guī)律的估計(jì)和預(yù)測(cè)。

圖2 風(fēng)浪流估計(jì)與預(yù)測(cè)

①海浪估計(jì)與預(yù)測(cè)

海洋運(yùn)載平臺(tái)在海面運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常面臨較大的海浪。海浪對(duì)水面運(yùn)載平臺(tái)影響很大。比如水面運(yùn)載平臺(tái)側(cè)浪航行時(shí)會(huì)造成很大的橫搖，危及平臺(tái)安全。為此可以利用船體姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合雷達(dá)、視覺(jué)等傳感器，利用雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和圖像處理方法，對(duì)兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而實(shí)現(xiàn)海浪實(shí)時(shí)估計(jì)。同時(shí)依據(jù)估計(jì)結(jié)果，進(jìn)行海浪預(yù)測(cè)，使水面運(yùn)載平臺(tái)能夠?qū)＠藢?shí)施主動(dòng)抗干擾控制。

②風(fēng)速估計(jì)與預(yù)測(cè)

海洋運(yùn)載平臺(tái)在海面運(yùn)行時(shí)，也經(jīng)常面臨大風(fēng)干擾。特別當(dāng)水面運(yùn)載平臺(tái)通過(guò)海峽通道或當(dāng)船體截面較大時(shí)，風(fēng)速對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響很大。為此應(yīng)用風(fēng)速儀來(lái)采集相關(guān)干擾數(shù)據(jù)，采用信號(hào)統(tǒng)計(jì)估計(jì)和預(yù)測(cè)理論，建立風(fēng)速干擾模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)和估計(jì)，使水面運(yùn)載平臺(tái)能夠?qū)︼L(fēng)實(shí)施主動(dòng)抗干擾控制。

③涌流估計(jì)與預(yù)測(cè)

海洋涌流對(duì)水面海洋運(yùn)載平臺(tái)和水下海洋運(yùn)載平臺(tái)都有很大影響。特別是島礁和潟湖等附近存在變化比較劇烈的渦流，會(huì)嚴(yán)重威脅海洋運(yùn)載平臺(tái)的安全。為此應(yīng)利用流速儀，采用信號(hào)統(tǒng)計(jì)估計(jì)和預(yù)測(cè)理論，建立涌流干擾模型，對(duì)涌流進(jìn)行干擾估計(jì)和預(yù)測(cè)，使海洋運(yùn)載平臺(tái)實(shí)施涌流主動(dòng)抗干擾控制。

(2)海洋運(yùn)載平臺(tái)模型估計(jì)及預(yù)測(cè)

海洋運(yùn)載平臺(tái)在航行和作業(yè)過(guò)程中，其本身重心和浮心會(huì)發(fā)生瞬間和緩慢變化，同時(shí)平臺(tái)水動(dòng)力參數(shù)難以進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)模型實(shí)時(shí)估計(jì)及預(yù)測(cè)，需開(kāi)展如下研究：水動(dòng)力參數(shù)估計(jì)、緩慢模型變化估計(jì)及預(yù)測(cè)、瞬間模型變化估計(jì)及預(yù)測(cè)。海洋運(yùn)載平臺(tái)模型估計(jì)與預(yù)測(cè)研究框架如圖3。海洋運(yùn)載平臺(tái)模型估計(jì)及預(yù)測(cè)應(yīng)根據(jù)受力分析、位置和姿態(tài)傳感器之間的變化建立映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)模型變化和緩慢模型變化估計(jì)與預(yù)測(cè)；通過(guò)數(shù)值水槽仿真初步建立水動(dòng)力參數(shù)離線估計(jì)，通過(guò)在線學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力參數(shù)的在線估計(jì)和預(yù)測(cè)。

圖3 海洋運(yùn)載平臺(tái)模型估計(jì)與預(yù)測(cè)

①瞬時(shí)模型變化估計(jì)與預(yù)測(cè)

海洋運(yùn)載平臺(tái)在海洋作業(yè)過(guò)程中，比如收放設(shè)備過(guò)程和平臺(tái)本身速度發(fā)生瞬間改變時(shí)，會(huì)發(fā)生模型瞬變。這時(shí)更需要海洋運(yùn)載平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)對(duì)其自身的穩(wěn)定控制。為此應(yīng)研究將平臺(tái)自身位置、姿態(tài)變化、受力情況和相應(yīng)的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，建立映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)模型瞬間變化進(jìn)行有效、及時(shí)估計(jì)。

②緩慢模型變化估計(jì)與預(yù)測(cè)

海洋運(yùn)載平臺(tái)在海洋作業(yè)過(guò)程中實(shí)際上經(jīng)常會(huì)發(fā)生模型緩慢變化，比如平臺(tái)自身緩慢變速，平臺(tái)內(nèi)的油量逐漸減少。模型緩慢變化的積累會(huì)逐漸影響平臺(tái)的控制性能。為此，應(yīng)根據(jù)平臺(tái)自身的狀態(tài)改變建立緩慢變化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)模型進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)和預(yù)測(cè)。

③水動(dòng)力參數(shù)估計(jì)

平臺(tái)本身水動(dòng)力參數(shù)通常難以準(zhǔn)確獲取，并且代價(jià)高。這就需要通過(guò)建立數(shù)值水槽實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力參數(shù)的離線粗估計(jì)，然后依據(jù)迭代演化學(xué)習(xí)方法對(duì)平臺(tái)的水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)修正。

(3)類人海洋運(yùn)載平臺(tái)控制

海洋運(yùn)載平臺(tái)控制的最終目的是使海洋運(yùn)載平臺(tái)具備“經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員”的駕駛控制能力，然后根據(jù)自身狀態(tài)和任務(wù)需求，精確、高效地完成各項(xiàng)預(yù)定任務(wù)。駕控人員能根據(jù)局部環(huán)境感知信息，在多種航速下能做出各種體現(xiàn)駕駛技術(shù)的操作。為此基于機(jī)器學(xué)習(xí)理論，建立任務(wù)和環(huán)境信息的特征表征模型，研究學(xué)習(xí)人的駕駛技能方法，建立人類駕駛經(jīng)驗(yàn)和特征模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使海洋運(yùn)載平臺(tái)具有類人駕駛能力。類人海洋運(yùn)載平臺(tái)控制研究框圖如圖4。

圖4 類人海洋運(yùn)載平臺(tái)控制

①信息特征提取及表征

駕控人員基于當(dāng)前環(huán)境理解，作出各種熟練操作。這種理解包括船體模型和性能理解、當(dāng)前局部任務(wù)理解和當(dāng)前環(huán)境感知理解。為實(shí)現(xiàn)海洋運(yùn)載平臺(tái)的類人駕駛能力應(yīng)開(kāi)展船體模型特征提取和表征、任務(wù)特征提取和表征，以及多維度、多尺度情景認(rèn)知特征提取研究。這些工作為操控駕駛學(xué)習(xí)提供統(tǒng)一的特征表達(dá)。

②類人駕駛能力學(xué)習(xí)

通過(guò)獲取任務(wù)信息、傳感器信息和駕駛員操控信息，并利用前面獲取的特征統(tǒng)一表征形式，需要開(kāi)展駕駛能力學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、價(jià)值網(wǎng)絡(luò)和策略網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)和特征表征迭代演化研究。

(4)控制任務(wù)分解和綜合

目前很多控制方法在完成某一簡(jiǎn)單控制任務(wù)時(shí)性能不錯(cuò)，而當(dāng)控制任務(wù)復(fù)雜度增加時(shí)，其無(wú)法滿足控制性能要求。為此海洋運(yùn)載平臺(tái)控制器應(yīng)借鑒人類通過(guò)分工完成復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)的思想，來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的控制。為此，需針對(duì)控制任務(wù)自主分解、控制任務(wù)同控制模塊關(guān)聯(lián)、控制任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)構(gòu)建開(kāi)展研究?？刂迫蝿?wù)分解和綜合研究框圖如圖5。為此應(yīng)建立任務(wù)復(fù)雜度和分解層次的評(píng)價(jià)函數(shù)，基于優(yōu)化理論，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)自主分解；構(gòu)建任務(wù)綜合和模塊匹配評(píng)價(jià)函數(shù)，基于優(yōu)化理論，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的綜合求解。

圖5 控制任務(wù)分解和綜合

①控制任務(wù)自主分解

復(fù)雜控制任務(wù)很多時(shí)候無(wú)法通過(guò)單一方法和單一層次解決。海洋運(yùn)載平臺(tái)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中會(huì)面臨很多復(fù)雜的任務(wù)，特別是復(fù)雜環(huán)境下多任務(wù)、多平臺(tái)協(xié)同作業(yè)。為此應(yīng)基于人類解決復(fù)雜任務(wù)過(guò)程中分工的思想，面向任務(wù)需求開(kāi)展任務(wù)復(fù)雜度評(píng)價(jià)研究，通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)自主和半自主任務(wù)的層次化分解，為后續(xù)控制器的設(shè)計(jì)和重復(fù)利用建立基礎(chǔ)框架。

②控制任務(wù)綜合

任務(wù)分解后，通常需要為各子任務(wù)設(shè)計(jì)控制器。然而這沒(méi)有利用已有的控制資源，導(dǎo)致效率低下。為解決此問(wèn)題首先需要建立控制任務(wù)多層次標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)，這樣子任務(wù)可以根據(jù)分解情況選擇相應(yīng)的子模塊庫(kù)，同時(shí)子模塊庫(kù)的選擇也可變成自主行為。這就需要研究子控制任務(wù)同子模塊之間的關(guān)聯(lián)方法?；诳刂迫蝿?wù)分解結(jié)構(gòu)、構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)子模塊庫(kù)、子控制任務(wù)和子模塊的關(guān)聯(lián)度，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)綜合。

(5)機(jī)群和人的交互協(xié)同控制

面對(duì)浩瀚且惡劣的海洋和復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，單海洋運(yùn)載平臺(tái)能力和智慧顯得格外低。為此，可通過(guò)海洋運(yùn)載平臺(tái)同其他運(yùn)載平臺(tái)和人群之間的相互協(xié)同，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，使運(yùn)載平臺(tái)同時(shí)體現(xiàn)高效性和智能性。從控制層面需要開(kāi)展海洋運(yùn)載平臺(tái)之間協(xié)同控制，以及操控人員同海洋運(yùn)載平臺(tái)之間的協(xié)同控制。機(jī)群和人的交互協(xié)同控制研究框圖如圖6所示。通過(guò)將異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)化和混合增強(qiáng)智能進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)群和人的交互協(xié)同控制。

圖6 機(jī)群和人的交互協(xié)同控制

①海洋運(yùn)載平臺(tái)之間協(xié)同控制

水面運(yùn)載平臺(tái)之間協(xié)同能提升平臺(tái)之間的魯棒性、適應(yīng)性等能力。為此，應(yīng)針對(duì)實(shí)際特定任務(wù)需求，比如海洋測(cè)繪和海域巡邏等，研究實(shí)體環(huán)境下編隊(duì)、回歸、分散等基本動(dòng)作的協(xié)同控制，基于異構(gòu)平臺(tái)合作協(xié)同進(jìn)化理論，通過(guò)控制任務(wù)分解和合成實(shí)現(xiàn)其他更復(fù)雜任務(wù)的協(xié)同控制。

②操控人員同海洋運(yùn)載平臺(tái)之間的協(xié)同控制

由于海洋運(yùn)載平臺(tái)的智能性無(wú)法同人類相比，海洋運(yùn)載平臺(tái)在協(xié)同過(guò)程中仍需要操控人員參與，形成多海洋運(yùn)載平臺(tái)之間協(xié)同方式是未來(lái)協(xié)同控制系統(tǒng)的一個(gè)主要研究方向。為此，需從控制層面，針對(duì)操控人員同海洋運(yùn)載平臺(tái)之間的協(xié)同控制，基于混合增強(qiáng)人工智能，開(kāi)展控制任務(wù)分解協(xié)同、控制任務(wù)綜合協(xié)同、駕駛控制協(xié)同。

4 海洋運(yùn)載平臺(tái)控制發(fā)展路線圖

海洋運(yùn)載平臺(tái)控制發(fā)展路線圖如圖7。2016年國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、中共中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)辦公室制定的《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》和《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)》為代表的一系列相關(guān)政策規(guī)劃成為推動(dòng)我國(guó)海洋運(yùn)載平臺(tái)控制的重要助力。到2030年和2040年，我國(guó)將分別在海洋運(yùn)載平臺(tái)的干擾估計(jì)與預(yù)測(cè)、模型估計(jì)與預(yù)測(cè)和類人控制、控制任務(wù)分解與綜合及其機(jī)群與人之間協(xié)同控制方面取得基礎(chǔ)理論的重大突破，初步建立海洋運(yùn)載平臺(tái)控制體系，部分技術(shù)與應(yīng)用達(dá)到世界領(lǐng)先水平，在無(wú)人海洋運(yùn)載等領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。之后，通過(guò)幾個(gè)發(fā)展階段，逐漸提高海洋運(yùn)載平臺(tái)控制的水平并擴(kuò)展應(yīng)用范圍。2050年，我國(guó)海洋運(yùn)載平臺(tái)相關(guān)理論、技術(shù)與應(yīng)用將達(dá)到世界領(lǐng)先水平，形成較為成熟的理論與技術(shù)體系，在類人控制學(xué)習(xí)和自主任務(wù)分解及綜合等領(lǐng)域取得重大突破。在海洋運(yùn)載平臺(tái)領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)智能自主控制，形成涵蓋核心技術(shù)、關(guān)鍵系統(tǒng)、支撐平臺(tái)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)我國(guó)高端海洋裝備相關(guān)理論和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

圖7 海洋運(yùn)載平臺(tái)控制發(fā)展路線圖

5 結(jié)論

世界是海洋的世界，誰(shuí)能在海洋運(yùn)載平臺(tái)領(lǐng)域取得技術(shù)突破，必將占得海洋開(kāi)采的先機(jī)。海洋運(yùn)載平臺(tái)控制技術(shù)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，在平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中起著舉足輕重的作用。本文著眼于新形勢(shì)下海洋發(fā)展契機(jī)，結(jié)合我國(guó)促進(jìn)海洋運(yùn)載平臺(tái)發(fā)展的相關(guān)戰(zhàn)略政策與海洋運(yùn)載平臺(tái)控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，從海洋運(yùn)載平臺(tái)控制技術(shù)的重要性與可能性、平臺(tái)應(yīng)具備的功能和控制技術(shù)應(yīng)著重發(fā)展的研究方向等幾個(gè)角度對(duì)平臺(tái)控制技術(shù)進(jìn)行了深入分析，并制定了海洋運(yùn)載平臺(tái)控制發(fā)展路線圖。

(2018年9月17日收稿)■