張 偉，廖煜雷，姜 峰，趙鐵軍

（1. 哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001）

1 引 言

近年來(lái)，無(wú)人平臺(tái)技術(shù)獲得了世界范圍內(nèi)的廣泛重視和深入研究，尤其是無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展尤為迅猛，并在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了成功應(yīng)用。無(wú)人水面艇與無(wú)人機(jī)、無(wú)人車和無(wú)人潛航器同屬于四大無(wú)人平臺(tái)成員，如圖1所示。受到控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、材料、通信等高新技術(shù)的有力推動(dòng)，近30年來(lái)無(wú)人水面艇（Unmanned Surface Vehicles，USV）技術(shù)發(fā)展較快，并被應(yīng)用于民用及軍事領(lǐng)域。

圖1 四大無(wú)人平臺(tái)(源自互聯(lián)網(wǎng))Fig.1 Four unmanned platforms(from the Internet)

在2007年，美國(guó)海軍制定發(fā)布了第一個(gè)無(wú)人艇總體規(guī)劃圖，在規(guī)劃中把無(wú)人艇定義為一種靜止時(shí)浮于水面，而在運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎持續(xù)地同水面接觸，具有不同自動(dòng)操控能力的無(wú)人運(yùn)載器[1]。同其它無(wú)人平臺(tái)一樣，無(wú)人艇被應(yīng)用于環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)、枯燥或不適于人的任務(wù)中，無(wú)人艇的顯著特點(diǎn)為：（1）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；（2）活動(dòng)范圍廣、經(jīng)濟(jì)性好；（3）小型輕便、艇型豐富；（4）多種推進(jìn)方式；（5）信息化載體；（6）減輕人的負(fù)擔(dān)、無(wú)人員傷亡[2]。裝備在海洋環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)或作業(yè)時(shí)，首先要考慮到海洋獨(dú)特的工作空間環(huán)境。相比于其它工作環(huán)境，海洋裝備的工作效率、性價(jià)比和人員設(shè)備安全是重要的參考條件。無(wú)人艇與常規(guī)裝備相比，具有自主操控、部署便捷、運(yùn)維成本低、吃水淺等特點(diǎn)，無(wú)人艇通過(guò)搭載不同的功能模塊，能夠無(wú)人化、低成本、靈活自主地執(zhí)行多種海上任務(wù)，包括海域測(cè)繪、水文氣象觀測(cè)、應(yīng)對(duì)化學(xué)/核輻射污染突發(fā)事件、情報(bào)偵察、反水雷、反恐等[3-4]。

2 研究背景及意義

隨著人口劇增，陸上資源的日益匱乏，人們迫切地需要從占地表面積70%的海洋獲得資源；近年來(lái)海洋環(huán)境保護(hù)、全球氣候變暖等問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的高度重視。同時(shí)，各軍事大國(guó)歷來(lái)極為重視經(jīng)略海洋，未來(lái)海上斗爭(zhēng)激烈，維護(hù)海洋權(quán)益任務(wù)艱巨。然而，我們對(duì)于海洋的了解甚至落后于太空。發(fā)展無(wú)人艇技術(shù)對(duì)于推動(dòng)海洋開發(fā)、保護(hù)海洋環(huán)境、保衛(wèi)海洋安全等具有重要作用。對(duì)無(wú)人艇技術(shù)的研究、應(yīng)用需求，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）認(rèn)識(shí)海洋的需要

俄國(guó)科學(xué)家門捷列夫說(shuō)：“科學(xué)是從測(cè)量開始的”。工欲善其事，必先利其器，海上任何活動(dòng)，無(wú)論是海洋開發(fā)，還是海洋軍事，都需要技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、使用方便的監(jiān)測(cè)裝備來(lái)保駕護(hù)航。我國(guó)海洋科學(xué)考察正在進(jìn)入世界先進(jìn)行列，考察區(qū)域已由海岸帶、近海拓展到三大洋和南北極等遠(yuǎn)海區(qū)域。

隨著資源、能源開發(fā)利用進(jìn)程的逐步深入，對(duì)全球氣候變化的廣泛重視以及海洋科學(xué)的發(fā)展，使得海洋觀測(cè)正在發(fā)生革命性的變化。研制和構(gòu)建由科考船、衛(wèi)星、無(wú)人艇、無(wú)人機(jī)、潛/浮標(biāo)、無(wú)人潛航器等有人/無(wú)人裝備組成的海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如圖2所示），將顯著提升觀測(cè)的時(shí)間寬度、空間廣度，這對(duì)有效認(rèn)識(shí)海洋具有深遠(yuǎn)影響。

圖2 歐盟2020年海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)想象圖Fig.2 Imagination of EU marine stereoscopic monitoring system in 2020

（2）海洋經(jīng)濟(jì)的需要

船舶是極其復(fù)雜的系統(tǒng)，為了保證在復(fù)雜海洋環(huán)境中船舶航行與作業(yè)安全，目前船上仍配備了大量技術(shù)人員。隨著運(yùn)輸、人力等成本高漲，造成了航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性較差；同時(shí)人工操縱存在失誤、疲勞等問(wèn)題導(dǎo)致海上事故頻發(fā)；而且由于海上環(huán)境惡劣，必須考慮到人員耐受性要求，這嚴(yán)重影響了艦船作業(yè)時(shí)間和范圍。

隨著通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等科學(xué)技術(shù)發(fā)展，船舶的自動(dòng)化程度逐漸提高，操控船舶所需的人員變得越來(lái)越少。未來(lái)船上甚至不再需要配置船員，逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人化（如圖3 所示），這將顯著提高經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性。

（3）海洋安全的需要

海軍是極其復(fù)雜的高技術(shù)型軍種，其發(fā)展需要數(shù)十年的技術(shù)積淀。盡管21 世紀(jì)以來(lái)海軍裝備信息化水平得以極大提高，然而目前處于最高發(fā)展水平的美國(guó)海軍，一艘常規(guī)驅(qū)逐艦上仍有數(shù)百名戰(zhàn)斗和執(zhí)勤人員，一支航母編隊(duì)則由上萬(wàn)人組成。生命最為寶貴，然而戰(zhàn)爭(zhēng)就意味著流血和犧牲，如何減小傷亡并打贏戰(zhàn)爭(zhēng)顯得極為重要，無(wú)人武器系統(tǒng)的出現(xiàn)讓我們看到了希望。

圖3 未來(lái)海上無(wú)人運(yùn)輸船隊(duì)想象圖Fig.3 Imagination of the future maritime unmanned transport fleet

隨著作戰(zhàn)方式的變革，無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)成為現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展趨勢(shì)，得到各國(guó)高度重視。主要軍事強(qiáng)國(guó)正在大力推動(dòng)有人/無(wú)人系統(tǒng)的深度融合，逐步實(shí)現(xiàn)智能、協(xié)同的海陸空聯(lián)合作戰(zhàn)（如圖4所示），這將是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

圖4 未來(lái)的海陸空立體作戰(zhàn)模式想象圖Fig.4 Imagination of future sea,land,and air threedimensional combat mode

因此，在認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋、保護(hù)海洋的戰(zhàn)略需求驅(qū)動(dòng)下，深入發(fā)展無(wú)人艇技術(shù)、推動(dòng)無(wú)人裝備應(yīng)用，具有顯著的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

3 無(wú)人艇的系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)內(nèi)涵

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)人艇的架構(gòu)設(shè)計(jì)一般劃分為監(jiān)控站（岸基/母艦監(jiān)控分系統(tǒng)）、無(wú)人艇（本體分系統(tǒng)）兩大部分。對(duì)于無(wú)人艇本體而言，根據(jù)任務(wù)、功能的不同，無(wú)人艇的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括：載體、動(dòng)力、操縱、控制、感知、通信、導(dǎo)航、載荷、作業(yè)、保障等子系統(tǒng)?；谀K化的設(shè)計(jì)理念，可將子系統(tǒng)細(xì)分為各個(gè)功能模塊。無(wú)人艇研制中，依據(jù)使命任務(wù)需求和總體設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)各功能模塊進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟硬件開發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)集成最終構(gòu)建出具備自主操控、安全航行及特定功能的無(wú)人系統(tǒng)。

一種典型的無(wú)人艇系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖5 所示，為了保障無(wú)人艇有效運(yùn)行，其中包含約20 個(gè)子系統(tǒng)（功能模塊），顯然無(wú)人艇是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖5 一種典型的無(wú)人艇系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.5 Typical system composition of unmanned surface vehicles

無(wú)人艇的各個(gè)子系統(tǒng)（模塊）之間緊密聯(lián)系，相互支撐、缺一不可。無(wú)人艇遂行任務(wù)時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇與監(jiān)控站之間的無(wú)線信息交互，接收指控指令，并反饋艇載信息（艇體、環(huán)境、目標(biāo)等數(shù)據(jù)）；無(wú)人艇的核心是智能控制分系統(tǒng)，它結(jié)合艇體姿態(tài)、環(huán)境感知模塊獲得環(huán)境/目標(biāo)信息及使命任務(wù)，進(jìn)行任務(wù)決策、路徑規(guī)劃、障礙規(guī)避、航跡跟蹤，甚至協(xié)同控制；對(duì)于一些軍用無(wú)人艇，會(huì)通過(guò)目標(biāo)感知及態(tài)勢(shì)，啟動(dòng)智能打擊及防御模塊，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊或自身防御。在無(wú)人艇出現(xiàn)故障后，可以通過(guò)故障診斷模塊進(jìn)行分析、處理，啟動(dòng)相應(yīng)的安全策略。同時(shí)，通過(guò)自動(dòng)駕駛模塊可以切換遙控模式或自主模式，根據(jù)不同任務(wù)及需求選擇適宜的運(yùn)行模式。

3.2 技術(shù)內(nèi)涵

（1）技術(shù)研究角度

無(wú)人艇技術(shù)具有多學(xué)科交叉融合、集成性和前瞻性的特點(diǎn)，涉及船舶與海洋工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能、通信技術(shù)等眾多學(xué)科領(lǐng)域。

無(wú)人艇的關(guān)鍵技術(shù)主要包括載體設(shè)計(jì)、自主規(guī)劃與控制、環(huán)境感知、布放回收、武器投放、通信、動(dòng)力、有效載荷等技術(shù)。其中，無(wú)人艇的通信技術(shù)基本上可以借鑒來(lái)自水面有人艦船的成熟技術(shù)，而動(dòng)力系統(tǒng)則主要采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或鋰電池，因此這兩項(xiàng)技術(shù)門檻相對(duì)較低。而無(wú)人艇的有效載荷技術(shù)方面的門檻較高，突破難度較大。

①載體設(shè)計(jì)技術(shù)

載體系統(tǒng)是無(wú)人艇的“身體”即平臺(tái)基礎(chǔ)，載體設(shè)計(jì)技術(shù)包括無(wú)人艇的艇型設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析與測(cè)試、總體設(shè)計(jì)與集成、高速航行穩(wěn)定性、抗傾覆性、浮態(tài)自恢復(fù)等技術(shù)。

目前，無(wú)人艇主要包括滑行、排水、多體、水翼、半潛等五類艇型。其中軍用領(lǐng)域一般采用滑行或半滑行艇型，而民用領(lǐng)域則一般以排水、多體型為主。

②自主規(guī)劃與控制技術(shù)

如果把無(wú)人艇比作一個(gè)人的話，那么智能控制系統(tǒng)將是無(wú)人艇的“大腦”，而自主技術(shù)則是其核心。

自主技術(shù)能夠降低無(wú)人艇對(duì)于人員和通信帶寬的需求，同時(shí)擴(kuò)展任務(wù)范圍或改善操控性能。一直以來(lái)自主技術(shù)都是無(wú)人裝備的核心研究領(lǐng)域，雖然近年來(lái)發(fā)展迅速，但是自主等級(jí)、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等仍有很大提升空間。

③環(huán)境感知技術(shù)

環(huán)境感知系統(tǒng)是無(wú)人艇的“眼睛”，是實(shí)現(xiàn)自主航行和作業(yè)的前提。

近年來(lái)，盡管在無(wú)人艇傳感器及處理技術(shù)方面有了較大發(fā)展，但在環(huán)境感知技術(shù)領(lǐng)域仍存在較多技術(shù)問(wèn)題。比如海上視覺(jué)感知算法，當(dāng)前仍處在初期發(fā)展階段，可靠跟蹤、識(shí)別能力亟待提高。

④武器投放技術(shù)

載荷系統(tǒng)是無(wú)人艇的“拳頭”，為執(zhí)行反水雷、反潛、反恐等任務(wù)，要求無(wú)人艇能夠攜載、投送專門的武器（載荷）。

面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是在各種海況下可靠地跟蹤、瞄準(zhǔn)目標(biāo)并遂行打擊。目前，主要是通過(guò)遙控站的方式進(jìn)行武器控制，還未實(shí)現(xiàn)自主式武器控制。

⑤布放與回收技術(shù)

部署系統(tǒng)是無(wú)人艇的“保障”，布放回收技術(shù)是無(wú)人艇能否成功運(yùn)行的關(guān)鍵。

無(wú)人艇布放回收技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，包括布放、回收作業(yè)的安全和可操作性，系統(tǒng)的通用、自主與可移植性，無(wú)人艇與母平臺(tái)潛在沖突等。目前，美國(guó)的無(wú)人艇布放回收技術(shù)水平最高、發(fā)展最快。

（2）軍事應(yīng)用角度

無(wú)人艇作為一種依靠遙控、半自主、自主甚至全自主方式在水面運(yùn)行的無(wú)人化平臺(tái)，它通過(guò)搭載多種傳感器、特種裝備或武器模塊等載荷，在目標(biāo)海域執(zhí)行反水雷、反潛、反艦、電子戰(zhàn)以及海上安全等任務(wù)使命。

2007年7月，美國(guó)海軍首次發(fā)布《海軍無(wú)人艇總體計(jì)劃》，該計(jì)劃中規(guī)劃了無(wú)人艇的七項(xiàng)使命任務(wù)和五大重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，成為了美國(guó)海軍無(wú)人艇技術(shù)研發(fā)、作戰(zhàn)運(yùn)用的綱領(lǐng)性文件。其中，七大任務(wù)使命包括反水雷、反潛、海上安全、反艦、支持特種部隊(duì)作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、支持海上封鎖行動(dòng)；五大重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)包括自主技術(shù)、障礙規(guī)避技術(shù)、載荷/武器耦合技術(shù)、布放與回收技術(shù)、先進(jìn)船體/機(jī)械/電氣/系統(tǒng)技術(shù)[5]。

4 無(wú)人艇技術(shù)的研究現(xiàn)狀

參考技術(shù)發(fā)展水平、遂行任務(wù)能力等因素，可將無(wú)人艇技術(shù)的發(fā)展分為三個(gè)主要階段。

4.1 萌芽階段

萌芽階段為二戰(zhàn)時(shí)期至20世紀(jì)90年代初。無(wú)人艇的發(fā)展歷史最早可以追溯到1898年，當(dāng)時(shí)著名發(fā)明家尼古拉特斯拉發(fā)明了一艘名為Wireless robot的遙控艇。

在二戰(zhàn)時(shí)期，無(wú)人艇第一次被應(yīng)用在實(shí)戰(zhàn)中。1944年，盟軍在諾曼底登陸期間，開發(fā)了可以運(yùn)載大量煙幕劑的無(wú)人艇，按照預(yù)先設(shè)定的航向駛往特定海域，造成盟軍艦隊(duì)登陸的假象，實(shí)現(xiàn)其作戰(zhàn)掩護(hù)和戰(zhàn)略欺騙的目的。二戰(zhàn)后期，美國(guó)海軍還曾通過(guò)在小型登陸艇上加裝無(wú)線電控制的操舵裝置和掃雷火箭彈，用于淺海雷區(qū)作業(yè)。

二戰(zhàn)結(jié)束后，無(wú)人艇得到了進(jìn)一步發(fā)展，主要用于掃雷和戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估等任務(wù)，如1946年的“十字路口行動(dòng)”中，原子彈每次爆炸后，均使用無(wú)人艇收集輻射水域樣品。20 世紀(jì)60年代蘇聯(lián)開發(fā)了小型遙控?zé)o人艇，主要用于向敵方艦艇發(fā)動(dòng)自殺式的撞擊爆炸性攻擊。20世紀(jì)70至80年代，由于技術(shù)的限制，無(wú)人艇技術(shù)并未獲得很大突破，主要應(yīng)用于軍事演習(xí)和火炮射擊的海上靶標(biāo)（如圖6所示）。

圖6 美國(guó)軍事演習(xí)中的無(wú)人靶船F(xiàn)ig.6 Unmanned target ship during US military exercise

4.2 起步階段

起步階段為20世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初。20世紀(jì)90年代后，隨著關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，真正意義上的無(wú)人艇開始出現(xiàn)。比較典型的是美國(guó)研制的遙控獵雷作戰(zhàn)原型艇（如圖7 所示），成功在波斯灣跟從庫(kù)欣號(hào)驅(qū)逐艦進(jìn)行了海上作業(yè)。1997年1～2月的“SHAREM 119”演習(xí)中，該艇進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)12 天的獵雷行動(dòng)。

圖7 美國(guó)AN/WLS-1型遙控獵雷作戰(zhàn)艇Fig.7 American AN/WLS-1 remotely controlled mine hunting combat boat

這一階段，無(wú)人艇更多地處在概念武器的試驗(yàn)和驗(yàn)證階段，逐步具備了現(xiàn)代無(wú)人艇的基本技術(shù)特征，具有較高的自主航行能力，這與早期遙控式無(wú)人艇有本質(zhì)區(qū)別。

4.3 快速發(fā)展階段

快速發(fā)展階段為21世紀(jì)初至今。隨著計(jì)算機(jī)、信息、控制、導(dǎo)航、通信、新材料等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人艇技術(shù)得到了快速發(fā)展，其自主等級(jí)、性能顯著提升，并向智能化方向發(fā)展[6-11]。下面從單無(wú)人艇及多無(wú)人艇兩個(gè)角度，簡(jiǎn)要回顧國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的研究進(jìn)展。

（1）單無(wú)人艇技術(shù)方面

美國(guó)、以色列等軍事強(qiáng)國(guó)高度重視無(wú)人艇技術(shù)發(fā)展，持續(xù)大力投入，據(jù)統(tǒng)計(jì)在研、現(xiàn)役無(wú)人艇共約19型63艘（美國(guó)占總數(shù)的50%），在情報(bào)偵察、反水雷、反潛等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，典型代表有Protector（保護(hù)者）、Spartan（斯巴達(dá)）、Sea Hunter（海上獵手）。

2003年，美軍在葛底斯堡號(hào)巡洋艦上部署了第一艘斯巴達(dá)偵察兵號(hào)無(wú)人艇，在阿拉伯灣地區(qū)參與執(zhí)行了“伊拉克自由行動(dòng)”和“持久自由行動(dòng)”等任務(wù)。2007年，美國(guó)海軍發(fā)布《海軍無(wú)人艇主計(jì)劃》（如圖8所示），為無(wú)人艇賦予了7項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)還界定了無(wú)人艇的船型、尺寸和標(biāo)準(zhǔn)等要素，這標(biāo)志著美國(guó)無(wú)人艇走上了正規(guī)發(fā)展階段。

圖8 2007年美國(guó)海軍首次發(fā)布《海軍無(wú)人艇總體計(jì)劃》Fig.8 The U.S. Navy first released the Navy Unmanned Master Plan in 2007

2010年，美國(guó)預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)了海上獵手大型反潛無(wú)人艇研制項(xiàng)目（如圖9 所示）。海上獵手由美國(guó)DARPA 與海軍共同資助雷多斯工程公司研制，2010年3月正式啟動(dòng)，2015年11月交付，2016年4月命名下水，計(jì)劃部署100艘。海上獵手號(hào)反潛持續(xù)跟蹤無(wú)人艇是目前美國(guó)甚至全球最先進(jìn)的無(wú)人水面裝備，專門為對(duì)抗中國(guó)、俄羅斯的潛艇（尤其是安靜型潛艇）而研制，達(dá)到以建造潛艇不到1/10的成本消除敵方潛艇威脅的目的，被美國(guó)軍方譽(yù)為“預(yù)示美國(guó)機(jī)器人在作戰(zhàn)領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，可以改變美國(guó)海上作戰(zhàn)的性質(zhì)”。

圖9 美國(guó)DARPA的海上獵手號(hào)反潛持續(xù)跟蹤無(wú)人艇Fig.9 Anti-submarine anti-submarine continuous tracking unmanned surface vehicle of US DARPA

2014年，哈爾濱工程大學(xué)在國(guó)家863 項(xiàng)目支持下研制了天行Ⅰ號(hào)多任務(wù)高速無(wú)人艇（如圖10 所示）。該艇采用復(fù)合推進(jìn)方式，艇長(zhǎng)12m，滿載排水量7.5t，最高航速50kn，續(xù)航力1000km，可以四級(jí)海況安全航行，具備自主航行、危險(xiǎn)感知與規(guī)避功能，以及全自主海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)/偵察、地形探測(cè)等多任務(wù)能力[11]。

圖10 哈爾濱工程大學(xué)的天行Ⅰ號(hào)多任務(wù)高速無(wú)人艇Fig.10 TianXing Ⅰmulti-task high-speed unmanned surface vehicle of Harbin Engineering University

2018年，珠海云洲智能有限公司展示了瞭望者Ⅱ號(hào)察打一體導(dǎo)彈無(wú)人艇（如圖11 所示）。在艇艏位置配備四聯(lián)裝導(dǎo)彈裝置，采用圖像制導(dǎo)方式，火力覆蓋范圍為5km，同時(shí)還搭載了先進(jìn)的光電系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道這是中國(guó)第一艘導(dǎo)彈無(wú)人艇，也是全球第二個(gè)成功發(fā)射導(dǎo)彈的無(wú)人艇，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)導(dǎo)彈無(wú)人艇這一技術(shù)空白。

（2）多無(wú)人艇技術(shù)方面

2014年，美國(guó)海軍研究局（Office Naval Research，ONR）使用13艘無(wú)人艇進(jìn)行了蜂群戰(zhàn)術(shù)測(cè)試（如圖12 所示），在測(cè)試中，所有無(wú)人艇成功實(shí)現(xiàn)將各自獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享并遵循一致作戰(zhàn)協(xié)議，集群攔截了潛在敵方艦船。但在測(cè)試中一旦無(wú)人艇蜂群形成基體認(rèn)知，每艘無(wú)人艇將各自執(zhí)行蜂擁行動(dòng)而缺乏計(jì)劃性，即所有無(wú)人艇會(huì)涌向第一個(gè)威脅，而忽略其他危機(jī)。

圖11 珠海云洲公司的瞭望者Ⅱ號(hào)察打一體無(wú)人艇Fig.11 Zhuhai Yunzhou Company′s Watcher II Observation and combat integrated unmanned surface vehicle

圖12 美國(guó)ONR首次測(cè)試多無(wú)人艇集群協(xié)同防護(hù)重要目標(biāo)Fig.12 The US ONR test utilized multi-unmanned surface vehicles cluster for critical target protection

2016年，美國(guó)ONR再次進(jìn)行了無(wú)人艇蜂群技術(shù)演示驗(yàn)證（如圖13 所示）。測(cè)試中共使用4 艘無(wú)人艇執(zhí)行重要港口巡邏警戒任務(wù)。據(jù)報(bào)道新版本的軟件系統(tǒng)在自主協(xié)同、行為引擎和自主目標(biāo)識(shí)別方面取得了突破性進(jìn)展，使得無(wú)人艇蜂群具有更豐富的作戰(zhàn)行為模式和更高的自主水平。

圖13 美國(guó)ONR第二次測(cè)試多無(wú)人艇集群協(xié)同港口警戒Fig.13 The US ONR test utilized multi-unmanned surface vehicles cluster for port alert

2017年，哈爾濱工程大學(xué)在山東海域完成了7艘同構(gòu)無(wú)人艇的群體編隊(duì)海上試驗(yàn)（如圖14所示）。并于2018、2019年多次完成了3艘異構(gòu)無(wú)人艇的協(xié)同編隊(duì)、水上目標(biāo)圍捕等外場(chǎng)演示試驗(yàn)。

圖14 哈爾濱工程大學(xué)的7艘無(wú)人艇編隊(duì)海上試驗(yàn)Fig.14 Sea trial of seven unmanned surface vehicles formation from Harbin Engineering University

2018年，在南海萬(wàn)山群島海域，珠海云洲智能有限公司開展了一場(chǎng)迄今為止最大規(guī)模的無(wú)人艇多艇編隊(duì)技術(shù)測(cè)試（如圖15 所示）。在復(fù)雜多變的實(shí)際海況中，由56艘同構(gòu)無(wú)人艇組成的海上編隊(duì)整齊劃一地前行，成功完成了躲避島礁、穿越人工設(shè)置的橋洞等任務(wù)，并能快速切換編隊(duì)造型，完成無(wú)人艇編隊(duì)的隊(duì)形保持、隊(duì)形變換等多項(xiàng)測(cè)試科目。

圖15 珠海云洲公司的56艘無(wú)人艇編隊(duì)海上試驗(yàn)Fig.15 Sea trial of 56 unmanned surface vehicles formation of Zhuhai Yunzhou Company

5 無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)人艇技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用歷史已逾80年，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制、信息技術(shù)、動(dòng)力與能源技術(shù)、材料技術(shù)、人工智能等高新技術(shù)的日益發(fā)展，無(wú)人艇應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?，呈現(xiàn)出綜合化發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。無(wú)人艇的發(fā)展目標(biāo)已經(jīng)由完成某些特定任務(wù)，向擁有智能決策、群體協(xié)同能力邁進(jìn)[12-14]。綜合國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇技術(shù)研究現(xiàn)狀及未來(lái)需求，無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展將呈現(xiàn)四個(gè)主要趨勢(shì)。

5.1 載體設(shè)計(jì)技術(shù)

（1）總體采用模塊化設(shè)計(jì)和開放式體系結(jié)構(gòu)，降低研發(fā)成本，兼具執(zhí)行多種任務(wù)的能力。

模塊化設(shè)計(jì)和開放式體系是分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)的不同組件，將系統(tǒng)細(xì)分為較小的部分的方法，這些部分可以獨(dú)立搭建，然后在不同的系統(tǒng)中用于執(zhí)行多個(gè)功能。目前，各國(guó)開發(fā)的無(wú)人艇幾乎都采用了模塊化設(shè)計(jì)和開放式體系架構(gòu)?？筛鶕?jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行不同的功能組合。整個(gè)設(shè)計(jì)是高度模塊化的，可以根據(jù)所需任務(wù)、有效負(fù)載或環(huán)境條件來(lái)替換或修改每個(gè)模塊。例如美軍研發(fā)的斯巴達(dá)偵察兵號(hào)無(wú)人艇，技術(shù)成熟的模塊囊括了監(jiān)視和偵察、反艦作戰(zhàn)、排除水雷、反潛、目標(biāo)打擊等模塊，可在一個(gè)小時(shí)內(nèi)利用“即插即用”型任務(wù)模塊完成一艘基本版斯巴達(dá)偵察兵無(wú)人艇裝配。模塊化設(shè)計(jì)和開放式體系結(jié)構(gòu)提高了無(wú)人艇研發(fā)進(jìn)度和功能的多樣性，同時(shí)有效降低了科研成本。

（2）任務(wù)驅(qū)動(dòng)的高性能、新概念艇型設(shè)計(jì)層出不窮，無(wú)人艇的載體性能得到顯著提升，并演變出更多新功能。

當(dāng)前無(wú)人艇的載體構(gòu)型，仍以滑行、排水、多體、水翼、半潛等五類艇型為主。但是隨著軍民領(lǐng)域?qū)Ω咝阅艿牟粩嘧非螅瑢?duì)新需求、工作域的逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致常規(guī)無(wú)人艇型，已較難滿足或適應(yīng)高性能、新任務(wù)對(duì)載體的苛刻需求。比如，研究可變結(jié)構(gòu)、多航態(tài)的載體，提升隱蔽性或高海況生存能力；研制具備海陸兩棲航行能力的復(fù)合型載體，以應(yīng)對(duì)島礁、瀕海任務(wù)需要；探索具備水下、水面、空中跨域適應(yīng)性的新型航行器，以適應(yīng)隱蔽潛行、快速突防的需要；研究具備高海況甚至全海況安全航行、超長(zhǎng)航時(shí)續(xù)航能力的大型/多體載體，以執(zhí)行反潛、有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)等使命?？傊苿?dòng)無(wú)人艇工作空間從單域向多域、跨域發(fā)展，工作時(shí)間從局部短期向廣域長(zhǎng)航時(shí)發(fā)展，環(huán)境耐受性從低海況向高海況發(fā)展，將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

（3）研發(fā)續(xù)航持久高效的動(dòng)力系統(tǒng)，提高無(wú)人艇的活動(dòng)半徑和續(xù)航能力。

在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人艇主要執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、情報(bào)搜集、海域監(jiān)視以及反水雷等任務(wù)，要求無(wú)人艇具有出色的續(xù)航能力。目前，已經(jīng)有國(guó)家著力研究長(zhǎng)航時(shí)的無(wú)人艇。例如，美國(guó)開發(fā)的SD 1021 號(hào)和海上獵手號(hào)無(wú)人艇，英國(guó)研發(fā)的C-Enduro號(hào)無(wú)人艇等利用多種動(dòng)力提高續(xù)航能力。

根據(jù)目前技術(shù)，主要從能源技術(shù)方面提高無(wú)人艇續(xù)航能力，例如用高性能電池、高能比燃料和新型能源等增大動(dòng)力系統(tǒng)提供的能量。此外，基于太陽(yáng)能、風(fēng)能和波浪能等海洋能捕獲技術(shù)，開發(fā)海洋能驅(qū)動(dòng)的新型無(wú)人艇，并成功獲得了工程應(yīng)用，在這方面民用領(lǐng)域的研究最為活躍。

5.2 先進(jìn)材料技術(shù)

先進(jìn)材料技術(shù)將有可能為無(wú)人艇提供更輕、更堅(jiān)固、更隱身的基礎(chǔ)平臺(tái)。先進(jìn)材料是指能夠提供物理或功能方面高性能、新屬性的材料。先進(jìn)材料技術(shù)在無(wú)人艇上的應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）電磁隱身。導(dǎo)電納米棒分散于液晶超結(jié)構(gòu)中的可調(diào)超材料結(jié)構(gòu)體能夠吸收和反射電磁能量，可以幫助無(wú)人艇獲得期望的隱身效果。

（2）艇型優(yōu)化。一種名為納米工程電活化表面的材料有可能實(shí)現(xiàn)船殼的變形，在作戰(zhàn)時(shí)艇體的形變將改變艇體的空氣動(dòng)力、水動(dòng)力和聲傳播（吸收）效率等。

（3）電子設(shè)備小型化。分子電子材料技術(shù)的應(yīng)用不僅可以提高設(shè)備的可靠性和降低成本，而且可以減輕重量并減少耗電量。設(shè)備小型化帶來(lái)最大的好處就是可以增加更多的負(fù)載，無(wú)人艇的多功能性更強(qiáng)、綜合性能更佳[15-18]。

5.3 自主控制技術(shù)

鑒于無(wú)人平臺(tái)特性，自主控制技術(shù)一直是非常重要的研究方向。目前較為成功的自動(dòng)控制系統(tǒng)有以色列銀色馬林魚號(hào)、黃貂魚號(hào)無(wú)人艇搭載的自動(dòng)舵手系統(tǒng)，這是一套具有高度自適應(yīng)性和決策能力的智能決策專家系統(tǒng)，能夠根據(jù)所處任務(wù)環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)的種類自主完成無(wú)人艇的控制。

（1）高新技術(shù)驅(qū)動(dòng)自主等級(jí)不斷提升，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、支持任務(wù)更復(fù)雜。

隨著博弈論、智能決策、控制論、機(jī)器學(xué)習(xí)、群智優(yōu)化等先進(jìn)技術(shù)及新方法的不斷涌現(xiàn)，并與無(wú)人艇進(jìn)行有效融合，將逐漸突破高級(jí)任務(wù)決策、快速路徑規(guī)劃、自主多動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)規(guī)避、敏捷運(yùn)動(dòng)控制等核心算法，推動(dòng)無(wú)人艇的自主等級(jí)不斷提升。

目前美國(guó)開發(fā)了一套成熟的海上自主導(dǎo)航系統(tǒng)，主要融合了人工智能、三維數(shù)字成像和傳感器融合技術(shù)，顯著提高了無(wú)人艇單獨(dú)執(zhí)行任務(wù)或與其它平臺(tái)協(xié)同作業(yè)時(shí)的自主能力?？梢灶A(yù)見人工智能技術(shù)、先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型信息處理技術(shù)的融合應(yīng)用，將會(huì)是未來(lái)無(wú)人艇自主控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

（2）面向?qū)崙?zhàn)注重多平臺(tái)、跨平臺(tái)組網(wǎng)，提高協(xié)同化作戰(zhàn)能力。

考慮到未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)將是海陸空天多維一體作戰(zhàn)的模式，無(wú)人艇與其它有人或無(wú)人平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。從技術(shù)角度講，如果采用相同的標(biāo)準(zhǔn)和開放式體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)人艇就可以同其它有人/無(wú)人平臺(tái)共享信息、載荷，從而與作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他平臺(tái)無(wú)縫連接，使得這些平臺(tái)能夠在網(wǎng)絡(luò)的支持下集成一個(gè)整體，實(shí)施多維、一體化作戰(zhàn)。目前，美、以、俄、英和中國(guó)均在積極開展相關(guān)研究與實(shí)踐。

5.4 環(huán)境感知技術(shù)

無(wú)人艇的環(huán)境感知技術(shù)主要包括光視覺(jué)、雷達(dá)、紅外以及水聲等感知手段。環(huán)境感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自主航行、自主作業(yè)的基礎(chǔ)，也是無(wú)人艇具備智能特征的關(guān)鍵。

（1）多傳感器信息融合處理，提供實(shí)時(shí)精確的環(huán)境感知信息。

環(huán)境感知領(lǐng)域的信息和判斷可以作為無(wú)人艇控制和規(guī)劃的依據(jù)，環(huán)境感知信息來(lái)源也不再局限于單個(gè)傳感器的輸入，將相機(jī)和雷達(dá)、水聲及紅外等其他傳感器信息融合的技術(shù)也為無(wú)人艇環(huán)境感知技術(shù)開辟了新的道路，但當(dāng)前仍存在許多研究難題，包括克服各個(gè)傳感器的缺點(diǎn)，提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境感知信息等，毫無(wú)疑問(wèn)多傳感器信息融合是未來(lái)無(wú)人艇環(huán)境感知的關(guān)鍵技術(shù)。未來(lái)無(wú)人艇的環(huán)境感知、決策控制和作業(yè)技術(shù)將更加深入融合。

（2）水面圖像的增強(qiáng)復(fù)原研究，在復(fù)雜惡劣天氣條件下獲取失真度低的環(huán)境信息。

無(wú)人艇需要在雨、霧、雪、浪等惡劣天氣下開展工作，這些工作環(huán)境使得水面圖像模糊不清，圖像的質(zhì)量退化，一些關(guān)鍵信息存在丟失或損壞。需要建立一種滿足惡劣天氣環(huán)境的水面圖像增強(qiáng)復(fù)原機(jī)制，根據(jù)外界環(huán)境自適應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原，保留圖像的關(guān)鍵信息，并滿足水面圖像目標(biāo)信息獲取的實(shí)時(shí)性要求。

（3）傳統(tǒng)感知算法和深度學(xué)習(xí)感知算法的融合研究。

傳統(tǒng)的感知算法具有理論性強(qiáng)、應(yīng)用廣和可靠性高的特點(diǎn)，深度學(xué)習(xí)的感知算法具有魯棒性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)?？梢匀诤蟼鹘y(tǒng)算法和深度學(xué)習(xí)算法，即克服傳統(tǒng)算法魯棒性低、準(zhǔn)確度低和深度學(xué)習(xí)算法需要大量數(shù)據(jù)、人工標(biāo)注等缺點(diǎn)，構(gòu)建擁有兩種算法優(yōu)勢(shì)的感知框架，提高無(wú)人艇的環(huán)境感知性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人艇的最大特點(diǎn)是具有獨(dú)立自主運(yùn)行的能力，因此研究如何提高無(wú)人艇的智能水平非常重要。近年來(lái)，一些研究為提高無(wú)人艇的智能水平做出了積極貢獻(xiàn)，包括任務(wù)決策、智能控制、非結(jié)構(gòu)環(huán)境感知等，但仍有許多問(wèn)題需要解決。其次，多學(xué)科交叉融合將極大促進(jìn)無(wú)人艇技術(shù)的發(fā)展。有人/無(wú)人平臺(tái)（無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇、無(wú)人車及無(wú)人潛航器等）協(xié)同執(zhí)行任務(wù)將是大勢(shì)所趨，因此必須高度重視多平臺(tái)協(xié)同技術(shù)研究和驗(yàn)證。

隨著無(wú)人艇技術(shù)日趨完善、運(yùn)維成本不斷降低，可望在科考、測(cè)繪、運(yùn)輸、勘探、救援等任務(wù)場(chǎng)景獲得大量應(yīng)用。軍用無(wú)人艇作為未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)的重要節(jié)點(diǎn)，大型化、智能化、功能及隱身化將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，各種高性能、新型無(wú)人艇也將不斷涌現(xiàn)。