顧穎閩

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

當(dāng)今世界正處于新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革中，人工智能技術(shù)、無(wú)人技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)等交叉融合，無(wú)人化、智能化的裝備技術(shù)井噴式發(fā)展，武器裝備正逐步向智能化階段發(fā)展。無(wú)人裝備作為“機(jī)械化、信息化、智能化”融合一體的顛覆性新型裝備，具有作戰(zhàn)使用靈活、綜合作戰(zhàn)效益高、適用于危險(xiǎn)環(huán)境、人員傷亡率低、全壽命費(fèi)用低等顯著特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。各類(lèi)智能化無(wú)人系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺(tái)將在地面、空中、水面、水下、太空、網(wǎng)絡(luò)空間以及人的認(rèn)知空間獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，深刻改變著未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)人工智能的技術(shù)比重。

1 水面無(wú)人艇艇群軍事行動(dòng)需求

水面無(wú)人艇作為水面智能化無(wú)人系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺(tái)的代表性裝備，必將成為推進(jìn)我國(guó)海軍軍事智能化發(fā)展的核心裝備要素之一。當(dāng)前，水面無(wú)人艇以中小型規(guī)模并配合有人艦艇作戰(zhàn)行動(dòng)為主，為彌補(bǔ)中小型水面無(wú)人艇存在單艇載荷配置有限、任務(wù)能力偏弱、作戰(zhàn)樣式相對(duì)單一等不足，適應(yīng)多樣的作戰(zhàn)任務(wù)，應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，水面無(wú)人艇通常以艇群方式或與有人艦艇協(xié)同方式進(jìn)行作戰(zhàn)，通過(guò)多艇聯(lián)合、能力互補(bǔ)，彌補(bǔ)單艇在高度動(dòng)態(tài)水域中的能力不足，充分發(fā)揮水面無(wú)人艇艇群靈活部署快、監(jiān)控范圍廣、作戰(zhàn)組織靈活、抗毀重構(gòu)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更高的作業(yè)效率和作業(yè)范圍，加強(qiáng)協(xié)同魯棒性和通信能力，適應(yīng)混合兵種、多種裝備和配合協(xié)調(diào)方面的需求，具備獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)的能力。

水面無(wú)人艇在無(wú)人裝備體系中具有續(xù)航力與持續(xù)作業(yè)能力強(qiáng)、載荷裝載能力大、空中與水下2 種介質(zhì)通信中繼與信息交互等特點(diǎn)。水面無(wú)人艇艇群在警戒巡邏、偵察監(jiān)視、反潛、反水雷等海上長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)任務(wù)中起到降低人力與裝備保障成本和人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，提高要地或艦艇編隊(duì)等海上周邊地區(qū)安全防護(hù)的能力。同時(shí)，水面無(wú)人艇艇群可作為海上跨域無(wú)人系統(tǒng)通信中繼節(jié)點(diǎn)和情報(bào)處理中心，保障空中、水面、水下等無(wú)人平臺(tái)之間信息交互，有效支持海上跨域無(wú)人系統(tǒng)構(gòu)建。因此，水面無(wú)人艇艇群將在要地防御、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)和兩棲作戰(zhàn)等行動(dòng)任務(wù)中發(fā)揮重要的作用。

2 國(guó)外水面無(wú)人艇艇群技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，世界上主要水面無(wú)人艇裝備研制國(guó)家都在開(kāi)展水面無(wú)人艇集群的研究，但目前只有美國(guó)具備軍事行動(dòng)驗(yàn)證的演示能力。近5 年，美國(guó)海軍研究署牽頭成功完成了2 次海上試驗(yàn)驗(yàn)證。2014 年8 月，美國(guó)海軍研究署將13 艘水面無(wú)人艇組成編隊(duì)，利用“分散與自動(dòng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱(chēng)DADFS）和“機(jī)器人智能感知系統(tǒng)控制體系架構(gòu)”（簡(jiǎn)稱(chēng)CARACaS）兩款軟件實(shí)現(xiàn)單艇接收任務(wù)指令后自主行為決策，成功發(fā)現(xiàn)模擬敵船并攔截。但本次試驗(yàn)中水面無(wú)人艇目標(biāo)識(shí)別、護(hù)航、攔截等任務(wù)仍需人工指令，水面無(wú)人艇群僅實(shí)現(xiàn)了半自主協(xié)同作戰(zhàn)。

2016 年10 月，美國(guó)海軍研究署再次開(kāi)展水面無(wú)人艇集群試驗(yàn)，在16 平方海里海域內(nèi)，4 艘水面無(wú)人艇集群成功實(shí)現(xiàn)自主目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、跟蹤、巡邏，整個(gè)控制回路無(wú)需人工參與，首次真正實(shí)現(xiàn)了集群作戰(zhàn)，如圖1 和圖2 所示。

圖 1 多無(wú)人艇“蜂群”戰(zhàn)術(shù)Fig.1 Swarm tactics of multiple USV

此外，美國(guó)海軍在2016—2018 年間每年分別開(kāi)展了“先進(jìn)技術(shù)演習(xí)”（ANTX），進(jìn)行海上跨域無(wú)人系統(tǒng)演示。美國(guó)通用動(dòng)力、洛·馬、航空環(huán)境、波音、海德羅伊、諾·格等主要海上無(wú)人系統(tǒng)研制單位，均參加了演示驗(yàn)證。英國(guó)、法國(guó)同樣開(kāi)展了海上跨域無(wú)人系統(tǒng)演示。

圖 2 水面無(wú)人艇群協(xié)同作戰(zhàn)過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of cooperative operation process of USV group

目前，國(guó)外海上水面無(wú)人艇艇群技術(shù)發(fā)展還不夠成熟，只有美、英、法等少數(shù)國(guó)家開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。由于海上無(wú)人艇艇群系統(tǒng)的復(fù)雜性，美國(guó)以集群協(xié)同能力集成驗(yàn)證為抓手，按照信息互通、行動(dòng)協(xié)同、任務(wù)協(xié)同、跨域協(xié)同的順序，將水面無(wú)人艇艇群技術(shù)深度由淺到深穩(wěn)步推進(jìn)。協(xié)同演示任務(wù)的主題緊貼戰(zhàn)術(shù)使用根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，按照基本隊(duì)形控制、巡邏圍捕、通信中繼、協(xié)同反水雷等任務(wù)難度逐步深入。裝備選型開(kāi)放性角度來(lái)看，除了信息基礎(chǔ)架構(gòu)、信息處理和指揮控制為統(tǒng)一研制與部署以外，其他均采用開(kāi)放性原則，即在滿足基本要求的情況下，所有水面無(wú)人艇均可以參加試驗(yàn)驗(yàn)證，不斷更新評(píng)估裝備最新能力和供應(yīng)商最新技術(shù)實(shí)力。同時(shí)，從美國(guó)海軍水面無(wú)人艇艇群技術(shù)推進(jìn)速度來(lái)看，相對(duì)于無(wú)人機(jī)機(jī)群，整體偏慢，這也充分說(shuō)明水面無(wú)人艇艇群技術(shù)的復(fù)雜性、與其他類(lèi)型無(wú)人集群系統(tǒng)技術(shù)的異構(gòu)性。

3 與其他無(wú)人系統(tǒng)集群技術(shù)的異同點(diǎn)

水面無(wú)人艇艇群與其他海上無(wú)人集群系統(tǒng)相似，都是要求大量無(wú)人平臺(tái)能夠自主有序的行動(dòng)，具備群體感知與智能綜合、信息按需共享、群體行動(dòng)規(guī)劃與分配、一致性協(xié)同行動(dòng)控制、群內(nèi)外自主避障、人員對(duì)群內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)控制、組織結(jié)構(gòu)柔性控制、通信網(wǎng)絡(luò)靈活自組織等方面能力。然而，水面無(wú)人艇艇群受風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境無(wú)規(guī)律的影響以及寬帶視距通信范圍的限制，與其他種類(lèi)海上無(wú)人集群系統(tǒng)相比具有以下幾種特有關(guān)鍵問(wèn)題解決的技術(shù)研究方向：

1）水面無(wú)人艇艇群內(nèi)各平臺(tái)通常為欠驅(qū)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)，受風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境以及船間效應(yīng)的影響，群內(nèi)各平臺(tái)執(zhí)行控制與規(guī)劃路徑存在較大的不確定擾動(dòng)性，在無(wú)人系統(tǒng)中，平臺(tái)控制動(dòng)態(tài)控制精度與時(shí)效性最低，執(zhí)行效果與規(guī)劃預(yù)期存在較大偏差，需重點(diǎn)解決基于執(zhí)行效果不確定的水面無(wú)人艇群體一致性協(xié)同控制問(wèn)題。

2）受地球曲率的影響，在沒(méi)有衛(wèi)星通信資源保障條件下，水面無(wú)人艇之間寬帶微波通信距離為視距（20 km 左右）。為提高水面無(wú)人艇作業(yè)范圍，充分發(fā)揮水面無(wú)人艇艇群作業(yè)自持力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，需要解決水面無(wú)人艇艇群基于通信帶寬約束條件的水面無(wú)人艇任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題。

3）不同種類(lèi)的水面無(wú)人艇在海洋環(huán)境運(yùn)行中的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)能力差異較大，需要解決基于不同特征水動(dòng)力模型的水面無(wú)人艇艇群協(xié)同控制問(wèn)題。

4 主要關(guān)鍵技術(shù)

4.1 水面無(wú)人艇艇群控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

水面無(wú)人艇艇群內(nèi)各平臺(tái)的差異性較大，易受到通信能力、環(huán)境因素、無(wú)人平臺(tái)及其載荷能力特征等方面因素制約，系統(tǒng)總體架構(gòu)主要包括指揮中心集中控制、有中心的艇群自主協(xié)同和無(wú)中心的艇群自主協(xié)同等3 種方式（見(jiàn)圖3～圖5），水面無(wú)人艇艇群根據(jù)任務(wù)的選擇采用某種協(xié)同控制方式進(jìn)行集成。總體架構(gòu)主要解決無(wú)人艇協(xié)同方法、適應(yīng)準(zhǔn)則、自主控制方式、信息交互機(jī)制與內(nèi)容，建立適應(yīng)多種任務(wù)與環(huán)境的無(wú)人艇艇群控制總體集成體系框架。

圖 3 指揮中心集中控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Command center centralized control structure

圖 4 有中心的艇群自主協(xié)同結(jié)構(gòu)Fig.4 Autonomous cooperative structure of USV group with center

圖 5 無(wú)中心的艇群自主協(xié)同結(jié)構(gòu)Fig.5 Autonomous cooperative structure of USV group without center

圖 6 水面無(wú)人艇艇群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.6 Topological diagram of USV group

水面無(wú)人艇艇群控制總體架構(gòu)主要包括主體要素、艇群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制信息架構(gòu)、艇群運(yùn)動(dòng)模型、通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等組成。要素主要用于描述群內(nèi)各節(jié)點(diǎn)特征，由各艇自身作戰(zhàn)能力、水動(dòng)力模型、通信能力、工作狀態(tài)等信息組成，并需要通過(guò)評(píng)價(jià)機(jī)制、數(shù)據(jù)歸納、數(shù)學(xué)建模等方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器數(shù)據(jù)的描述。艇群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要描述群內(nèi)節(jié)點(diǎn)艦相關(guān)分簇結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)間指揮與通信關(guān)系、節(jié)點(diǎn)相對(duì)位姿關(guān)系、節(jié)點(diǎn)變化控制結(jié)構(gòu)、任務(wù)與結(jié)構(gòu)間關(guān)系等，主要通過(guò)有向圖或樹(shù)型圖結(jié)構(gòu)描述（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖6 所示）。控制信息架構(gòu)主要解決信息共享機(jī)制以及艇群控制與單艇控制銜接關(guān)系，通常利用單艇實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)位姿反饋和航跡點(diǎn)（或力和力矩）方式實(shí)現(xiàn)艇群對(duì)單艇的控制。艇群運(yùn)動(dòng)模型在考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境約束條件下，基于單艇運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上，考慮群體行動(dòng)控制力和內(nèi)在的群體隊(duì)形保持控制力，形成綜合的集群運(yùn)動(dòng)模型。通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要根據(jù)通信鏈接關(guān)系與艇群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)構(gòu)建分層自組織網(wǎng)絡(luò)，解決水面無(wú)人艇艇群自適應(yīng)組網(wǎng)通信能力。

重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題主要包括：多節(jié)點(diǎn)集成能力（上百艘）、基于作戰(zhàn)與海洋的不確定擾動(dòng)環(huán)境的一致性安全控制、大數(shù)量多自由度運(yùn)動(dòng)個(gè)體在空間實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、集成開(kāi)放性、角色靈活分配、節(jié)點(diǎn)隨機(jī)余度控制、基于通信時(shí)延及不穩(wěn)定的艇群安全性控制等。

4.2 水面無(wú)人艇艇群隊(duì)形自協(xié)同控制技術(shù)

水面無(wú)人艇艇群自協(xié)同控制技術(shù)包括單個(gè)體軌跡控制，編隊(duì)保持控制、避障避撞控制、隊(duì)形重組控制等技術(shù)，艇群協(xié)同控制框架如圖7 所示。

圖 7 水面無(wú)人艇群協(xié)同控制框架示意圖Fig.7 Schematic diagram of cooperative control framework of USV group

軌跡控制主要通過(guò)實(shí)時(shí)判斷水面無(wú)人艇航行控制位姿與速度，與目標(biāo)位姿偏差量超出一定允許范圍，用力或航跡調(diào)整的方式，在水面無(wú)人艇行動(dòng)方向上施加相應(yīng)糾偏控制力，通過(guò)糾偏動(dòng)力模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)偏差量越大、糾偏力越大，方向越朝著目標(biāo)軌跡方向控制。

編隊(duì)保持控制是水面無(wú)人艇艇群隊(duì)形控制的基礎(chǔ)，該控制方法與水面無(wú)人艇艇群控制系統(tǒng)總體架構(gòu)密切相關(guān)，許多總體架構(gòu)自身存在隊(duì)形保持的內(nèi)部機(jī)制。編隊(duì)保持控制包括領(lǐng)航-跟隨法、基于行為法、虛擬結(jié)構(gòu)法等。對(duì)水面無(wú)人艇艇群來(lái)說(shuō)，各水面無(wú)人艇自身具有較強(qiáng)自主能力，可采用多領(lǐng)航-跟隨法和動(dòng)態(tài)分簇法，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)靈活控制。對(duì)于避障避撞控制情況，首先對(duì)障礙物進(jìn)行決策，判斷隊(duì)形保持是否需要能夠高效完成避障任務(wù)，如可行，對(duì)障礙物邊界進(jìn)行判斷，并與艇群內(nèi)最貼近邊界的艇進(jìn)行匹配，將相應(yīng)艇設(shè)置為領(lǐng)航艇，通過(guò)對(duì)領(lǐng)航艇的控制、領(lǐng)航艇自身避障控制以及其他艇在艇群控制系統(tǒng)架構(gòu)的穩(wěn)定跟隨控制，可以有效實(shí)現(xiàn)艇群跟隨控制。如判斷隊(duì)形保持無(wú)法高效完成避障任務(wù)，則采用分簇重構(gòu)的方式，實(shí)現(xiàn)艇群重構(gòu)，各簇同理采用多領(lǐng)航-跟隨法進(jìn)行簇內(nèi)群體避障。避撞控制則通過(guò)水面無(wú)人艇艇群控制系統(tǒng)總體架構(gòu)內(nèi)部關(guān)聯(lián)勢(shì)能進(jìn)行控制，保障艇群行動(dòng)的安全。

4.3 基于認(rèn)知智能的水面無(wú)人艇艇群智能決策體系

基于認(rèn)知智能的水面無(wú)人艇艇群智能決策體系的構(gòu)建，主要目的為不斷完善與提高水面無(wú)人艇艇群自我認(rèn)知決策能力，以提高海上無(wú)人裝備自主行動(dòng)決策水平，降低人為干預(yù)頻率。主要技術(shù)路線為利用知識(shí)圖譜和人工智能相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。主要關(guān)鍵技術(shù)包括：海上無(wú)人裝備知識(shí)圖譜構(gòu)建技術(shù)、大規(guī)模分布式深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場(chǎng)感知體系構(gòu)建技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)行為自主意圖預(yù)測(cè)技術(shù)、基于多模數(shù)據(jù)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)智能生成技術(shù)、基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能決策技術(shù)。主要技術(shù)途徑為梳理已有的感知、指揮決策、行動(dòng)控制等知識(shí)，通過(guò)知識(shí)挖掘的方法，提取對(duì)水面無(wú)人艇艇群分類(lèi)價(jià)值數(shù)據(jù)。利用“云”端層級(jí)推理、深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的層次化特征感知和分布式層級(jí)推理。構(gòu)建基于對(duì)抗條件的虛擬水面無(wú)人艇艇群訓(xùn)練試驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方式，不斷提升水面無(wú)人艇艇群決策能力，最后通過(guò)海上試驗(yàn)場(chǎng)訓(xùn)練和實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)采集的方式，逐步提高水面無(wú)人艇艇群智能化水平。

4.4 高度人機(jī)協(xié)同作業(yè)

人機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)研究目的為豐富海上行動(dòng)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法、協(xié)調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)空間搭配、提升分布式探測(cè)與執(zhí)行能力、降低作業(yè)行動(dòng)損耗。在對(duì)無(wú)人/有人系統(tǒng)協(xié)同探測(cè)、目標(biāo)打擊等任務(wù)中任務(wù)使命需求和作戰(zhàn)樣式分析基礎(chǔ)上，建立指揮中心、有人系統(tǒng)、無(wú)人系統(tǒng)之間的指揮控制體系結(jié)構(gòu)，研究水面無(wú)人艇艇群自主控制等級(jí)、自主可控與安全機(jī)制、基于人員局部遙控的艇群自適應(yīng)協(xié)同控制、有人/無(wú)人系統(tǒng)間協(xié)同機(jī)制和魯棒性交互策略、智能化有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)輔助決策支持、人機(jī)融合智能顯控優(yōu)化等方面技術(shù)，構(gòu)建高效靈活的有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)機(jī)制。

5 結(jié) 語(yǔ)

未來(lái)，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、知識(shí)圖譜、云計(jì)算和寬帶無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，水面無(wú)人艇艇群協(xié)同能力將在知識(shí)獲取、環(huán)境感知、自我學(xué)習(xí)與認(rèn)知決策、大批量高維無(wú)人裝備協(xié)同控制等方面能力得到快速發(fā)展，將逐步從集群協(xié)同自控制能力發(fā)展到智能群體控制能力，并逐步滿足未來(lái)海上作戰(zhàn)需求，具備實(shí)戰(zhàn)化裝備能力。