胥鳳馳，王 偉，李 哲，韓 瑋

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

0 引 言

無人艇系統(tǒng)是將各個分離的子系統(tǒng)組合連接成為一個整體，并能夠使彼此之間協(xié)調(diào)工作，高效完成特定任務(wù)的集成平臺。

水面無人艇按照用途分為軍用和民用，軍用領(lǐng)域無人艇廣泛應(yīng)用于海上情報偵察搜集：對我方海域進行巡邏，及時發(fā)現(xiàn)并傳回外來船舶的詳細(xì)信息；反潛反水雷：利用聲吶對水下水雷等威脅目標(biāo)進行探測；海上打擊：通過無人艇上攜帶的武器對目標(biāo)進行打擊；海上救援：對危險海域進行取證救援。軍用領(lǐng)域最具代表性的是美國的“斯巴達偵察兵”和以色列的“保護者”無人艇，主要功能是反水雷、情報偵察和監(jiān)視。民用領(lǐng)域無人艇廣泛應(yīng)用于海洋測繪：對無海洋地理信息的海域進行測繪，獲取海底地形、海水深度等信息；海洋氣象監(jiān)測：預(yù)報赤潮、海冰、滸苔等自然災(zāi)害，對海水取樣分析水質(zhì)；海上應(yīng)急救援：對危險海域進行取證救援。民用領(lǐng)域最具代表性的是美國的“波浪滑翔機”和日本的Aquarius，主要功能是海洋邊境巡邏和監(jiān)測。

1 系統(tǒng)功能需求

無人艇系統(tǒng)根據(jù)不同的任務(wù)需要具有不同的能力需求：強大的信息獲取能力、精準(zhǔn)的任務(wù)規(guī)劃能力、信息處理能力、可靠的通信能力、火力打擊能力、異常處理能力、強大的生存能力、多任務(wù)載荷模塊化搭載能力[2]。

1）強大的信息獲取能力

要求無人艇能夠獲取自身的位置信息、航行姿態(tài)信息，艇上載荷設(shè)備信息，油量電量信息，水上水下環(huán)境信息，海圖信息，任務(wù)目標(biāo)信息，母艦或協(xié)同艇信息等。

2）精準(zhǔn)的任務(wù)規(guī)劃能力

能夠進行基于海圖的任務(wù)規(guī)劃，能夠進行基于目標(biāo)的任務(wù)點及載荷執(zhí)行動作設(shè)置。

3）信息處理能力

能夠?qū)τ趯?dǎo)航雷達、激光雷達、光電視頻、航行視頻、AIS 等接受到的目標(biāo)信息進行點跡聚類[3]處理，進行目標(biāo)數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建無人艇實時的環(huán)境地圖模型。

4）可靠的通信能力

能夠滿足艇端與母艦、任務(wù)控制臺之間的數(shù)據(jù)通信，要求具備足夠的數(shù)據(jù)帶寬、實時性，具備較低的丟包率和誤碼率；具備數(shù)據(jù)加密功能，能夠確保數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸過程中不被截獲和破解；能夠滿足光電視頻、雷達視頻、航行視頻、聲吶圖像、控制指令、狀態(tài)回傳報文的傳輸。

5）火力打擊能力

要求無人艇具備一定的火力打擊能力，具備搭載機槍、輕型導(dǎo)彈、水雷、魚雷等武器的能力，在喊話驅(qū)離無效的情況下，能夠執(zhí)行打擊任務(wù)。

6）異常處理能力

面對艇體或載荷設(shè)備異常情況下，能夠執(zhí)行自動返航、重啟發(fā)動機、啟動滅火器、自毀程序等。

7）強大的生存能力

具備良好的機動性和適航性，具備可靠的穩(wěn)性和抗沉性，在惡劣海況下具備生存能力，配備自扶正裝置，在傾覆時能夠自動扶正。

8）多任務(wù)載荷模塊化搭載能力

無人艇裝備有多種武器和設(shè)備，面對不同的任務(wù)，如巡邏警戒，反潛反導(dǎo)，環(huán)境探測等，需要無人艇能夠?qū)Σ煌O(shè)備進行啟停，減少耗電和數(shù)據(jù)傳輸壓力，有針對性的根據(jù)任務(wù)分配武器和設(shè)備，實現(xiàn)同一無人艇平臺多任務(wù)載荷切換的功能。

2 系統(tǒng)組成

針對水面無人艇的功能需求，進行水面無人艇系統(tǒng)設(shè)計，無人艇系統(tǒng)包括：艇平臺系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、綜合信息處理系統(tǒng)、航行控制系統(tǒng)、任務(wù)控制系統(tǒng)、任務(wù)載荷設(shè)備、智能演進系統(tǒng)。

艇平臺系統(tǒng)由艇體本身、動力推進、電力供應(yīng)組成。

艇體本身包括艇體、駕控臺、布放回收裝置、自扶正裝置等；動力推進包括發(fā)動機組、噴水推進器和轉(zhuǎn)向機構(gòu)等；電力供應(yīng)包括啟動電池組、日用電池組、充電管理單元等。

通信系統(tǒng)包括北斗（通信模塊），無線寬帶通信設(shè)備、衛(wèi)星通信、海事電話等；

圖 1 無人艇系統(tǒng)組成圖Fig.1 Unmanned surface vessel system composition diagram

導(dǎo)航系統(tǒng)包括北斗（導(dǎo)航模塊）、船用光纖陀螺羅經(jīng)、航姿等；

環(huán)境感知系統(tǒng)包括光電設(shè)備、前視聲吶、側(cè)掃聲吶、避碰聲吶、導(dǎo)航雷達、激光雷達、AIS 接收機、氣象儀、航行視頻傳感器等；

綜合信息處理系統(tǒng)包括導(dǎo)航雷達處理板、光電處理板、聲吶信息處理板、視頻板、交換板等；

航行控制系統(tǒng)包括岸基航行控制中心、艇載航行控制中心、底層控制箱、航控備份板等；

任務(wù)控制系統(tǒng)包括岸基任務(wù)控制中心、艇載任務(wù)處理中心等；

任務(wù)載荷設(shè)備包括各種任務(wù)載荷設(shè)備（如機槍、導(dǎo)彈等）；

智能演進系統(tǒng)包括智能演進平臺（計算集群、存儲集群等）。

3 子系統(tǒng)功能、技術(shù)難點及技術(shù)途徑

1）艇平臺功能

具備有人/無人/遙控3 種工作模式；

具有基礎(chǔ)平臺運行能力，為無人艇系統(tǒng)提供基本運行環(huán)境；

具有符合水面無人功能需求的續(xù)航力和自持力，在快速性、適航性、隱身性上符合水面無人艇執(zhí)行的任務(wù)要求；

具備模塊化載荷加裝功能；

具備兼顧港口部署、隨母艦工作2 種模式下的布放回收功能。

技術(shù)難點：高性能艇型設(shè)計、優(yōu)化推進方式。

技術(shù)途徑：多樣化矢量控制技術(shù)[4]。

加大高性能艇型水動力性能研究力度，采用仿真計算及航模試驗等多種方式進行艇型研究；對于雙體艇、三體艇、小水線面艇、槽道艇、水翼艇、氣墊船等多種高性能艇型，研究其快速性能、縱向穩(wěn)定性、耐波性、操縱性，適航性等性能指標(biāo)，采用多樣化的附體設(shè)計或噴氣、斷級等設(shè)計方式，改善艇體性能；開展噴水推進器、對轉(zhuǎn)槳、槽道槳等對于無人艇的矢量控制技術(shù)，建立艇體六自由度運動模型，建立艇體運動相應(yīng)方程，進行操縱性仿真，以達到對無人艇精細(xì)操控的目的；開展表面槳、可調(diào)距槳的推進性能理論研究，研究表面槳運行過程中空化作用的形成機理，進而計算推力的大小，以對槳的型線設(shè)計提出改進及優(yōu)化的空間。

2）通信系統(tǒng)功能

具備為艇平臺和岸基任務(wù)控制中心提供通信的功能；

具備組建、管理、維護、優(yōu)化自組網(wǎng)絡(luò)功能；

具備控制指令傳輸、狀態(tài)信息傳輸、環(huán)境信息傳輸、目標(biāo)信息傳輸功能；

具有抗頻率選擇性衰落、抗單頻和脈沖干擾能力，具備高頻譜利用率、高靈敏度和低信噪比門限優(yōu)點。

技術(shù)難點：超短波電臺的超視距傳輸。

技術(shù)途徑：基于散射通信的多艇信號中繼技術(shù)[5]。

針對岸基任務(wù)控制中心要求對事件現(xiàn)場的實況進行語音、視頻和數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)的實時通信，以保障固定任務(wù)控制中心對緊急事件的實時掌控，設(shè)計多艇中繼通信站，集成散射通信、短波、超短波和地空電臺等多種通信手段以及多種信息采集處理方式，采用散射通信方式，實現(xiàn)無人艇與固定任務(wù)控制中心間的寬帶超視距傳輸功能。

3）導(dǎo)航系統(tǒng)功能

具備導(dǎo)航信息收集能力（位置、姿勢、速度、航向等）；

具備顯示目標(biāo)實時位置、航速功能，為威脅判斷提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

具備快速定位和導(dǎo)航，具備航跡偏差報警、緊急事件報警、海上遇險報警功能。

技術(shù)難點：無定位情況下的導(dǎo)航定位。

技術(shù)途徑：高精度船位推算算法+多種匹配定位算法。

戰(zhàn)場環(huán)境下，敵方對于該區(qū)域內(nèi)GPS 的欺騙等手段將導(dǎo)致定位失效，要求必須使用船位推算算法進行定位，它是指將位置已知的船位作為推算起點，以此開始，依靠艇體自身的加速度測量設(shè)備，推算出一定時間后具有一定精度的實時艇體位置、姿態(tài)等的定位方法；此種方法隨著時間的累積將造成誤差的積累，使得船位精度推算迅速降低；以慣性導(dǎo)航、地形匹配、地磁匹配等導(dǎo)航方法進行導(dǎo)航定位，作為船位推算過程中糾偏量的輸入，提高導(dǎo)航精度。

4）環(huán)境感知系統(tǒng)功能

具有AIS 信息收集、數(shù)據(jù)采集、情報收集、環(huán)境信息收集能力；

具有水下靜態(tài)目標(biāo)探測、水面目標(biāo)識別、跟蹤、捕獲能力；

圖 2 基于航行視頻的目標(biāo)識別Fig.2 Target recognition based on navigation video

具有航行視頻監(jiān)控、目標(biāo)識別、跟蹤能力。

技術(shù)難點：基于航行視頻的目標(biāo)識別。

技術(shù)途徑：基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識別技術(shù)[6]。

經(jīng)典模式識別方法更多依賴預(yù)先考慮對圖片進行人工分類和標(biāo)定，與經(jīng)典模式識別方法的人工填裝知識不同，深度學(xué)習(xí)方法試圖通過讓計算機模擬人腦感知視覺信號的機制，進而設(shè)計深層的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)海上目標(biāo)識別的功能。首先對航行視頻進行防抖去噪處理，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域提名為基礎(chǔ)，分析不同尺寸卷積核、不同隱含層及各層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間的全連接或部分連接關(guān)系對海上目標(biāo)識別性能影響，設(shè)計深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，在大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練下，抽象出不同目標(biāo)間的區(qū)別特征，以完成目標(biāo)識別任務(wù)。

5）綜合信息處理系統(tǒng)功能

具備導(dǎo)航雷達點跡處理、光電視頻處理、水下聲吶等探測設(shè)備信息處理、環(huán)境信息處理，以及多傳感器信息融合等功能；

具備數(shù)據(jù)交換、防火墻管理、病毒隔離、信息加密、防篡改、協(xié)議解析等功能；

具備視頻存儲、壓縮、發(fā)布功能；

具備冗余備份功能。

技術(shù)難點：信息加密、防篡改。

技術(shù)途徑：DES（Data Encryption Standard）數(shù)據(jù)加密技術(shù)。

為防止情報數(shù)據(jù)、任務(wù)規(guī)劃、航行控制、任務(wù)載荷控制等相關(guān)信息被惡意盜取或篡改，并針對無人艇信息網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性及海量數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊?，利用DES 數(shù)據(jù)加密技術(shù)實現(xiàn)快速、標(biāo)準(zhǔn)化加密，起到保護傳輸內(nèi)容不被竊取和篡改的目的。

技術(shù)難點：多傳感器信息融合。

技術(shù)途徑：基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器信息融合技術(shù)[7]。

由于不同傳感器配置、探測條件的不同，無法對多傳感器的目標(biāo)信息進行完全匹配，導(dǎo)致目標(biāo)信息精確度不高，快速目標(biāo)定位不及時等問題。因此利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對多傳感器探測信息進行融合。根據(jù)輸入目標(biāo)信息的數(shù)據(jù)來源及輸出信息內(nèi)容需求，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點權(quán)值，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類標(biāo)準(zhǔn)，利用前向傳播擬合信息融合非線性映射關(guān)系，得出不確定性推理機制，利用先驗知識對融合算法輸出模式作出解釋。

6）航行控制系統(tǒng)功能

具備有人駕駛、無人駕駛模式切換功能；

具有航路計算、預(yù)定航路自主航行能力；

具有對主機油門和噴泵的監(jiān)控、伺服控制能力；

具有自主避障能力，航路重規(guī)劃能力。

具備異常檢測、自我保護功能，在危險情況下，具有緊急停船功能；

技術(shù)難點：動力系統(tǒng)精確控制。

技術(shù)途徑：航行控制數(shù)字化建模。

由于不同的動力系統(tǒng)具有不同的航行效果，故需要通過大量試驗，對無人艇的油門、噴泵和倒斗之間的控制效果進行數(shù)字化建模，擬合控制效果曲線，通過優(yōu)化航行控制算法，對無人艇的航行效果進行優(yōu)化，達到轉(zhuǎn)彎效果人為可控，航行軌跡很好貼合規(guī)劃路徑，航行側(cè)偏距最小的效果。

7）任務(wù)控制系統(tǒng)功能

具備工作模式切換功能，可選擇有人、無人、遙控工作模式；

具備對艇平臺設(shè)備、航行設(shè)備、載荷設(shè)備的顯示、監(jiān)控及控制功能；

具備作戰(zhàn)規(guī)劃輸出、協(xié)同角色劃分、編隊組成、航行路線、載荷設(shè)備控制策略等任務(wù)規(guī)劃功能；

具有對任務(wù)中出現(xiàn)的異常情況處理能力，例如發(fā)動機重啟、自動返航等功能。

技術(shù)難點：自主控制能力。

技術(shù)途徑：主動多模型控制技術(shù)[8]。

針對目前任務(wù)控制系統(tǒng)大多由判斷條件驅(qū)動系統(tǒng)控制邏輯，導(dǎo)致系統(tǒng)存在自主化、智能化水平不高，受外界條件約束且遇突發(fā)事件處理能力有限等缺點。主動式多模型控制技術(shù)采用模型分組、合成和實時控制指令生成技術(shù)，用于具備機動性強、干擾隨機、高性能、實時性要求的系統(tǒng)控制。該技術(shù)根據(jù)使用場景、使用范圍、系統(tǒng)復(fù)雜度將多個軟件模塊進行分解重組，建立多級系統(tǒng)控制機制，利用強化學(xué)習(xí)的獎勵機制訓(xùn)練系統(tǒng)組合規(guī)則，形成主動多任務(wù)的控制方法。

8）任務(wù)載荷設(shè)備功能

具備接收并執(zhí)行任務(wù)載荷控制命令、任務(wù)載荷狀態(tài)反饋功能；

具備接收并執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃命令、自主執(zhí)行功能；

具有搭載機槍、導(dǎo)彈等多任務(wù)載荷加載能力；

技術(shù)難點：多任務(wù)載荷快速加載。

技術(shù)途徑：載荷模塊化加載技術(shù)。

對各個任務(wù)載荷進行功能的分析分解，從頂層開展任務(wù)載荷功能、性能的設(shè)計約束，保證各探測設(shè)備探測區(qū)域互補，任務(wù)載荷功能搭配齊備；統(tǒng)一任務(wù)載荷接口，載荷以服務(wù)的形式加載運行，模塊化設(shè)計功能單元，建立相對獨立性、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的機械及電氣接口，設(shè)計模塊化軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模塊化軟件接口，使得載荷輕便化加載、快速部署使用、快速升級；開展武器載荷、探測載荷等多種載荷的適配性研究，在成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上依據(jù)無人艇自身條件進行適應(yīng)性改裝，使得各種載荷能夠在海上復(fù)雜環(huán)境下發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢。

9）智能演進系統(tǒng)功能

具有滿足高強度分布式計算需求的能力；

具有多種開發(fā)框架，支持增量式迭代開發(fā)；

具備多種智能算法數(shù)據(jù)集生成能力，提供海量訓(xùn)練數(shù)據(jù)；

具有對典型作戰(zhàn)任務(wù)的水面無人艇相關(guān)智能算法的演進更新能力。

技術(shù)難點：模塊化、智能化的算法加載與更新。

技術(shù)途徑：智能算法構(gòu)件化[9]及資源共享技術(shù)。

由于多種智能算法接口不統(tǒng)一、輸入輸出數(shù)據(jù)的差異常常導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜度增高、邏輯性變差。利用面向算法級的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、候選集生成與融合的技術(shù)，設(shè)計算法構(gòu)件化的封裝、組合方法，實現(xiàn)智能算法組件的動態(tài)維護和調(diào)用；根據(jù)任務(wù)梯次、網(wǎng)絡(luò)資源的情況，利用面向任務(wù)的算法自適應(yīng)協(xié)同技術(shù)，實現(xiàn)智能算法的資源共享。

4 水面無人艇發(fā)展路線

目前國內(nèi)水面無人艇經(jīng)過十余年的發(fā)展，取得了一定成就，但相比于發(fā)達國家仍有改進提高的空間。根據(jù)美國國防部發(fā)布的《無人系統(tǒng)綜合路線圖2017-2042》中對未來無人系統(tǒng)發(fā)展趨勢的分析，未來的無人系統(tǒng)應(yīng)突破互操作性、自主性、網(wǎng)絡(luò)安全以及人機協(xié)同四項關(guān)鍵技術(shù)，滿足未來全部作戰(zhàn)域的聯(lián)合作戰(zhàn)需求。

圖 3 KATANA 發(fā)射干擾彈Fig.3 KATANA launching jamming bomb

1）互操作性

針對無人系統(tǒng)的協(xié)同工作特點，弱化有人/無人系統(tǒng)的耦合度，開展無人系統(tǒng)的跨領(lǐng)域、跨平臺的協(xié)同合作關(guān)系，利用公共/開放式架構(gòu)，滿足多系統(tǒng)交互對數(shù)據(jù)、信息、控制、服務(wù)等快速集成、有效傳輸、模塊化加載、高質(zhì)量計算的需求。

2）自主性

無人自主系統(tǒng)要求無人系統(tǒng)能夠正確判斷自身所處環(huán)境，做出合理任務(wù)決策，系統(tǒng)自主化決策將直接影響無人系統(tǒng)作戰(zhàn)方式，因此自主化程度將推動作戰(zhàn)形式的轉(zhuǎn)變。目前人工智能對自主化的發(fā)展起到了重要作用，但戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的缺乏不能完全滿足人工智能海量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的要求，因此結(jié)合基于模糊邏輯的自主行為規(guī)劃方法，建立作戰(zhàn)行為規(guī)則，推動決策的生成。

3）網(wǎng)絡(luò)安全

針對無人系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)信息的依賴性，一方面確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐暾浴⒖煽啃?、安全性和可用性，關(guān)注網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膹椥曰苑烙?、自修?fù)的保障機制。另一方面，從根本解決無人系統(tǒng)對信息的依賴性，對系統(tǒng)異常收發(fā)數(shù)據(jù)能夠智能檢測，判斷信息可靠性，選擇性執(zhí)行。

4）人機協(xié)同

基于無人系統(tǒng)的互操作協(xié)同任務(wù)的需求，由數(shù)據(jù)策略向人機交互過渡，并向人機協(xié)同轉(zhuǎn)換。驅(qū)動人機接口設(shè)計方向轉(zhuǎn)變，以任務(wù)與集群為中心，建立廣域信息收發(fā)機制，促進多源信息融合，推進經(jīng)驗共享，形成無人系統(tǒng)多模態(tài)控制。