張婷婷，鄧志良，劉云平，王 聰，胡 凱，曾 洪，宋愛國

(1.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué) 指揮控制工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；4.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著海洋信息技術(shù)向著無線寬帶化、網(wǎng)絡(luò)化、多手段、大覆蓋、立體化的方向迅速發(fā)展,海域已成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間[1]。由于無人系統(tǒng)等新一代信息技術(shù)與海洋科學(xué)的交叉融合滲透發(fā)展,集成海洋通信網(wǎng)絡(luò)[2]成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn),并在海洋信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)領(lǐng)域上得到了廣泛應(yīng)用。

海洋環(huán)境具有以下特點(diǎn):① 海域遼闊,觀測與探測任務(wù)繁重;② 海洋環(huán)境復(fù)雜多變[3],對(duì)觀測設(shè)備和方法提出了較高要求;③ 傳統(tǒng)的海洋觀測方法在覆蓋范圍、實(shí)時(shí)性和觀測效率方面存在局限。針對(duì)海洋信息大、分、散、變的特點(diǎn),海洋信息對(duì)于人類認(rèn)識(shí)海洋和經(jīng)略海洋占據(jù)基礎(chǔ)性地位[3]。

海上無人系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)是指將多個(gè)無人系統(tǒng)(如無人船、無人潛航器等)通過通信技術(shù)連接在一起,形成一個(gè)協(xié)同作業(yè)的網(wǎng)絡(luò)。在機(jī)動(dòng)組網(wǎng)觀測方面,自2019年在海上實(shí)施了大規(guī)模的無人系統(tǒng)組網(wǎng)觀測后,我國突破了多無人機(jī)動(dòng)設(shè)備協(xié)同導(dǎo)航以及多無人機(jī)動(dòng)設(shè)備協(xié)同編隊(duì)控制技術(shù),完成了大規(guī)模、多類型無人機(jī)動(dòng)設(shè)備組網(wǎng)海上試驗(yàn)[4]。在海面通信方面,由于海上無線通信面臨許多挑戰(zhàn),如信號(hào)衰減、多徑效應(yīng)和海洋氣象影響等。目前還未形成完整的海洋通信保障服務(wù)體系,主要依靠近岸移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、短波/超短波電臺(tái)等技術(shù)進(jìn)行[5]。因此,深入研究海上無線通信系統(tǒng)和選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是無人系統(tǒng)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。

針對(duì)當(dāng)前海洋探測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性低、同步性弱、機(jī)動(dòng)性差等特點(diǎn),目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)海氣界面水文氣象參數(shù)實(shí)時(shí)測量與傳輸快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)觀測系統(tǒng),通過自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)和多智能體協(xié)同探測,實(shí)現(xiàn)海上自主接入快速組網(wǎng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸技術(shù),執(zhí)行對(duì)海上海-氣界面現(xiàn)象過程的快速觀測。

1 無人系統(tǒng)海洋自組網(wǎng)技術(shù)

無人系統(tǒng)海洋自組網(wǎng)技術(shù)[6]是指通過無人系統(tǒng)平臺(tái)在海洋中建立自主、動(dòng)態(tài)、協(xié)同的觀測與控制網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境參數(shù)的智能、高效、全方位采集和分析,從而為海洋領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用開發(fā)提供重要支撐。目前,隨著無人系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展,無人系統(tǒng)海洋自組網(wǎng)技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用和深入研究。

1.1 海洋觀測網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

海洋觀測網(wǎng)是指基于現(xiàn)代信息技術(shù)手段,通過多種觀測手段對(duì)海洋環(huán)境及其變化過程進(jìn)行系統(tǒng)、全面、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析的綜合性觀測平臺(tái)[7]。在過去的幾十年中,隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展以及日益凸顯的海洋利用需求和海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí),海洋觀測網(wǎng)得到了快速發(fā)展。

目前,我國正在加快推進(jìn)海洋觀測網(wǎng)建設(shè),形成了一批具有代表性的海洋觀測網(wǎng)體系[8]。國內(nèi)已有多個(gè)海洋觀測網(wǎng)系統(tǒng)采用無人系統(tǒng)自組網(wǎng)技術(shù),如東海海洋觀測網(wǎng)和北極海洋環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)等。這些網(wǎng)站利用各類無人系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)(如航行器、滑翔機(jī)和水下機(jī)器人等)構(gòu)建無人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。這些無人系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間通過通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。同時(shí),我國還在不斷拓展海洋觀測網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域,如利用遙感技術(shù)進(jìn)行海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和資源調(diào)查、利用海底觀測系統(tǒng)進(jìn)行海洋地質(zhì)環(huán)境研究等。

國外方面,海洋觀測網(wǎng)也得到了廣泛研究和應(yīng)用,如圖1所示。其中,美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)建立了全球海洋觀測網(wǎng)[9],該網(wǎng)通過衛(wèi)星、浮標(biāo)和船只等多種觀測設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球海洋環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。愛爾蘭海研究所(Marine Institute)和愛爾蘭海洋能源開發(fā)公司(SEAI)聯(lián)合建立了愛爾蘭海區(qū)域觀測網(wǎng)(ISCO)[10],旨在提供全球最先進(jìn)的海洋觀測服務(wù)。此外,歐洲聯(lián)合研究中心(JRC)也建立了歐洲海洋觀測網(wǎng)(EMSO)[11],通過多種觀測設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了對(duì)歐洲海洋環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享。

圖1 國際海洋觀測網(wǎng)示例Fig.1 Examples of international ocean observation network

無人系統(tǒng)自組網(wǎng)技術(shù)是海洋觀測網(wǎng)建設(shè)中的重要技術(shù)手段,國內(nèi)外在觀測節(jié)點(diǎn)相互通信、機(jī)動(dòng)布網(wǎng)和協(xié)同觀測等方面的相關(guān)研究均處于起步與探索階段。

1.2 無人系統(tǒng)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

多智能體機(jī)動(dòng)組網(wǎng)及智能控制平臺(tái)主要在海上、地下等復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行保障通信、協(xié)同觀測與應(yīng)急處置任務(wù),其中存在三大技術(shù)難題:① 大范圍穩(wěn)定快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)通信;② 通信受限下移動(dòng)追蹤協(xié)同決策有效性;③ 復(fù)雜環(huán)境中通信和控制精度。為解決難題,本文提出以下3點(diǎn)關(guān)鍵性技術(shù)。

(1)面向多點(diǎn)協(xié)同追蹤觀測任務(wù)的無人系統(tǒng)自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)

針對(duì)無固定通信基礎(chǔ)設(shè)施下大范圍、低成本、高可靠通信的難題,提出面向多點(diǎn)協(xié)同追蹤觀測任務(wù)的無人系統(tǒng)自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù),無人平臺(tái)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人平臺(tái)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 Unmanned platform mobile networking architecture

該技術(shù)的核心思想是通過自組織和自適應(yīng)的方式將各個(gè)無人系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),使得節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信、協(xié)作,并按照任務(wù)需求和環(huán)境變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化和調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)最佳的觀測和追蹤效果。具體來說,該技術(shù)包括節(jié)點(diǎn)選擇、節(jié)點(diǎn)位置及速度控制、通信協(xié)議和決策算法等多個(gè)方面的內(nèi)容。當(dāng)任務(wù)需求發(fā)生變化或者環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí),可以自動(dòng)識(shí)別變化并做出相應(yīng)調(diào)整,保證系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。

(2)自組網(wǎng)通信協(xié)議和算法

針對(duì)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無人平臺(tái)快速入網(wǎng)和無縫通信的技術(shù)難題,設(shè)計(jì)了自組網(wǎng)通信協(xié)議和算法,并采用如圖3所示的mesh組網(wǎng)[12]形式,使得不同的觀測設(shè)備之間能夠完成高效、穩(wěn)定和可靠的通信,其組網(wǎng)協(xié)議層如圖4所示。

圖3 Mesh組網(wǎng)Fig.3 Mesh networking

圖4 組網(wǎng)協(xié)議層Fig.4 Networking protocol layer

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)通信協(xié)議[13]是一種應(yīng)用廣泛的海上自組網(wǎng)通信協(xié)議,采用一種廣播式的傳輸方式,能夠提供很好的覆蓋范圍和通信效率;樹形分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指將各個(gè)觀測設(shè)備按照層次結(jié)構(gòu)組織起來,便于管理和控制,同時(shí)保證了通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性[14];任務(wù)的多種簇首算法是指為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的資源利用和任務(wù)分配,采用多種優(yōu)化算法對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和分配[15]。

(3)異構(gòu)無人系統(tǒng)間通信技術(shù)

海洋環(huán)境中存在大量的水下障礙物、多路徑傳播和信道衰落等問題,傳統(tǒng)無線通信技術(shù)往往受到很大限制。透傳技術(shù)通過合理選擇頻率、調(diào)制方式和傳輸功率,能夠有效避免這些問題,提供更加穩(wěn)定和可靠的通信性能。

透傳技術(shù)是一種通過水下、地下或空中等媒介傳遞信息的無線通信技術(shù),它克服了傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在海洋環(huán)境中的局限性,通過將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為特定的載波頻帶,利用水中或空中的傳播介質(zhì)進(jìn)行傳輸和接收。為海洋自組網(wǎng)中的異構(gòu)無人系統(tǒng)提供了可靠的通信手段,實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)無人系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、任務(wù)分配和協(xié)同運(yùn)動(dòng),提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制精度和效率透傳技術(shù)具有較長的傳輸距離和高信道傳輸,海洋自組網(wǎng)中的無人船和無人機(jī)往往需要在較長距離上進(jìn)行通信,傳統(tǒng)的直接通信方式難以滿足需求?？梢酝ㄟ^在透傳中適當(dāng)調(diào)整傳輸參數(shù),實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信,從而實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的協(xié)同通信,形成自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò),使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)信息共享、協(xié)同決策和資源優(yōu)化。這種分布式的通信方式為海洋自組網(wǎng)的系統(tǒng)整合和控制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 無人系統(tǒng)智能控制理論

2.1 基于觸發(fā)機(jī)制的多智能體系統(tǒng)的一致性問題

當(dāng)智能體之間通信時(shí),經(jīng)常有通信時(shí)滯的產(chǎn)生,且每2個(gè)智能體之間的通信時(shí)滯不一樣。對(duì)于時(shí)滯研究的方法,有些學(xué)者是把時(shí)滯區(qū)間分成若干份相等的區(qū)間,利用Lyapunov函數(shù)方法和積分不等式的技巧,得到使系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。本文利用多項(xiàng)式(SOS)的方法研究時(shí)滯問題,把SOS的方法應(yīng)用到多智能體系統(tǒng)的包含控制問題中。

通過設(shè)計(jì)控制輸入,使得跟隨者的狀態(tài)進(jìn)入到多個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者的狀態(tài)形成的凸包里面(稱為包含控制),也稱為帶有多個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者的一致性問題。為了節(jié)省能量的消耗,采取了基于觸發(fā)機(jī)制的一致性控制。引入用SOS的方法對(duì)差分耦合方程的控制器的研究,把上述結(jié)果應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者的一致性問題(即包含控制)。

考慮二階領(lǐng)導(dǎo)者的動(dòng)態(tài)如下:

(1)

二階跟隨者的動(dòng)態(tài)如下:

(2)

式中:xi(t)為第i個(gè)智能體的狀態(tài),ui(t)為控制輸入。

設(shè)計(jì)的一致性算法如下:

式中:tk為觸發(fā)時(shí)間,τ為時(shí)滯。

本文主要利用多項(xiàng)式逼近的方法,得到二階多智能體系統(tǒng)保守性更小的時(shí)滯上界。

2.2 帶有輸出飽和的多智能體系統(tǒng)的一致性問題

飽和是實(shí)際的控制系統(tǒng)中最為普遍的現(xiàn)象之一,大多數(shù)執(zhí)行器不可避免地會(huì)出現(xiàn)飽和。如果執(zhí)行器的輸入量達(dá)到一定限制,就進(jìn)入了飽和狀態(tài),因?yàn)檫M(jìn)一步增加輸入不能對(duì)執(zhí)行器的輸出產(chǎn)生任何影響[16]。

高階多智能體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程如下:

(4)

智能體之間的通信協(xié)議如下:

(5)

為驗(yàn)證提出算法的有效性,利用非線性系統(tǒng)、圖論等方法進(jìn)行數(shù)值仿真,驗(yàn)證多智能體系統(tǒng)能夠達(dá)到一致,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 多智能體位置運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)值仿真Fig.5 Numerical simulation of multi-agent position motion trajectory

圖6 多智能體速度運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)值仿真Fig.6 Numerical simulation of multi-agent velocity motion trajectory

本文證明了在提出的一致性算法下,多智能體系統(tǒng)的狀態(tài)在有限的時(shí)間內(nèi)能夠解決包含控制問題。

2.3 異質(zhì)多智能系統(tǒng)的輸出一致性問題

在現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)智能體的動(dòng)態(tài)是不一樣的,這類系統(tǒng)被稱為異質(zhì)多智能體系統(tǒng)。

(1)無領(lǐng)導(dǎo)者的異質(zhì)多智能體系統(tǒng)輸出一致性問題

異質(zhì)多智能體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程與輸出一致性定義如下:

當(dāng)智能體的狀態(tài)不能直接測量得到時(shí),提出了基于觀測器的一致性算法:

(8)

包含上述參數(shù)的輸出調(diào)節(jié)方程定義如下:

(9)

在上述提出的一致性通信協(xié)議和輸出調(diào)節(jié)方程下,多智能體系統(tǒng)能夠達(dá)到輸出一致性。

(2)有領(lǐng)導(dǎo)者的異質(zhì)多智能體系統(tǒng)輸出一致性問題

領(lǐng)導(dǎo)者的動(dòng)態(tài)方程如下:

(10)

當(dāng)智能體的狀態(tài)不能直接測量得到時(shí),基于觀測器的輸出調(diào)節(jié)算法如下:

(11)

在上述提出的一致性算法下,利用穩(wěn)定性理論、圖論等方法,驗(yàn)證異質(zhì)多智能體系統(tǒng)能夠達(dá)到一致。仿真算例中的智能體通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與每個(gè)智能體的位置軌跡如圖7和圖8所示。

圖7 智能體的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Communication topology of the agent

圖8 智能體集群的位置軌跡Fig.8 Position trajectory of agent cluster

3 海上無人系統(tǒng)集群智能控制技術(shù)

3.1 無人機(jī)間通信系統(tǒng)架構(gòu)

無人機(jī)集群系統(tǒng)[17]在單架無人機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了LTE通信模塊,引入了正交頻分復(fù)用(OFDM)和多輸入多輸出(MIMO)等關(guān)鍵傳輸技術(shù),顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率,并支持多種帶寬分配,頻譜分配更加靈活,系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。無人機(jī)群編隊(duì)通信系統(tǒng)框圖如圖9所示。

圖9 無人機(jī)群編隊(duì)通信系統(tǒng)框圖Fig.9 Block diagram of UAV cluster formation communication system

3.2 無人機(jī)集群快速編隊(duì)

設(shè)計(jì)基于給定有限時(shí)間分布式觀測器為跟隨無人機(jī)觀測領(lǐng)航者的軌跡信息[18];針對(duì)環(huán)境感知情況,建立無人機(jī)集群感知決策機(jī)制。然后,根據(jù)決策結(jié)果對(duì)無人機(jī)集群編隊(duì)進(jìn)行切換。

(12)

然后,基于式(12)所獲取的領(lǐng)航者無人機(jī)位置信息,設(shè)計(jì)每個(gè)跟隨者無人機(jī)的控制器輸入設(shè)計(jì)如下:

(13)

引入無人機(jī)之間角度偏差信息,可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜編隊(duì)隊(duì)形。通過將環(huán)境感知結(jié)果進(jìn)行分類處理,建立不同編隊(duì)對(duì)感知結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在無人機(jī)群集編隊(duì)飛行過程中,根據(jù)感知結(jié)果進(jìn)行編隊(duì)切換,其中切換信號(hào)由領(lǐng)航者根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系發(fā)送給鄰近無人機(jī),無人機(jī)依次傳輸發(fā)送切換信號(hào),接收到切換信號(hào)的無人機(jī)根據(jù)切換信號(hào)信息進(jìn)行相應(yīng)的編隊(duì)模式切換。

4 海上探測示范應(yīng)用

海上地區(qū)擁有豐富的海洋資源和生物多樣性,海洋觀測是國家戰(zhàn)略急需,基礎(chǔ)設(shè)施安全探測是國家穩(wěn)定的基石,迫切需要發(fā)展信息化、智能化、無人化觀測技術(shù)[19]。通過應(yīng)用無人系統(tǒng)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)與智能控制技術(shù),提高海上探測的效率和準(zhǔn)確性,對(duì)于科學(xué)研究和資源開發(fā)具有重要的意義。

4.1 無人系統(tǒng)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)實(shí)施

無人系統(tǒng)在海上觀測中具有自主性、靈活性、高效性等特點(diǎn),既能夠適應(yīng)海上海域復(fù)雜的海洋環(huán)境,又滿足達(dá)到快速機(jī)動(dòng)的要求[20]。因此,提出了一種無人系統(tǒng)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)實(shí)施方案,通過多智能快速組網(wǎng)算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)海上海氣界面現(xiàn)象過程的快速觀測。

觀測示范關(guān)注海區(qū)西起西沙群島,東至東沙海域,南至15°N,北至北部陸坡區(qū)。研究使用多臺(tái)觀測設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合觀測,包括浮標(biāo)裝載拋投裝置、氣象站、波浪傳感器、ADCP和漂流浮標(biāo)等。

觀測區(qū)域北部是一個(gè)復(fù)雜的海洋環(huán)境,涉及多種中尺度過程,包括渦旋、邊界流等。這些中尺度過程具有統(tǒng)計(jì)特征,如圖10所示?？梢酝ㄟ^對(duì)大量觀測數(shù)據(jù)的分析和處理,進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)描述和數(shù)值模擬,海上探測應(yīng)用中的觀測參數(shù)主要包括海面風(fēng)、溫、濕、壓、海流與波浪等。

圖10 海上北部中尺度過程統(tǒng)計(jì)特征Fig.10 Statistical characteristics of mesoscale processes in the northern of the sea

4.1.1 海氣界面快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)觀測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

海氣界面快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)觀測網(wǎng)絡(luò)示意如圖11所示,該觀測網(wǎng)絡(luò)包括多臺(tái)觀測設(shè)備,如暖流浮標(biāo)、拋棄式探空儀和無人機(jī)(艇)等,通過多智能快速組網(wǎng)算法進(jìn)行聯(lián)合觀測。在觀測任務(wù)開始前,需要根據(jù)具體的觀測需求和海洋環(huán)境條件,確定合適的觀測設(shè)備和路線,并進(jìn)行目標(biāo)分配和資源調(diào)度。

圖11 海氣界面快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)觀測網(wǎng)絡(luò)示意Fig.11 Ocean-atmosphere interface fast mobile networking observation network

各個(gè)觀測設(shè)備分別完成觀測任務(wù)并采集數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)傳輸和處理,最終生成全局的海氣界面資料。其中,海上浮標(biāo)可以對(duì)海洋暖渦、表層流場等進(jìn)行連續(xù)觀測;船載測量設(shè)備可以對(duì)海水溫度、鹽度和流速等參數(shù)進(jìn)行高時(shí)空分辨率的采集;無人機(jī)則可以提供高空間分辨率的影像數(shù)據(jù),幫助研究人員更好地了解海氣界面的形態(tài)和變化。

與傳統(tǒng)的觀測方法不同,海氣界面快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)觀測網(wǎng)絡(luò)具有機(jī)動(dòng)性和靈活性,可以根據(jù)實(shí)時(shí)的環(huán)境變化,調(diào)整采集路線和觀測設(shè)備,盡可能提高觀測效率和準(zhǔn)確性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海氣界面快速、全面的觀測和預(yù)測。該觀測網(wǎng)絡(luò)的成功應(yīng)用為海洋環(huán)境研究和保護(hù)提供了有力的技術(shù)支持。

4.1.2 無人系統(tǒng)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)

在海氣界面快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)觀測網(wǎng)絡(luò)中,通信組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)各個(gè)觀測設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸和信息交換的關(guān)鍵技術(shù)之一,遠(yuǎn)距離通信組網(wǎng)中各設(shè)備間的數(shù)據(jù)鏈路如圖12所示。為了實(shí)現(xiàn)海上自主接入快速組網(wǎng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸技術(shù),提出一種基于任務(wù)協(xié)同觀測的多智能體快速組網(wǎng)算法,對(duì)無人系統(tǒng)海洋自組網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要包括任務(wù)層、數(shù)據(jù)層、組網(wǎng)層、傳輸層以及感知層的技術(shù)研究。

圖12 遠(yuǎn)距離通信組網(wǎng)Fig.12 Long-distance communication network

通信組網(wǎng)的研究方案主要包括:

① 通信技術(shù)選擇:針對(duì)不同的觀測設(shè)備和應(yīng)用需求,需要選擇合適的通信技術(shù)。例如海上浮標(biāo)可以采用衛(wèi)星通信或VHF無線電通信,船載測量設(shè)備可以采用激光通信或藍(lán)牙通信,無人機(jī)則可以采用4G或5G通信等。

② 通信協(xié)議制定:采用基于AIS通信協(xié)議、樹形分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和任務(wù)的多種簇首算法,完成數(shù)據(jù)鏈路的傳輸,實(shí)現(xiàn)各個(gè)觀測設(shè)備之間的互聯(lián)互通。

③ 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):針對(duì)特定的觀測任務(wù)和環(huán)境條件,設(shè)計(jì)mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。

④ 數(shù)據(jù)傳輸和處理:采用大數(shù)據(jù)組件的Lambda架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)交互、分析與存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)管理[21]。

基于任務(wù)協(xié)同觀測的多智能體快速組網(wǎng)方案如圖13所示。

圖13 基于任務(wù)協(xié)同觀測的多智能體快速組網(wǎng)方案Fig.13 Fast multi-agent networking scheme based on task collaborative observation

通信組網(wǎng)可以幫助各個(gè)觀測設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合觀測和數(shù)據(jù)共享,從而加強(qiáng)設(shè)備之間的協(xié)作和提高數(shù)據(jù)傳輸效率,提高整個(gè)觀測網(wǎng)絡(luò)的效率和準(zhǔn)確性,為海洋觀測和監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持。

4.2 應(yīng)用與測試

4.2.1 開發(fā)新一代異構(gòu)多智能體快速機(jī)動(dòng)協(xié)同組網(wǎng)海氣界面觀測系統(tǒng)

自主開發(fā)了多智能體協(xié)同控制平臺(tái),包括無人機(jī)、無人艇和波浪滑翔器等,實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)間的多模通信組網(wǎng)數(shù)據(jù)接口、控制單元和數(shù)據(jù)傳輸處理硬件及軟件的協(xié)同操作。使得不同智能體平臺(tái)之間可以自主地進(jìn)行協(xié)同組網(wǎng),并且能夠自動(dòng)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)海上獨(dú)立快速移動(dòng)智能體多模異構(gòu)自主組網(wǎng),創(chuàng)造了新的海氣界面觀測模式。在上海金山近海實(shí)驗(yàn)基地對(duì)異構(gòu)多智能體快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)觀測系統(tǒng)進(jìn)行了全面測試和驗(yàn)證,其各項(xiàng)性能和指標(biāo)均達(dá)到了海上極端環(huán)境下的使用要求。

多智能體機(jī)動(dòng)協(xié)同組網(wǎng)觀測系統(tǒng)測試如圖14所示。

圖14 多智能體機(jī)動(dòng)協(xié)同組網(wǎng)觀測系統(tǒng)測試Fig.15 Multi-agent mobile collaborative networking observation system test

新一代異構(gòu)多智能體快速機(jī)動(dòng)協(xié)同組網(wǎng)海氣界面觀測系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)實(shí)際場景下得到了應(yīng)用測試,包括海洋和大氣環(huán)境的監(jiān)測、海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究、氣象和海洋災(zāi)害預(yù)警等方面。

該系統(tǒng)通過多種傳感器收集海溫、海流和壓力等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析,在海洋環(huán)境監(jiān)測、氣象災(zāi)害預(yù)警和海上交通中有廣泛的應(yīng)用,提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在海洋、氣象、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域都有著巨大的潛力和應(yīng)用價(jià)值。

4.2.2 組網(wǎng)觀測應(yīng)用示范現(xiàn)場——多智能體暖渦觀測

暖渦是指在海面上形成的水溫比周圍海域高的區(qū)域,通常由暖流或洋流帶來的海水運(yùn)動(dòng)或者由氣流和地形導(dǎo)致的地形匯聚所形成。暖渦對(duì)海洋環(huán)境、海洋生態(tài)系統(tǒng)和海洋物理過程有著重要的影響,因此進(jìn)行暖渦觀測對(duì)于研究海洋環(huán)境變化具有重要意義。

多智能體暖渦觀測是利用多個(gè)智能體平臺(tái)(如無人機(jī)、無人艇和波浪滑翔器等)協(xié)同作業(yè),對(duì)目標(biāo)區(qū)域的暖渦進(jìn)行高效、全面的觀測。如圖15所示,這些智能體平臺(tái)配備了溫度傳感器、水流速度與方向傳感器等多種觀測設(shè)備,可以同時(shí)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇M網(wǎng)中心站點(diǎn)進(jìn)行處理和分析。

圖15 多智能體暖渦觀測應(yīng)用情況Fig.15 Application of multi-agent warm eddy observation

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)、自適應(yīng)控制和高效協(xié)作。利用提出的多智能體協(xié)同編隊(duì)控制策略,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的協(xié)同與協(xié)作以及海洋數(shù)據(jù)的高效采集和處理,其在復(fù)雜極端環(huán)境下無人系統(tǒng)智能探測平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 復(fù)雜極端環(huán)境下無人系統(tǒng)智能探測平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of main technical parameters of unmanned system intelligent detection platform in complex extreme environment

無人系統(tǒng)智能探測平臺(tái)采用混合式傳感融合物體識(shí)別、自適應(yīng)通信組網(wǎng)等多種先進(jìn)技術(shù),還應(yīng)用于港珠澳大橋海底隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)等場景,并取得了顯著的成果,展現(xiàn)出重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了在海上探測示范應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的無人系統(tǒng)機(jī)動(dòng)組網(wǎng)與智能控制技術(shù),以及其在海洋環(huán)境復(fù)雜多變的情況下所面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)方案。這些技術(shù)的成功應(yīng)用,不僅推進(jìn)了海洋科學(xué)的前沿研究,也為我國在海上資源開發(fā)和保護(hù)、海上安全等方面提供了強(qiáng)有力的支持。未來將繼續(xù)深化相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用,以更好地服務(wù)國家海洋事業(yè)的需求和社會(huì)發(fā)展。