摘 要：發(fā)展具有強(qiáng)人工智能特點(diǎn)的高性能無(wú)人艇對(duì)于建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)和強(qiáng)大海上軍事力量具有重要意義，也是一項(xiàng)需要廣大研究和技術(shù)人員長(zhǎng)期投入、協(xié)同創(chuàng)新、共同開發(fā)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。針對(duì)現(xiàn)有研究成果中缺乏從系統(tǒng)整體角度梳理、呈現(xiàn)無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求的現(xiàn)狀，基于系統(tǒng)整體視角，剖析“人艇一體”的理想智能艇所應(yīng)具備的能力，從而類比得到理想無(wú)人艇的8項(xiàng)能力要素。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于技術(shù)-能力映射的關(guān)鍵技術(shù)需求分析方法。利用該方法，全面分析并總結(jié)制約無(wú)人艇走向高度智能化的一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括人工智能技術(shù)、先進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬測(cè)試和訓(xùn)練技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：無(wú)人艇；人工智能；關(guān)鍵技術(shù)；需求；系統(tǒng)分析

中圖分類號(hào)：U674.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0008-07

Abstract： The development of high-performance unmanned surface vehicles with strong artificial intelligence characteristics is of great significance for building a maritime power and a powerful naval force. It is also a complex systems engineering project that requires extensive research and technological input， collaborative innovation， and joint development by a large number of researchers and technicians. In view of the current lack of systematic analysis and presentation of the key technological requirements for unmanned vehicles in existing research results， this paper analyzes the capabilities that an ideal intelligent vehicle should possess from a holistic perspective， and then analogically derives eight elements of capabilities for an ideal unmanned vehicle. Based on this analysis， a key technology requirement analysis method based on technology-capability mapping is proposed. Using this method， a comprehensive analysis and summary of a series of key technologies that constrain unmanned vehicles to move towards high intelligence are conducted， including artificial intelligence technology， advanced platform design technology， virtual testing and training technology， etc.

Keywords： unmanned surface vehicle （USV）; artificial intelligence （AI）; key technology; requirement; system analysis

環(huán)境感知、目標(biāo)識(shí)別、信息處理與融合、機(jī)器學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能基礎(chǔ)技術(shù)的日漸成熟，有力促進(jìn)了軍用和民用各領(lǐng)域智能化技術(shù)的蓬勃發(fā)展[1]。由于世界各國(guó)對(duì)海洋利益和海上安全方向的高度重視，廣闊的海洋空間如今已然成為大國(guó)博弈的“主戰(zhàn)場(chǎng)”[2]。隨著信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的深入發(fā)展，以及近年來(lái)國(guó)際軍事力量格局和地區(qū)安全形勢(shì)的持續(xù)變化，馬賽克戰(zhàn)、分布式殺傷、全域聯(lián)合指揮控制等新型作戰(zhàn)概念和軍事理論快速興起，不斷演變，現(xiàn)代海戰(zhàn)更加強(qiáng)調(diào)廣域感知、跨域互聯(lián)、高效協(xié)同和智能決策的重要性。在此背景下，智能無(wú)人化作戰(zhàn)成為現(xiàn)代海戰(zhàn)的重要發(fā)展方向，海上無(wú)人系統(tǒng)集群作戰(zhàn)也正在從作戰(zhàn)概念走向?qū)嵮b應(yīng)用[3-4]。在建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)和世界一流軍隊(duì)的征程中，作為高精尖技術(shù)裝備和海上新質(zhì)作戰(zhàn)力量重要增長(zhǎng)點(diǎn)的智能無(wú)人艇，將成為建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵支撐力量。先進(jìn)智能無(wú)人艇的研究和開發(fā)是一項(xiàng)長(zhǎng)期而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要廣泛調(diào)動(dòng)具有創(chuàng)新和攻堅(jiān)精神的科研、技術(shù)人員參與其中。本文旨在幫助有志于從事智能無(wú)人艇研究的廣大科研、技術(shù)人員從系統(tǒng)整體角度認(rèn)識(shí)智能無(wú)人艇的能力要素和結(jié)構(gòu)組成，快速、準(zhǔn)確、全面地理解發(fā)展先進(jìn)智能無(wú)人艇所需的關(guān)鍵技術(shù)。本文在綜述有關(guān)智能無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求研究現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，基于系統(tǒng)視角全面剖析智能無(wú)人艇的能力要素組成，全面梳理支撐智能無(wú)人艇的技術(shù)體系，指出智能無(wú)人艇走向強(qiáng)人工智能化需要突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

1 智能無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求分析的研究現(xiàn)狀

1.1 無(wú)人艇和智能無(wú)人艇的概念

無(wú)人艇是指不搭載乘員、無(wú)需專業(yè)人員直接操控，能夠在一定范圍的水域或海上航行、避障的小型船舶。無(wú)人艇的出現(xiàn)最早可追溯至19世紀(jì)末。當(dāng)時(shí)，著名科學(xué)家尼古拉·特斯拉就對(duì)一艘無(wú)人艇進(jìn)行了遙控實(shí)驗(yàn)，這可視為第一艘無(wú)人艇的誕生。20世紀(jì)60年代，無(wú)人艇被廣泛應(yīng)用于反水雷戰(zhàn)，美國(guó)曾將一艘汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的小艇改裝為遙控掃雷艇[5]。不過(guò)上述無(wú)人艇并不具有先進(jìn)的傳感系統(tǒng)和自主智能系統(tǒng)，需要人為控制，只能稱為“遙控?zé)o人艇”，還不能稱為“智能無(wú)人艇”。所謂智能無(wú)人艇，是指融入了人工智能技術(shù)、具備一定自主行為能力的無(wú)人艇，這種自主行為能力通常表現(xiàn)為能夠自主完成海洋環(huán)境感知、自主定位導(dǎo)航、自主路徑規(guī)劃、航線動(dòng)態(tài)調(diào)整與避障，等等。由于人工智能技術(shù)已經(jīng)在無(wú)人艇上普遍應(yīng)用，業(yè)內(nèi)已習(xí)慣于將無(wú)人艇與智能無(wú)人艇這2個(gè)概念等同起來(lái)，也就是說(shuō)，人們通常默認(rèn)人工智能為無(wú)人艇所必有的一般屬性。為簡(jiǎn)化表述，以下所說(shuō)的“無(wú)人艇”若無(wú)特殊說(shuō)明，均指 “智能無(wú)人艇”。

1.2 現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求分析情況

對(duì)無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求的分析或總結(jié)主要在以下3類文獻(xiàn)中出現(xiàn)：一是關(guān)于海上/水下無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的綜述類文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)[2]、[4]、[6—9]；二是對(duì)無(wú)人艇平臺(tái)某一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的具體研究，如文獻(xiàn)[5]、[10—16]；三是關(guān)于無(wú)人艇/無(wú)人平臺(tái)集群作戰(zhàn)運(yùn)用的探討，如文獻(xiàn)[1]、[17—20]。

1.2.1 綜述類文獻(xiàn)中對(duì)無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求的分析

文獻(xiàn)[2]研究了無(wú)人艇集群控制所需的關(guān)鍵技術(shù)，包括集群任務(wù)分配、集群編隊(duì)控制和集群避障3個(gè)方面的技術(shù)，并具體分析了上述3個(gè)方面的現(xiàn)有技術(shù)手段及其局限性。文獻(xiàn)[4]研究了無(wú)人機(jī)（UAV）集群，水面無(wú)人艇（USV）集群和無(wú)人水下機(jī)器人（無(wú)人潛航器，UUV）集群等海上無(wú)人系統(tǒng)集群的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了未來(lái)海上無(wú)人系統(tǒng)集群的發(fā)展趨勢(shì)，并從通信自組網(wǎng)、協(xié)同態(tài)勢(shì)感知、任務(wù)分配、航跡規(guī)劃、編隊(duì)控制和虛擬測(cè)試6個(gè)方面總結(jié)了所需要的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[6]比較全面地研究了美、歐主要國(guó)家無(wú)人艇的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，從環(huán)境感知技術(shù)、航跡規(guī)劃技術(shù)、集群控制和協(xié)同技術(shù)3個(gè)方面剖析了無(wú)人艇需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)集群控制和協(xié)同問(wèn)題，該文獻(xiàn)從航跡跟蹤、減搖、避障、編隊(duì)、博弈和組網(wǎng)通信6個(gè)方面詳盡分析了其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為，無(wú)人艇研究的關(guān)鍵技術(shù)由控制、導(dǎo)航和感知3個(gè)方面組成，目前的無(wú)人艇尚不具備完全自主化、智能化的能力，而制約無(wú)人艇走向完全自主化、智能化的一個(gè)重要因素是現(xiàn)有智能試驗(yàn)手段的局限性和理想無(wú)人艇試驗(yàn)平臺(tái)的缺乏。為此，文獻(xiàn)分析了利用數(shù)字孿生技術(shù)搭建無(wú)人艇智能試驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)和可行性。邱志明院士等[8]在系統(tǒng)研究國(guó)內(nèi)外水下無(wú)人裝備發(fā)展現(xiàn)狀并提出前沿發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，分層次地梳理了水下無(wú)人裝備未來(lái)需要發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，主要是平臺(tái)技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)3個(gè)技術(shù)群，平臺(tái)技術(shù)包括總體設(shè)計(jì)技術(shù)、能源動(dòng)力技術(shù)、布放回收技術(shù)等，信息技術(shù)包括導(dǎo)航定位技術(shù)、探測(cè)識(shí)別技術(shù)、通信組網(wǎng)技術(shù)和探測(cè)通信一體化技術(shù)等，智能技術(shù)則分為平臺(tái)智能化技術(shù)和智能集群協(xié)同技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)需求分析對(duì)于無(wú)人艇也具有參考價(jià)值。文獻(xiàn)[9]基于專利數(shù)據(jù)和技術(shù)關(guān)鍵詞頻次統(tǒng)計(jì)分析，篩選出了智能感知、自主航行控制、先進(jìn)動(dòng)力源、動(dòng)力推進(jìn)、平臺(tái)設(shè)計(jì)、集成/協(xié)同智能控制、通信/通訊和可靠性試驗(yàn)等9類海洋無(wú)人系統(tǒng)智能裝備基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)，以及布放回收、有效載荷輸送、能效管理等8類海洋無(wú)人系統(tǒng)智能裝備專用關(guān)鍵技術(shù)。

1.2.2 具體技術(shù)研究中對(duì)無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求的分析

文獻(xiàn)[5]指出，航跡跟蹤技術(shù)是無(wú)人艇實(shí)現(xiàn)自主航行的一個(gè)基本問(wèn)題，無(wú)人艇航跡跟蹤面臨的幾個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題包括非線性、不確定性、欠驅(qū)動(dòng)、受限或不可測(cè)量的狀態(tài)、有限的通信帶寬以及避障要求等。文獻(xiàn)[10]針對(duì)利用無(wú)人艇布放、回收自主水下航行器（AUV）面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及所需解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，總結(jié)了3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)，即AUV集成布放與回收設(shè)計(jì)、AUV引導(dǎo)捕獲裝置設(shè)計(jì)和跨介質(zhì)協(xié)同控制。文獻(xiàn)[11]指出，要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與無(wú)人艇之間的空海協(xié)同作業(yè)，須重點(diǎn)解決機(jī)艇空海協(xié)同中無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤與精準(zhǔn)著艇問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]指出，無(wú)人艇的關(guān)鍵技術(shù)涉及運(yùn)動(dòng)控制、智能路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、網(wǎng)絡(luò)通信以及信號(hào)處理等，其理論基礎(chǔ)則涵蓋控制理論、運(yùn)籌學(xué)、博弈論、模式識(shí)別、圖像理解和自動(dòng)化原理等。文獻(xiàn) [13]指出，受限于自身性能限制和環(huán)境干擾，目前無(wú)人艇在循跡航行和自主避障能力方面距理想狀態(tài)仍存在很大差距，路徑跟蹤和自主避障控制仍是無(wú)人艇實(shí)現(xiàn)自主航行、保障安全并完成任務(wù)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[14]、[15]指出，自主避障是為實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自主航行所必須攻克的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，文獻(xiàn)針對(duì)該問(wèn)題，研究了利用同時(shí)定位和建圖（SLAM）技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自主避障的技術(shù)方案。文獻(xiàn)[16]指出，無(wú)人艇的智能算法需要大量訓(xùn)練與試驗(yàn)驗(yàn)證，直接開展物理試驗(yàn)成本很高，風(fēng)險(xiǎn)較大。為此，要發(fā)展無(wú)人艇航行仿真技術(shù)，通過(guò)虛擬仿真或硬件在環(huán)仿真，提高研制效率，縮短試驗(yàn)周期，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 作戰(zhàn)運(yùn)用研究中對(duì)無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求的分析

文獻(xiàn)[1]調(diào)研了國(guó)外軍用領(lǐng)域人工智能發(fā)展規(guī)劃，指出感知、處理、反饋等技術(shù)基礎(chǔ)的日趨成熟促進(jìn)了艦船智能化發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)支撐、智能控制、自主決策和多域一體協(xié)同是發(fā)展方向，而智能化狀態(tài)監(jiān)控、智能操控技術(shù)、目標(biāo)探測(cè)識(shí)別技術(shù)和作戰(zhàn)輔助決策技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)上述發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[17]分析了利用無(wú)人艇引導(dǎo)艦船在復(fù)雜海區(qū)航行的優(yōu)勢(shì)，并從導(dǎo)航和定位、智能路徑規(guī)劃和避障、環(huán)境感知和目標(biāo)識(shí)別、通信和協(xié)同控制，以及可靠性和安全性技術(shù)5個(gè)方面總結(jié)了無(wú)人艇需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[18]根據(jù)集群攻擊、分布攻防、彈性防御3種作戰(zhàn)運(yùn)用模式對(duì)無(wú)人艇的需求，分析了無(wú)人艇需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，具體包括艇型技術(shù)、自主規(guī)劃與控制技術(shù)，以及布放與回收技術(shù)3個(gè)方面。文獻(xiàn)[19]研究了為構(gòu)建海上有人無(wú)人分布式協(xié)同作戰(zhàn)體系需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，包括協(xié)同交互控制技術(shù)、協(xié)同態(tài)勢(shì)估計(jì)技術(shù)、協(xié)同威脅估計(jì)技術(shù)、協(xié)同航路規(guī)劃技術(shù)、協(xié)同目標(biāo)分配技術(shù)、協(xié)同資源管控技術(shù)，以及協(xié)同打擊鏈構(gòu)建技術(shù)。無(wú)人艇是分布式協(xié)同作戰(zhàn)體系中的重要作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，因而上述關(guān)鍵技術(shù)也與無(wú)人艇本身的關(guān)鍵技術(shù)有著密不可分的關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[20]從島礁無(wú)人作戰(zhàn)對(duì)多平臺(tái)智能集群自主協(xié)同作戰(zhàn)的需求出發(fā)，提出并強(qiáng)調(diào)了基于體系原型的演示驗(yàn)證技術(shù)、無(wú)人作戰(zhàn)體系效能評(píng)估和無(wú)人平臺(tái)對(duì)體系效能貢獻(xiàn)率的評(píng)估技術(shù)，以及集成試驗(yàn)環(huán)境作為評(píng)估環(huán)境搭建技術(shù)的重要性。

1.3 現(xiàn)有研究評(píng)述

上述文獻(xiàn)關(guān)于無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求的研究為認(rèn)識(shí)無(wú)人艇技術(shù)體系和理解其關(guān)鍵技術(shù)需求提供了很好的參考，但是從對(duì)無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求作系統(tǒng)、全面分析的角度看，尚存在以下不足：一是現(xiàn)有的綜述類文獻(xiàn)中，除文獻(xiàn)[7]外，都是針對(duì)與無(wú)人艇相關(guān)、但系統(tǒng)層級(jí)更高的水下無(wú)人裝備、無(wú)人艇集群、無(wú)人系統(tǒng)集群、軍事智能裝備等進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)需求分析，沒有聚焦無(wú)人艇的關(guān)鍵技術(shù)需求分析，而文獻(xiàn)[7]雖然談到了無(wú)人艇研究的關(guān)鍵技術(shù)主要由控制、導(dǎo)航和感知等3個(gè)方面組成，但并沒有繼續(xù)展開分析，而是主要從虛擬試驗(yàn)的角度詳細(xì)討論利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建無(wú)人艇智能試驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)、可行性和具體方案；二是具體技術(shù)研究類文獻(xiàn)中對(duì)無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求的分析受限于研究范圍，主要是針對(duì)循跡航行、自主避障等單項(xiàng)技術(shù)需求進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，對(duì)無(wú)人艇的其他關(guān)鍵技術(shù)即使偶有涉及也只是簡(jiǎn)單概括，沒有完整地呈現(xiàn)支撐無(wú)人艇的整個(gè)技術(shù)體系；三是作戰(zhàn)運(yùn)用研究類文獻(xiàn)主要是從有人/無(wú)人作戰(zhàn)體系的角度提出有關(guān)的技術(shù)需求，這些技術(shù)需求是基于提升整個(gè)作戰(zhàn)體系效能的考慮提出的，因而并沒有分解為無(wú)人艇本身的關(guān)鍵技術(shù)需求；四是現(xiàn)有的文獻(xiàn)并沒有從系統(tǒng)整體的角度專門考察無(wú)人艇進(jìn)一步智能化所需的能力簇和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，因而對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)需求的分析可能會(huì)有所遺漏。為此，本文將從系統(tǒng)整體視角出發(fā)，全面剖析無(wú)人艇的能力要素和結(jié)構(gòu)組成，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析其關(guān)鍵技術(shù)需求。

2 基于系統(tǒng)整體視角的無(wú)人艇能力要素分析

2.1 理想智能艇模型

具有強(qiáng)人工智能特征的無(wú)人艇是在海上自主活動(dòng)的智能Agent，應(yīng)具有與有人船舶高度相似的能力要素。為便于分析和理解，可以從有人船舶入手來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題，不妨考察一艘核載5名乘員的執(zhí)法巡邏艇所應(yīng)當(dāng)具有的能力要素。假設(shè)5名乘員分別負(fù)責(zé)指揮（指揮員）、操控（操控員）、瞭望（瞭望員）、通信聯(lián)絡(luò)（通信員）和執(zhí)法艇平臺(tái)巡檢維護(hù)（維護(hù)員），該執(zhí)法艇的任務(wù)是每天在指定海域巡邏若干次，處置巡邏期間可能遇到的他國(guó)船只越界侵權(quán)行為。在系統(tǒng)整體視角下，我們將這5名乘員和執(zhí)法艇平臺(tái)“封裝”在一起，視作一個(gè)整體，那么這個(gè)整體是一個(gè)理想智能Agent，稱為理想智能艇。

現(xiàn)在基于“警告驅(qū)離駛?cè)胛翌I(lǐng)海區(qū)域的外國(guó)船只”的使命任務(wù)來(lái)考慮理想智能艇所具有的能力。一般而言，理想智能艇所處的狀態(tài)可以歸納為5種，即任務(wù)航行狀態(tài)、備勤備航狀態(tài)、休整待命狀態(tài)、補(bǔ)充維護(hù)狀態(tài)和基地修理狀態(tài)。如圖1所示，在整個(gè)壽命期，理想智能艇不斷地在上述5種狀態(tài)之間相互切換，而促使?fàn)顟B(tài)切換的根本推力是由上級(jí)指揮機(jī)構(gòu)下達(dá)的出航任務(wù)。隨著出航任務(wù)的下達(dá)，原本處于休整待命狀態(tài)的理想智能艇迅速理解上級(jí)意圖，評(píng)估并調(diào)整好自身狀態(tài)，合理規(guī)劃和安排任務(wù)，并完成備勤備航部署，隨即進(jìn)入任務(wù)航行狀態(tài)。任務(wù)結(jié)束后，理想智能艇則根據(jù)需要進(jìn)入補(bǔ)充維護(hù)或基地修理狀態(tài)，并在完成補(bǔ)充維護(hù)或基地修理之后重新轉(zhuǎn)入休整待命狀態(tài)。

2.2 無(wú)人艇能力要素分解

根據(jù)理想智能艇的任務(wù)使命和全壽命期內(nèi)的狀態(tài)切換過(guò)程，可對(duì)其能力簇作如下分解。

2.2.1 領(lǐng)受任務(wù)并理解上級(jí)意圖的能力

理想智能艇的每一次出航必然有上級(jí)下達(dá)的出航任務(wù)作為行動(dòng)依據(jù)。上級(jí)下達(dá)任務(wù)的方式可以有多種，如臨時(shí)電話通知、正式文件通知，或被上級(jí)批準(zhǔn)的航行計(jì)劃等。理想智能艇的指揮員應(yīng)該能夠通過(guò)適當(dāng)途徑接收任務(wù)信息，并在領(lǐng)受任務(wù)的同時(shí)理解上級(jí)意圖，這是開展后續(xù)工作的基礎(chǔ)和前提。

2.2.2 檢查、評(píng)估自身狀態(tài)的能力

為保證自身安全和任務(wù)成功率，在每一次出航之前，理想智能艇必須全面檢查并評(píng)估自身狀態(tài)，包括全體乘員是否在位，艇體結(jié)構(gòu)有無(wú)破損，機(jī)械、電子設(shè)備等是否完好可用，油、水、備件等補(bǔ)給品是否充足，等等。理想智能艇通過(guò)全面自檢，結(jié)合任務(wù)持續(xù)時(shí)間和距下一次計(jì)劃修理時(shí)間等因素，對(duì)自身狀態(tài)給出綜合評(píng)估結(jié)論，以盡早發(fā)現(xiàn)并消除那些影響任務(wù)執(zhí)行的不利因素，如補(bǔ)充燃油、更換機(jī)油、排除設(shè)備故障等。在航行過(guò)程中和任務(wù)執(zhí)行完畢以后，理想智能艇也要進(jìn)行狀態(tài)檢查和評(píng)估，通過(guò)維護(hù)員的維護(hù)工作或依靠外部支援力量使自身狀態(tài)保持良好或盡快恢復(fù)到良好狀態(tài)。

2.2.3 任務(wù)規(guī)劃、分解與分配能力

理想智能艇在領(lǐng)受任務(wù)并充分理解上級(jí)意圖之后，就要合理規(guī)劃任務(wù)，如確定航行的目標(biāo)區(qū)域、制定計(jì)劃航線和情況處置預(yù)案等，并根據(jù)任務(wù)的復(fù)雜程度對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆纸?，例如把一次繞島巡航任務(wù)分解為3個(gè)子任務(wù)，其一是完成離碼頭、出港和進(jìn)入計(jì)劃航線，其二是巡線航行并視情處置違法船只，其三是完成返航、入港和靠碼頭。為保證任務(wù)完成度，提高任務(wù)執(zhí)行效率，指揮員還需要根據(jù)每一名乘員的專長(zhǎng)和其他方面能力素質(zhì)進(jìn)行任務(wù)分工與分配?；镜穆毮芊止た梢酝ㄟ^(guò)規(guī)定各崗位的職責(zé)清單和各類制定部署表來(lái)實(shí)現(xiàn)，但一些臨時(shí)性和附加的任務(wù)則需要指揮員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行任務(wù)分配。例如，當(dāng)理想智能艇接近目標(biāo)船只后，需要對(duì)其進(jìn)行喊話驅(qū)離，這時(shí)指揮員可根據(jù)乘員的執(zhí)法素養(yǎng)和當(dāng)前工作狀態(tài)，決定指派誰(shuí)前去喊話，執(zhí)行者可以是瞭望員、通信員，或者指揮員。

2.2.4 循線航行、避碰與離/靠碼頭能力

為實(shí)現(xiàn)循線航行，理想智能艇需要實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前位置、航向和航速，并根據(jù)當(dāng)前位置偏離計(jì)劃航線的情況適時(shí)調(diào)整航向與航速，這需要指揮員利用航海設(shè)備和儀器獲取必要信息并向操控員下達(dá)正確的操控指令。在航行過(guò)程中遇到靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，則需要及時(shí)避障，并在避障之后回到計(jì)劃航線上。如果動(dòng)態(tài)障礙物是其他船只，則需要按照國(guó)際避碰規(guī)則進(jìn)行避碰操作。在離/靠碼頭時(shí)，由于轉(zhuǎn)向幅度大、操作空間有限且障礙物較多，通常需要按照機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)的方式進(jìn)行操車和操舵，以便在確保安全的情況下高效完成離/靠碼頭作業(yè)。在避碰和離/靠碼頭的過(guò)程中，通常需要瞭望員更加密切地關(guān)注周邊態(tài)勢(shì)并及時(shí)向指揮員報(bào)告有關(guān)情況。

2.2.5 環(huán)境感知、目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別能力

這里的環(huán)境感知主要是指理想智能艇能夠?qū)崟r(shí)感知風(fēng)、浪、流、水深、溫度和氣象等環(huán)境信息，供指揮員決策使用。目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別則是指能夠在盡可能大的范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)船只進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。環(huán)境信息主要依靠集成在理想智能艇上的雷達(dá)、聲吶、測(cè)深儀等傳感器獲得，而對(duì)目標(biāo)船只的識(shí)別則不僅需要雷達(dá)、AIS等設(shè)備提供的信息，還在一定程度上依靠瞭望員與指揮員的經(jīng)驗(yàn)。

2.2.6 根據(jù)處置預(yù)案警告驅(qū)離目標(biāo)船只的能力

根據(jù)處置預(yù)案警告驅(qū)離目標(biāo)船只是理想智能艇的核心任務(wù)能力，理想智能艇的存在，以及所有的航行活動(dòng)及準(zhǔn)備工作，都是為了應(yīng)對(duì)巡邏過(guò)程中可能發(fā)生的此類事件。警告驅(qū)離目標(biāo)船只的過(guò)程可簡(jiǎn)化如下：首先，理想智能艇根據(jù)目標(biāo)船只所在位置和航向航速等信息，調(diào)整自身航向航速，接近目標(biāo)船只，進(jìn)行跟蹤監(jiān)視和拍攝取證；然后，由艇上乘員對(duì)目標(biāo)船只進(jìn)行喊話，聲明我方身份，明確警告目標(biāo)船只已進(jìn)入我領(lǐng)海區(qū)域，需立即駛離，否則將遭受強(qiáng)制驅(qū)離措施，并在喊話的同時(shí)觀察對(duì)方應(yīng)答情況和船只實(shí)際動(dòng)向；若目標(biāo)船只在收到我方警告之后駛離我領(lǐng)海區(qū)域，則驅(qū)離任務(wù)結(jié)束，理想智能艇將處置情況及時(shí)反饋給上級(jí)指揮點(diǎn)；若目標(biāo)船只在收到我方警告之后仍在我領(lǐng)海區(qū)域活動(dòng)，則理想智能艇對(duì)目標(biāo)船只進(jìn)行持續(xù)跟蹤監(jiān)視和警告驅(qū)離，逐漸采取聲光拒止、水炮攻擊等措施進(jìn)行強(qiáng)制驅(qū)離，并視情呼叫執(zhí)法力量支援，直到目標(biāo)船只駛離我領(lǐng)海區(qū)域?yàn)橹埂?/p>

2.2.7 主動(dòng)通聯(lián)和請(qǐng)求支援的能力

不論是在正常航行過(guò)程中，還是在執(zhí)法過(guò)程中，理想智能艇都需要與外界（包括岸基指揮點(diǎn)、航行編隊(duì)中的指揮節(jié)點(diǎn)，以及需要通信的其他船舶）保持通信暢通，以便及時(shí)傳輸各類數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)信息回傳和態(tài)勢(shì)共享，根據(jù)上級(jí)指示對(duì)任務(wù)作出調(diào)整，以及在遭遇突發(fā)情況時(shí)請(qǐng)求外部支援。因此，理想智能艇不能僅僅滿足于接收外界信息，還要能夠主動(dòng)與外界進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，這在有人參與的情況下根本不構(gòu)成挑戰(zhàn)，但如果完全沒有人為干預(yù)，可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的困難，比如主動(dòng)向上級(jí)報(bào)告情況的頻次，呼叫外部支援的時(shí)機(jī)，等等。

2.2.8 與其他智能Agent協(xié)同的能力

為了在必要時(shí)能夠與其他智能Agent相互配合，協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)，還需要理想智能艇具有與其他智能Agent協(xié)同的能力。需要協(xié)同配合的對(duì)象可能是同構(gòu)的，例如相同型號(hào)的其他執(zhí)法巡邏艇，這時(shí)需要2艘以上的巡邏艇編隊(duì)航行，相互之間通過(guò)動(dòng)態(tài)通信組網(wǎng)保持通聯(lián)，并具有明確的指揮關(guān)系；但也可能是異構(gòu)的，比如理想智能艇本身是大型執(zhí)法船舶上的一艘附屬工作艇，在巡邏時(shí)需要與母船進(jìn)行協(xié)同，需要考慮巡邏艇的回收和布放問(wèn)題；又或者是異質(zhì)的，例如理想智能艇需要與旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行配合，形成空海協(xié)同，以充分發(fā)揮執(zhí)法巡邏艇和執(zhí)法無(wú)人機(jī)各自的優(yōu)勢(shì)，這就需要考慮機(jī)、艇速度匹配，以及無(wú)人機(jī)著艇等問(wèn)題。對(duì)于理想智能艇來(lái)說(shuō)，由于實(shí)際上有人員參與，保持編隊(duì)航行、動(dòng)態(tài)通信組網(wǎng)、工作艇布放回收及機(jī)艇協(xié)同等問(wèn)題都可以比較容易解決。

綜合言之，用于執(zhí)法巡邏的理想智能艇需要具備8種能力要素，分別是：①領(lǐng)受任務(wù)并理解上級(jí)意圖的能力；②檢查、評(píng)估自身狀態(tài)的能力；③任務(wù)規(guī)劃、分解與分配能力；④循線航行、避碰與離/靠碼頭能力；⑤環(huán)境感知、目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別能力；⑥根據(jù)處置預(yù)案警告驅(qū)離目標(biāo)船只的能力；⑦主動(dòng)通聯(lián)和請(qǐng)求支援的能力；⑧與其他智能Agent協(xié)同的能力。上述能力要素中，第6個(gè)能力要素，即根據(jù)處置預(yù)案警告驅(qū)離目標(biāo)船只的能力，是專門針對(duì)執(zhí)法巡邏艇而言的，如推廣到一般的理想智能艇，該項(xiàng)能力要素則應(yīng)表述為“完成核心任務(wù)的能力”，這種核心任務(wù)可以是海洋測(cè)繪、人員搜救、消防救援、抵近偵察、毀傷評(píng)估，乃至火力打擊，等等，根據(jù)實(shí)際任務(wù)要求而定。其余的7項(xiàng)能力要素則是理想智能艇的通用能力要素。智能化程度越高的無(wú)人艇，其能力也應(yīng)該越接近上述理想智能艇，具有強(qiáng)人工智能特點(diǎn)的無(wú)人艇也應(yīng)該具備上述8項(xiàng)能力。因此，對(duì)于理想狀態(tài)的無(wú)人艇，其能力簇的結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖2所示。

3 理想無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求分析

3.1 基于技術(shù)-能力映射的分析方法

為系統(tǒng)梳理智能無(wú)人艇的關(guān)鍵技術(shù)需求，這里提出一種基于技術(shù)-能力映射的關(guān)鍵技術(shù)需求分析方法。在有人參與的理想智能艇中，人的因素尤其是人的智能因素，在能力簇的各個(gè)能力要素中都發(fā)揮了重要作用。在無(wú)人艇中，之所以不需要人員參與，是因?yàn)榫哂姓Z(yǔ)言處理能力和決策分析能力的人工智能替代了人的因素。由于人工智能本身也可以視作一種技術(shù)，可以認(rèn)為，無(wú)人艇的各個(gè)能力要素本質(zhì)上是由不同的技術(shù)構(gòu)成決定的，因而在技術(shù)構(gòu)成和能力要素之間存在著廣義的映射關(guān)系，簡(jiǎn)稱為“技術(shù)-能力映射”。那么，既然存在理想無(wú)人艇的能力簇結(jié)構(gòu)，就可以根據(jù)各能力要素反向推演其技術(shù)構(gòu)成，從而分析并確定其中哪些技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。

以“領(lǐng)受任務(wù)并理解上級(jí)意圖”能力要素為例，具體分析支撐該項(xiàng)能力要素的技術(shù)構(gòu)成。在有人參與的理想智能艇中，上級(jí)以人類可理解的自然語(yǔ)言形式向指揮員下達(dá)出航任務(wù)，指揮員則從載有任務(wù)信息的自然語(yǔ)言中識(shí)別信息、理解信息，思考并形成關(guān)于“根據(jù)上級(jí)命令/指示，我們接下來(lái)要做什么”這一問(wèn)題的答案。對(duì)于缺乏人員參與的無(wú)人艇，則上述過(guò)程可以被分解為獲取信息、理解信息、形成觀念3個(gè)步驟。

首先是獲取信息，對(duì)于無(wú)人艇來(lái)說(shuō)，應(yīng)該通過(guò)適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，確保其與上級(jí)指揮點(diǎn)之間保持全時(shí)全天候通信暢通，并能夠?qū)?lái)自指揮點(diǎn)的任務(wù)信息及時(shí)、完整、準(zhǔn)確地存儲(chǔ)起來(lái)。這里主要涉及通信技術(shù)和信息存儲(chǔ)技術(shù)。這2種技術(shù)目前都能實(shí)現(xiàn)，但遠(yuǎn)距離、高可靠、低延遲的先進(jìn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大難度，因此先進(jìn)通信技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。

接下來(lái)，無(wú)人艇需要對(duì)以自然語(yǔ)言為載體的任務(wù)信息進(jìn)行解讀，也就是理解信息。這首先要訪問(wèn)任務(wù)信息存儲(chǔ)地址，將任務(wù)信息提取到語(yǔ)言處理系統(tǒng)，然后根據(jù)自然語(yǔ)言與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言之間的解譯規(guī)則，把自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可理解的語(yǔ)言，并識(shí)別其中的有用信息。這里主要涉及信息讀取技術(shù)和基于人工智能的離線自然語(yǔ)言處理技術(shù)，后者是一項(xiàng)目前尚未突破的關(guān)鍵技術(shù)。

最后是形成觀念，在這一步驟中，無(wú)人艇根據(jù)對(duì)任務(wù)信息的解讀，形成“我們將做什么”的觀念，并將其基于任務(wù)信息解讀形成的觀念以自然語(yǔ)言的形式呈現(xiàn)出來(lái)，并反饋給上級(jí)。這里涉及的技術(shù)主要包括能夠進(jìn)行概念判斷、邏輯推理和自然語(yǔ)言處理的人工智能技術(shù)，以及通信技術(shù)，而人工智能技術(shù)仍然是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

綜上所述，通過(guò)對(duì)能力要素與技術(shù)構(gòu)成之間的映射分析，最終確定了無(wú)人艇為獲得“領(lǐng)受任務(wù)并理解上級(jí)意圖”這一能力所需要的2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即先進(jìn)通信技術(shù)和具有概念判斷、邏輯推理和自然語(yǔ)言處理功能的人工智能技術(shù)，如圖3所示。

3.2 理想無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求分析結(jié)果

類似地，將上述基于技術(shù)-能力映射的分析方法應(yīng)用于無(wú)人艇能力簇的其他7項(xiàng)能力要素，可以分別得到相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。表1列出了理想無(wú)人艇8項(xiàng)能力要素所需關(guān)鍵技術(shù)分析的結(jié)果。

由以上分析可知，想要建造一艘能力要素全面且充分的理想無(wú)人艇，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：人工智能技術(shù)，先進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)，先進(jìn)通信技術(shù)，信息融合技術(shù)，多傳感器集成技術(shù)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與健康管理技術(shù)，基于電子海圖信息的航線自動(dòng)生成技術(shù)，以及自主定位與導(dǎo)航技術(shù)。其中，人工智能技術(shù)貫穿所有能力要素，其應(yīng)用涉及概念判斷、邏輯推理、自然語(yǔ)言處理、狀態(tài)綜合評(píng)估與報(bào)告生成、任務(wù)規(guī)劃與適時(shí)調(diào)整、制定/調(diào)整工作時(shí)序、自主避碰、高精度循跡航行、弱小及偽裝目標(biāo)識(shí)別、決定行動(dòng)方案并執(zhí)行、動(dòng)態(tài)通信組網(wǎng)、編隊(duì)控制和集群任務(wù)分配等諸多方面，是當(dāng)前制約無(wú)人艇走向強(qiáng)人工智能化的最大技術(shù)障礙。先進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)和虛擬測(cè)試與訓(xùn)練技術(shù)的重要程度僅次于人工智能技術(shù)，是打造理想無(wú)人艇需要持續(xù)攻克的兩大技術(shù)難題。通信技術(shù)、多傳感器集成技術(shù)和信息融合技術(shù)既是形成感知能力和任務(wù)能力的基礎(chǔ)，也是智能系統(tǒng)在使用中積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)能力增長(zhǎng)的關(guān)鍵，必須在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上不斷提高性能，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。另外，狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與健康管理技術(shù)能有效提高無(wú)人艇的在航率和任務(wù)可靠性；基于電子海圖信息的航線自動(dòng)生成技術(shù)，以及自主定位與導(dǎo)航技術(shù)是保證無(wú)人艇則是實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自主航行所不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，都必須予以足夠的重視。

4 結(jié)束語(yǔ)

具有強(qiáng)人工智能特點(diǎn)的高性能無(wú)人艇是世界各國(guó)都在競(jìng)相研發(fā)的先進(jìn)海洋裝備，在民用和軍用領(lǐng)域都有著很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。研發(fā)先進(jìn)的智能無(wú)人艇是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需調(diào)動(dòng)廣大科研和技術(shù)力量，持續(xù)發(fā)力，久久為功，方能在重大技術(shù)突破方面快人一步，走在國(guó)際前沿。本文在充分調(diào)研最新文獻(xiàn)關(guān)于無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)需求分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有研究存在的不足，從系統(tǒng)整體的視角出發(fā)，完整梳理了無(wú)人艇的8項(xiàng)能力要素。根據(jù)能力要素與技術(shù)支撐之間的廣義映射關(guān)系，本文提出了一種基于技術(shù)-能力映射的關(guān)鍵技術(shù)需求分析方法，并利用該方法系統(tǒng)地分析了理想無(wú)人艇所需的主要關(guān)鍵技術(shù)。本文的研究結(jié)果可為準(zhǔn)備從事無(wú)人艇研究的學(xué)者和技術(shù)人員提供有價(jià)值的參考，使其能夠全面、快速、準(zhǔn)確理解無(wú)人艇的能力要素和關(guān)鍵技術(shù)需求。

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