隨著科技的不斷發(fā)展，水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)憑借其自身的靈活性、低成本和高效性逐漸取代了傳統(tǒng)有人船只來(lái)執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)資源勘探和安全巡邏等任務(wù)，在海洋科研和工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，成為重要的研究和觀測(cè)工具。

傳統(tǒng)的海洋調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測(cè)依賴于有人船只，不僅會(huì)面臨高昂的成本，在惡劣天氣和復(fù)雜海況的情形下還可能存在巨大的安全隱患，因此亟待開發(fā)一種可以代替有人船只的工具使海洋觀測(cè)更加靈活、經(jīng)濟(jì)、高效。水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)（unmannedsurfacevehicle，USV）[1]作為一種集自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能于一體的自主平臺(tái)，在海洋、湖泊、河流等水域的研究與應(yīng)用中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。20世紀(jì)初，國(guó)外就已開始了對(duì)水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的研發(fā)，而我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究起步較晚。近年來(lái)在國(guó)家各項(xiàng)政策的支持下，我國(guó)在水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用上發(fā)展迅速，水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的性能和應(yīng)用場(chǎng)景也得到了顯著擴(kuò)展。

水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的分類

水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)可以根據(jù)不同的功能、結(jié)構(gòu)和平臺(tái)形式應(yīng)用在不同環(huán)境和任務(wù)當(dāng)中。

根據(jù)應(yīng)用平臺(tái)功能，可分為環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)、海洋勘探平臺(tái)和海上安全監(jiān)控平臺(tái)。環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要用于監(jiān)測(cè)海洋、湖泊、河流等水域的環(huán)境信息，通常會(huì)搭載各種觀測(cè)環(huán)境的傳感器，對(duì)水體中水質(zhì)、溫度、pH、溶解氧、渾濁度、污染物濃度等各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。海洋勘探平臺(tái)通常配備聲吶、海面成像儀和化學(xué)探測(cè)儀器執(zhí)行各類勘探任務(wù)，主要用于探索礦產(chǎn)、油氣和生物等海洋資源。安全監(jiān)控平臺(tái)通常配備雷達(dá)、視頻監(jiān)控設(shè)備和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）等設(shè)備進(jìn)行海域巡邏和監(jiān)控并承擔(dān)海上安保、海域執(zhí)法和交通安全檢查等任務(wù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可分為單體結(jié)構(gòu)平臺(tái)、雙體結(jié)構(gòu)平臺(tái)和三體結(jié)構(gòu)平臺(tái)。單體結(jié)構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，適用于大多數(shù)海況，但容易受到強(qiáng)風(fēng)和巨浪等復(fù)雜環(huán)境的影響而不能穩(wěn)定工作。雙體結(jié)構(gòu)平臺(tái)由兩個(gè)平行船體構(gòu)成，三體結(jié)構(gòu)平臺(tái)由一個(gè)中央船體和兩個(gè)較小的側(cè)浮體組成，這兩種結(jié)構(gòu)均具備較強(qiáng)的承載能力和高穩(wěn)定性，在惡劣海況下表現(xiàn)出色，適合搭載大型傳感器，但由于其本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，兩種平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)和制造難度較大，成本也相對(duì)較高，在狹窄水域中的適應(yīng)性較差。

根據(jù)動(dòng)力結(jié)構(gòu)，可分為常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)、水噴推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)和風(fēng)帆推進(jìn)平臺(tái)。常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)使用的是傳統(tǒng)船舶推進(jìn)方式，如螺旋槳和外部馬達(dá)，主要依賴水流推力前進(jìn)，適合在平穩(wěn)環(huán)境中作業(yè)。水噴推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)利用高壓水流進(jìn)行推進(jìn)，適用于需要高機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)的任務(wù)，能在復(fù)雜海況中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，但其設(shè)計(jì)和維護(hù)成本較高。風(fēng)帆推進(jìn)平臺(tái)主要依靠風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，可以無(wú)須燃料就滿足平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的需求，但容易受環(huán)境條件制約，應(yīng)用場(chǎng)景十分有限。

不同的結(jié)構(gòu)使這些平臺(tái)在任務(wù)執(zhí)行、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和承載能力等方面各具獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)性。

根據(jù)其形式，可分為無(wú)人船、無(wú)人浮標(biāo)和無(wú)人水面機(jī)器人。無(wú)人船是最常見的水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)，搭載多種觀測(cè)設(shè)備[2]，如水質(zhì)和氣象傳感器、雷達(dá)和聲吶等，可通過(guò)遙控或自主導(dǎo)航完成巡航監(jiān)測(cè)等任務(wù)。無(wú)人浮標(biāo)依靠浮力漂浮在水面上，專注于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集任務(wù)，配有氣象、溫度、鹽度和波浪等傳感器。無(wú)人水面機(jī)器人集成自動(dòng)導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行功能，適合更為復(fù)雜的水面作業(yè)。

水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的技術(shù)進(jìn)展

水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)在傳感器集成、導(dǎo)航與控制、能源利用效率等方面取得了顯著的技術(shù)進(jìn)展，這些技術(shù)的進(jìn)步不僅推動(dòng)了平臺(tái)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，還提高了平臺(tái)的性能與可靠性。

傳感器技術(shù)

基于傳感器種類的豐富與精度的提高，平臺(tái)已集成多種小型化、高精度的傳感器，使其能夠在海洋環(huán)境中進(jìn)行更為細(xì)致和多樣化的觀測(cè)。

環(huán)境傳感器集成

水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器主要包括光譜分析儀和電化學(xué)傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)多種污染物、溶解氣體和微量元素。光譜分析儀能通過(guò)測(cè)量水體對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收和反射特性，準(zhǔn)確迅速地定位污染源，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電化學(xué)傳感器則適用于檢測(cè)水中的溶解氧、氨氮和亞硝酸鹽等污染物。

氣象傳感器常用于監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等海面氣象參數(shù)，根據(jù)測(cè)量的參數(shù)不同細(xì)分為不同的傳感器。溫濕度傳感器是氣象傳感器中較為常用的傳感器，用于測(cè)量大氣中的溫度和濕度，在高濕環(huán)境下精度高，且穩(wěn)定性好不易受到灰塵等環(huán)境因素的影響。大氣壓力和風(fēng)速傳感器同理也是分別用于測(cè)量大氣中的空氣壓力和風(fēng)速的傳感器，均是氣象傳感器的重要組成部分。

傳統(tǒng)觀測(cè)溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)時(shí)往往需分別配置相應(yīng)的設(shè)備，而新型集成式溫鹽深測(cè)量?jī)x將溫度、鹽度和深度測(cè)量技術(shù)結(jié)合，能同步采集三者的數(shù)據(jù)，減少設(shè)備體積并提高測(cè)量效率。光學(xué)鹽度傳感器引入光學(xué)技術(shù)，采用光散射原理檢測(cè)水體的光學(xué)特性來(lái)推算鹽度，適用于快速變化的海洋環(huán)境。

聲吶與圖像設(shè)備

為了滿足海洋資源勘探和水面物體探測(cè)的需求，高分辨率的多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、激光掃描儀等設(shè)備的應(yīng)用，使得平臺(tái)能夠精確探測(cè)海洋環(huán)境的變化。

聲吶是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中不可或缺的重要工具，常用于探測(cè)水面障礙物、測(cè)繪水面情形以及監(jiān)測(cè)水面生物，可以通過(guò)發(fā)射多個(gè)波束并接收回波信號(hào)從而生成高分辨率的海面地圖，具有更高的分辨率能夠識(shí)別環(huán)境中微小的物體或障礙。

平臺(tái)搭載高清水面攝像頭可提供實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和清晰的環(huán)境圖像，特別是在復(fù)雜環(huán)境下，平臺(tái)還可搭載激光掃描儀通過(guò)三維激光快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場(chǎng)景的三維可視化模型?；谝陨嫌^測(cè)設(shè)備，平臺(tái)識(shí)別物體和感知環(huán)境將更加智能，從而可以執(zhí)行更加復(fù)雜的水面觀測(cè)任務(wù)。

導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

導(dǎo)航與控制系統(tǒng)是水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的核心技術(shù)之一。目前，平臺(tái)的導(dǎo)航與控制系統(tǒng)已經(jīng)具備自主導(dǎo)航、自動(dòng)避障、完成預(yù)定任務(wù)的能力。

自主導(dǎo)航與避障技術(shù)

自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertialnavigationsystems，INS）和視覺(jué)導(dǎo)航等多種導(dǎo)航技術(shù)。

GNSS通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)確定平臺(tái)的位置和速度，為平臺(tái)提供全球范圍的定位服務(wù)。而INS則通過(guò)測(cè)量加速度和角速度推算平臺(tái)的位置和姿態(tài)，提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息。兩者通常聯(lián)合使用，在GNSS信號(hào)丟失或受到干擾的情況下，INS能夠繼續(xù)提供導(dǎo)航支持，確保平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)則利用攝像頭和圖像處理算法提取環(huán)境特征點(diǎn)，適用于封閉環(huán)境或復(fù)雜海域，無(wú)須依賴外部信號(hào)即可完成平臺(tái)的視覺(jué)定位和路徑規(guī)劃。

現(xiàn)代平臺(tái)通常將導(dǎo)航技術(shù)同激光雷達(dá)和聲吶等傳感器相結(jié)合，激光雷達(dá)和聲吶技術(shù)可以為平臺(tái)提供實(shí)時(shí)三維環(huán)境感知能力，使其能夠在多種復(fù)雜場(chǎng)景中進(jìn)行精準(zhǔn)的導(dǎo)航與探測(cè)。在此基礎(chǔ)上，自主避障技術(shù)將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，確保平臺(tái)在復(fù)雜海洋環(huán)境中準(zhǔn)確識(shí)別環(huán)境信息，檢測(cè)漂浮物、其他船只和海洋設(shè)施等環(huán)境障礙進(jìn)行規(guī)避。

協(xié)同控制技術(shù)

協(xié)同控制技術(shù)通過(guò)多平臺(tái)協(xié)調(diào)合作，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)平臺(tái)無(wú)法完成的任務(wù)，主要涉及信息共享、協(xié)同決策、任務(wù)分配及控制方式。

多平臺(tái)的協(xié)同控制主要基于各平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)通信。常用的通信技術(shù)包括無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、衛(wèi)星通信和低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線局域網(wǎng)和藍(lán)牙適合短距離平臺(tái)間的通信，通常用于較小海域或靠近岸邊的環(huán)境。衛(wèi)星通信則適合長(zhǎng)距離通信，可提供全球覆蓋和高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)特別適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)任務(wù)，例如無(wú)人浮標(biāo)等平臺(tái)可提供低功耗和長(zhǎng)距離通信能力，滿足持續(xù)監(jiān)測(cè)的需求。

在協(xié)同控制中，為避免平臺(tái)間彼此碰撞，規(guī)避外部障礙物，需要為平臺(tái)設(shè)計(jì)縝密的控制算法。常用的路徑規(guī)劃與避障算法包括 A^* 算法、Dijkstra算法、基于采樣的快速隨機(jī)探索樹（rapidly-exploringrandomtree，RRT）和概率路圖法（probabilistic road map，PRM）以及人工勢(shì)場(chǎng)法（artificialpotentialfield，APF）。協(xié)同控制系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行時(shí)還必須具備實(shí)時(shí)的自適應(yīng)能力。自適應(yīng)控制算法和反饋控制機(jī)制能夠根據(jù)電池電量、負(fù)載、故障等平臺(tái)狀態(tài)和海浪、風(fēng)速、能見度等環(huán)境條件的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和響應(yīng)，保持平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。

能源系統(tǒng)

由于水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景的日益復(fù)雜，其能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與發(fā)展直接影響平臺(tái)的穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、續(xù)航及執(zhí)行任務(wù)的能力。

電池與能源存儲(chǔ)技術(shù)

水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的續(xù)航能力一直是影響其應(yīng)用廣度的關(guān)鍵因素。而高性能電池技術(shù)的發(fā)展，特別是在鋰電池技術(shù)上的突破，使平臺(tái)的續(xù)航能力大幅提高。固態(tài)電池和超級(jí)電容器等新型的高能量密度儲(chǔ)能設(shè)備為平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

平臺(tái)能源系統(tǒng)中可采用太陽(yáng)能電池板等可再生能源設(shè)備，尤其在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、雙面太陽(yáng)能電池和柔性光伏膜等新型光伏材料的出現(xiàn)之后，使得太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)能的利用效率可以同樣保障平臺(tái)的續(xù)航能力。太陽(yáng)能電池板還可以與高效能鋰電池進(jìn)行組合使用，在光照充足的情況下，冗余的太陽(yáng)能通過(guò)鋰電池儲(chǔ)存下來(lái)補(bǔ)充平臺(tái)能源消耗，進(jìn)一步延長(zhǎng)平臺(tái)的觀測(cè)時(shí)間。此外，太陽(yáng)能電池板可應(yīng)用于平臺(tái)集成式光伏系統(tǒng)，不僅將太陽(yáng)能電池板作為主要電力來(lái)源，還能將其融入平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)降本增效。光伏系統(tǒng)的布局和角度可根據(jù)平臺(tái)的任務(wù)需求和使用環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度提高能源收集效率，進(jìn)一步增強(qiáng)平臺(tái)的續(xù)航能力和環(huán)境適應(yīng)性。

此外，還有一些平臺(tái)已開始集成波浪能轉(zhuǎn)化裝置，通過(guò)捕捉水面波動(dòng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電力，為平臺(tái)在遠(yuǎn)海工作提供長(zhǎng)期動(dòng)力支持。同時(shí)，潮汐發(fā)電裝置也在大型水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)逐步得到應(yīng)用，特別是在潮汐顯著的海域，可以持續(xù)為平臺(tái)提供電力。這些能源技術(shù)在水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)上的應(yīng)用，為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)續(xù)航和更高自主性奠定了基礎(chǔ)。

智能能源管理系統(tǒng)

智能能源管理系統(tǒng)（energymanagementsystem，EMS）通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的電池狀態(tài)、功耗及環(huán)境條件，動(dòng)態(tài)調(diào)整能源使用策略，從而優(yōu)化能源利用效率并延長(zhǎng)平臺(tái)的工作時(shí)間。尤其在多任務(wù)協(xié)同過(guò)程中，EMS能顯著提升平臺(tái)的作業(yè)效率。

在能源技術(shù)的優(yōu)化中，鋰電池和固態(tài)電池等高效能電池的使用是關(guān)鍵。鋰離子電池作為目前主流儲(chǔ)能設(shè)備，以其高能量密度和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)。固態(tài)電池的研發(fā)也逐漸成熟，具備更高的安全性和能量密度。超級(jí)電容器與電池系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作能夠提供短時(shí)間內(nèi)的大功率能量輸出，可以顯著提高平臺(tái)的響應(yīng)速度和操作性能。

水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景的日益復(fù)雜，越來(lái)越多的平臺(tái)開始集成EMS。EMS在平臺(tái)采用鋰電池、太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電等多種能源系統(tǒng)的組合下，能夠根據(jù)環(huán)境條件靈活調(diào)整能源供給方式。通過(guò)EMS對(duì)多能源協(xié)同管理，平臺(tái)能夠有效降低對(duì)單一能源的依賴，提高其在復(fù)雜環(huán)境中的作業(yè)能力。

國(guó)外水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的研究動(dòng)態(tài)

當(dāng)前，全球范圍內(nèi)對(duì)水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的研究與應(yīng)用不斷深化，各國(guó)在技術(shù)研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用上各具特色。美國(guó)對(duì)水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的研究和應(yīng)用一直處于全球領(lǐng)先地位，是最早開展無(wú)人平臺(tái)研發(fā)的國(guó)家。美國(guó)海軍、美國(guó)國(guó)家航空航天局（nationalaeronauticsandspaceadministration，NASA）和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（nationaloceanicandatmosphericadministration，NOAA）等積極參與平臺(tái)的研發(fā)工作，形成了完整的研究體系，清晰的發(fā)展目標(biāo)和路線，產(chǎn)品逐漸實(shí)現(xiàn)系列化[3]。美國(guó)制定了許多有關(guān)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，使其在該技術(shù)領(lǐng)域一直保持全球領(lǐng)先地位，引領(lǐng)著行業(yè)發(fā)展方向。美國(guó)海軍開發(fā)的“SeaHunter”無(wú)人船，是這一領(lǐng)域的典型代表，其源于“反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無(wú)人水面艇”（anti-submarinewarfarecontinuous trailunmannedvessel，ACTUV）項(xiàng)目，旨在研發(fā)一種具備超長(zhǎng)續(xù)航能力的自主反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)[4]。該船采用三體結(jié)構(gòu)，配有兩個(gè)增加浮力和穩(wěn)定性的側(cè)片體，船長(zhǎng)40米，全寬12.19米（含兩側(cè)浮體），中央船體寬3.35米，排水量約140噸，使用雙軸柴油機(jī)推進(jìn)，最大航速達(dá)27節(jié)，能夠在5級(jí)海況下持續(xù)運(yùn)行，并在7級(jí)海況下保持航行與生存能力。該項(xiàng)目始于2010年，2016年完成下水和海試，驗(yàn)證艇正式命名為“海上獵人”。此外，美國(guó)還廣泛利用水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)執(zhí)行海洋監(jiān)測(cè)、氣象觀測(cè)和安全巡邏等任務(wù)。目前，美國(guó)已研發(fā)或應(yīng)用的無(wú)人水面艇種類多達(dá)30種，包括“海上貓頭鷹”“海上獵手”“斯巴達(dá)偵察兵”“幽靈衛(wèi)士”和“金槍魚”等[3]。

以色列的水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)研制技術(shù)僅次于美國(guó)，其將豐富和先進(jìn)的無(wú)人機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于無(wú)人艇研制，被公認(rèn)為該領(lǐng)域的先驅(qū)之一，許多國(guó)家的無(wú)人艇設(shè)計(jì)都是基于以色列的無(wú)人艇技術(shù)進(jìn)行改造的。拉斐爾公司、埃爾比特系統(tǒng)公司和以色列航空工業(yè)公司是該國(guó)無(wú)人平臺(tái)技術(shù)的主要推動(dòng)者，對(duì)外出口多種型號(hào)的水面無(wú)人艇，其中包括“保護(hù)者”“海上騎士”“卡塔娜”“黃貂魚”“海星”“銀色馬林魚”“海鷗”等[5]。以色列率先出口的“保護(hù)者”型無(wú)人水面艇成為標(biāo)志性產(chǎn)品，新加坡海軍是其首個(gè)海外用戶。與美國(guó)類似，以色列主要將水面平臺(tái)應(yīng)用于國(guó)防領(lǐng)域，充分發(fā)揮其在海上安全和軍事任務(wù)中的優(yōu)勢(shì)。

日本研究水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的時(shí)間也比較早，20世紀(jì)80年代，日本就開始了對(duì)平臺(tái)的研究，但受制于網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，未真正實(shí)現(xiàn)智能化。日本的無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)強(qiáng)調(diào)高精度航行控制和多傳感器集成，主要用于海洋資源調(diào)查、氣候變化監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域。其中最具代表性的為“SOLEIL”無(wú)人船：長(zhǎng)222.5米、寬25米、吃水7.4米，最大航速為28.3節(jié)，具備自主進(jìn)出港、目標(biāo)檢測(cè)、避碰和高速航行能力，成功完成了全球首次大型渡船自主航行實(shí)驗(yàn)。而“Shin-Ei”無(wú)人船則配備先進(jìn)的聲吶、光學(xué)傳感器和環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器，廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和漁業(yè)資源管理。

在歐洲，英國(guó)、法國(guó)、意大利等國(guó)在水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)的研究中也取得了顯著成果。英國(guó)研發(fā)的無(wú)人船包括“哨兵”“衛(wèi)兵”“黑魚”“翡翠鳥”“鷂”“FIACRT”“C-CAT4”（多功能型）“C-Sweep\"（反水雷型）“Atlas”“Pacific950”“MAST-13”“Madfox”“ARCIMS”和\"FMTD\"[3]等。英國(guó)ASV公司開發(fā)的“C-Enduro”號(hào)全艇采用碳纖維材料建造，艇體為雙體船型，艇長(zhǎng)為4.1米，寬為2.4米，高為2.8米，吃水為0.45米，滿載排水量為450千克。該平臺(tái)整合了太陽(yáng)能帆板、柴油和風(fēng)力發(fā)電機(jī)三種動(dòng)力系統(tǒng)[4]，由2臺(tái)1.4千瓦水面直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最高航速為7節(jié)，可在海上持續(xù)航行約3個(gè)月，具備自傾覆恢復(fù)能力。平臺(tái)上搭載有GPS、AIS、MBES、CTD、ADCP和防撞雷達(dá)等設(shè)備，主要應(yīng)用于凱爾特海域的海洋生物科研。

法國(guó)在水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，無(wú)人船種類有限，但在海洋污染監(jiān)測(cè)和清理方面取得了顯著突破，多利用平臺(tái)執(zhí)行海洋垃圾收集等任務(wù)。法國(guó)的無(wú)人船包括“檢察員”（MK1/MK2）“羅德爾”“巴西爾”“超大型無(wú)人潛航器”（XLUUV）“FDS-3”“Sterenn Du”“ROAZ”“Inspector”和“CatarobT-02”[3]等。Sirehna公司研發(fā)的“Rodeur”號(hào)長(zhǎng)9.2米，基于RHIB平臺(tái)設(shè)計(jì)，主要用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、偵察、反潛和獵雷等任務(wù)。

意大利的水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)種類豐富，涵蓋軍事、科研和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，主要包括GHOST系列、ARCIMS系列、MIRAGE系列、VULCANO和LUMEN無(wú)人艇等。其中，“Charlie”號(hào)為代表性平臺(tái)，艇長(zhǎng)2.4米、寬1.7米，配備高效太陽(yáng)能電池板，由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可持續(xù)工作超過(guò)20天，主要用于海洋微表層取樣、氣候監(jiān)測(cè)和魚雷探測(cè)等任務(wù)。

國(guó)內(nèi)水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的研究動(dòng)態(tài)

我國(guó)在水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的研究起步較晚，近年來(lái)政府為促進(jìn)無(wú)人船技術(shù)的發(fā)展陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)政策，涵蓋了無(wú)人船發(fā)展規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)體系和保障措施等方面，為行業(yè)發(fā)展提供了方向和支持。2017年，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，旨在提升我國(guó)在人工智能領(lǐng)域的全球競(jìng)爭(zhēng)力；2020年，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《智能船舶標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（征求意見稿）》[]，明確了智能船舶標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)原則、范圍和重點(diǎn)；2023年，國(guó)家發(fā)展改革委出臺(tái)《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2023年）》，鼓勵(lì)綠色智能運(yùn)輸船舶的建設(shè)與發(fā)展。

在各項(xiàng)政策支持和各級(jí)推動(dòng)下，我國(guó)在水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)方面的研究飛速發(fā)展，形成了由科研機(jī)構(gòu)、航天科技公司、軍工企業(yè)等多方合作推動(dòng)的技術(shù)研發(fā)格局。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所及其下屬單位積極開展水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)的研發(fā)工作，代表性平臺(tái)有“海洋遙感一號(hào)”系列，廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣候研究等領(lǐng)域。上海大學(xué)于2013年成功研制“精?！毕盗袩o(wú)人艇，平臺(tái)總長(zhǎng)6.28米，設(shè)計(jì)吃水0.43米，續(xù)航力達(dá)130海里，巡航航速可達(dá)10節(jié)。該系列平臺(tái)具備遙控與自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障、遠(yuǎn)距離航行等多項(xiàng)功能，并融合了單波束和多波束聲吶測(cè)深、前視多波束聲吶、三?？刂频燃夹g(shù)，具備較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2016年，海軍工程大學(xué)成功完成其最新研制的“海鱘號(hào)”無(wú)人艇的首次湖試。該平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，搭載了先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)、光電系統(tǒng)以及多種探測(cè)設(shè)備，并配備了高性能的智能控制算法，可實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、區(qū)域監(jiān)控、自主巡航、伴隨航行以及智能避障等多種工作模式，展現(xiàn)出卓越的多任務(wù)執(zhí)行能力和自主性。2017年，哈爾濱工程大學(xué)研制的“天行1”號(hào)完成專家組的海事驗(yàn)收，具備“高航速、大航程、自主監(jiān)測(cè)”等領(lǐng)先技術(shù)，支持手操、遙控、半自主和全自主4種工作模式。此外，武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)的無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)，在三體船“MSA”號(hào)上成功進(jìn)行了遠(yuǎn)程遙控與航向PID控制的測(cè)試，驗(yàn)證了航向控制算法。中國(guó)船級(jí)社、珠海市政府和武漢理工大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的全球首艘小型無(wú)人貨船“筋斗云”于2020年初下水，主要用于內(nèi)河航運(yùn)和海島日常補(bǔ)給，旨在降低遠(yuǎn)距離海島補(bǔ)給的高成本。

除高校和研究所等科研單位之外，國(guó)內(nèi)許多高新科技公司在水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)研究方面也做出了突出貢獻(xiàn)。中船重工、中船集團(tuán)等國(guó)有大型企業(yè)，在平臺(tái)的研發(fā)方面投入大量資源，逐漸形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)人船平臺(tái)技術(shù)。這些平臺(tái)主要應(yīng)用于海洋科研、海洋環(huán)保、海上安全等領(lǐng)域。2008年，中國(guó)航天科工集團(tuán)公司所屬沈陽(yáng)航天新光集團(tuán)與中國(guó)氣象局大氣探測(cè)技術(shù)中心共同成功研制了我國(guó)首艘無(wú)人駕駛海上氣象探測(cè)船“天象1”號(hào)[4]，其船身采用碳纖維材料，最大長(zhǎng)度為6.7米、最大寬度為2.45米、總高3.5米、重2.3噸，搭載GPS、雷達(dá)、圖像傳輸和處理系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備，融合了智能駕駛、雷達(dá)搜索、衛(wèi)星應(yīng)用、圖像處理與傳輸?shù)惹把丶夹g(shù)，有人工遙控和自動(dòng)駕駛兩種駕駛方式[7]，該系統(tǒng)作為應(yīng)急裝備成功為同年舉辦的青島奧帆賽提供了氣象保障服務(wù)。

中船集團(tuán)研發(fā)的“大智”號(hào)是我國(guó)首艘將“智能”概念應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的智能船舶，也是全球首艘通過(guò)船級(jí)社認(rèn)證的智能船。該船長(zhǎng)179米、型寬32米、型深15米，搭載全球首個(gè)能夠自主學(xué)習(xí)的智能運(yùn)行與維護(hù)系統(tǒng)，能夠獲取船舶自身及海洋洋流等相關(guān)信息，自動(dòng)規(guī)劃航線，評(píng)估船舶健康狀況，并發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。中國(guó)船舶黃埔文沖船舶有限公司成功研發(fā)了全球首艘具有遠(yuǎn)程遙控和開闊水域自主航行功能的智能型無(wú)人系統(tǒng)科考母船—“珠海云”號(hào)。該船長(zhǎng)88.5米、型寬14米、型深6.1米、吃水3.7米、最大航速18節(jié)、經(jīng)濟(jì)航速13節(jié)，可搭載不同類型的觀測(cè)儀器，主要用于海洋觀測(cè)和科研任務(wù)。青島藍(lán)谷智慧航海（青島）科技有限公司研發(fā)的“智飛”號(hào)是我國(guó)首艘自主航行的300TEU集裝箱商船，具備人工駕駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛和無(wú)人自主航行三種模式[8]。該船全長(zhǎng)110米、型寬15米、型深10米，設(shè)計(jì)航速12節(jié)，具備航行環(huán)境智能感知、自主循跡、航線自動(dòng)規(guī)劃、智能避碰、自主靠離泊等功能。

挑戰(zhàn)與展望

盡管水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)在海洋科研、環(huán)境監(jiān)測(cè)和海上安全等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際中仍面臨一些技術(shù)和應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。

首先，水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)在復(fù)雜海況下的穩(wěn)定性和可靠性仍是一個(gè)技術(shù)難題，風(fēng)浪、潮汐和流速等環(huán)境因素均會(huì)影響其航行的穩(wěn)定性，特別在極端氣候條件下，單體結(jié)構(gòu)平臺(tái)容易受損或失控。采用輕量化、抗風(fēng)浪材料與新型多體結(jié)構(gòu)，或?qū)⒂行岣咂脚_(tái)在復(fù)雜海況中的航行穩(wěn)定性和工作可靠性。

其次，盡管能源效率有所進(jìn)展，但平臺(tái)的續(xù)航能力仍受較大的限制。尤其在遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)等復(fù)雜任務(wù)中，電池和太陽(yáng)能的續(xù)航時(shí)間、充電速度和能源利用率無(wú)法滿足需求。采用結(jié)合氫能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等多能源的管理系統(tǒng)將能夠支持平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)人作業(yè)，特別是在偏遠(yuǎn)海域監(jiān)測(cè)中的持續(xù)應(yīng)用。

最后，自主導(dǎo)航與避障技術(shù)雖已有進(jìn)展，但平臺(tái)在復(fù)雜海況中的定位精度、障礙物識(shí)別和路徑規(guī)劃等方面仍略顯不足。應(yīng)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)將更加智能化，能夠?qū)崟r(shí)處理復(fù)雜的環(huán)境信息，進(jìn)行更加精確的任務(wù)決策和規(guī)劃。

展望未來(lái)，水面無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)作為海洋領(lǐng)域的核心技術(shù)裝備，其應(yīng)用潛力將進(jìn)一步釋放。隨著智能感知、自主航行等關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)突破，該平臺(tái)將為全球海洋科學(xué)研究、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及氣候變遷評(píng)估提供更精準(zhǔn)的時(shí)空數(shù)據(jù)支撐。其全天候、立體化的觀測(cè)能力，不僅有助于完善海洋數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)，更為人類實(shí)現(xiàn)藍(lán)色可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)構(gòu)建起智能化的決策支持體系，將在智慧海洋建設(shè)中發(fā)揮不可替代的戰(zhàn)略作用。

[1」魏星.海面雨霧環(huán)境下的無(wú)人艇光學(xué)圖像恢復(fù)與語(yǔ)義分割算法.哈爾濱工程大學(xué)，2022.

[2]王成才，商志剛，何宇帆，等.無(wú)人船信息融合與避障關(guān)鍵技術(shù)綜述.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2019，14（12）：1228-1232.

[3]張文拴，李爭(zhēng)，鄭瑤.國(guó)內(nèi)外無(wú)人船發(fā)展現(xiàn)狀及研發(fā)趨勢(shì).艦船科學(xué)技術(shù)，2024，46（15）：79-83.

[4]熊勇，余嘉俊，張加，等.無(wú)人艇研究進(jìn)展及發(fā)展方向.船舶工程，2020，42（02）：12-19.

[5]陳映彬.無(wú)人船發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)綜述.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（2）：65-66.

[6]朱飛祥，李國(guó)帥，王少博.智能船舶航行系統(tǒng)測(cè)試的方法與體．中國(guó)航海，2022，45（01）：127-132.

[7]軍武.中國(guó)無(wú)人艇有多厲害.生命與災(zāi)害，2024，（02）：24-25.

[8]嚴(yán)新平，褚端峰，劉佳侖，等.智能交通發(fā)展的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望.交通運(yùn)輸研究，2021，7（06）： 2-10+22