海上的較量—— 上海大學(xué)精海無(wú)人艇系列研發(fā)紀(jì)實(shí)

■ 彭 艷　駱阿雪

海上的較量—— 上海大學(xué)精海無(wú)人艇系列研發(fā)紀(jì)實(shí)

■ 彭 艷駱阿雪

近年來(lái)，捷足先登的上海大學(xué)在國(guó)內(nèi)無(wú)人艇研制領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先行列，該校與東海航海保障中心上海海事測(cè)繪中心（原上海海事局海測(cè)大隊(duì)）、青島北海船舶重工有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)、自行設(shè)計(jì)并成功研制出我國(guó)第一艘“無(wú)人艇”。

2014年11月11日，在中國(guó)和平利用軍工技術(shù)協(xié)會(huì)組團(tuán)參加第十屆珠海航展，并推出獨(dú)具特色的展中展中，上海大學(xué)的“無(wú)人艇”成為展會(huì)亮點(diǎn)，吸引了包括政府部門(mén)、企業(yè)、國(guó)內(nèi)外新聞界在內(nèi)的大量觀眾參觀、咨詢(xún)，尤其受到軍方的高度關(guān)注。

無(wú)人艇，作為一種機(jī)動(dòng)靈活的水面移動(dòng)艦艇，行動(dòng)隱蔽、不易遭敵攻擊，在軍事和科考中用途廣泛。因此近年來(lái)世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展對(duì)無(wú)人艇的研究，特別是歐美等國(guó)家已將無(wú)人艇的發(fā)展提升到戰(zhàn)略高度。美國(guó)、以色列在無(wú)人水面艇的研究方面處于領(lǐng)先地位，德國(guó)、日本等國(guó)也在積極研究無(wú)人水面艇。我國(guó)對(duì)此也不甘后人，目前已將無(wú)人測(cè)量艇研制應(yīng)用列入中國(guó)海事局海事測(cè)繪“十二五”發(fā)展規(guī)劃。

近年來(lái)，捷足先登的上海大學(xué)在國(guó)內(nèi)無(wú)人艇研制領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先行列，該校與東海航海保障中心上海海事測(cè)繪中心（原上海海事局海測(cè)大隊(duì)）、青島北海船舶重工有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)、自行設(shè)計(jì)并成功研制出我國(guó)第一艘“無(wú)人艇”。

合作攻關(guān)　首創(chuàng)國(guó)內(nèi)“無(wú)人艇”

2010年9月初，原上海海事局海測(cè)大隊(duì)準(zhǔn)備造一艘具有自主航行能力的無(wú)人艇，解決在淺灘以及較淺的內(nèi)河湖泊流域，載人船因吃水問(wèn)題無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的難題。有關(guān)同志找到學(xué)校機(jī)自學(xué)院，請(qǐng)學(xué)院協(xié)助該科研項(xiàng)目的順利實(shí)施。接到這個(gè)具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目后，機(jī)自學(xué)院非常支持，并聯(lián)系了青島北船重工游艇廠，連同原上海海事局海測(cè)大隊(duì)，三方一起開(kāi)會(huì)討論項(xiàng)目的推進(jìn)工作。

無(wú)人艇的研發(fā)主要遇到兩個(gè)難題，一是無(wú)人艇面對(duì)的環(huán)境非常復(fù)雜。相較無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中相對(duì)平穩(wěn)的大氣環(huán)境來(lái)說(shuō)，無(wú)人艇在海面上面對(duì)的則是不斷拍打撞擊的海浪，以及光線在水面反射造成的干擾和近海較多的障礙物對(duì)傳感器形成的嚴(yán)重影響。二是由于一般海上目標(biāo)的距離較近，而諸如激光、紅外等傳感器的優(yōu)勢(shì)在于探測(cè)較遠(yuǎn)的目標(biāo)，這就對(duì)無(wú)人艇傳感系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性提出了更大的挑戰(zhàn)。

經(jīng)三方研究決定：由原上海海事局海測(cè)大隊(duì)主要負(fù)責(zé)提供高性能的多波束測(cè)量系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)，上海大學(xué)主要負(fù)責(zé)自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自主功能實(shí)現(xiàn)，青島北船重工游艇廠主要負(fù)責(zé)具有抗傾覆能力的高性能船體設(shè)計(jì)。

在這個(gè)項(xiàng)目中，上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院的謝少榮教授擔(dān)任總協(xié)調(diào)和管理，陳金波主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，饒進(jìn)軍主要負(fù)責(zé)自主導(dǎo)航與控制。經(jīng)過(guò)近半年的努力，于2011年的5月，上海大學(xué)完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各部分的設(shè)備調(diào)試，此時(shí)，游艇廠的船體制造也已基本完成。2011年7月，在青島用了2個(gè)多月的時(shí)間，設(shè)備基本安裝完畢。接下來(lái)的任務(wù)就是進(jìn)行設(shè)備測(cè)試了。

2011年9月底，無(wú)人艇海上調(diào)試正式進(jìn)行。由于海上天氣多變，且又臨近秋冬，調(diào)試員們?cè)趹?hù)外要么被曬得脫皮，要么被風(fēng)吹得骨頭疼，大家都咬牙堅(jiān)持著，絕不能影響調(diào)試進(jìn)度。有時(shí)候碰到海上起大風(fēng)不能調(diào)試，大家就在工廠里邊修改樣機(jī)，邊做室內(nèi)試驗(yàn)。

就在大家的齊心努力下，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次室內(nèi)試驗(yàn)和海上系統(tǒng)調(diào)試，我國(guó)第一艘無(wú)人艇樣機(jī)終于攻克了自主航行、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、智能避碰等技術(shù)難題，做好了接受各級(jí)專(zhuān)家嚴(yán)苛審核的準(zhǔn)備。

2013年5月29日，原上海海事局、上海大學(xué)與青島北海船舶重工有限責(zé)任公司三方聯(lián)合開(kāi)發(fā)、自行設(shè)計(jì)研制的我國(guó)第一艘“無(wú)人艇”——水面無(wú)人智能測(cè)量平臺(tái)工程樣機(jī)接受了來(lái)自交通運(yùn)輸部海事局組織的工程樣機(jī)及海上試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)收專(zhuān)家的評(píng)審。

此次評(píng)審由中國(guó)海洋大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)、海軍航保部等十幾個(gè)單位、包括中國(guó)工程院院士組成的專(zhuān)家評(píng)審團(tuán)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了遙控與自主導(dǎo)航航行、水面及水下障礙的自動(dòng)避障、遠(yuǎn)距離自主航行等功能的試驗(yàn)，通過(guò)了中國(guó)船級(jí)社的檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了海洋多要素綜合測(cè)量功能，評(píng)審認(rèn)為，該“平臺(tái)”具有集成度高、操作方便等特點(diǎn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具有創(chuàng)造性、科學(xué)性、前瞻性和實(shí)用性，并一致通過(guò)評(píng)審。無(wú)人艇的研制成功既為我國(guó)無(wú)人艇的發(fā)展和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，也使企業(yè)今后拓寬市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域有了良好開(kāi)端。

“精海1號(hào)”巡航南海

無(wú)人水面艇（unmanned surface vessel，簡(jiǎn)稱(chēng)USV），可用于反水雷攻擊、艦艇（包括航母）處于停泊或低速狀態(tài)時(shí)對(duì)周?chē)Ｓ虻姆礉摚òㄈ肭滞苋恕撏В┦侄沃唬芨笙薅鹊財(cái)U(kuò)展海軍探測(cè)敵方潛艇的能力，支持艦艇作戰(zhàn)，提高海戰(zhàn)時(shí)的傳感覆蓋，快速建立海戰(zhàn)空間優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)洋護(hù)航中對(duì)海盜進(jìn)行威懾和打擊，成為未來(lái)海上偵查、作戰(zhàn)和作業(yè)的新寵。

對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，近年國(guó)際形勢(shì)風(fēng)云變化，圍繞海洋資源爭(zhēng)奪、島礁主權(quán)、海域劃界和通道安全的爭(zhēng)端進(jìn)一步加劇，海洋權(quán)益的維護(hù)亦面臨十分錯(cuò)綜復(fù)雜的形勢(shì)，特別是東海、南海海域及其島礁的維權(quán)需求，因此十八大報(bào)告首度將建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)提升至國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略高度，指出：“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”。

而發(fā)展無(wú)人艇技術(shù)，既可提升我國(guó)海洋軍事裝備能力，提高我國(guó)履行國(guó)際公約、維護(hù)國(guó)家主權(quán)及海洋權(quán)益的能力，也可為我國(guó)維護(hù)海洋權(quán)益、處理南海等熱點(diǎn)地區(qū)的局勢(shì)提供新的選擇。

由上海大學(xué)等三方聯(lián)合研發(fā)的無(wú)人艇“精海1號(hào)”，在剛剛完成各種性能測(cè)試之際，便加入了這場(chǎng)海上的較量。2013年2月，“精海1號(hào)”搭載在中國(guó)海巡166輪上，對(duì)南海各島礁和軍港附近的海域進(jìn)行測(cè)量，在南海島礁測(cè)繪過(guò)程中，該艇曾駛?cè)胫性綘?zhēng)議海區(qū)勘測(cè)，獲取了大量寶貴資料。

“精海1號(hào)”無(wú)人艇為全封閉艇，最大航速18節(jié)，具有高抗傾覆性、集成度高、操作方便等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了遙控與自主導(dǎo)航航行、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、水面及水下障礙的自動(dòng)避障避碰、遠(yuǎn)距離自主航行等功能；實(shí)現(xiàn)了單波束、多波束聲吶測(cè)深，前視多波束聲吶、側(cè)掃聲吶探測(cè)，多普勒流速流向測(cè)量等海洋多要素綜合測(cè)量功能，其綜合性能滿(mǎn)足海事測(cè)繪部門(mén)對(duì)復(fù)雜水域進(jìn)行測(cè)量作業(yè)的需求。

這次參與南海水域巡航任務(wù)，也是因?yàn)槟虾u礁不適合大的測(cè)量船進(jìn)行測(cè)量，需要使用無(wú)人測(cè)量艇，上海大學(xué)參與無(wú)人艇研制的陳金波、饒進(jìn)軍兩位老師作為技術(shù)保障隨隊(duì)前往。由于路上顛簸，很多人包括陳金波和饒進(jìn)軍都出現(xiàn)了暈船癥狀，好在他們暈得不太厲害，遇到風(fēng)浪船劇烈搖晃的時(shí)候，他倆還能堅(jiān)持保護(hù)設(shè)備避免受損。

經(jīng)過(guò)兩天航程，他們安全抵達(dá)目的地，沒(méi)來(lái)得及休整，南海巡航任務(wù)就開(kāi)始了。所幸的是，兩周的南海航行比預(yù)料的要平穩(wěn)得多，風(fēng)浪也沒(méi)有想象的大，到達(dá)永興島后，便開(kāi)始對(duì)永興島的碼頭進(jìn)行測(cè)量。兩人主要負(fù)責(zé)船的運(yùn)行，從顯示數(shù)據(jù)來(lái)看測(cè)量任務(wù)完成得不錯(cuò)。之后幾天，又繼續(xù)對(duì)東門(mén)礁、南薰礁、美濟(jì)礁、仙鵝礁、赤瓜礁、永暑礁巡航并測(cè)量，基本完成了既定任務(wù)。不過(guò)中途也出現(xiàn)了一些小故障，有一次無(wú)人艇在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候突然偏離了預(yù)定路線，而信號(hào)設(shè)備卻都顯示為正常，這下可急壞了陳金波、饒進(jìn)軍兩人，直到收回?zé)o人艇徹底檢查時(shí)才發(fā)現(xiàn)是船底控制方向的舵歪了。兩人心里的石頭這才算落地。

歷時(shí)14天，順利完成南海巡航任務(wù)后，陳金波、饒進(jìn)軍介紹說(shuō)：“由于無(wú)人水面艇獨(dú)有的大慣性大滯后的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)自主航 跡跟蹤存在較大的難度。大家經(jīng)過(guò)潛心研究和反復(fù)摸索，才解決了無(wú)人艇的自主航跡跟蹤問(wèn)題，經(jīng)過(guò)水面試驗(yàn)效果良好。此次南海巡航檢驗(yàn)了這一研究成果，對(duì)這一成果的應(yīng)用與推廣，將使0米線水下測(cè)量成為可能，為我國(guó)海洋測(cè)量事業(yè)提供了新的有效途徑和技術(shù)手段。”

同時(shí)他們又表示：“南海是神圣不可侵犯的祖國(guó)領(lǐng)海，面對(duì)這片藍(lán)色疆土，我們每個(gè)人都有責(zé)任去保護(hù)它。能夠親身經(jīng)歷這樣一次巡航任務(wù)，我們感到無(wú)比光榮。盡管之前遇到各種各樣困難，但現(xiàn)在看來(lái)都算不上什么了。”

“精海2號(hào)”出征南極

2014年10月30日上午10點(diǎn)，中國(guó)極地中心碼頭，隨著國(guó)家海洋局劉賜貴局長(zhǎng)一聲令下，雪龍?zhí)栭L(zhǎng)笛響起，中國(guó)第三十一次南極科考隊(duì)起航出發(fā)。此次科考中，上海大學(xué)聯(lián)合交通運(yùn)輸部東海航保中心、中船重工青島北船自主研發(fā)的水面無(wú)人艇“精海2號(hào)”隨著雪龍?zhí)栠h(yuǎn)赴南極羅斯海域進(jìn)行極地海洋測(cè)繪工作，成為中國(guó)首艘遠(yuǎn)赴極地執(zhí)行自主測(cè)繪的水面無(wú)人艇。

針對(duì)我國(guó)南極第五座新建科考站——維多利亞地科考站的建站需求，上海大學(xué)聯(lián)合交通運(yùn)輸部東海航保中心、中船重工青島北船自主研發(fā)的水面無(wú)人艇在此次科考中承擔(dān)新站所在海域——羅斯海域的海洋測(cè)繪工作。由于極地海域的復(fù)雜性，如大量浮冰、冰山、暗礁和淺灘，使得常規(guī)測(cè)量船在這一區(qū)域的海洋測(cè)繪存在極大危險(xiǎn)。此次科考中，具有吃水淺、速度快、機(jī)動(dòng)性高、自主性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的水面無(wú)人艇“精海2號(hào)”將替代常規(guī)有人測(cè)量船完成高風(fēng)險(xiǎn)、高危險(xiǎn)性的極地海域海洋測(cè)繪任務(wù)。

精海系列無(wú)人艇局部圖

“精海2號(hào)”無(wú)人艇，除了保持“精海1號(hào)”無(wú)人艇的自主控制和測(cè)量功能外，還具備三模控制功能和低溫技術(shù)，并安裝了多波束測(cè)深系統(tǒng)、雙頻測(cè)深儀、側(cè)掃聲納、淺地層剖面儀、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）等水聲測(cè)量設(shè)備以完成水文探測(cè)，適用于島礁、近海淺水域以及南極等水下地形、地貌探測(cè)。

在已有成功研發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，上海大學(xué)等單位進(jìn)一步深化核心技術(shù)研究，拓寬應(yīng)用范圍，形成多元化產(chǎn)品系列。精海系列無(wú)人艇利用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈活高效的遙控與自主導(dǎo)航航行、任務(wù)航跡點(diǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)設(shè)定、高精度航跡跟蹤、自動(dòng)避障避碰、遠(yuǎn)距離自主航行、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸、智能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、宜人化操作和健康監(jiān)控等功能；并實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備和測(cè)繪設(shè)備遠(yuǎn)程管理，根據(jù)任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)所需設(shè)備的上電或斷電操作，達(dá)到保護(hù)設(shè)備、節(jié)省能源、實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離作業(yè)的目的；配置RTK-DGPS定位系統(tǒng)，同時(shí)配備北斗定位系統(tǒng)作為冗余終端，在數(shù)據(jù)鏈中斷的情況下，仍可通過(guò)北斗基站獲得無(wú)人艇的位置，具備全時(shí)全天候的海上精確定位能力。

近期，精海系列又迎來(lái)了第三代成員，作為代表最新研發(fā)成果的“精海3號(hào)”也將搭載在海航調(diào)查船上對(duì)島礁和近海淺水域等水下地形地貌、水文進(jìn)行探測(cè)和自主航道測(cè)量。