無人水面艇海洋調查國內應用進展與展望

董 超，劉 蔚，李 雪，陳焱琨

（1.國家海洋局南海調查技術中心，廣州510300；2.國家海洋局南海維權技術與應用重點實驗室，廣州510300）

0 引言

無人水面艇是一種可通過遙控模式或者自主模式在水面航行，并可同步開展軍事對抗、環境調查、人員搜救、巡邏偵察等活動的智能化水面機器人。在軍事領域，無人水面艇可用于執行海洋戰場環境調查、關鍵海域滅掃雷、海上反潛追蹤、海上防護/攔截/打擊等任務；在民用領域，無人水面艇可用于執行淺水區海洋環境要素調查、極地冰區海洋環境調查、海上事故應急響應、海上污染區環境監測、海上重要人工構筑物安防巡邏等任務，是未來軍民兩用的核心裝備之一［1］。

海洋調查常面對風高浪急、暗礁叢生等惡劣環境，傳統作業手段勞動強度高、安全風險大、作業效率低。與大型水面船舶相比，無人水面艇體積小、重量輕、吃水淺，具備無人、高效等特點，非常適合在淺水區、污染區、極地等復雜海域環境中作業，有助于減輕強度、降低風險、提高效率和節約成本，具有廣闊的應用前景。本文從實際應用出發，分析了無人水面艇在海洋調查領域中的優勢，總結了國外無人水面艇的應用進展與現狀。同時，結合筆者單位在南海海洋調查工作中積累的實踐經驗，分析了國內無人水面艇的技術水平和應用現狀。最后，針對平臺優化、載荷集成等方面，提出了現階段存在的問題和改進建議，并對后續發展進行了展望。

1 海洋調查中無人水面艇的優勢

針對傳統海洋調查手段的不足，無人、高效等特點使得無人水面艇可有效減輕勞動強度、降低安全風險、提高作業效率和節約調查成本。

1.1 減輕勞動強度、降低安全風險

無人水面艇體積小、質量小、吃水淺，且無需人員隨艇作業，非常適合替代傳統海洋調查手段執行淺水區（例如海島礁周邊、灘涂區、潮間帶等）海域的海洋環境調查。上述海域暗礁叢生，航行安全風險大。同時，受潮汐變化影響，作業時間窗口有限。傳統海洋調查手段面臨 “大船水淺不敢進、小艇作業太辛苦”的問題。圖1（a）所示為南海典型島礁，礁盤內部水深淺，外沿暗礁叢生。每日高潮期時，時間窗口較短，在低潮期時，外沿礁石大多在水面以上，大型船舶無法進入，只能采用圖1（b）所示的人工插桿或圖 1（c）所示的小艇趁潮的作業方式。這兩種作業方式所面臨的工作環境惡劣、勞動強度高，且作業人員須避免由天氣、潮汐、海洋生物等引發的安全風險。

圖1 淺水區海洋調查技術手段的現狀Fig.1 Current status of marine survey techniques in shallow water areas

除淺水區問題外，在極地開展海洋環境調查時，大船在缺少海底地形數據支持的海域航行，安全風險高，極易發生觸冰、擱淺等危險。此外，對于遭受石油泄漏、核輻射污染等的海域，傳統海洋調查手段也難以開展。上述應用領域皆對無人水面艇提出了迫切需求。

1.2 提高作業效率、節約調查成本

受臺風、寒潮等天氣因素的影響，近岸海域的海洋調查活動常常需要避風。在等待天氣滿足作業條件時，“干三天、避兩天”的狀況非常普遍。以近岸路由勘察項目為例，在水深大于10m的深水區，多采用大船拖帶拖魚、掛裝多波束測深儀、側掃聲吶、淺地層剖面儀等聲學設備的方式開展綜合地球物理調查。在水深小于10m的淺水區，多采用小艇搭載單波束測深儀、側掃聲吶等聲學設備的趁潮掃海方式。將兩種手段結合使用，可獲取管道、光纜、電纜等海底人工構筑物的現狀。一般情況下，由一艘大船攜帶1～2條小艇。即便大船與小艇同時作業，日工作量也非常有限，作業效率不高。

在華南沿海地區，每年清明節至6月底期間的海況相對較好，其他月份則臺風頻發，每個海洋調查活動平均約有1/3的時間浪費在避風上。以近年筆者單位承擔的某光纜路由勘察項目為例，該項目在10月～11月開展，期間臺風頻發。該項目海上總作業時間56天，避風累計時間超過30天，有效作業時間僅為25天，不足總時間的50%。該項目租賃了3000t級的大型海洋調查船開展調查，而受臺風影響，由避風產生的船舶和人員開銷超過了300萬，導致成本大幅上升。

針對上述問題，可采用大船和無人水面艇同步作業的方式，與天氣搶時間窗口，提高好天氣時的日均作業量，縮短總作業時間，進而達到提高作業效率、節約調查成本的目的。圖2為2018年南海某海域海洋環境綜合調查的航次現場示意圖，圖中大船為1艘45m長、500t級的海洋調查船，后甲板空間長為16m、寬為8m，可以攜帶一艘5.5m長的多波束無人水面艇（紅色方框）、3艘1.7m長的單波束無人水面艇（后甲板前部的兩個橙色方框）、1艘1.7m長的環境監測無人水面艇（后甲板尾部橙色方框）和1艘5m長的保障小艇。5艘無人水面艇同步開展作業，可有效縮短總作業時間，節省用船成本。同時，多波束無人水面艇的通信距離約為15km，4艘小無人水面艇均具備通信中斷下的自主跑線和數據記錄功能。在無人水面艇作業期間，大船和保障小艇也可同步開展海洋調查，進一步提高作業效率、降低調查成本。

圖2 無人水面艇與大船同步作業能力分析Fig.2 Analysis of synchronization operating capability of USV and large vehicle

2 國外發展現狀和應用進展

早在第二次世界大戰期間，無人水面艇便已被應用于軍事作戰領域。在諾曼底登陸戰役中，盟軍將無人水面艇駛往欺騙海域，釋放煙幕劑，造成艦隊編隊登陸的假象，達到了軍事誘騙的目的。20世紀90年代，自主駕駛技術出現并被應用于無人水面艇領域，先進的無人獵掃雷艇開始出現，并逐漸具備了監控、偵察、對抗等多種軍事功能。到了現代，隨著控制、通信、網絡、傳感器等技術的不斷成熟與完善，無人水面艇的應用需求呈多樣化發展，在民用領域中也逐漸得到了應用。在軍事領域，較為著名的無人水面艇包括了美國研制的斯巴達偵察兵（Spartan Scout）和海洋獵 手 ACUTV （Anti?Submarine Warfare Continuous Trail Unmanned Vessel），以及以色列研制的保護者（Protector），如圖 3（a）～ 圖 3（c）所示。國外典型的民用無人水面艇如圖3（d）～圖 3（f）所示。其中，意大利研發的Charlie可用于南極海氣界面的觀測［2］，同時兼顧淺水區魚雷探測的軍事用途；日本研發的UMV?O可用于監控海洋和大氣的生物、化學、物理等參數；英國ASV Global公司研制了多系列民用無人水面艇。其C?Worker 5型無人水面艇在馬航MH370搜救事件中，與無人水下航行器（AUV）實現了協同作業，共同尋找飛機殘骸。針對大范圍的海洋調查問題，歐美多家企業推出了Wave Glider、Saildrone、C?Enduro等超長航程的無人水面艇，如圖3（g）～ 圖 3（i）所示。通過波浪能、風能、太陽能等可再生能源增強無人水面艇的續航能力，在全球海域進行流場、波浪場、地形、溫度、鹽度、生物等方面的綜合性海洋調查。發展至今，國外無人水面艇平臺經歷了從自動化到智能化、從單艇作業到集群協同、從軍事應用到軍民共用的發展歷史，平臺技術和應用推廣也已逐漸走向成熟［3?5］。

圖3 國外無人水面艇平臺的典型代表Fig.3 Typical representatives of overseas USV platforms

3 國內發展現狀和應用進展

3.1 技術發展現狀

與歐美相比，我國無人水面艇技術起步相對較晚，早期研究多集中于高校、研究所等單位主持的基礎研究、型號預研等項目［6?9］。2008年，由中國航天科工集團公司和中國氣象局大氣探測技術中心聯合研發的天象一號，是我國首艘投入工程應用的無人水面艇［10］，承擔了北京奧運會青島奧帆賽場比賽海域的水文氣象測量任務，獲取了風向、風速、水溫、氣溫等多種環境參數數據。自2013年以來，在科技、海洋、交通、環保等行業的持續資助下，上海大學和珠海云洲智能科技有限公司在民用無人水面艇市場中推出了多個系列的海洋調查無人水面艇，逐漸帶動了國內無人水面艇市場的成熟發展。在現階段，我國研制與生產無人水面艇的機構已經超過了100家，典型的無人水面艇包括了上海大學研制的精海系列、哈爾濱工程大學研制的天行一號、華南理工大學研制的波浪推進無人水面艇、中國航天科技集團有限公司九院十三所研制的智探一號、珠海云洲智能科技有限公司研制的瞭望者號、四方公司研制的 SeaFly?01 等［11?12］，如圖 4 所示。在軍民應用領域，我國已基本完成了無人水面艇平臺在前期技術儲備和驗證階段的工作，大規模應用在短期內有望實現。

圖4 國內無人水面艇平臺的典型代表Fig.4 Typical representatives of USV platforms in China

3.2 應用案例分析

筆者單位具有甲級的海洋測繪、工程勘察和檢驗檢測等資質，擁有各類型海洋聲學儀器裝備，業務覆蓋海洋水文氣象觀測與調查、海洋地質與地球物理調查、海洋測繪、南海浮標觀測網運維、海洋聲學調查、海洋無人水面艇應用等多個領域。自2016年起，承擔無人水面艇研制與應用領域中的多項國家重大專項，多次在南海海島礁周邊海域開展了無人水面艇性能測試和工程應用工作，取得了大量的研究成果和實測數據。依托《海洋智能無人艇平臺技術》項目，獲得了 “2016年海洋科學技術獎”特等獎。

本單位在無人水面艇領域中的應用實踐主要面向海洋測繪，用于淺水區、極地冰區、海上事故區等海域的海底地形地貌調查。在現階段，無人水面艇搭載的聲學設備的量程大多小于300m，水深數據質量和自主導航精度評價依照《海道測量規范》GB12327?1998和《海洋工程地形測量規范》GB17501?1998開展，細則如下：

1）在《海道測量規范》 GB12327?1998中，關于水深測量主檢比對不符值限差的要求如下：“水深為0m～20m時，為0.5m；水深為20m～30m時，為0.6m；水深為30m～50m時，為0.7m；水深為50m～100m時，為1.5m；水深大于100m時，為水深的3%，超限的點數不得超過參加比對的總點數的15%?！?/p>

2）在《海洋工程地形測量規范》GB17501?1998中，關于水深測量精度的誤差規定如下：“在深度測量中，當水深小于或等于20m時，深度測量中的誤差小于或等于±0.2m；當水深大于20m時，深度測量中的誤差為所測深度的±1%。”

3）在《海道測量規范》 GB12327?1998中，關于偏航的規定如下：“測深線間隔不超過規定間隔的1/2”，即無人水面艇實際航線與計劃航線間的偏差小于相鄰計劃測線間隔的1/2。

3.2.1 小型單波束無人水面艇的海底地形測繪

2016年4月，使用小型單波束無人水面艇獲取了南海海島礁周邊4個區塊、合計70km的水深數據，如圖5所示。調查區塊的最大水深小于40m，水深較淺處不足1m，且存在干出礁石，大船無法作業。作業的無人水面艇長 2.5m、寬 1.4m、高0.6m、質量為120kg、吃水0.5m，在淺區航行相對安全。在作業期間，海況為三級，以4.5節～5.5節的航速航行，水深數據質量和自主導航精度滿足規范要求：

1）主檢比對點共83個，其中測量到的水深值超限點4個，超限比例為4.8%，小于限差15%的要求，滿足《海道測量規范》GB12327?1998中對于水深測量精度的要求。

2）水深小于20m的對比點為47個，測量中誤差為±0.2m；水深大于20m的對比點為36個，測量中誤差為±0.22m，滿足《海洋工程地形測量規范》GB17501?1998中對于精度的要求。

圖5 2016年4月南海海島礁作業Fig.5 Island reef operation in South China Sea at Apr 2016

3）在作業過程中，測線間隔為50m，實際航線與計劃航線的最大偏差小于3.5m，如圖6所示。圖中，綠色實線為計劃測線，藍色圓圈為實際測線。

圖6 小型單波束無人水面艇自主導航性能示意圖Fig.6 Schematic of autonomous navigation performance of small-sized simple beam USV

3.2.2 中型多波束無人水面艇海底地形測繪

2016年9月，使用2條中型多波束無人水面艇開展了南海海島礁周邊水下地形測繪綜合性能測試工作，全面驗證了無人水面艇的安全性、準確性、快速性、遠距離等性能，如圖7所示。調查區塊的最大水深小于300m，最淺處約為10m。其中，無人水面艇 A長5.65m、寬2.4m、高2.9m、質量為1.1t、吃水0.5m，搭載Reason T50p多波束，波束個數為512個；無人水面艇B長6.28m、寬2.86m、高3.3m、質量為2.6t、吃水0.45m，搭載Kongsberg EM 2040多波束，波束個數為400個。在作業期間，無人水面艇經歷了1～4級4個等級的海況，累計獲取了150km的多波束數據。利用Caris軟件的QC Report功能對檢查線和主測線間的誤差進行分析，水深數據質量和自主導航精度滿足規范要求：

1）無人水面艇A使用全波束采集主測線數據，使用256個中央波束采集檢查線數據，主檢比對僅對256個中央波束數據進行了分析，發現符合2級標準檢查點的比例超過了99%。

2）無人水面艇B采用全波束采集主測線和檢查線數據，除去質量較差的邊緣波束，符合2級標準檢查點的比例超過了99%。

3）在作業過程中，測線間隔為50m～300m，實際航線與計劃航線的偏差大多位于5m～20m之間，最大偏差小于30m，大多落在測線間隔的10%之內，如圖8所示。圖中，綠色實線為計劃測線，藍色圓圈為實際測線。

圖7 2016年9月南海海島礁作業Fig.7 Island reef operation in South China Sea at Sep 2016

圖8 中型多波束無人水面艇自主導航性能示意圖Fig.8 Schematic of autonomous navigation performance of medium-sized multi-beam USV

3.2.3 多無人水面艇同步作業海底地形測繪

2018年9月，攜帶1艘中型多波束無人水面艇和3艘小型單波束無人水面艇開展了南海海島礁周邊水下地形測繪性能測試工作，驗證了多艇同步作業技術。調查區塊的最大水深小于45m，最淺處約為5m。中型無人水面艇長5.5m、寬2.5m、高2.9m、質量為1.2t、吃水0.5m，搭載 Reason T50p多波束，波束個數為512個。小型單波束無人水面艇長 1.7m、寬 0.8m、高 0.4m、質量為0.04t、吃水0.2m，搭載 SDE?18+單波束測深儀。在作業期間，1艘中型多波束無人水面艇和2艘小型單波束無人水面艇同時進行下水作業，將另1艘小型無人水面艇作為備份，用時3天，累計獲取了280km測線的多波束數據和86km測線的單波束數據。經評價，水深數據質量和自主導航精度均滿足相關規范的要求。

4 存在問題與發展建議

無人水面艇由艇體平臺、控制系統、通信系統、感知系統、保障系統、交互系統、任務系統等部分組成，其核心關鍵技術集中于導航、制導與控制［1］。本文結合海洋調查的特點，重點分析無人水面艇在平臺優化、載荷集成、感知避障、布放回收、協同作業等方面存在的問題，并提出建議。

4.1 平臺優化

作為搭載設備執行海洋調查的設備的載體，無人水面艇的自身性能對于數據質量而言至關重要。海洋調查大多使用聲學設備，對載體的航向保持、姿態穩定性等提出了較高的要求。以某3t級無人水面艇為例，在3級海況下，艇體的橫搖（roll）經常超過了10°，在部分時候超過了15°，這導致了多波束回波數據的不完整。對于無人水面艇而言，自主導航精度（實際航線與計劃航線間的偏差）是一項非常重要的考核指標，可反映無人水面艇在導航、制導與控制方面的綜合性能。但對于多波束測量而言，自主導航精度并非越高越好，其在固定的偏差范圍內保持航向穩定更為重要。若因追求精度而頻繁調整航向，導致平臺姿態穩定性下降，反而適得其反。對側掃聲吶、淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶等地形地貌探測設備，同樣需優化設備在航向穩定方面的性能。

此外，聲學設備對載體的振動和噪聲提出了較高的要求。為實現低振動和低噪聲，雙體結構、電動雙推進器、聲學設備中線掛裝入水的結構為最優，這也是目前市面上中小型無人水面艇采用最多的平臺布局。與單體結構相比，雙體結構低速穩定性好，利于開展聲學調查，但其負載空間相對有限。電力推進振動小、噪聲低，但其續航力較差，在高負載時續航力較差的劣勢尤為明顯。單從續航力的角度出發，采用柴油或油電混合的推進方案更優。綜合上述分析，研制海洋調查無人水面艇應綜合海區特點、功能定位、載荷特性、經費預算等因素，全面考慮艇體結構、能源動力、載荷布局等的最優設計方案，以優化平臺性能。

4.2 載荷集成

目前，針對無人水面艇開發的專用型載荷較少，大多數設備的安裝方式與大船相同。無人水面艇載荷集成的優化空間非常大，以集成單波束測深儀為例，傳統的集成方法如下：

1）在無人水面艇端，加裝單波束測深儀的探頭和工控主機，以及GPS定位設備。

2）在控制基站端，通過通信鏈路遠程訪問無人水面艇端工控主機的遠程桌面，進行單波束測深儀的設置與數據采集。

3）在控機基站端，通過FTP服務等方式遠程下載水深數據。

上述集成方式實現簡單，但缺點明顯。首先，工控主機厚重的顯示屏和機箱對無人水面艇而言非必要，其額外負重將導致無人水面艇的航速下降、續航力降低；其次，穩定、可靠的通信鏈路是使用遠程桌面操控無人水面艇端設備的必要條件，這對于中小型無人水面艇而言難以實現。目前，市面上大多數中小型無人水面艇搭載的通信系統僅能保證2km的可靠通信距離。通信失連后，無人水面艇端的聲學設備將處于失控狀態。針對以上兩方面的問題，可以從以下幾方面完善載荷集成方式：

1）優化工控主機的體積和質量，或者將單波束的控制功能以芯片方式集成至無人水面艇的核心控制模塊內。

2）使用時間戳同步技術，將單波束測深儀采集的水深數據和GPS獲取的位置信息進行同步打包，將信息存儲在無人水面艇端的存儲器內。

3）在無人水面艇端架設斷點續傳服務器，保證通信鏈路通暢時的數據下載。

4）對下載完畢的數據段，在控制基站通過數據回放程序復現數據采集過程，對數據進行解析和進行標準格式存儲。

上述集成方式可有效降低載荷的體積和空間，并保證通信失連后的數據自主采集。對于多波束測深儀、側掃聲吶等設備，該集成思路同樣有效。但受進口設備軟硬件接口封閉因素的影響，該集成思路目前在國產化程度低的設備上難以實現。除此之外，艇端聲速采集、分層水樣采集、艇載智能絞車等功能的實現與優化，對于載荷集成也非常重要。

4.3 感知與避障

目前，無人水面艇的感知與避障主要通過雷達、視覺、聲學等技術實現［1］。雷達存在近端盲區，故其僅適用于遠端目標，且易受海況、海面反射、平臺晃動等因素的影響。視覺傳感器適用于近端目標信息的獲取，其對遠端目標的成像質量較差，且易受雨、霧、浪花、平臺晃動等因素的影響。對于水下目標感知，避障聲吶等聲學設備是當前唯一可行的技術手段，但因聲學圖像信噪比低、解譯難度大等因素的影響，避障聲吶等聲學設備的應用效果欠佳。針對高海況、障礙物場復雜的海洋環境，尚無有效的感知與避障方案。基于多傳感器信息融合的環境感知和智能避障，是未來重點關注的研究方向。

4.4 布放回收

布放回收直接影響著無人水面艇的操作難度和安全等級。常見的布放回收方式包括側吊式、A型架式、滑道式、拋纜式、托架式、船塢式等［13］。各種方式的優缺點不一，需結合應用特點選擇最佳的布放回收方式。在實際應用中，若無人水面艇屬于大船標配，與大船同步建造，則建議參考船載救生艇和快艇的設計思路，為無人水面艇配備專用布放回收系統，以便于后期的操作與維護。若無專業母船支持，建議使用后甲板船舷低、A型架凈寬大的母船，以便于人工操作脫鉤、捕獲、解纜、系纜等，降低布放回收難度。

4.5 協同作業

單一無人水面艇的功能和效率相對有限，多艇協同和多平臺協同作業技術可進一步提高無人水面艇的作業效率和數據采集精度。對水深較淺的海域，將多條小型單波束無人水面艇進行組網協同測量，可提高高潮期間的作業量，縮短任務執行周期。對于水深極淺、包含大量干出礁石的海域，無人機和無人水面艇協同作業技術的應用價值較高——無人機負責干出礁石區域，無人水面艇負責航行安全區，二者可協同測量并一體化成圖。對于需要高精度海底地形測量的應用問題，可將AUV攜帶聲學設備貼底采集高精度的海底地形地貌，由無人水面艇為AUV提供水下定位和通信支持。上述協同作業技術的發展，可進一步拓展無人水面艇的應用領域。

5 結論與展望

針對海洋調查的應用難點，本文詳細分析了我國無人水面艇的最新進展，并對未來技術的發展方向進行了展望。經多年持續投入，我國海洋調查無人水面艇的自主導航、智能控制、遠程通信、人機交互、載荷集成等技術已基本成熟，并已逐漸開展了對復雜海洋環境下的環境感知、智能避障、協同作業等技術的探索。應用實踐表明，在四級海況內（含四級）使用無人水面艇開展海底地形地貌調查，水深數據質量和自主導航精度均滿足行業規范的技術要求，具備進入大規模工程應用的條件。除海底地形地貌調查外，針對物理海洋、海洋生物化學等領域的研究與應用相對較少。除此之外，我國在基于可再生能源的長航程無人水面艇的研制與應用方面滯后，尚不具備使用無人水面艇開展全球綜合性海洋調查的技術能力。在未來發展過程中，須加大上述兩方面的研制與應用力度，進一步推動我國海洋調查無人水面艇平臺技術的進步與發展。