水面無人艇艇群技術發展概述

顧穎閩

(中國船舶重工集團公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

當今世界正處于新一輪科技革命與產業變革中，人工智能技術、無人技術、新材料技術、生物技術和信息技術等交叉融合，無人化、智能化的裝備技術井噴式發展，武器裝備正逐步向智能化階段發展。無人裝備作為“機械化、信息化、智能化”融合一體的顛覆性新型裝備，具有作戰使用靈活、綜合作戰效益高、適用于危險環境、人員傷亡率低、全壽命費用低等顯著特點，被廣泛應用在軍事領域。各類智能化無人系統和作戰平臺將在地面、空中、水面、水下、太空、網絡空間以及人的認知空間獲得越來越多的應用，深刻改變著未來戰爭人工智能的技術比重。

1 水面無人艇艇群軍事行動需求

水面無人艇作為水面智能化無人系統和作戰平臺的代表性裝備，必將成為推進我國海軍軍事智能化發展的核心裝備要素之一。當前，水面無人艇以中小型規模并配合有人艦艇作戰行動為主，為彌補中小型水面無人艇存在單艇載荷配置有限、任務能力偏弱、作戰樣式相對單一等不足，適應多樣的作戰任務，應對復雜多變的海洋環境，水面無人艇通常以艇群方式或與有人艦艇協同方式進行作戰，通過多艇聯合、能力互補，彌補單艇在高度動態水域中的能力不足，充分發揮水面無人艇艇群靈活部署快、監控范圍廣、作戰組織靈活、抗毀重構性強等優勢，實現更高的作業效率和作業范圍，加強協同魯棒性和通信能力，適應混合兵種、多種裝備和配合協調方面的需求，具備獨立完成復雜任務的能力。

水面無人艇在無人裝備體系中具有續航力與持續作業能力強、載荷裝載能力大、空中與水下2 種介質通信中繼與信息交互等特點。水面無人艇艇群在警戒巡邏、偵察監視、反潛、反水雷等海上長時間持續作業任務中起到降低人力與裝備保障成本和人員傷亡風險，提高要地或艦艇編隊等海上周邊地區安全防護的能力。同時，水面無人艇艇群可作為海上跨域無人系統通信中繼節點和情報處理中心，保障空中、水面、水下等無人平臺之間信息交互，有效支持海上跨域無人系統構建。因此，水面無人艇艇群將在要地防御、機動作戰和兩棲作戰等行動任務中發揮重要的作用。

2 國外水面無人艇艇群技術發展趨勢

目前，世界上主要水面無人艇裝備研制國家都在開展水面無人艇集群的研究，但目前只有美國具備軍事行動驗證的演示能力。近5 年，美國海軍研究署牽頭成功完成了2 次海上試驗驗證。2014 年8 月，美國海軍研究署將13 艘水面無人艇組成編隊，利用“分散與自動數據融合系統”（簡稱DADFS）和“機器人智能感知系統控制體系架構”（簡稱CARACaS）兩款軟件實現單艇接收任務指令后自主行為決策，成功發現模擬敵船并攔截。但本次試驗中水面無人艇目標識別、護航、攔截等任務仍需人工指令，水面無人艇群僅實現了半自主協同作戰。

2016 年10 月，美國海軍研究署再次開展水面無人艇集群試驗，在16 平方海里海域內，4 艘水面無人艇集群成功實現自主目標探測與識別、跟蹤、巡邏，整個控制回路無需人工參與，首次真正實現了集群作戰，如圖1 和圖2 所示。

圖 1 多無人艇“蜂群”戰術Fig.1 Swarm tactics of multiple USV

此外，美國海軍在2016—2018 年間每年分別開展了“先進技術演習”（ANTX），進行海上跨域無人系統演示。美國通用動力、洛·馬、航空環境、波音、海德羅伊、諾·格等主要海上無人系統研制單位，均參加了演示驗證。英國、法國同樣開展了海上跨域無人系統演示。

圖 2 水面無人艇群協同作戰過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of cooperative operation process of USV group

目前，國外海上水面無人艇艇群技術發展還不夠成熟，只有美、英、法等少數國家開展試驗驗證。由于海上無人艇艇群系統的復雜性，美國以集群協同能力集成驗證為抓手，按照信息互通、行動協同、任務協同、跨域協同的順序，將水面無人艇艇群技術深度由淺到深穩步推進。協同演示任務的主題緊貼戰術使用根據技術實現難度，按照基本隊形控制、巡邏圍捕、通信中繼、協同反水雷等任務難度逐步深入。裝備選型開放性角度來看，除了信息基礎架構、信息處理和指揮控制為統一研制與部署以外，其他均采用開放性原則，即在滿足基本要求的情況下，所有水面無人艇均可以參加試驗驗證，不斷更新評估裝備最新能力和供應商最新技術實力。同時，從美國海軍水面無人艇艇群技術推進速度來看，相對于無人機機群，整體偏慢，這也充分說明水面無人艇艇群技術的復雜性、與其他類型無人集群系統技術的異構性。

3 與其他無人系統集群技術的異同點

水面無人艇艇群與其他海上無人集群系統相似，都是要求大量無人平臺能夠自主有序的行動，具備群體感知與智能綜合、信息按需共享、群體行動規劃與分配、一致性協同行動控制、群內外自主避障、人員對群內任意節點控制、組織結構柔性控制、通信網絡靈活自組織等方面能力。然而，水面無人艇艇群受風、浪、流等海洋環境無規律的影響以及寬帶視距通信范圍的限制，與其他種類海上無人集群系統相比具有以下幾種特有關鍵問題解決的技術研究方向：

1）水面無人艇艇群內各平臺通常為欠驅動平臺系統，受風、浪、流等海洋環境以及船間效應的影響，群內各平臺執行控制與規劃路徑存在較大的不確定擾動性，在無人系統中，平臺控制動態控制精度與時效性最低，執行效果與規劃預期存在較大偏差，需重點解決基于執行效果不確定的水面無人艇群體一致性協同控制問題。

2）受地球曲率的影響，在沒有衛星通信資源保障條件下，水面無人艇之間寬帶微波通信距離為視距（20 km 左右）。為提高水面無人艇作業范圍，充分發揮水面無人艇艇群作業自持力強的優勢，需要解決水面無人艇艇群基于通信帶寬約束條件的水面無人艇任務規劃問題。

3）不同種類的水面無人艇在海洋環境運行中的水動力運動能力差異較大，需要解決基于不同特征水動力模型的水面無人艇艇群協同控制問題。

4 主要關鍵技術

4.1 水面無人艇艇群控制系統總體架構

水面無人艇艇群內各平臺的差異性較大，易受到通信能力、環境因素、無人平臺及其載荷能力特征等方面因素制約，系統總體架構主要包括指揮中心集中控制、有中心的艇群自主協同和無中心的艇群自主協同等3 種方式（見圖3～圖5），水面無人艇艇群根據任務的選擇采用某種協同控制方式進行集成。總體架構主要解決無人艇協同方法、適應準則、自主控制方式、信息交互機制與內容，建立適應多種任務與環境的無人艇艇群控制總體集成體系框架。

圖 3 指揮中心集中控制結構Fig.3 Command center centralized control structure

圖 4 有中心的艇群自主協同結構Fig.4 Autonomous cooperative structure of USV group with center

圖 5 無中心的艇群自主協同結構Fig.5 Autonomous cooperative structure of USV group without center

圖 6 水面無人艇艇群拓撲結構圖Fig.6 Topological diagram of USV group

水面無人艇艇群控制總體架構主要包括主體要素、艇群拓撲結構、控制信息架構、艇群運動模型、通信網絡拓撲結構等組成。要素主要用于描述群內各節點特征，由各艇自身作戰能力、水動力模型、通信能力、工作狀態等信息組成，并需要通過評價機制、數據歸納、數學建模等方式實現機器數據的描述。艇群拓撲結構主要描述群內節點艦相關分簇結構、節點間指揮與通信關系、節點相對位姿關系、節點變化控制結構、任務與結構間關系等，主要通過有向圖或樹型圖結構描述（拓撲結構圖見圖6 所示）?？刂菩畔⒓軜嬛饕鉀Q信息共享機制以及艇群控制與單艇控制銜接關系，通常利用單艇實時運動位姿反饋和航跡點（或力和力矩）方式實現艇群對單艇的控制。艇群運動模型在考慮風、浪、流等環境約束條件下，基于單艇運動模型基礎上，考慮群體行動控制力和內在的群體隊形保持控制力，形成綜合的集群運動模型。通信網絡拓撲結構主要根據通信鏈接關系與艇群拓撲結構自適應構建分層自組織網絡，解決水面無人艇艇群自適應組網通信能力。

重點需要解決的問題主要包括：多節點集成能力（上百艘）、基于作戰與海洋的不確定擾動環境的一致性安全控制、大數量多自由度運動個體在空間實時坐標轉換、集成開放性、角色靈活分配、節點隨機余度控制、基于通信時延及不穩定的艇群安全性控制等。

4.2 水面無人艇艇群隊形自協同控制技術

水面無人艇艇群自協同控制技術包括單個體軌跡控制，編隊保持控制、避障避撞控制、隊形重組控制等技術，艇群協同控制框架如圖7 所示。

圖 7 水面無人艇群協同控制框架示意圖Fig.7 Schematic diagram of cooperative control framework of USV group

軌跡控制主要通過實時判斷水面無人艇航行控制位姿與速度，與目標位姿偏差量超出一定允許范圍，用力或航跡調整的方式，在水面無人艇行動方向上施加相應糾偏控制力，通過糾偏動力模型的構建，實現偏差量越大、糾偏力越大，方向越朝著目標軌跡方向控制。

編隊保持控制是水面無人艇艇群隊形控制的基礎，該控制方法與水面無人艇艇群控制系統總體架構密切相關，許多總體架構自身存在隊形保持的內部機制。編隊保持控制包括領航-跟隨法、基于行為法、虛擬結構法等。對水面無人艇艇群來說，各水面無人艇自身具有較強自主能力，可采用多領航-跟隨法和動態分簇法，實現編隊靈活控制。對于避障避撞控制情況，首先對障礙物進行決策，判斷隊形保持是否需要能夠高效完成避障任務，如可行，對障礙物邊界進行判斷，并與艇群內最貼近邊界的艇進行匹配，將相應艇設置為領航艇，通過對領航艇的控制、領航艇自身避障控制以及其他艇在艇群控制系統架構的穩定跟隨控制，可以有效實現艇群跟隨控制。如判斷隊形保持無法高效完成避障任務，則采用分簇重構的方式，實現艇群重構，各簇同理采用多領航-跟隨法進行簇內群體避障。避撞控制則通過水面無人艇艇群控制系統總體架構內部關聯勢能進行控制，保障艇群行動的安全。

4.3 基于認知智能的水面無人艇艇群智能決策體系

基于認知智能的水面無人艇艇群智能決策體系的構建，主要目的為不斷完善與提高水面無人艇艇群自我認知決策能力，以提高海上無人裝備自主行動決策水平，降低人為干預頻率。主要技術路線為利用知識圖譜和人工智能相結合的技術實現。主要關鍵技術包括：海上無人裝備知識圖譜構建技術、大規模分布式深度神經網絡戰場感知體系構建技術、基于深度學習的目標行為自主意圖預測技術、基于多模數據的戰場態勢智能生成技術、基于深度強化學習的智能決策技術。主要技術途徑為梳理已有的感知、指揮決策、行動控制等知識，通過知識挖掘的方法，提取對水面無人艇艇群分類價值數據。利用“云”端層級推理、深度學習和遷移學習的方法，實現對場景的層次化特征感知和分布式層級推理。構建基于對抗條件的虛擬水面無人艇艇群訓練試驗環境，通過強化學習的方式，不斷提升水面無人艇艇群決策能力，最后通過海上試驗場訓練和實戰數據采集的方式，逐步提高水面無人艇艇群智能化水平。

4.4 高度人機協同作業

人機協同作業技術研究目的為豐富海上行動戰術戰法、協調執行機構空間搭配、提升分布式探測與執行能力、降低作業行動損耗。在對無人/有人系統協同探測、目標打擊等任務中任務使命需求和作戰樣式分析基礎上，建立指揮中心、有人系統、無人系統之間的指揮控制體系結構，研究水面無人艇艇群自主控制等級、自主可控與安全機制、基于人員局部遙控的艇群自適應協同控制、有人/無人系統間協同機制和魯棒性交互策略、智能化有人/無人協同作戰輔助決策支持、人機融合智能顯控優化等方面技術，構建高效靈活的有人/無人協同作戰機制。

5 結 語

未來，隨著人工智能、大數據、知識圖譜、云計算和寬帶無線通信技術的發展，水面無人艇艇群協同能力將在知識獲取、環境感知、自我學習與認知決策、大批量高維無人裝備協同控制等方面能力得到快速發展，將逐步從集群協同自控制能力發展到智能群體控制能力，并逐步滿足未來海上作戰需求，具備實戰化裝備能力。