水面無人艇系統的設計實現與未來展望

2020-01-14 02:29:16胥鳳馳

艦船科學技術 2019年12期

胥鳳馳，王偉，李哲，韓瑋

(中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

0 引言

無人艇系統是將各個分離的子系統組合連接成為一個整體，并能夠使彼此之間協調工作，高效完成特定任務的集成平臺。

水面無人艇按照用途分為軍用和民用，軍用領域無人艇廣泛應用于海上情報偵察搜集：對我方海域進行巡邏，及時發現并傳回外來船舶的詳細信息；反潛反水雷：利用聲吶對水下水雷等威脅目標進行探測；海上打擊：通過無人艇上攜帶的武器對目標進行打擊；海上救援：對危險海域進行取證救援。軍用領域最具代表性的是美國的“斯巴達偵察兵”和以色列的“保護者”無人艇，主要功能是反水雷、情報偵察和監視。民用領域無人艇廣泛應用于海洋測繪：對無海洋地理信息的海域進行測繪，獲取海底地形、海水深度等信息；海洋氣象監測：預報赤潮、海冰、滸苔等自然災害，對海水取樣分析水質；海上應急救援：對危險海域進行取證救援。民用領域最具代表性的是美國的“波浪滑翔機”和日本的Aquarius，主要功能是海洋邊境巡邏和監測。

1 系統功能需求

無人艇系統根據不同的任務需要具有不同的能力需求：強大的信息獲取能力、精準的任務規劃能力、信息處理能力、可靠的通信能力、火力打擊能力、異常處理能力、強大的生存能力、多任務載荷模塊化搭載能力[2]。

1）強大的信息獲取能力

要求無人艇能夠獲取自身的位置信息、航行姿態信息，艇上載荷設備信息，油量電量信息，水上水下環境信息，海圖信息，任務目標信息，母艦或協同艇信息等。

2）精準的任務規劃能力

能夠進行基于海圖的任務規劃，能夠進行基于目標的任務點及載荷執行動作設置。

3）信息處理能力

能夠對于導航雷達、激光雷達、光電視頻、航行視頻、AIS 等接受到的目標信息進行點跡聚類[3]處理，進行目標數據融合，構建無人艇實時的環境地圖模型。

4）可靠的通信能力

能夠滿足艇端與母艦、任務控制臺之間的數據通信，要求具備足夠的數據帶寬、實時性，具備較低的丟包率和誤碼率；具備數據加密功能，能夠確保數據遠程傳輸過程中不被截獲和破解；能夠滿足光電視頻、雷達視頻、航行視頻、聲吶圖像、控制指令、狀態回傳報文的傳輸。

5）火力打擊能力

要求無人艇具備一定的火力打擊能力，具備搭載機槍、輕型導彈、水雷、魚雷等武器的能力，在喊話驅離無效的情況下，能夠執行打擊任務。

6）異常處理能力

面對艇體或載荷設備異常情況下，能夠執行自動返航、重啟發動機、啟動滅火器、自毀程序等。

7）強大的生存能力

具備良好的機動性和適航性，具備可靠的穩性和抗沉性，在惡劣海況下具備生存能力，配備自扶正裝置，在傾覆時能夠自動扶正。

8）多任務載荷模塊化搭載能力

無人艇裝備有多種武器和設備，面對不同的任務，如巡邏警戒，反潛反導，環境探測等，需要無人艇能夠對不同設備進行啟停，減少耗電和數據傳輸壓力，有針對性的根據任務分配武器和設備，實現同一無人艇平臺多任務載荷切換的功能。

2 系統組成

針對水面無人艇的功能需求，進行水面無人艇系統設計，無人艇系統包括：艇平臺系統、環境感知系統、導航系統、綜合信息處理系統、航行控制系統、任務控制系統、任務載荷設備、智能演進系統。

艇平臺系統由艇體本身、動力推進、電力供應組成。

艇體本身包括艇體、駕控臺、布放回收裝置、自扶正裝置等；動力推進包括發動機組、噴水推進器和轉向機構等；電力供應包括啟動電池組、日用電池組、充電管理單元等。

通信系統包括北斗（通信模塊），無線寬帶通信設備、衛星通信、海事電話等；

圖 1 無人艇系統組成圖Fig.1 Unmanned surface vessel system composition diagram

導航系統包括北斗（導航模塊）、船用光纖陀螺羅經、航姿等；

環境感知系統包括光電設備、前視聲吶、側掃聲吶、避碰聲吶、導航雷達、激光雷達、AIS 接收機、氣象儀、航行視頻傳感器等；

綜合信息處理系統包括導航雷達處理板、光電處理板、聲吶信息處理板、視頻板、交換板等；

航行控制系統包括岸基航行控制中心、艇載航行控制中心、底層控制箱、航控備份板等；

任務控制系統包括岸基任務控制中心、艇載任務處理中心等；

任務載荷設備包括各種任務載荷設備（如機槍、導彈等）；

智能演進系統包括智能演進平臺（計算集群、存儲集群等）。

3 子系統功能、技術難點及技術途徑

1）艇平臺功能

具備有人/無人/遙控3 種工作模式；

具有基礎平臺運行能力，為無人艇系統提供基本運行環境；

具有符合水面無人功能需求的續航力和自持力，在快速性、適航性、隱身性上符合水面無人艇執行的任務要求；

具備模塊化載荷加裝功能；

具備兼顧港口部署、隨母艦工作2 種模式下的布放回收功能。

技術難點：高性能艇型設計、優化推進方式。

技術途徑：多樣化矢量控制技術[4]。

加大高性能艇型水動力性能研究力度，采用仿真計算及航模試驗等多種方式進行艇型研究；對于雙體艇、三體艇、小水線面艇、槽道艇、水翼艇、氣墊船等多種高性能艇型，研究其快速性能、縱向穩定性、耐波性、操縱性，適航性等性能指標，采用多樣化的附體設計或噴氣、斷級等設計方式，改善艇體性能；開展噴水推進器、對轉槳、槽道槳等對于無人艇的矢量控制技術，建立艇體六自由度運動模型，建立艇體運動相應方程，進行操縱性仿真，以達到對無人艇精細操控的目的；開展表面槳、可調距槳的推進性能理論研究，研究表面槳運行過程中空化作用的形成機理，進而計算推力的大小，以對槳的型線設計提出改進及優化的空間。

2）通信系統功能

具備為艇平臺和岸基任務控制中心提供通信的功能；

具備組建、管理、維護、優化自組網絡功能；

具備控制指令傳輸、狀態信息傳輸、環境信息傳輸、目標信息傳輸功能；

具有抗頻率選擇性衰落、抗單頻和脈沖干擾能力，具備高頻譜利用率、高靈敏度和低信噪比門限優點。

技術難點：超短波電臺的超視距傳輸。

技術途徑：基于散射通信的多艇信號中繼技術[5]。

針對岸基任務控制中心要求對事件現場的實況進行語音、視頻和數據等多種業務的實時通信，以保障固定任務控制中心對緊急事件的實時掌控，設計多艇中繼通信站，集成散射通信、短波、超短波和地空電臺等多種通信手段以及多種信息采集處理方式，采用散射通信方式，實現無人艇與固定任務控制中心間的寬帶超視距傳輸功能。

3）導航系統功能

具備導航信息收集能力（位置、姿勢、速度、航向等）；

具備顯示目標實時位置、航速功能，為威脅判斷提供數據基礎；

具備快速定位和導航，具備航跡偏差報警、緊急事件報警、海上遇險報警功能。

技術難點：無定位情況下的導航定位。

技術途徑：高精度船位推算算法+多種匹配定位算法。

戰場環境下，敵方對于該區域內GPS 的欺騙等手段將導致定位失效，要求必須使用船位推算算法進行定位，它是指將位置已知的船位作為推算起點，以此開始，依靠艇體自身的加速度測量設備，推算出一定時間后具有一定精度的實時艇體位置、姿態等的定位方法；此種方法隨著時間的累積將造成誤差的積累，使得船位精度推算迅速降低；以慣性導航、地形匹配、地磁匹配等導航方法進行導航定位，作為船位推算過程中糾偏量的輸入，提高導航精度。

4）環境感知系統功能

具有AIS 信息收集、數據采集、情報收集、環境信息收集能力；

具有水下靜態目標探測、水面目標識別、跟蹤、捕獲能力；

圖 2 基于航行視頻的目標識別Fig.2 Target recognition based on navigation video

具有航行視頻監控、目標識別、跟蹤能力。

技術難點：基于航行視頻的目標識別。

技術途徑：基于深度學習的目標識別技術[6]。

經典模式識別方法更多依賴預先考慮對圖片進行人工分類和標定，與經典模式識別方法的人工填裝知識不同，深度學習方法試圖通過讓計算機模擬人腦感知視覺信號的機制，進而設計深層的網絡來實現海上目標識別的功能。首先對航行視頻進行防抖去噪處理，以卷積神經網絡和區域提名為基礎，分析不同尺寸卷積核、不同隱含層及各層神經網絡間的全連接或部分連接關系對海上目標識別性能影響，設計深度學習網絡模型，在大量數據訓練下，抽象出不同目標間的區別特征，以完成目標識別任務。

5）綜合信息處理系統功能

具備導航雷達點跡處理、光電視頻處理、水下聲吶等探測設備信息處理、環境信息處理，以及多傳感器信息融合等功能；

具備數據交換、防火墻管理、病毒隔離、信息加密、防篡改、協議解析等功能；

具備視頻存儲、壓縮、發布功能；

具備冗余備份功能。

技術難點：信息加密、防篡改。

技術途徑：DES（Data Encryption Standard）數據加密技術。

為防止情報數據、任務規劃、航行控制、任務載荷控制等相關信息被惡意盜取或篡改，并針對無人艇信息網絡傳輸實時性及海量數據量傳輸的要求，利用DES 數據加密技術實現快速、標準化加密，起到保護傳輸內容不被竊取和篡改的目的。

技術難點：多傳感器信息融合。

技術途徑：基于人工神經網絡的多傳感器信息融合技術[7]。

由于不同傳感器配置、探測條件的不同，無法對多傳感器的目標信息進行完全匹配，導致目標信息精確度不高，快速目標定位不及時等問題。因此利用人工神經網絡方法對多傳感器探測信息進行融合。根據輸入目標信息的數據來源及輸出信息內容需求，設定網絡節點權值，確定神經網絡的分類標準，利用前向傳播擬合信息融合非線性映射關系，得出不確定性推理機制，利用先驗知識對融合算法輸出模式作出解釋。

6）航行控制系統功能

具備有人駕駛、無人駕駛模式切換功能；

具有航路計算、預定航路自主航行能力；

具有對主機油門和噴泵的監控、伺服控制能力；

具有自主避障能力，航路重規劃能力。

具備異常檢測、自我保護功能，在危險情況下，具有緊急停船功能；

技術難點：動力系統精確控制。

技術途徑：航行控制數字化建模。

由于不同的動力系統具有不同的航行效果，故需要通過大量試驗，對無人艇的油門、噴泵和倒斗之間的控制效果進行數字化建模，擬合控制效果曲線，通過優化航行控制算法，對無人艇的航行效果進行優化，達到轉彎效果人為可控，航行軌跡很好貼合規劃路徑，航行側偏距最小的效果。

7）任務控制系統功能

具備工作模式切換功能，可選擇有人、無人、遙控工作模式；

具備對艇平臺設備、航行設備、載荷設備的顯示、監控及控制功能；

具備作戰規劃輸出、協同角色劃分、編隊組成、航行路線、載荷設備控制策略等任務規劃功能；

具有對任務中出現的異常情況處理能力，例如發動機重啟、自動返航等功能。

技術難點：自主控制能力。

技術途徑：主動多模型控制技術[8]。

針對目前任務控制系統大多由判斷條件驅動系統控制邏輯，導致系統存在自主化、智能化水平不高，受外界條件約束且遇突發事件處理能力有限等缺點。主動式多模型控制技術采用模型分組、合成和實時控制指令生成技術，用于具備機動性強、干擾隨機、高性能、實時性要求的系統控制。該技術根據使用場景、使用范圍、系統復雜度將多個軟件模塊進行分解重組，建立多級系統控制機制，利用強化學習的獎勵機制訓練系統組合規則，形成主動多任務的控制方法。

8）任務載荷設備功能

具備接收并執行任務載荷控制命令、任務載荷狀態反饋功能；

具備接收并執行任務規劃命令、自主執行功能；

具有搭載機槍、導彈等多任務載荷加載能力；

技術難點：多任務載荷快速加載。

技術途徑：載荷模塊化加載技術。

對各個任務載荷進行功能的分析分解，從頂層開展任務載荷功能、性能的設計約束，保證各探測設備探測區域互補，任務載荷功能搭配齊備；統一任務載荷接口，載荷以服務的形式加載運行，模塊化設計功能單元，建立相對獨立性、標準化、通用化的機械及電氣接口，設計模塊化軟件系統結構、模塊化軟件接口，使得載荷輕便化加載、快速部署使用、快速升級；開展武器載荷、探測載荷等多種載荷的適配性研究，在成熟產品的基礎上依據無人艇自身條件進行適應性改裝，使得各種載荷能夠在海上復雜環境下發揮各自的性能優勢。

9）智能演進系統功能

具有滿足高強度分布式計算需求的能力；

具有多種開發框架，支持增量式迭代開發；

具備多種智能算法數據集生成能力，提供海量訓練數據；

具有對典型作戰任務的水面無人艇相關智能算法的演進更新能力。

技術難點：模塊化、智能化的算法加載與更新。

技術途徑：智能算法構件化[9]及資源共享技術。

由于多種智能算法接口不統一、輸入輸出數據的差異常常導致系統的復雜度增高、邏輯性變差。利用面向算法級的數據處理、數據存儲、候選集生成與融合的技術，設計算法構件化的封裝、組合方法，實現智能算法組件的動態維護和調用；根據任務梯次、網絡資源的情況，利用面向任務的算法自適應協同技術，實現智能算法的資源共享。

4 水面無人艇發展路線

目前國內水面無人艇經過十余年的發展，取得了一定成就，但相比于發達國家仍有改進提高的空間。根據美國國防部發布的《無人系統綜合路線圖2017-2042》中對未來無人系統發展趨勢的分析，未來的無人系統應突破互操作性、自主性、網絡安全以及人機協同四項關鍵技術，滿足未來全部作戰域的聯合作戰需求。

圖 3 KATANA 發射干擾彈Fig.3 KATANA launching jamming bomb

1）互操作性

針對無人系統的協同工作特點，弱化有人/無人系統的耦合度，開展無人系統的跨領域、跨平臺的協同合作關系，利用公共/開放式架構，滿足多系統交互對數據、信息、控制、服務等快速集成、有效傳輸、模塊化加載、高質量計算的需求。

2）自主性

無人自主系統要求無人系統能夠正確判斷自身所處環境，做出合理任務決策，系統自主化決策將直接影響無人系統作戰方式，因此自主化程度將推動作戰形式的轉變。目前人工智能對自主化的發展起到了重要作用，但戰場環境數據的缺乏不能完全滿足人工智能海量訓練數據的要求，因此結合基于模糊邏輯的自主行為規劃方法，建立作戰行為規則，推動決策的生成。

3）網絡安全

針對無人系統對網絡信息的依賴性，一方面確保網絡傳輸的完整性、可靠性、安全性和可用性，關注網絡信息傳輸的彈性化自防御、自修復的保障機制。另一方面，從根本解決無人系統對信息的依賴性，對系統異常收發數據能夠智能檢測，判斷信息可靠性，選擇性執行。

4）人機協同