“海鰩”波浪滑翔器研究進展及發展思路

田應元，吳小濤，王海軍，熊童滿，王華明，班 偉，吳文輝

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

波浪滑翔器（Wave Glider）是一款能夠完全借助自然能源長周期運行的波浪驅動水面無人航行器。波浪滑翔器主要由水面艇、掛纜、水下驅動單元、舵機、控制艙、用戶艙、太陽能板、任務載荷等組成。圖1為搭載海洋環境傳感器的波浪滑翔器系統的基本組成。

圖1 波浪滑翔器系統基本組成示意圖Fig. 1 System basic composition of wave glider

早在2005年，美國波浪滑翔器首席設計師Roger Hine為了跟蹤研究駝背鯨的生活習性，發明了最初的波浪滑翔器原型樣機，其能夠借助波浪的動力在海洋中長期跟隨鯨群進行觀測取樣。2007年，Roger Hine及其同事成立了Liquid Robotics公司，專注于生產波浪滑翔器，并將應用市場擴展到科考、商業、環境保護以及特殊領域。2008年第1臺波浪滑翔器作為商品成功交付使用，標志著美國的波浪滑翔器技術從研發走向成熟。自2009年開始，Liquid Robotics公司先后推出了2款商業化的波浪滑翔器SV2和SV3。這2款波浪滑翔器問世以來，受到外界的廣泛關注。2017年9月，美國公布了新一代波浪滑翔器，具備更大的作業半徑，增大了功率和負載空間，可搭載更多先進傳感器，可在高海況和高緯度地區長期執行海上監視和環境觀測任務。美國波浪滑翔器已經累計進行了數萬公里海試，以及長達1年的連續航行實驗。目前已經銷售數百臺，在多個行業都有應用[1-3]。

近年來波浪滑翔器已成為國內外研究的熱點。由于波浪滑翔器在技術上的巨大創新，以及在特殊敏感領域的大量應用，該項技術難以直接引進。由于國外的技術封鎖，我國波浪滑翔器均為自主研發，起步相對較晚，無論在波浪滑翔器平臺技術，還是在隱蔽導控、綜合運用，特別是在環境監測、水下目標探測、多傳感器載荷集成應用技術等方面，與國外還存在一定差距。

國內較早開展波浪滑翔器技術研究的有中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所、國家海洋技術中心、哈爾濱工程大學、中國海洋大學、中科院沈陽自動化所等[4-8]。這些科研院所在波浪滑翔器技術領域開展了大量基礎研究，形成了較多原理樣機和試驗成果，但目前成熟可用的產品還不多。中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所研制的“海鰩”波浪滑翔器已完成了系統仿真、原理樣機研制、工程樣機研制及應用研究，并結合應用開展了一系列深度創新。圖2為中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所研制的“海鰩”波浪滑翔器批量生產產品。

圖2 “海鰩”波浪滑翔器批量產品Fig. 2 Batch products of “Sea Ray”wave glider

波浪滑翔器技術不但需要研究影響其性能的科學問題，還需要關注實際海洋環境中長期運行需要解決的工程問題。本文主要介紹了“海鰩”波浪滑翔器的最新研究進展，并就波浪滑翔器主要關鍵技術及未來發展思路進行初步探討，以供相關研究和應用技術人員參考。

1 “海鰩”波浪滑翔器研究進展

“海鰩”波浪滑翔器自2015年完成原理樣機研制后，2016年開始開展了大量海上性能試驗及應用研究，在平臺性能、可靠性及任務載荷搭載應用上取得了一系列突破性進展。

1.1 “863”結題考核試驗

在國家高技術研究發展計劃（863計劃）“波浪滑翔器無人自主海洋環境觀測系統”的資助下，中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所自2014年開始波浪滑翔器的研制，其“海鰩”波浪滑翔器在2017年11月一次性通過國家科技部第三方見證海上試驗驗收。在黃海中部千里巖島周圍13 km范圍內，繞島航行近80圈，歷時92 d，航行里程達3 242 km。實現了氣象參數（風速、風向、氣溫、氣壓、濕度）和水文參數（水溫、鹽度、剖面流速）等參數的測量。圖3為“海鰩”波浪滑翔器海上驗收長航程試驗岸站監測畫面。

經過海上實航試驗驗證，“海鰩”波浪滑翔器負載能力、航行速度、航行精度、定點錨泊精度、海洋環境探測功能等各項性能指標均達到或優于指標要求，代表了我國波浪滑翔器技術的最高水平。此后“海鰩”波浪滑翔器在國家重點研發計劃及其他項目支持下，陸續開展了多次海上長時間應用，其性能和可靠性得到進一步提升。該產品目前處于定型狀態，進入批量生產及應用示范階段。圖4為結題考核試驗海試中的“海鰩”波浪滑翔器。

圖4 結題考核海試中的“海鰩”波浪滑翔器Fig. 4 “Sea Ray” wave glider in final examination sea test

“海鰩”波浪滑翔器整體技術水平處于應用推廣階段，主要技術指標與Liquid Robotics公司研制的第2代波浪滑翔器“SV”相當。兩者主要技術指標對比如表1。

表1 “海鰩”波浪滑翔器與“SV2”主要技術指標對比Table 1 Comparison of main technical indicators between “Sea Ray” and “SV2”

1.2 主要應用進展

1）協同組網觀測試驗。

2019年5月11-13日，國家重點研發計劃“無人無纜潛水器組網作業技術與應用示范”項目“海洋滑翔機改造與協作關鍵技術”課題在南海中東部海域開展了聯合組網協同觀測試驗。本次試驗由課題牽頭單位天津大學組織，子課題單位中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所、國家海洋技術中心、中國海洋大學以及第三方監理單位參加。主要開展了波浪滑翔器與水下滑翔機的聯合走航觀測、位置保持聯合觀測等試驗，并對中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所、國家海洋技術中心、中國海洋大學這3家單位研制的波浪滑翔器進行了性能比測試驗。中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所研制的“海鰩”波浪滑翔器航行及位置保持性能優異，樣機可靠性高，得到了行業專家的高度認可。圖5為3家單位直線走航性能比測結果，上、中、下3條規劃水平直線長度為100 km，間距為30 km。其中2套“海鰩”波浪滑翔器參加比測試驗，分別為中線和下線，綠色為往返實測航跡（本結果為試驗組織方提供）。

試驗期間，“海鰩”2號、“海鰩”3號、“海鰩”4號波浪滑翔器分別開展了21 d、46 d、17 d位置保持編隊定點觀測試驗，位置保持軌跡如圖6所示。

試驗結果顯示，“海鰩”-2號波浪滑翔器連續15 h位置保持精度小于40 m，“海鰩”-3號波浪滑翔器連續14 h位置保持精度小于70 m，“海鰩”-4號波浪滑翔器連續17 h位置保持精度小于140 m。

圖5 直線走航性能比測結果Fig. 5 Performance comparison result of straight course

圖6 3套“海鰩”波浪滑翔器的位置保持軌跡Fig. 6 Position-holding trajectory of three “Sea Ray”wave gliders

圖7為“海鰩”-4號波浪滑翔器直線航行速度測試結果，30 km直線航速測試結果顯示，1 h平均速度大于1.5 kn，16 h平均航速1.04 kn。

“海鰩”-3號經過了2019年4號臺風“木恩”、5號臺風“丹娜絲”、7號臺風“韋帕”、9號臺風“利奇馬”的考驗，其中“木恩”臺風經過時最大浪高達6.6 m。“海鰩”-2號經過了“木恩”臺風考驗，“海鰩”-4號經過了臺風“丹娜絲”、“韋帕”、“利奇馬”的考驗。臺風期間，“海鰩”波浪滑翔器保持了良好的控位能力，連續12 h定點控位精度保持在300 m以內。所有參試樣機整個試驗過程均性能穩定，功能完好。

圖7 “海鰩-4”波浪滑翔器的直線航行速度測試Fig. 7 Straight speed test of “Sea Ray-4” wave glider

2）通信定位組網試驗。

2019年12月14日-2020年2月16日（受“新冠肺炎”疫情影響提前回收了樣機），中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所與哈爾濱工程大學在南海中東部海域聯合開展了通信定位組網海上試驗。本次試驗主要開展了波浪滑翔器搭載聲學通信定位系統與水下節點進行區域定點聯合通信定位試驗。圖8為搭載聲學系統的“海鰩”波浪滑翔器。

該航次試驗12月14日19時從湛江港出發，航行約480 km后到達東沙群島西南部海域，12月16日上午10點試驗團隊將波浪滑翔器在距離水下節點約220 km處布放。隨后波浪滑翔器自主航行，于12月25日21時進入水下節點布放區域，開始沿以水下節點為中心，半徑3 km的圓航行。完成3 km半徑通信定位試驗后又進行了半徑1 km圓周航行，在作圓周運動的同時，開展了水面水下聲學通信定位等相關測試。圖9為“海鰩”波浪滑翔器走航軌跡。

圖8 搭載聲學系統的“海鰩”波浪滑翔器Fig. 8 “Sea Ray”wave glider with acoustic system

圖9 “海鰩”波浪滑翔器的走航軌跡Fig. 9 Trajectory of “Sea Ray” wave glider

由于走航過程需要波浪滑翔器平臺以最短的時間到達目標海域，走航的控位精度偏差設置較大（設置值2 km），實際控位精度在設置范圍以內。

圖10是“海鰩”波浪滑翔器定點圓周走航軌跡，在連續繞圈走航測試中，系統的平均定位精度始終保持在200 m以內，連續2 h的走航控位精度最高達到50 m以內。走航過程中與水下節點保持穩定的水聲通信和數據傳輸。本次試驗，波浪滑翔器平臺搭載聲學通信定位載荷的區域航行控位能力得到充分檢驗。

系統功耗方面，白天正常工作狀態下，聲學系統開機后電壓穩定，能夠滿足聲學系統對電能的需求。臺風過境期間由于無法正常充電，系統電壓略有下降，但未出現明顯降壓現象，能夠保證系統的用電安全。

圖10 “海鰩”波浪滑翔器的定點圓周走航軌跡Fig. 10 Trajectory of circular motion around a point

2 波浪滑翔器關鍵技術

波浪滑翔器作為一種新型創新度較高的水面無人航行器，其運動原理、系統可靠性及使用維護等方面存在許多關鍵技術。只有突破并掌握這些關鍵技術，才有可能開發出可用、好用的波浪滑翔器產品。

2.1 水動力布局與流體動力和運動仿真

波浪動能的轉化效率直接影響系統的運動性能，因此對于波浪滑翔器合理的水動力布局至關重要。一旦水動力布局不合理，系統捕獲波浪動能的效率將顯著降低，將直接影響實際海況下風浪流綜合影響的航行和控位性能，極易導致波浪滑翔器系統隨波逐流，成為價格昂貴的“表面漂流浮標”。此外，在合理水動力布局的基礎上，水動力性能優化和流體動力仿真需要考慮的因素包括系統的衡重及姿態配置、艇體的阻力性能、掛纜的長度，以及水下滑翔體翼板的翼型、投影面積、旋轉角度范圍、預緊力大小等。

波浪滑翔器是一個由水面艇體、水下滑翔體和連接兩者的柔性掛纜組成的復雜多體系統，系統在波浪環境下產生較復雜的耦合運動。系統的運動仿真需要考慮的因素較多，在運動仿真方面，由于系統涉及相關聯的多剛體，因此相比于常規無人航行器要復雜很多。采用聯合仿真的方法對波浪滑翔器在水中的運動進行研究能充分利用單剛體研究成果，且通過適當的數據交換能實現多剛體耦合計算，模型和計算結果都能更好地反應物理系統的運行狀態。

波浪滑翔器系統建模的核心分為復雜計算和多體動力學兩部分。復雜計算部分由MATLAB求解，多體動力學部分由ADAMS求解。多體動力學計算平臺（ADAMS）負責根據剛體受力解算剛體的運動學方程和動力學方程，得到剛體的位置、姿態、速度和角速度等信息。MATLAB根據剛體當前的位置、姿態、速度、角速度等信息和控制參數，計算應該施加給剛體的力和力矩。因此求解過程形成如圖11所示的閉合回路。

圖11 聯合仿真回路示意圖Fig. 11 Schematic diagram of co-simulation loop

流體動力與運動仿真是研究波浪滑翔器原理的基礎，在波浪滑翔器研制初期具有一定的指導意義。但是復雜系統的仿真通常都對系統的物理和數學模型作了大量簡化處理，這些簡化處理很大程度上降低了復雜系統仿真的難度，但也會降低仿真結果的可信度。隨著研究的深入，仿真工作還應結合試驗驗證結果對數學和物理模型進行修正和優化，逐步完善影響仿真結果的關鍵因素并指導波浪滑翔器樣機研制和試驗研究。

2.2 導航控制與路徑規劃

波浪滑翔器的導航控制需要與系統的運動性能和環境參數匹配，才能夠達到最佳運動效果和最小的規劃航路偏差。主要解決的問題有微動力下抗流導航和航路自動規劃、遙感信息提前輔助，人工判斷和干預等。

盡管波浪滑翔器始終處于水面，能夠保持與衛星的通信，方便人工干預，其航路也可以提前由人工完整規劃好，但航路自動規劃仍是波浪滑翔器執行遠程任務必要的功能。人工提前規劃完整航路無法全面考慮海洋及氣象環境變化帶來的影響，并且人工不可能全天候對波浪滑翔器進行航路干預，這既浪費人力也不現實。航路自動規劃需要波浪滑翔器或者岸站系統結合初始規劃路徑和實際航路以及實時海洋溫度、流向、流速、風向、風速、波浪大小等因素進行綜合判斷，自動計算出最佳航路。對于單套波浪滑翔器，因為可能缺少其周邊的海洋和氣象同步測量信息，可根據波浪滑翔器當前航速、航向、歷史航路及目標航路，通過評估這些信息指導波浪滑行器實現航路自適應追蹤并及時修正。當然，航路自動規劃仍有必要借助遙感信息提前輔助，或者是人工判斷和干預。

2.3 跨域通信

通信可靠性是波浪滑翔器平臺自身航行控制以及完成任務必須具有的重要性能。波浪滑翔器水面與水下的特殊組合結構使其具有作為跨域通信節點的天然優勢。水面以上可通過衛星、無線等與岸基或水面其他節點通信，水面以下可用水聲通信與水下固定和移動節點進行信息傳遞。通過波浪滑翔器開展水面以上和水面以下信息交互有廣闊的應用前景，如用波浪滑翔器為水下航行體或固定節點進行定位、導航和授時服務，水下監測網利用波浪滑翔器將采集的數據實時回傳等。

目前通信衛星的數據傳輸速率較小，如北斗和銥星通信數據傳輸能力都非常有限。大數據量實時通信有著現實的強烈需求，天通衛星移動通信系統是我國自主建設的首個衛星移動通信系統，隨著系統的成熟和完善，其海上通信業務可為波浪滑翔器提供寬帶通信的保障。為確保通信的可靠性，衛星通信模塊可采用多種衛星集成的方式，通信模式可選擇、可任意組合。由于波浪滑翔器水面以上部分較少，衛星通信模塊露出水面的高度較小，高海況下艇體上浪對衛星通信可靠性的影響還需要深入研究。

在波浪滑翔器水下滑翔體上搭載水聲換能器可進行水聲通信，根據已有的海上試驗經驗，能夠可靠地與水下移動或固定節點實現遠程通信和數據傳輸。

2.4 能源獲取及管理

波浪滑翔器系統控制、通信及載荷等能源需求依靠蓄電池及太陽能充電滿足。由于能夠攜帶的蓄電池及太陽能板功率十分有限，一旦系統功耗較大且連續無光照天氣較多時，蓄電池及太陽能就難以滿足系統對能源的持續需求。

解決波浪滑翔器能源問題需從2方面入手：1）盡量多獲取補充能源；2）科學的能源管理。波浪滑翔器能源獲取除了盡可能提高太陽能板功率，還需要考慮其他能源的有效獲取，以滿足大功率載荷的用電需求。一種可能的方式是將掛纜在波浪中產生的張力部分轉化為電能。根據海上實測，掛纜的瞬時張力能夠達到幾十至幾百千克力。這樣大的張力轉化不僅能獲取可觀的額外電能，還能減小波浪對系統的沖擊力，有利于波浪滑翔器平臺的結構強度和可靠性。但仍需要深入研究掛纜張力緩沖后對系統運動性能的影響。在不需要考慮系統隱蔽性的情況下，還可以考慮在艇體上增加風帆，風帆可直接將風力轉化為系統的推力，提高系統的航行速度和控位精度。風帆的另一大好處還能提高系統的抗流能力，即在海流較大的海域實現逆流前進。風帆的缺點是系統復雜度較高，自動控制技術難度大。極限海況下，風帆如果不能折疊，還可能導致系統運動穩定性降低，甚至導致系統損毀，直接降低了系統的極限海況生存能力。其他方式如海洋化學能、生物能等在波浪滑翔器平臺上開展探索性研究也是十分有意義的。

能源管理可設計自適應能源與功耗管理系統，動態統計每個傳感器的工作頻率，依據設備之間的相互關聯性，推算出整個系統功耗。同時，比對當前電池剩余電量和太陽能板輸出功率情況，以此決定是提高還是降低傳感器的工作頻率。在這套機制中，用戶可以設定剩余能源“低”和“極低”兩個級別，在剩余能源到達“低”這個級別后，采取降低系統工作頻率、關閉部分傳感器等降低功耗的措施；當到達“極低”級別后，采取關閉所有傳感器并停止航向控制的措施，僅低頻率向岸站報告航位和電池電量等預警信息。

2.5 載荷適配性

波浪滑翔器平臺上可搭載聲、光、電、磁等任務載荷，能夠執行包括海洋環境探測、跨域通信、目標探測、監視警戒等任務。波浪滑翔器平臺與任務載荷首先需要在尺寸、重量、電氣、能源等方面進行匹配。對于有特殊使用要求的任務載荷，如較大長度的溫度鏈，長度會產生較大的拖曳阻力，底部的鉛魚外形和重量還需要保證拖曳過程中溫度鏈的鉛錘度和較小的阻力。搭載需要遠離波浪滑翔器本體并柔性懸掛一定深度的聲學拖體時，聲學拖體的拖曳阻力對波浪滑翔器的影響需要評估并經拖曳水池測試驗證，同時波浪滑翔器平臺運動產生的震動和噪聲對聲學載荷的影響也需要通過減阻隔振等措施進行消除或降低。其他傳感器如氣象站在艇體上搭載的高度，既需要考慮最低高度的使用要求，還需要考慮支桿與艇體的連接強度，滿足生存海況下的樣機安全要求。

2.6 岸基顯控系統

波浪滑翔器海上作業根據不同任務的需求，搭載的儀器設備和傳感器種類龐雜、數據格式不統一。通常只能使用各廠商特有的工具分別導出和轉換原始數據，各種儀器的操作使用和科研數據的融合處理為科研引入額外的復雜度。

岸基顯控系統是波浪滑翔器和波浪滑翔器集群以及其他海洋無人平臺的信息收發、顯控和信息融合、決策中心，根據使用需求分為固定式和便攜式兩種。

岸基顯控系統具備同時接收、發送多組北斗、銥星等衛星數據的能力，具有固定式和便攜式的接收岸站，能夠接入多種采用衛星通信的深遠海作業設備，如浮標、表面漂流浮標、水下滑翔機、UUV、無人艇、潛標等。在地圖中統一顯示各接入設備的實時位置和航行軌跡，繪制設備回傳參數的實時/歷史曲線，在同一界面遠程操控接入設備，配置參數。開放同其他設備的交互接口，能夠接入其他廠商的海洋設備。集成國內外公開的海底地形數據、海洋遙感資料、船測數據、浮標資料、氣象信息等。

岸基顯控系統綜合存儲多種類設備的多維度數據，結合對數據的匯總統計分析，構建綜合信息平臺，用戶可以通過系統接口獲取統一格式的多種類的實時/歷史數據。圖12為“海鰩”波浪滑翔器的便攜式岸站系統。

圖12 “海鰩”波浪滑翔器的便攜式岸站系統Fig. 12 Portable shore station system of “Sea Ray” wave glider

2.7 輔助推進

波浪滑翔器由波浪環境獲取的航速很低，3級海況以下速度低于1 kn，這樣的航速與很多海域的面流大小非常接近。在有海流的海區，當海況較低、無法獲取足夠大的航速時，一旦波浪滑翔器的目標航向與流向相對，波浪滑翔器就很難前進，甚至會倒退并隨波逐流。當遠程航行需要跨越較大面流海區或在海流區進行控位作業時，短時間的輔助推進就很有必要。此種情況輔助推進的速度不需要太高，推進器工作的時間也較短，因此不需要太多額外能源，但輔助推進仍需與系統運動及能源進行匹配。

2.8 布放、回收及應急保障

無人平臺安全布放、回收和應急保障功能已成為制約其應用的一個關鍵因素。傳統的布放與回收模式效率低，難以適應未來無人平臺/集群快速機動部署、安全回收需求。波浪滑翔器布放回收需重點突破集群快速布放、精確回收控制等關鍵技術，實現波浪滑翔器平臺/集群快速、高精度布放，有效提高無人系統布放與回收成功率及任務可靠性。

波浪滑翔器盡管體積小、重量輕，但是一種復雜多體結構，并且上下兩部分連接長度較長，不便于海上布放和打撈。直接整體吊布僅能在平靜海況下船舷較高的大船上實施，盡管人力輔助可在較小的船（如漁船）上分體布放，但在布放過程中極易發生碰撞或纏繞導致樣機或人員的安全事故。在一般海況下，采用簡易的輔助布放和打撈設備可實現波浪滑翔器的快速安全布放和打撈。采用簡易支架與可解脫捆扎帶，布放時首先將艇體與水下滑翔體捆扎在一起，整體吊放至水面后解脫捆扎帶即可。打撈時首先勾住艇體，起吊一定高度后，采用帶打撈繩的鉤掛工具順著掛纜下滑至水下滑翔體，勾住自鎖后起吊完成打撈。海況較好時，也可將艇體起吊后直接提拉掛纜，將水下滑翔體打撈上船。

海上作業不僅與氣象、海況有關，還受作業檔期等條件限制。一旦出海，如因海況較高等因素影響無法實施布放，將造成巨大的經濟和科研損失。因此，波浪滑翔器的布放、打撈有必要解決較高海況下安全作業問題。當海況較高時，吊布將十分困難，此時應考慮整體推布。如采用可伸縮旋轉支架，將波浪滑翔器固定在支架上，手動或電動操作伸出船舷外并斜向下一體化推布入水。打撈時，由于水面目標小難以發現，可在艇體上安裝無線示位裝置。

應急保障方面，波浪滑翔器應配備專用保障設備及通用檢測儀器，包括檢測設備、預置器、通信單元、總裝調試系統、專用工具等。其功能是檢查波浪滑翔器各模塊的功能和主要技術指標，能將故障定位到功能置換件。要對波浪滑翔器系統操作技術人員進行培訓，確保應急狀態下能夠快速恢復系統功能。

2.9 波浪模擬試驗裝置

一般試驗水池或湖上沒有可直接試驗的波浪環境，海上的海況不受控制、海試成本過高、周期過長、試驗可重復性較差。造波水池要么深度不夠，要么長度有限。同樣受試驗成本過高的影響，在這些環境中，波浪滑翔器的性能測試難以得到準確的量化參數。因此，在波浪滑翔器研制早期，波浪模擬試驗裝置是一種非常必要且十分有效和低成本的試驗輔助設備。波浪模擬試驗裝置由卷揚機、控制盒、輔助支架等組成，安裝在艇體上表面，由岸電提供電能。利用調整卷揚機提升水下滑翔體的幅度和周期模擬各級海況下波浪滑翔器的運動，并測試系統的各項性能參數，在測試過程中不斷調整波浪滑翔器系統的配置參數，如水上水下衡重、姿態角、掛纜長度、翼板轉角等，最終獲得設計狀態下的系統最佳配置。波浪模擬試驗裝置不能完全模擬真實的海洋環境，但是可以提供標準的試驗測試環境，操作方便、可重復性強、成本低，并且獲得的優化參數同樣適用于真實環境下的系統狀態。圖13為采用波浪模擬試驗裝置的“海鰩”波浪滑翔器湖上性能試驗。

圖13 采用波浪模擬試驗裝置的“海鰩”波浪滑翔器湖上性能試驗Fig. 13 Lake test of “Sea Ray” wave glider with wave simulation test device

2.10 可靠性設計

可靠性是任何海洋工程裝備獲得應用的關鍵，對于長期在海面惡劣環境中運行的波浪滑翔器，可靠性尤為重要。

可靠性設計依據波浪滑翔器的壽命剖面，建立基本可靠性模型；依據任務剖面，建立任務可靠性模型。由于事件、時間、環境條件、組成單元和系統不同，分配的可靠性指標也不同。可靠性設計一般方法包括對失效率較高或重要的電子元器件、零部件以及關鍵機械連接部分的強度等進行降額設計，防瞬態過應力設計，元器件、零部件的選擇與控制等。波浪滑翔器可靠性設計需要重點關注的幾個問題包括：1）長時間水密性和耐海水腐蝕及防污能力；2）掛纜、滑翔翼、舵機等機械運動組部件波浪環境下沖擊和疲勞狀態長期工作的可靠性；3）電源系統長時間充放電的可靠性；4）數據存儲裝置頻繁讀寫的可靠性；5）其他電氣控制系統軟硬件的可靠性。

波浪滑翔器防腐防污方面，如果有過多海洋生物附著，將增大系統的阻力并直接影響系統的運動性能。在關鍵部位（如水下滑翔體翼板或舵板上）附著海洋生物，還會導致系統捕獲波浪動能的功能喪失。圖14是經過海上94 d連續可靠運行的“海鰩”波浪滑翔器狀態。艇體水線以上部分噴涂了普通油漆，艇體底部及水下滑翔體翼板涂敷防污涂料，不銹鋼及掛纜無涂料。可以看出，有防污涂料的地方防海洋生物附著的效果非常明顯，但也存在海洋生物在翼板上下表面生長不均的情況。因此，還需要根據海洋生物在波浪滑翔器上的生長情況開展深入研究和試驗驗證。

圖14 海上運行94 d后的“海鰩”波浪滑翔器Fig. 14 “Sea Ray” wave glider after 94 days offshore operation

波浪滑翔器電子系統可靠性方面，需要考慮海面溫度、鹽度、濕度、氣溫、波浪沖擊等環境因素對電子元器件的影響，產品應進行環境適應性設計。

3 波浪滑翔器發展思路

盡管波浪滑翔器有很多其他無人航行器無法比擬的優秀特點，并具有廣泛的應用前景，但它仍是一種有限能力的小型水面無人航行器。在實際應用中，它還存在許多缺陷，如生存能力不強、搭載能力有限、無法快速隱蔽投送等。波浪滑翔器技術的進步需要持續的技術創新。

3.1 安全隱蔽型波浪滑翔器研制

波浪滑翔器的致命缺陷是其水面低速航行的特點帶來的極低生存能力。“海鰩”波浪滑翔器在長航程試驗期間，多次遭到漁船非法打撈或被漁網意外拖掛破壞，在某次南海試驗時還被某域外國家的漁船非法打撈。很大程度上，波浪滑翔器的續航能力取決于是否被人為破壞，而不是系統可靠性。因此，開發安全隱蔽型波浪滑翔器將具有十分重要的意義。一種可能的手段是在常規波浪滑翔器系統上增加自主警戒和應急潛伏功能，利用聲、光、電、水聲探測并輔以AIS識別近距離水面船，當確認目標逼近警戒距離后啟動海水泵為核心部件的大調節量快速浮力調節系統，確保系統能夠在危險目標靠近時快速穩定下沉到安全深度。自主警戒及應急潛伏帶來的技術問題是增加了系統的復雜度，降低了系統有效載荷搭載能力，也可能降低系統的可靠性。同時，自主警戒和應急潛伏技術在波浪滑翔器上的應用還存在較多的技術難題，主要體現在自主警戒的虛警率和功耗、浮力調節系統的小型化和減重、上浮下潛的深度和穩定性控制、復雜系統設計及集成等。

3.2 人工智能在波浪滑翔器上的應用

人工智能是未來波浪滑翔器能夠執行復雜任務需要的核心技術。與其他海上無人裝備類似，波浪滑翔器人工智能首先要解決的問題是環境感知。水面是一個相對復雜的環境，建立正常通訊往往并不容易。波浪滑翔器能夠自主決策，首先需要感知周邊狀態，識別水面和水下固定和移動目標，這就需要有遠程目標探測以及近距離目標精細識別的能力。有了這些能力，基本具備航路自主規劃和執行任務的前提條件。

協同作戰是未來智能化戰爭中無人系統最重要的作戰能力。智能協同技術是通過一系列協同機制、方法與手段，將具有一定任務能力的無人系統與無人系統之間、有人系統與無人系統之間進行智能編組，實現平臺、編隊、任務、指揮控制等不同層級協同能力的過程。通過無人系統智能協同技術可以實現無人系統與編組內其他成員的無縫連接，具備擴大作戰范圍、實現能力互補、降低任務成本、發揮體系優勢等優點，最終達到作戰效能大幅提高的目的。為支持有人無人協同作戰、無人系統集群作戰、無人系統跨域協同作戰等典型協同作戰樣式，需要從人、平臺、系統3個要素間的內在聯系出發，開展人-機自然交互與智能協同技術、有人-無人自主協同系統技術、無人集群系統技術、智能化作戰控制技術等關鍵技術研究。

單套波浪滑翔器的能力十分有限，多套波浪滑翔器集群協同作業是完成特定任務的必要條件。多波浪滑翔器以及波浪滑翔器與其他有人/無人平臺的集群和協同，也就是能將大量數據進行融合，科學合理地規劃航路與執行任務。多套波浪滑翔器集群的協同控制能力是實現多平臺協同作業的基礎，編隊控制是多波浪滑翔器協作研究中的一類典型問題，也是許多協作問題的研究基礎。多波浪滑翔器編隊控制是一種聚集的特例，即多個波浪滑翔器聚集成預定的幾何配置隊形（編隊生成），并保持該聚集隊形（編隊保持）。多波浪滑翔器系統聚集成既定隊形后，再結合行為主義法和虛擬結構法等方法，就可完成編隊避障、編隊圍捕等復雜的上層任務。因此，多波浪滑翔器編隊控制主要解決2個問題：1）編隊構成/重構，包括任務前編隊生成問題，遇到障礙時編隊的拆分、重建等問題，增加或減少波浪滑翔器的編隊重構問題等；2）編隊保持，包括任務中編隊保持問題，在不同幾何形態間的編隊切換問題，保持幾何形態不變條件下的編隊收縮、擴張、旋轉控制問題等。顯然，底層的編隊位置跟蹤和保持算法是完成上述高層任務的基本前提，目前，此類算法包括領航-跟隨法、基于行為法、虛擬結構法、圖論法等，它們都是通過群體中個體間的信息溝通，建立控制策略，再對個體實現逐一控制來達到預期目標。

3.3 波浪滑翔器快速隱蔽投送技術

在軍事應用領域，裝備時效性非常重要，第一時間到達任務海區是完成作戰任務的首要條件。受波浪滑翔器自身的航行速度限制，依靠自己無法實現快速長途奔襲或陣地轉移。發展空投、潛布或UUV搭載布放的特種波浪滑翔器可有效解決快速隱蔽投送的問題。空投型需解決飛機掛載接口、空中減速、入水沖擊等問題。在海上作戰無人化發展的背景下，空投型波浪滑翔器應重點發展適用于無人機空投的型號裝備，無人機空投還需解決系統輕量化、低阻封裝、可靠掛載等技術問題。潛布或UUV搭載布放應解決一體化封裝搭載、水下密封耐壓、自動釋放展開等問題。

3.4 新型潛航器研發

由于傳統波浪滑翔器存在隱蔽性較差、抗自然和人為破壞的生存能力不強等問題，目前在軍事上僅應用于可控區域的水下目標跟蹤探測、導彈末端彈道測量等，無法實現軍事領域的廣泛應用。借鑒傳統波浪滑翔器直接利用波浪能驅動的創新思想，開發一型不依賴自身能源的超長服役期和超遠航程的潛水器，可實現新型潛水器多功能和多任務的軍事應用，發揮巨大的軍事價值。同時，這種潛水器還適合大范圍測量水層和海底附近環境參數相關的海洋地理研究任務，在民用領域也能夠發揮巨大的作用。新型潛航器既具有傳統波浪滑翔器超強續航和可控位等優點，也能夠規避傳統波浪滑翔器隱蔽性差、生存能力弱等缺陷。新型潛航器正常航行時能夠將主體結構沒入水面以下，具有隱蔽潛航、表面充電、大深度潛伏、快速隱蔽推進等多運動模式，同時具有水面目標自主警戒和應急潛伏功能。

新型潛航器需解決總體原理設計、關鍵技術驗證、體系化應用等一系列難題。中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所正在相關領域的資助下開展新型潛航器的研制，目前項目研究進展順利。

4 結束語

“海鰩”波浪滑翔器作為國內波浪滑翔器的典型代表，已完成了前期基礎研究和樣機的全方位考核試驗，并經過了多次海上長時間實際應用的檢驗，其性能和可靠性均在國內領先，達到世界先進水平。盡管“海鰩”波浪滑翔器的極限續航能力還未得到充分檢驗，但已具備工程應用和推廣的基礎，相信在各領域的實際應用中可以不斷完善波浪滑翔器平臺的功能并持續提升產品的性能。

用工匠精神打造一流的產品，用持續的技術創新引領波浪滑翔器技術的發展。中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所波浪滑翔器技術團隊將結合中國國情，研發出適用于我國近海、遠洋并滿足不同任務要求的波浪滑翔器和新型潛航器精品，為我國海洋環境探測、海洋資源勘探開發以及海洋國土安全貢獻力量。