水面無人觀測平臺的發展與應用

隨著科技的不斷發展，水面無人觀測平臺憑借其自身的靈活性、低成本和高效性逐漸取代了傳統有人船只來執行環境監測資源勘探和安全巡邏等任務，在海洋科研和工程中的應用越來越廣泛，成為重要的研究和觀測工具。

傳統的海洋調查和環境監測依賴于有人船只，不僅會面臨高昂的成本，在惡劣天氣和復雜海況的情形下還可能存在巨大的安全隱患，因此亟待開發一種可以代替有人船只的工具使海洋觀測更加靈活、經濟、高效。水面無人觀測平臺（unmannedsurfacevehicle，USV）[1]作為一種集自動化控制、數據采集與傳輸、環境監測等功能于一體的自主平臺，在海洋、湖泊、河流等水域的研究與應用中發揮了至關重要的作用。20世紀初，國外就已開始了對水面無人觀測平臺的研發，而我國在這一領域的研究起步較晚。近年來在國家各項政策的支持下，我國在水面無人觀測平臺的技術研發和工程應用上發展迅速，水面無人觀測平臺的性能和應用場景也得到了顯著擴展。

水面無人觀測平臺的分類

水面無人觀測平臺可以根據不同的功能、結構和平臺形式應用在不同環境和任務當中。

根據應用平臺功能，可分為環境監測平臺、海洋勘探平臺和海上安全監控平臺。環境監測平臺主要用于監測海洋、湖泊、河流等水域的環境信息，通常會搭載各種觀測環境的傳感器，對水體中水質、溫度、pH、溶解氧、渾濁度、污染物濃度等各種環境參數進行采集。海洋勘探平臺通常配備聲吶、海面成像儀和化學探測儀器執行各類勘探任務，主要用于探索礦產、油氣和生物等海洋資源。安全監控平臺通常配備雷達、視頻監控設備和自動識別系統（automatic identification system，AIS）等設備進行海域巡邏和監控并承擔海上安保、海域執法和交通安全檢查等任務。

根據設計結構，可分為單體結構平臺、雙體結構平臺和三體結構平臺。單體結構平臺設計較為簡單，適用于大多數海況，但容易受到強風和巨浪等復雜環境的影響而不能穩定工作。雙體結構平臺由兩個平行船體構成，三體結構平臺由一個中央船體和兩個較小的側浮體組成，這兩種結構均具備較強的承載能力和高穩定性，在惡劣海況下表現出色，適合搭載大型傳感器，但由于其本身結構的復雜性，兩種平臺的整體設計和制造難度較大，成本也相對較高，在狹窄水域中的適應性較差。

根據動力結構，可分為常規推進系統平臺、水噴推進系統平臺和風帆推進平臺。常規推進系統平臺使用的是傳統船舶推進方式，如螺旋槳和外部馬達，主要依賴水流推力前進，適合在平穩環境中作業。水噴推進系統平臺利用高壓水流進行推進，適用于需要高機動性和快速反應的任務，能在復雜海況中實現精準控制，但其設計和維護成本較高。風帆推進平臺主要依靠風力驅動，可以無須燃料就滿足平臺長時間運行的需求，但容易受環境條件制約，應用場景十分有限。

不同的結構使這些平臺在任務執行、機動性、穩定性和承載能力等方面各具獨特的優勢和適應性。

根據其形式，可分為無人船、無人浮標和無人水面機器人。無人船是最常見的水面無人觀測平臺，搭載多種觀測設備[2]，如水質和氣象傳感器、雷達和聲吶等，可通過遙控或自主導航完成巡航監測等任務。無人浮標依靠浮力漂浮在水面上，專注于海洋環境數據采集任務，配有氣象、溫度、鹽度和波浪等傳感器。無人水面機器人集成自動導航、數據采集和執行功能，適合更為復雜的水面作業。

水面無人觀測平臺的技術進展

水面無人觀測平臺在傳感器集成、導航與控制、能源利用效率等方面取得了顯著的技術進展，這些技術的進步不僅推動了平臺應用領域的拓展，還提高了平臺的性能與可靠性。

傳感器技術

基于傳感器種類的豐富與精度的提高，平臺已集成多種小型化、高精度的傳感器，使其能夠在海洋環境中進行更為細致和多樣化的觀測。

環境傳感器集成

水質監測傳感器主要包括光譜分析儀和電化學傳感器，能夠實時監測多種污染物、溶解氣體和微量元素。光譜分析儀能通過測量水體對不同波長光的吸收和反射特性，準確迅速地定位污染源，實現對水質變化的實時監測。電化學傳感器則適用于檢測水中的溶解氧、氨氮和亞硝酸鹽等污染物。

氣象傳感器常用于監測風速、風向、氣溫、濕度等海面氣象參數，根據測量的參數不同細分為不同的傳感器。溫濕度傳感器是氣象傳感器中較為常用的傳感器，用于測量大氣中的溫度和濕度，在高濕環境下精度高，且穩定性好不易受到灰塵等環境因素的影響。大氣壓力和風速傳感器同理也是分別用于測量大氣中的空氣壓力和風速的傳感器，均是氣象傳感器的重要組成部分。

傳統觀測溫度、鹽度和深度數據時往往需分別配置相應的設備，而新型集成式溫鹽深測量儀將溫度、鹽度和深度測量技術結合，能同步采集三者的數據，減少設備體積并提高測量效率。光學鹽度傳感器引入光學技術，采用光散射原理檢測水體的光學特性來推算鹽度，適用于快速變化的海洋環境。

聲吶與圖像設備

為了滿足海洋資源勘探和水面物體探測的需求，高分辨率的多波束聲吶、側掃聲吶、激光掃描儀等設備的應用，使得平臺能夠精確探測海洋環境的變化。

聲吶是海洋環境監測中不可或缺的重要工具，常用于探測水面障礙物、測繪水面情形以及監測水面生物，可以通過發射多個波束并接收回波信號從而生成高分辨率的海面地圖，具有更高的分辨率能夠識別環境中微小的物體或障礙。

平臺搭載高清水面攝像頭可提供實時視頻監控和清晰的環境圖像，特別是在復雜環境下，平臺還可搭載激光掃描儀通過三維激光快速建立結構復雜、不規則的場景的三維可視化模型。基于以上觀測設備，平臺識別物體和感知環境將更加智能，從而可以執行更加復雜的水面觀測任務。

導航與控制系統

導航與控制系統是水面無人觀測平臺的核心技術之一。目前，平臺的導航與控制系統已經具備自主導航、自動避障、完成預定任務的能力。

自主導航與避障技術

自主導航系統包括全球導航衛星系統（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）、慣性導航系統（inertialnavigationsystems，INS）和視覺導航等多種導航技術。

GNSS通過接收衛星信號來確定平臺的位置和速度，為平臺提供全球范圍的定位服務。而INS則通過測量加速度和角速度推算平臺的位置和姿態，提供實時導航信息。兩者通常聯合使用，在GNSS信號丟失或受到干擾的情況下，INS能夠繼續提供導航支持，確保平臺的穩定運行。視覺導航技術則利用攝像頭和圖像處理算法提取環境特征點，適用于封閉環境或復雜海域，無須依賴外部信號即可完成平臺的視覺定位和路徑規劃。

現代平臺通常將導航技術同激光雷達和聲吶等傳感器相結合，激光雷達和聲吶技術可以為平臺提供實時三維環境感知能力，使其能夠在多種復雜場景中進行精準的導航與探測。在此基礎上，自主避障技術將觀測數據進行融合，確保平臺在復雜海洋環境中準確識別環境信息，檢測漂浮物、其他船只和海洋設施等環境障礙進行規避。

協同控制技術

協同控制技術通過多平臺協調合作，可實現單個平臺無法完成的任務，主要涉及信息共享、協同決策、任務分配及控制方式。

多平臺的協同控制主要基于各平臺之間的實時通信。常用的通信技術包括無線局域網、藍牙、衛星通信和低功耗廣域網絡。無線局域網和藍牙適合短距離平臺間的通信，通常用于較小海域或靠近岸邊的環境。衛星通信則適合長距離通信，可提供全球覆蓋和高帶寬數據傳輸。低功耗廣域網絡特別適合長期監測任務，例如無人浮標等平臺可提供低功耗和長距離通信能力，滿足持續監測的需求。

在協同控制中，為避免平臺間彼此碰撞，規避外部障礙物，需要為平臺設計縝密的控制算法。常用的路徑規劃與避障算法包括 A^* 算法、Dijkstra算法、基于采樣的快速隨機探索樹（rapidly-exploringrandomtree，RRT）和概率路圖法（probabilistic road map，PRM）以及人工勢場法（artificialpotentialfield，APF）。協同控制系統在任務執行時還必須具備實時的自適應能力。自適應控制算法和反饋控制機制能夠根據電池電量、負載、故障等平臺狀態和海浪、風速、能見度等環境條件的變化進行實時監控和響應，保持平臺的穩定運行。

能源系統

由于水面無人觀測平臺應用場景的日益復雜，其能源系統的設計與發展直接影響平臺的穩定性、機動性、續航及執行任務的能力。

電池與能源存儲技術

水面無人觀測平臺的續航能力一直是影響其應用廣度的關鍵因素。而高性能電池技術的發展，特別是在鋰電池技術上的突破，使平臺的續航能力大幅提高。固態電池和超級電容器等新型的高能量密度儲能設備為平臺長時間運行提供了強有力的保障。

平臺能源系統中可采用太陽能電池板等可再生能源設備，尤其在鈣鈦礦太陽能電池、雙面太陽能電池和柔性光伏膜等新型光伏材料的出現之后，使得太陽能電池板對太陽能的利用效率可以同樣保障平臺的續航能力。太陽能電池板還可以與高效能鋰電池進行組合使用，在光照充足的情況下，冗余的太陽能通過鋰電池儲存下來補充平臺能源消耗，進一步延長平臺的觀測時間。此外，太陽能電池板可應用于平臺集成式光伏系統，不僅將太陽能電池板作為主要電力來源，還能將其融入平臺的結構設計當中，實現降本增效。光伏系統的布局和角度可根據平臺的任務需求和使用環境進行優化，以最大限度提高能源收集效率，進一步增強平臺的續航能力和環境適應性。

此外，還有一些平臺已開始集成波浪能轉化裝置，通過捕捉水面波動將動能轉化為電力，為平臺在遠海工作提供長期動力支持。同時，潮汐發電裝置也在大型水面無人觀測平臺逐步得到應用，特別是在潮汐顯著的海域，可以持續為平臺提供電力。這些能源技術在水面無人觀測平臺上的應用，為平臺實現更長續航和更高自主性奠定了基礎。

智能能源管理系統

智能能源管理系統（energymanagementsystem，EMS）通過實時監控平臺的電池狀態、功耗及環境條件，動態調整能源使用策略，從而優化能源利用效率并延長平臺的工作時間。尤其在多任務協同過程中，EMS能顯著提升平臺的作業效率。

在能源技術的優化中，鋰電池和固態電池等高效能電池的使用是關鍵。鋰離子電池作為目前主流儲能設備，以其高能量密度和長壽命的特點被廣泛應用于水面無人觀測平臺。固態電池的研發也逐漸成熟，具備更高的安全性和能量密度。超級電容器與電池系統協同運作能夠提供短時間內的大功率能量輸出，可以顯著提高平臺的響應速度和操作性能。

水面無人觀測平臺應用場景的日益復雜，越來越多的平臺開始集成EMS。EMS在平臺采用鋰電池、太陽能和風力發電等多種能源系統的組合下，能夠根據環境條件靈活調整能源供給方式。通過EMS對多能源協同管理，平臺能夠有效降低對單一能源的依賴，提高其在復雜環境中的作業能力。

國外水面無人觀測平臺的研究動態

當前，全球范圍內對水面無人觀測平臺的研究與應用不斷深化，各國在技術研發和實際應用上各具特色。美國對水面無人觀測平臺的研究和應用一直處于全球領先地位，是最早開展無人平臺研發的國家。美國海軍、美國國家航空航天局（nationalaeronauticsandspaceadministration，NASA）和美國國家海洋和大氣管理局（nationaloceanicandatmosphericadministration，NOAA）等積極參與平臺的研發工作，形成了完整的研究體系，清晰的發展目標和路線，產品逐漸實現系列化[3]。美國制定了許多有關平臺的標準，使其在該技術領域一直保持全球領先地位，引領著行業發展方向。美國海軍開發的“SeaHunter”無人船，是這一領域的典型代表，其源于“反潛戰持續跟蹤無人水面艇”（anti-submarinewarfarecontinuous trailunmannedvessel，ACTUV）項目，旨在研發一種具備超長續航能力的自主反潛作戰系統[4]。該船采用三體結構，配有兩個增加浮力和穩定性的側片體，船長40米，全寬12.19米（含兩側浮體），中央船體寬3.35米，排水量約140噸，使用雙軸柴油機推進，最大航速達27節，能夠在5級海況下持續運行，并在7級海況下保持航行與生存能力。該項目始于2010年，2016年完成下水和海試，驗證艇正式命名為“海上獵人”。此外，美國還廣泛利用水面無人觀測平臺執行海洋監測、氣象觀測和安全巡邏等任務。目前，美國已研發或應用的無人水面艇種類多達30種，包括“海上貓頭鷹”“海上獵手”“斯巴達偵察兵”“幽靈衛士”和“金槍魚”等[3]。

以色列的水面無人觀測平臺研制技術僅次于美國，其將豐富和先進的無人機研制經驗應用于無人艇研制，被公認為該領域的先驅之一，許多國家的無人艇設計都是基于以色列的無人艇技術進行改造的。拉斐爾公司、埃爾比特系統公司和以色列航空工業公司是該國無人平臺技術的主要推動者，對外出口多種型號的水面無人艇，其中包括“保護者”“海上騎士”“卡塔娜”“黃貂魚”“海星”“銀色馬林魚”“海鷗”等[5]。以色列率先出口的“保護者”型無人水面艇成為標志性產品，新加坡海軍是其首個海外用戶。與美國類似，以色列主要將水面平臺應用于國防領域，充分發揮其在海上安全和軍事任務中的優勢。

日本研究水面無人觀測平臺的時間也比較早，20世紀80年代，日本就開始了對平臺的研究，但受制于網絡和信息技術，未真正實現智能化。日本的無人觀測平臺技術強調高精度航行控制和多傳感器集成，主要用于海洋資源調查、氣候變化監測和災害預警等領域。其中最具代表性的為“SOLEIL”無人船：長222.5米、寬25米、吃水7.4米，最大航速為28.3節，具備自主進出港、目標檢測、避碰和高速航行能力，成功完成了全球首次大型渡船自主航行實驗。而“Shin-Ei”無人船則配備先進的聲吶、光學傳感器和環境監測儀器，廣泛應用于海洋環境監測和漁業資源管理。

在歐洲，英國、法國、意大利等國在水面無人觀測平臺技術的研究中也取得了顯著成果。英國研發的無人船包括“哨兵”“衛兵”“黑魚”“翡翠鳥”“鷂”“FIACRT”“C-CAT4”（多功能型）“C-Sweep\"（反水雷型）“Atlas”“Pacific950”“MAST-13”“Madfox”“ARCIMS”和\"FMTD\"[3]等。英國ASV公司開發的“C-Enduro”號全艇采用碳纖維材料建造，艇體為雙體船型，艇長為4.1米，寬為2.4米，高為2.8米，吃水為0.45米，滿載排水量為450千克。該平臺整合了太陽能帆板、柴油和風力發電機三種動力系統[4]，由2臺1.4千瓦水面直流無刷電機驅動，最高航速為7節，可在海上持續航行約3個月，具備自傾覆恢復能力。平臺上搭載有GPS、AIS、MBES、CTD、ADCP和防撞雷達等設備，主要應用于凱爾特海域的海洋生物科研。

法國在水面無人觀測平臺領域起步較晚，技術相對落后，無人船種類有限，但在海洋污染監測和清理方面取得了顯著突破，多利用平臺執行海洋垃圾收集等任務。法國的無人船包括“檢察員”（MK1/MK2）“羅德爾”“巴西爾”“超大型無人潛航器”（XLUUV）“FDS-3”“Sterenn Du”“ROAZ”“Inspector”和“CatarobT-02”[3]等。Sirehna公司研發的“Rodeur”號長9.2米，基于RHIB平臺設計，主要用于海洋環境監測、偵察、反潛和獵雷等任務。

意大利的水面無人觀測平臺種類豐富，涵蓋軍事、科研和環境監測等領域，主要包括GHOST系列、ARCIMS系列、MIRAGE系列、VULCANO和LUMEN無人艇等。其中，“Charlie”號為代表性平臺，艇長2.4米、寬1.7米，配備高效太陽能電池板，由無刷直流電機驅動，可持續工作超過20天，主要用于海洋微表層取樣、氣候監測和魚雷探測等任務。

國內水面無人觀測平臺的研究動態

我國在水面無人觀測平臺的研究起步較晚，近年來政府為促進無人船技術的發展陸續出臺了多項政策，涵蓋了無人船發展規劃、標準體系和保障措施等方面，為行業發展提供了方向和支持。2017年，國務院發布了《新一代人工智能發展規劃》，旨在提升我國在人工智能領域的全球競爭力；2020年，工業和信息化部發布了《智能船舶標準體系建設指南（征求意見稿）》[]，明確了智能船舶標準體系的建設原則、范圍和重點；2023年，國家發展改革委出臺《產業結構調整指導目錄（2023年）》，鼓勵綠色智能運輸船舶的建設與發展。

在各項政策支持和各級推動下，我國在水面無人觀測平臺方面的研究飛速發展，形成了由科研機構、航天科技公司、軍工企業等多方合作推動的技術研發格局。中國科學院海洋研究所及其下屬單位積極開展水面無人觀測平臺的研發工作，代表性平臺有“海洋遙感一號”系列，廣泛應用于海洋環境監測和氣候研究等領域。上海大學于2013年成功研制“精海”系列無人艇，平臺總長6.28米，設計吃水0.43米，續航力達130海里，巡航航速可達10節。該系列平臺具備遙控與自主導航、路徑規劃、自動避障、遠距離航行等多項功能，并融合了單波束和多波束聲吶測深、前視多波束聲吶、三模控制等技術，具備較強的技術優勢。

2016年，海軍工程大學成功完成其最新研制的“海鱘號”無人艇的首次湖試。該平臺采用模塊化設計理念，搭載了先進的導航系統、光電系統以及多種探測設備，并配備了高性能的智能控制算法，可實現路徑規劃、區域監控、自主巡航、伴隨航行以及智能避障等多種工作模式，展現出卓越的多任務執行能力和自主性。2017年，哈爾濱工程大學研制的“天行1”號完成專家組的海事驗收，具備“高航速、大航程、自主監測”等領先技術，支持手操、遙控、半自主和全自主4種工作模式。此外，武漢理工大學設計的無人試驗船控制平臺，在三體船“MSA”號上成功進行了遠程遙控與航向PID控制的測試，驗證了航向控制算法。中國船級社、珠海市政府和武漢理工大學聯合研發的全球首艘小型無人貨船“筋斗云”于2020年初下水，主要用于內河航運和海島日常補給，旨在降低遠距離海島補給的高成本。

除高校和研究所等科研單位之外，國內許多高新科技公司在水面無人觀測平臺研究方面也做出了突出貢獻。中船重工、中船集團等國有大型企業，在平臺的研發方面投入大量資源，逐漸形成了具有自主知識產權的無人船平臺技術。這些平臺主要應用于海洋科研、海洋環保、海上安全等領域。2008年，中國航天科工集團公司所屬沈陽航天新光集團與中國氣象局大氣探測技術中心共同成功研制了我國首艘無人駕駛海上氣象探測船“天象1”號[4]，其船身采用碳纖維材料，最大長度為6.7米、最大寬度為2.45米、總高3.5米、重2.3噸，搭載GPS、雷達、圖像傳輸和處理系統等先進設備，融合了智能駕駛、雷達搜索、衛星應用、圖像處理與傳輸等前沿技術，有人工遙控和自動駕駛兩種駕駛方式[7]，該系統作為應急裝備成功為同年舉辦的青島奧帆賽提供了氣象保障服務。

中船集團研發的“大智”號是我國首艘將“智能”概念應用于船舶領域的智能船舶，也是全球首艘通過船級社認證的智能船。該船長179米、型寬32米、型深15米，搭載全球首個能夠自主學習的智能運行與維護系統，能夠獲取船舶自身及海洋洋流等相關信息，自動規劃航線，評估船舶健康狀況，并發現潛在的安全隱患。中國船舶黃埔文沖船舶有限公司成功研發了全球首艘具有遠程遙控和開闊水域自主航行功能的智能型無人系統科考母船—“珠海云”號。該船長88.5米、型寬14米、型深6.1米、吃水3.7米、最大航速18節、經濟航速13節，可搭載不同類型的觀測儀器，主要用于海洋觀測和科研任務。青島藍谷智慧航海（青島）科技有限公司研發的“智飛”號是我國首艘自主航行的300TEU集裝箱商船，具備人工駕駛、遠程遙控駕駛和無人自主航行三種模式[8]。該船全長110米、型寬15米、型深10米，設計航速12節，具備航行環境智能感知、自主循跡、航線自動規劃、智能避碰、自主靠離泊等功能。

挑戰與展望

盡管水面無人觀測平臺在海洋科研、環境監測和海上安全等領域已得到廣泛應用，但在實際中仍面臨一些技術和應用方面的挑戰。

首先，水面無人觀測平臺在復雜海況下的穩定性和可靠性仍是一個技術難題，風浪、潮汐和流速等環境因素均會影響其航行的穩定性，特別在極端氣候條件下，單體結構平臺容易受損或失控。采用輕量化、抗風浪材料與新型多體結構，或將有效提高平臺在復雜海況中的航行穩定性和工作可靠性。

其次，盡管能源效率有所進展，但平臺的續航能力仍受較大的限制。尤其在遠海監測等復雜任務中，電池和太陽能的續航時間、充電速度和能源利用率無法滿足需求。采用結合氫能、風能、太陽能等多能源的管理系統將能夠支持平臺長時間的無人作業，特別是在偏遠海域監測中的持續應用。

最后，自主導航與避障技術雖已有進展，但平臺在復雜海況中的定位精度、障礙物識別和路徑規劃等方面仍略顯不足。應用人工智能和機器學習技術的水面無人觀測平臺將更加智能化，能夠實時處理復雜的環境信息，進行更加精確的任務決策和規劃。

展望未來，水面無人觀測平臺作為海洋領域的核心技術裝備，其應用潛力將進一步釋放。隨著智能感知、自主航行等關鍵技術的持續突破，該平臺將為全球海洋科學研究、生態環境監測及氣候變遷評估提供更精準的時空數據支撐。其全天候、立體化的觀測能力，不僅有助于完善海洋數字孿生系統建設，更為人類實現藍色可持續發展目標構建起智能化的決策支持體系，將在智慧海洋建設中發揮不可替代的戰略作用。

[1」魏星.海面雨霧環境下的無人艇光學圖像恢復與語義分割算法.哈爾濱工程大學，2022.

[2]王成才，商志剛，何宇帆，等.無人船信息融合與避障關鍵技術綜述.中國電子科學研究院學報，2019，14（12）：1228-1232.

[3]張文拴，李爭，鄭瑤.國內外無人船發展現狀及研發趨勢.艦船科學技術，2024，46（15）：79-83.

[4]熊勇，余嘉俊，張加，等.無人艇研究進展及發展方向.船舶工程，2020，42（02）：12-19.

[5]陳映彬.無人船發展現狀及其關鍵技術綜述.科學技術創新，2019（2）：65-66.

[6]朱飛祥，李國帥，王少博.智能船舶航行系統測試的方法與體．中國航海，2022，45（01）：127-132.

[7]軍武.中國無人艇有多厲害.生命與災害，2024，（02）：24-25.

[8]嚴新平，褚端峰，劉佳侖，等.智能交通發展的現狀、挑戰與展望.交通運輸研究，2021，7（06）： 2-10+22