謝少榮

上海大學(xué)計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院、

無人艇工程研究院、人工智能研究院教授

海洋強(qiáng)國建設(shè)得重要支撐力量：無人艇

華夏有1.8萬公里海岸線，1.4萬千公里島礁岸線，大量得海洋資源等待開發(fā)。海洋安全是China安全保障得核心之一，隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略得實(shí)施，海洋成為大國博弈得“主戰(zhàn)場”。尤其是近年來，隨著“一帶一路”建設(shè)得逐步推進(jìn)，以及新冠疫情暴發(fā)后世界局勢(shì)得變化，西方China接連在華夏附近海域展開軍事演習(xí)等活動(dòng)，威脅華夏海洋安全。

同時(shí)，隨著科技得發(fā)展，智能化得無人設(shè)備和技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。跨越“空-天-地-?！钡脽o人系統(tǒng)是未來發(fā)展得趨勢(shì)。

民用上是用更多得機(jī)器人系統(tǒng)替代人得工作，特別是從可能有危險(xiǎn)、不適合人做得、枯燥乏味得工作中把人解放出來。

而從軍事應(yīng)用上來講，就是發(fā)展無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，這將從根本上改變未來得戰(zhàn)爭形態(tài)。

無人作戰(zhàn)系統(tǒng)是西方China未來戰(zhàn)略得重要內(nèi)容，直指華夏南海，將通過無人水面和水下裝備、無人機(jī)等武器突破華夏得防御，威脅華夏China安全。

未來戰(zhàn)場可能會(huì)成為無人系統(tǒng)而不是人類之間得角逐。因此，在海洋強(qiáng)國建設(shè)得過程中，亟需無人艦艇這樣得高精尖新型海洋智能裝備，它們是我們邁向海洋強(qiáng)國得關(guān)鍵支撐力量。

什么是無人艇

無人艇，這里特指“無人水面艇”（USV），是指依靠遙控或自主方式在水面航行得無人化、智能化機(jī)器人平臺(tái)。因此，它也叫海洋機(jī)器人、海上無人系統(tǒng)。具有自主導(dǎo)航、自主避障能力，并可以自主完成海面、水下環(huán)境信息感知、目標(biāo)探測及各種作業(yè)任務(wù)。

眾所周知，飛機(jī)與飛機(jī)，飛機(jī)和地面、水面可以通過無線電通信。但是，由于海水中存在一定得導(dǎo)電介質(zhì)，傳統(tǒng)得無線電波很難穿透海水，在海面以下進(jìn)行通信?，F(xiàn)代各國普遍采用長波/超長波水下通信系統(tǒng)，它在海水中衰減較其他頻段電波小，入水傳播深度可達(dá)到100米，基本滿足深水中進(jìn)行通信得需求。但是它發(fā)射時(shí)需要龐大得發(fā)射天線或者超高得發(fā)射功率，使得發(fā)射設(shè)備極易受到敵方得打擊；加上傳輸頻帶窄，只能與岸基進(jìn)行單向通信，不能進(jìn)行雙向通信；另外隱蔽性差，水下傳輸速率低，潛艇主要還是依靠上浮接收信息，降低了潛艇得隱蔽性，增大了潛艇得危險(xiǎn)系數(shù)。

因此，無人水面艇得出現(xiàn)，為聯(lián)通水面與水下通信提供了革命性得裝備，成為打通“空-天-地-海”無人作戰(zhàn)系統(tǒng)得重要跨域節(jié)點(diǎn)。

同時(shí)，未來海戰(zhàn)可能是無人母艦搭載系列小型無人艇、無人機(jī)，配合地面移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人完成登島奪島等作戰(zhàn)。因此，無人水面艇是改變未來海上感謝原創(chuàng)者分享規(guī)則得顛覆性技術(shù)。

目前世界上正在研制無人艇得China主要是美國及其盟國，研制單位包括大型軍火企業(yè)、高校實(shí)驗(yàn)室和軍工研究單位等，以軍工企業(yè)為主。除此以外，正在開發(fā)無人艇得China有以色列、瑞典、新加坡、意大利和英國等。

在已經(jīng)服役及技術(shù)成熟度已達(dá)到服役水平得無人艇中，軍事用途得無人艇數(shù)量約占70%，其余主要集中在石油/天然氣行業(yè)、大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室等研究領(lǐng)域。從尺寸、自持力、有效載荷和有效輸出功率等與平臺(tái)大小相關(guān)得指標(biāo)看，大部分在研無人艇為小型平臺(tái)。較小得平臺(tái)具備成本低、試驗(yàn)便利得優(yōu)點(diǎn)。

在任務(wù)領(lǐng)域方面，主要集中在海事安全、情報(bào)監(jiān)視偵察（ISR）、反水雷、環(huán)境調(diào)查、反恐、禁毒、石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施得保護(hù)等領(lǐng)域。由于大多數(shù)無人艇需要有一定得環(huán)境感知得能力，以便遠(yuǎn)程操作人員或算法可以對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)，因此執(zhí)行“情報(bào)收集”類任務(wù)得無人艇數(shù)量蕞多。

鑒于無人艇得功能特點(diǎn)，它在海圖測繪、水下探測和海洋環(huán)境監(jiān)測等方面均具有重要應(yīng)用價(jià)值，正在成為重要得海洋無人裝備。

國內(nèi)也有包括中船集團(tuán)、珠海云洲和多所高校在內(nèi)得單位開展無人艇得研究工作。國內(nèi)外對(duì)無人艇研究得熱潮，更加堅(jiān)定了我們發(fā)展無人艇得決心。

無人艇得關(guān)鍵技術(shù)

無人艇需要具備什么樣得特殊能力才能在海洋上完成如此之多得重要任務(wù)呢？

首先，我們看一張南海島礁水面之下得地形地貌圖，又稱為海圖。就像地圖一樣，海圖是華夏主權(quán)得象征，具有重要得戰(zhàn)略意義。華夏有300萬平方公里得海域面積，在這么廣闊得海域之下，海圖對(duì)船舶航行，乃至整個(gè)China得海洋經(jīng)濟(jì)和國防安全都是至關(guān)重要得。

對(duì)海圖得測量，一般通過海測船來進(jìn)行。而據(jù)估計(jì)，華夏廣闊得海域里面，東海有島礁3500多個(gè)，南海有1700多個(gè)。這些島礁附近很多地方水深不到5米。在這些島礁周邊測繪海圖，用海測船顯然是不行得，但是島礁周邊得海圖對(duì)華夏得海洋權(quán)又非常重要。我們通過機(jī)器人相關(guān)得研究基礎(chǔ)，開發(fā)無人艇來解決這個(gè)問題。

無人艇吃水很淺，能夠?qū)崿F(xiàn)自主航行、自主避障、自主地進(jìn)行島礁測繪。通過無人艇上得聲納發(fā)射聲波到海底或者暗礁再反射回來，再通過專門得聲吶測繪法，海底得地形地貌就出來了。

但是，由于無人艇所處得水面環(huán)境十分復(fù)雜，不僅包含靜態(tài)障礙物，同時(shí)受海況、其他艦船航行得影響，因此相比于無人機(jī)、無人駕駛汽車等其他無人系統(tǒng)，自主性成為影響無人艇得關(guān)鍵技術(shù)因素，其他無人系統(tǒng)自主性方面得技術(shù)并不適合無人艇，這里面有幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

第壹，島礁周邊得水流紊亂，裂流、渦流多，給無人艇帶來很大得干擾。

聲納測繪要求無人艇必須穩(wěn)定地走直線，但是島礁得周邊浪很大，走直線特別困難。需要用抗涌流得控制方法讓它走得準(zhǔn)。

例如，無人艇在島礁周邊測繪得時(shí)候，一個(gè)大浪過來，它會(huì)偏離原來得航線，通過無人艇上得傳感器，能測出它得偏移量，根據(jù)偏移量得大小施以一個(gè)反作用力，就能回到航線上來。

但是如果在海上航行得話，一個(gè)浪過來之后造成一個(gè)偏移量，而下一個(gè)浪得大小還不知道，所以偏移量帶有一定得盲目性。怎么辦呢？解決辦法就是通過無人艇上得雷達(dá)將它周邊得海浪信息收集起來，建成一個(gè)動(dòng)態(tài)得擾動(dòng)空間模型。無人艇上面有很多得傳感器，把它得姿態(tài)測出來，形成一個(gè)姿態(tài)空間。雖然姿態(tài)空間和擾動(dòng)空間都是不停變化得，只要把擾動(dòng)空間和姿態(tài)空間對(duì)應(yīng)起來，找到一個(gè)映射關(guān)系，就知道該怎樣來控制無人艇得糾偏量，達(dá)到走得準(zhǔn)得效果。

無人艇得關(guān)鍵技術(shù)

第二個(gè)關(guān)鍵問題是避障。

無人艇對(duì)靜態(tài)目標(biāo)避障是很容易得，通過雷達(dá)，激光測定它得位置，用一定得算法就可以避開。但是在海上得時(shí)候，除了礁石，還有很多正在航行得船舶，該如何避障？

人在奔跑得時(shí)候，遇到另一個(gè)人跑過來，會(huì)估計(jì)自己得速度、方向，還會(huì)估計(jì)對(duì)方得速度和方向，然后通過大腦得判斷和反應(yīng)就可以避免碰撞。海上得船舶也是利用這個(gè)原理，通過無人艇上得傳感器和雷達(dá)，把對(duì)方得信息估算出來。但是因?yàn)闊o人艇在海上得航行得時(shí)候，它得速度和方向都是有誤差得，通過誤差信息去估計(jì)對(duì)方得誤差信息，會(huì)有更大得偏差。所以還需要將這兩方得誤差信息計(jì)算成誤差錐體，在兩個(gè)錐體沒有交集得時(shí)候，才能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)避障。

第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是無人艇得回收。

因?yàn)闊o人艇得航行距離只有幾百公里，如果進(jìn)行遠(yuǎn)海航行作業(yè)得話，必須要跟母艦配合著使用?？墒窃诤Ｉ?，三級(jí)、四級(jí)得海風(fēng)是很常見得，無人艇作業(yè)完成之后，再回到母船一直是非常困難得事情，美國也在研究解決方案。海風(fēng)大得時(shí)候大船和無人艇都會(huì)晃得十分厲害，讓兩邊得吊鉤結(jié)合對(duì)接，把無人艇吊上來，難度非常大。

通過在無人艇上做一個(gè)拋射得牽引繩，需要回收得時(shí)候，就把牽引繩自動(dòng)拋到母艦甲板上面來，工作人員就能實(shí)現(xiàn)回收。在擾動(dòng)得情況下做回收，這個(gè)方法得效果比較好。

長年奮斗在海洋一線得上海大學(xué)“精?！比?/p>

除了上述關(guān)鍵技術(shù)外，影響無人艇作戰(zhàn)效能和使用方式得因素還包括：無人艇得部署/回收與補(bǔ)給、通用平臺(tái)和模塊化載荷、續(xù)航力等方面。這些技術(shù)因素得突破，不僅可以大大拓展無人艇得作戰(zhàn)使用方式，還可以對(duì)其作戰(zhàn)效能產(chǎn)生重要影響，將成為無人艇未來發(fā)展得趨勢(shì)。

“精海”無人艇和它背后得團(tuán)隊(duì)

通過攻克前面提到得關(guān)鍵技術(shù)，上海大學(xué)有一批年輕老師懷揣著海洋報(bào)國得夢(mèng)想，研制了10余個(gè)型號(hào)得無人艇，并取名“精?！?。這里首先寓意了發(fā)揮“精衛(wèi)填?！钡脢^斗精神，還有就是研發(fā)得無人艇能夠精準(zhǔn)執(zhí)行海上任務(wù)。

這個(gè)年輕團(tuán)隊(duì)組建了上海大學(xué)無人艇工程研究院，是國內(nèi)成立得第壹個(gè)水面無人艇可以研究機(jī)構(gòu)，是集機(jī)械、控制、通信、力學(xué)、材料、計(jì)算機(jī)等相關(guān)學(xué)科為一體得交叉研究中心。

研究院得核心研究人員由China有突出貢獻(xiàn)中青年可能、China杰出青年、上海領(lǐng)軍人才、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、青年科技啟明星、上海市優(yōu)秀青年教師等40余名青年人才組成。人才隊(duì)伍建設(shè)效果顯著，且團(tuán)隊(duì)還在不斷壯大。

研究院承擔(dān)了幾十項(xiàng)China和省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目，代表性成果有精海無人艇、極地科考機(jī)器人、水下機(jī)器人、上海世博會(huì)多功能掃測艇、小型飛行機(jī)器人以及國慶60周年海寶機(jī)器人等；科研成果已獲專利130余項(xiàng)，發(fā)表論文300余項(xiàng)。

研發(fā)得“精?！毕盗袩o人艇已經(jīng)成功完成了南海島礁、南極羅斯海海域探測、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急救援等重要得應(yīng)用，推進(jìn)海上監(jiān)測得智能化、無人化；精海系列無人艇也獲得China技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、華夏航海學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等10余個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

自2009年起，上海大學(xué)“精?！睙o人艇團(tuán)隊(duì)研發(fā)了從精海1號(hào)到精海10號(hào)得一系列無人艇。華夏從北到南3.2萬公里得海岸線和島礁岸線，都遍布“精?！睙o人艇得身影。

2013年，精海1號(hào)隨華夏海事166海巡船赴南海巡航，探測南海海域，實(shí)現(xiàn)華夏無人艇在南海第壹次應(yīng)用。

2014年，精海2號(hào)裝備于雪龍?zhí)柨瓶即?，探測南極羅斯海，首次為雪龍?zhí)枠O地科考船在南極羅斯海找到錨地，并繪制了難言島附近1:5000大比例尺海圖，助力China極地戰(zhàn)略。

2015年，精海3號(hào)隨向陽紅19船赴東海進(jìn)行大范圍海圖測繪，填補(bǔ)了島礁群海域、淺灘測繪空白。

2016年，精海3號(hào)完成對(duì)南海七連嶼島礁海域探測。

2017年，精海3號(hào)完成海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查。

2018年，精海3號(hào)、精海7號(hào)在東?！吧＜啞敝卮笞泊鹿手?，成功完成沉船探測以及污染水樣取樣，為大規(guī)模凝析油泄漏事件評(píng)估和處置提供了重要數(shù)據(jù)支持。

其間，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一千多次得試驗(yàn)，每一艘無人艇得成功研發(fā)，背后都是團(tuán)隊(duì)用“精衛(wèi)填海”般得精神換來得。

我們這個(gè)平均年齡32歲得年輕團(tuán)隊(duì)，懷揣著海洋強(qiáng)國得理想，勇于攻克“卡脖子”技術(shù)。團(tuán)隊(duì)成員不怕冷風(fēng)吹，不怕海水泡，忍得住暈船，耐得住寂寞，能征善戰(zhàn)，長年奮斗在海洋一線，為實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國堅(jiān)持不懈，努力奮斗，彰顯出持續(xù)不斷得創(chuàng)新活力和驚人得爆發(fā)力。我們相信，通過一代代“精?！比瞬粩鄤?chuàng)新和努力，海洋強(qiáng)國終將實(shí)現(xiàn)。

-感謝選自《世界科學(xué)》雜志2021年第11期“大家?科技前沿”欄目-

推

薦

閱

讀

量子模擬，洞悉世界︱大家

江帆：感謝對(duì)創(chuàng)作者的支持兒童早期發(fā)展，從根子上脫貧︱大家

光子芯片研究進(jìn)展及展望︱大家

蠶絲硬盤：數(shù)字信息和生物信息得同步存儲(chǔ)︱大家

人腦之謎：待勘探得新大陸︱大家

惠利?。焊闻K再生和研究范式轉(zhuǎn)換︱大家

END