谢少荣：海洋智能无人艇︱大家

谢少荣

上海大学计算机工程与科学学院、

无人艇工程研究院、人工智能研究院教授

海洋强国建设的重要支撑力量：无人艇

我国有1.8万公里海岸线，1.4万千公里岛礁岸线，大量的海洋资源等待开发。海洋安全是国家安全保障的核心之一，随着海洋强国战略的实施，海洋成为大国博弈的“主战场”。尤其是近年来，随着“一带一路”建设的逐步推进，以及新冠疫情暴发后世界局势的变化，西方国家接连在我国附近海域展开军事演习等活动，威胁我国海洋安全。

同时，随着科技的发展，智能化的无人设备和技术得到了广泛应用。跨越“空-天-地-海”的无人系统是未来发展的趋势。

民用上是用更多的机器人系统替代人的工作，特别是从可能有危险、不适合人做的、枯燥乏味的工作中把人解放出来。

而从军事应用上来讲，就是发展无人作战系统，这将从根本上改变未来的战争形态。

无人作战系统是西方国家未来战略的重要内容，直指我国南海，将通过无人水面和水下装备、无人机等武器突破我国的防御，威胁我国国家安全。

未来战场可能会成为无人系统而不是人类之间的角逐。因此，在海洋强国建设的过程中，亟需无人舰艇这样的高精尖新型海洋智能装备，它们是我们迈向海洋强国的关键支撑力量。

什么是无人艇

无人艇，这里特指“无人水面艇”（USV），是指依靠遥控或自主方式在水面航行的无人化、智能化机器人平台。因此，它也叫海洋机器人、海上无人系统。具有自主导航、自主避障能力，并可以自主完成海面、水下环境信息感知、目标探测及各种作业任务。

众所周知，飞机与飞机，飞机和地面、水面可以通过无线电通信。但是，由于海水中存在一定的导电介质，传统的无线电波很难穿透海水，在海面以下进行通信。现代各国普遍采用长波/超长波水下通信系统，它在海水中衰减较其他频段电波小，入水传播深度可达到100米，基本满足深水中进行通信的需求。但是它发射时需要庞大的发射天线或者超高的发射功率，使得发射设备极易受到敌方的打击；加上传输频带窄，只能与岸基进行单向通信，不能进行双向通信；另外隐蔽性差，水下传输速率低，潜艇主要还是依靠上浮接收信息，降低了潜艇的隐蔽性，增大了潜艇的危险系数。
因此，无人水面艇的出现，为联通水面与水下通信提供了革命性的装备，成为打通“空-天-地-海”无人作战系统的重要跨域节点。
同时，未来海战可能是无人母舰搭载系列小型无人艇、无人机，配合地面移动机器人、水下机器人完成登岛夺岛等作战。因此，无人水面艇是改变未来海上游戏规则的颠覆性技术。
目前世界上正在研制无人艇的国家主要是美国及其盟国，研制单位包括大型军火企业、高校实验室和军工研究单位等，以军工企业为主。除此以外，正在开发无人艇的国家有以色列、瑞典、新加坡、意大利和英国等。
在已经服役及技术成熟度已达到服役水平的无人艇中，军事用途的无人艇数量约占70%，其余主要集中在石油/天然气行业、大学和实验室等研究领域。从尺寸、自持力、有效载荷和有效输出功率等与平台大小相关的指标看，大部分在研无人艇为小型平台。较小的平台具备成本低、试验便利的优点。
在任务领域方面，主要集中在海事安全、情报监视侦察（ISR）、反水雷、环境调查、反恐、禁毒、石油和天然气基础设施的保护等领域。由于大多数无人艇需要有一定的环境感知的能力，以便远程操作人员或算法可以对环境做出响应，因此执行“情报收集”类任务的无人艇数量最多。

鉴于无人艇的功能特点，它在海图测绘、水下探测和海洋环境监测等方面均具有重要应用价值，正在成为重要的海洋无人装备。

国内也有包括中船集团、珠海云洲和多所高校在内的单位开展无人艇的研究工作。国内外对无人艇研究的热潮，更加坚定了我们发展无人艇的决心。

无人艇的关键技术

无人艇需要具备什么样的特殊能力才能在海洋上完成如此之多的重要任务呢？

首先，我们看一张南海岛礁水面之下的地形地貌图，又称为海图。就像地图一样，海图是我国主权的象征，具有重要的战略意义。我国有300万平方公里的海域面积，在这么广阔的海域之下，海图对船舶航行，乃至整个国家的海洋经济和国防安全都是至关重要的。

对海图的测量，一般通过海测船来进行。而据估计，我国广阔的海域里面，东海有岛礁3500多个，南海有1700多个。这些岛礁附近很多地方水深不到5米。在这些岛礁周边测绘海图，用海测船显然是不行的，但是岛礁周边的海图对中国的海洋权又非常重要。我们通过机器人相关的研究基础，开发无人艇来解决这个问题。
无人艇吃水很浅，能够实现自主航行、自主避障、自主地进行岛礁测绘。通过无人艇上的声纳发射声波到海底或者暗礁再反射回来，再通过专门的声呐测绘法，海底的地形地貌就出来了。
但是，由于无人艇所处的水面环境十分复杂，不仅包含静态障碍物，同时受海况、其他舰船航行的影响，因此相比于无人机、无人驾驶汽车等其他无人系统，自主性成为影响无人艇的关键技术因素，其他无人系统自主性方面的技术并不适合无人艇，这里面有几个技术难点。
第一，岛礁周边的水流紊乱，裂流、涡流多，给无人艇带来很大的干扰。
声纳测绘要求无人艇必须稳定地走直线，但是岛礁的周边浪很大，走直线特别困难。需要用抗涌流的控制方法让它走得准。

例如，无人艇在岛礁周边测绘的时候，一个大浪过来，它会偏离原来的航线，通过无人艇上的传感器，能测出它的偏移量，根据偏移量的大小施以一个反作用力，就能回到航线上来。

但是如果在海上航行的话，一个浪过来之后造成一个偏移量，而下一个浪的大小还不知道，所以偏移量带有一定的盲目性。怎么办呢？解决办法就是通过无人艇上的雷达将它周边的海浪信息收集起来，建成一个动态的扰动空间模型。无人艇上面有很多的传感器，把它的姿态测出来，形成一个姿态空间。虽然姿态空间和扰动空间都是不停变化的，只要把扰动空间和姿态空间对应起来，找到一个映射关系，就知道该怎样来控制无人艇的纠偏量，达到走得准的效果。

谢少荣：海洋智能无人艇︱大家

无人艇的关键技术

第二个关键问题是避障。
无人艇对静态目标避障是很容易的，通过雷达，激光测定它的位置，用一定的算法就可以避开。但是在海上的时候，除了礁石，还有很多正在航行的船舶，该如何避障？
人在奔跑的时候，遇到另一个人跑过来，会估计自己的速度、方向，还会估计对方的速度和方向，然后通过大脑的判断和反应就可以避免碰撞。海上的船舶也是利用这个原理，通过无人艇上的传感器和雷达，把对方的信息估算出来。但是因为无人艇在海上的航行的时候，它的速度和方向都是有误差的，通过误差信息去估计对方的误差信息，会有更大的偏差。所以还需要将这两方的误差信息计算成误差锥体，在两个锥体没有交集的时候，才能实现移动避障。
第三个关键技术是无人艇的回收。
因为无人艇的航行距离只有几百公里，如果进行远海航行作业的话，必须要跟母舰配合着使用。可是在海上，三级、四级的海风是很常见的，无人艇作业完成之后，再回到母船一直是非常困难的事情，美国也在研究解决方案。海风大的时候大船和无人艇都会晃得十分厉害，让两边的吊钩结合对接，把无人艇吊上来，难度非常大。
通过在无人艇上做一个抛射的牵引绳，需要回收的时候，就把牵引绳自动抛到母舰甲板上面来，工作人员就能实现回收。在扰动的情况下做回收，这个方法的效果比较好。
谢少荣：海洋智能无人艇︱大家

长年奋斗在海洋一线的上海大学“精海”人

除了上述关键技术外，影响无人艇作战效能和使用方式的因素还包括：无人艇的部署/回收与补给、通用平台和模块化载荷、续航力等方面。这些技术因素的突破，不仅可以大大拓展无人艇的作战使用方式，还可以对其作战效能产生重要影响，将成为无人艇未来发展的趋势。

“精海”无人艇和它背后的团队

通过攻克前面提到的关键技术，上海大学有一批年轻老师怀揣着海洋报国的梦想，研制了10余个型号的无人艇，并取名“精海”。这里首先寓意了发挥“精卫填海”的奋斗精神，还有就是研发的无人艇能够精准执行海上任务。

这个年轻团队组建了上海大学无人艇工程研究院，是国内成立的第一个水面无人艇专业研究机构，是集机械、控制、通信、力学、材料、计算机等相关学科为一体的交叉研究中心。

研究院的核心研究人员由国家有突出贡献中青年专家、国家杰出青年、上海领军人才、上海市优秀学科带头人、青年科技启明星、上海市优秀青年教师等40余名青年人才组成。人才队伍建设效果显著，且团队还在不断壮大。

研究院承担了几十项国家和省部级重点项目，代表性成果有精海无人艇、极地科考机器人、水下机器人、上海世博会多功能扫测艇、小型飞行机器人以及国庆60周年海宝机器人等；科研成果已获专利130余项，发表论文300余项。
研发的“精海”系列无人艇已经成功完成了南海岛礁、南极罗斯海海域探测、环境监测、应急救援等重要的应用，推进海上监测的智能化、无人化；精海系列无人艇也获得国家技术发明奖二等奖、上海市科技进步奖一等奖、中国航海学会科技进步奖一等奖、上海市技术发明奖一等奖等10余个奖项。
自2009年起，上海大学“精海”无人艇团队研发了从精海1号到精海10号的一系列无人艇。我国从北到南3.2万公里的海岸线和岛礁岸线，都遍布“精海”无人艇的身影。

2013年，精海1号随中国海事166海巡船赴南海巡航，探测南海海域，实现我国无人艇在南海第一次应用。

2014年，精海2号装备于雪龙号科考船，探测南极罗斯海，首次为雪龙号极地科考船在南极罗斯海找到锚地，并绘制了难言岛附近1:5000大比例尺海图，助力国家极地战略。

2015年，精海3号随向阳红19船赴东海进行大范围海图测绘，填补了岛礁群海域、浅滩测绘空白。

2016年，精海3号完成对南海七连屿岛礁海域探测。

2017年，精海3号完成海岸带综合地质调查。

2018年，精海3号、精海7号在东海“桑吉轮”重大撞船事故中，成功完成沉船探测以及污染水样取样，为大规模凝析油泄漏事件评估和处置提供了重要数据支持。

其间，团队进行了一千多次的试验，每一艘无人艇的成功研发，背后都是团队用“精卫填海”般的精神换来的。

我们这个平均年龄32岁的年轻团队，怀揣着海洋强国的理想，勇于攻克“卡脖子”技术。团队成员不怕冷风吹，不怕海水泡，忍得住晕船，耐得住寂寞，能征善战，长年奋斗在海洋一线，为实现海洋强国坚持不懈，努力奋斗，彰显出持续不断的创新活力和惊人的爆发力。我们相信，通过一代代“精海”人不断创新和努力，海洋强国终将实现。

-本文选自《世界科学》杂志2021年第11期“大家•科技前沿”栏目-