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最爱收藏 海上无人装备关键技术与智能演进展望

海洋不但蕴藏着大量宝贵的资源 ， 也见证了无数的战争 。 在科技飞速发展的21世纪 ， 随着陆地资源的日益匮乏 ， 逐步开发海洋资源是必然趋势 。 随着人工智能技术的发展 ， 海上无人装备技术突飞猛进 。 海上无人装备具有成本低、功能多、机动性高等优点 ， 能够在检测海底预埋设施、水雷侦察以及跟踪打击等海洋作业中发挥巨大的优势 。 为了在未来可能的战争中处于有利地位 ， 大力发展无人智能装备 ， 提高无人装备的智能水平非常有必要 。
在无人智能装备发展过程中 ， 对其进行等级划分有助于准确衡量当前技术水平 ， 明确下一阶段的研究方向 。 2004年 ， 在美国海军发布的《海军无人水下机器人（UUV）总体规划》中 ， UUV根据载荷量被分为以下4个等级：便携级、轻量级、重量级以及巨型级 。 2007年 ， 在美国海军发布的《海军无人水面艇（USV）总体规划》中 ， 将USV根据作业特点以及尺寸分为：X级、海港级、“斯诺科勒”级以及舰队级 。
然而 ， 仅仅以载荷为标准并不能很好地衡量海上无人装备的性能以及功能特点 。 在未来的海洋战争中 ， 必然需要海上无人装备编队的智能化作业 。 届时 ， 海上装备的智能化水平将是决定其作业能力的关键 。 相比于智能化程度较低的装备 ， 高智能化水平的海上无人装备能够完成更复杂的任务 ， 具备更广泛的作业范围以及更高的任务可靠性 。 目前 ， 各种海上无人装备的智能化水平各有不同 ， 但是 ， 对于海上无人装备的智能水平划分尚缺乏统一的标准 ， 难以指导海上无人装备的智能化发展 。
本文将对海上无人装备的智能演进路线进行规划 ， 这有助于判断我国海上无人装备当前所处的技术水平 ， 明确其智能系统距下一智能等级所欠缺的技术 ， 确定下一阶段的研究方向 。
一、海上无人装备发展现状海上无人装备主要包括USV和UUV 。 相比其他无人装备 ， 海上无人装备起步较晚 ， 而且由于海洋的特殊性 ， 其技术发展较为缓慢 。 但随着技术的不断发展 ， 海上无人装备逐步迎来了一段高速发展的时期 。
USV1898年 ， 著名发明家特斯拉发明了名为“无线机器人”的世上第1艘无人艇 。 到20世纪50～60年代 ， USV初步应用于作战 。 但受技术所限 ， 当时的USV主要用于向敌方发动自杀式攻击 ， 或者作为演习中的海上靶标 。 直到20世纪90年代 ， 无人艇成本低、无人身安全危险以及可长时间值守的优势才开始显露 ， 人们对无人艇的认识逐步加深 。 随着技术的不断发展 ， USV迎来了一段飞速发展的时期 。 在2007年美国海军发布的《海军无人水面艇（USV）总体规划》中 ， 明确了无人艇的7个主要任务：反水雷、反潜艇、海上安全保障、海上作战、特战队作战协助、电子战、水面拦截与火力封锁任务支持 。
如今的USV在反潜、反水雷、情报侦察以及地理勘探等领域均发挥着巨大作用 。 美国海军水下作战联合公司联合法国、新加坡相关公司共同研制的“斯巴达侦察兵”号无人艇属于舰队级无人艇 ， 艇长7～11m ， 最高航速达50kn ， 可持续航行8～48h ， 航程150nmile（最大可达1000nmile） ， 可配备情报侦察、反水雷、精确打击以及反潜共4个任务模块 ， 既支持远程遥控 ， 也支持自主航行 。
以色列研发的“保护者”号艇长11m ， 航速达40kn ， 艇上搭载有多种传感器以及武器装备 ， 并且采用模块化设计 ， 使用轻型材料控制重量 ， 可以添加数种任务模块 。 美国国防部高级研究计划局主导研发的“海上猎人”号USV（图1） ， 艇长40m ， 最高航速可达27kn ， 续航时间长达2～3个月 ， 以反潜并进行持续追踪为主要任务 ， 预计2018年投入使用 。
而我国研发的“天象一号”的续航时间可达20天 ， 能够探测海上气象 ， 在北京奥运会奥帆赛期间顺利完成了任务 。 上海大学研制的“精海”系列无人艇可以完成自主定位、航迹跟踪以及自主避障等任务 。 云洲M80B海底探测无人艇（图2）可成功地在环境恶劣的南极海域完成海底地形测量作业 。
UUV早在20世纪50年代 ， 一些国家就开始了对UUV的研制 。 早期的UUV功能较单一 ， 主要以开发海洋石油和天然气为目的进行研发 。 到上个世纪末 ， UUV技术得到了进一步的发展 ， 其性能更加强大 ， 功能更加丰富 ， 能够完成海底信息探测、协助水下科考、海底管道维修 ， 以及水下长时间潜伏侦察等多种任务 。 许多国家都成立了UUV研究中心 ， 如美国麻省理工学院的AUV实验室、美国海军研究生院智能水下运载器研究中心、日本东京大学机器人应用实验室、英国海事技术中心等 。 而在国内 ， 上海交通大学水下工程研究所、哈尔滨工程大学水下机器人实验室等多个机构也致力于这方面的研究 。
目前 ， 各国针对UUV的研发已有一定的成果 。 美国海军空间和海战系统司令部的无人搜索系统的下潜深度达到了6000m ， 并且能够从深海向水面传输电荷耦合器件视频以及声呐数据 。 美国海军研究办公室资助华盛顿应用物理实验室研发的翼身融合水下滑翔机X-Ray能够很好地探测并跟踪浅水域的低噪声潜艇 ， 拥有长达数月的作业能力 ， 其第2代产品Z-Ray在水动力性能上拥有更优良的性能 。 俄罗斯目前正致力于研发一款能够携带核武器的高速自主式水下机器人 ， 预计续航距离10000km ， 最高航速可达56kn 。 而我国以上海交通大学为首研发的“海马”号遥控水下机器人（ROV）（图3）能够达到4502m的下潜深度 ， 可完成水下布缆、海底沉淀物采样以及海底探测设备布放等任务 ， 并且能够在水下进行部分科学实验 。 哈尔滨工程大学的“智水”系列水下机器人实现了水下自主规划航线和模拟自主清除目标等多项功能 。
二、海上无人装备关键技术从国内外的发展现状可以看出 ， 近年来 ， 海上无人装备技术发展迅速 ， 各项性能不断提升 ， 主要体现为以下技术：设备高可靠性技术、装备模块化技术、海上通信技术、长期续航技术以及人工智能技术等 。 这些技术是海上无人装备能否实现智能化并充分发挥其优势的关键 ， 能够极大地拓展海上无人装备的任务范围 ， 提高作业能力 ， 使得智能化策略更好地得到实现 。
设备高可靠性技术可靠性是指在规定时间内、规定条件下完成规定功能的能力 。 海上无人装备在作业过程中不但会受到风、浪、流等自然环境的影响 ， 还会遭受敌方的恶意干扰 ， 由于没有人能够对其进行维护 ， 一旦发生故障 ， 可能直接导致任务失败 。 因此 ， 如何在恶劣的条件下保证设备的高可靠性至关重要 。
为了提高海上无人装备的可靠性 ， 降低故障率 ， 应当充分分析所有设备的潜在失效模式 ， 根据具体作业环境 ， 对其发生的可能性进行评估 ， 并做出有效的改进或者预防措施 。 同时 ， 不同关键重要度的设备评估标准不同 ， 对于一旦发生故障则会对装备作业产生极大影响的重要设备 ， 应确保其具备足够高的可靠度 。
装备模块化技术装备的模块化对海上无人装备技术的研发有着很大的促进作用 。 一方面 ， 包括传感器、计算芯片等硬件以及智能控制软件在内的船用设备正迅速地更新换代；另一方面 ， 装备本身的演进过程却相对缓慢 。 为了能够及时对无人装备上的设备进行更新 ， 需要对无人装备进行模块化的结构设计 ， 采用“即插即用”型任务模块 ， 对不同设备、组件的接口以及搭载方式进行通用化、标准化处理 ， 以实现设备的即时更新 ， 并降低新设备的更新周期与成本 。


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