無人艇技術研究及在邊海防勤務中的需求分析

徐 強, 焦金星, 李 進

(1.鎮江船艇學院 訓練部，江蘇 鎮江 212000； 2.鎮江船艇學院 裝備系，江蘇 鎮江 212000)

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● 裝備保障 Equipment Support

無人艇技術研究及在邊海防勤務中的需求分析

徐 強1, 焦金星2, 李 進2

(1.鎮江船艇學院 訓練部，江蘇 鎮江 212000； 2.鎮江船艇學院 裝備系，江蘇 鎮江 212000)

為加強邊海防船艇部隊建設，提升邊海防偵查巡邏的效率，構建以無人艇為補充的邊海防水面裝備體系是未來發展的重要方向。在分析國內外無人艇技術研究現狀的基礎上，結合邊海防船艇實際任務需求，論證無人艇研制的必要性，針對未來發展趨勢，提出環境感知技術、自主決策技術、航路規劃技術、船型優化技術和布放回收技術等無人艇關鍵技術。

無人艇；邊海防；勤務

無人艇即無人水面航行器，根據其智能化程度通常可分為遙控型無人艇、半自主型無人艇和全自主型無人艇[1]。無人艇集船舶設計、人工智能、信息處理、運動控制等專業技術為一體，研究內容涉及環境感知、路徑規劃、自主避障、導航技術、中央決策等多個方面，根據其作戰任務的不同，系統采用模塊化設計，通過匹配不同的傳感器和設備，執行情報收集、偵察巡邏、掃雷、反潛、精確打擊、水文地理勘察、中繼通信等任務[2]。

近年來，隨著智能技術的飛速發展和不斷完善，其在無人艇上的應用越來越廣泛。與有人水面艇相比，無人艇具有機動能力強、隱蔽性能好、使用成本低的特點，在軍事領域應用前景非常廣闊。以美國為代表的西方國家對無人艇的發展研究越來越重視。相較于外國，我國對無人艇的研究和應用起步較晚，技術上還有較大差距，因此，盡快研究論證適應其使命任務的無人艇裝備迫在眉睫。

1 國內外無人艇技術研究現狀

1.1 國外無人艇技術研究現狀[3]

美國是最早研究無人艇的國家之一，其無人艇技術處于世界領先水平。2007年美國頒布了《海軍無人水面艇主計劃》，系統規劃了美國未來無人水面艇的發展方向，其研發的多款無人艇大多已進入性能測試階段，有的甚至已經實際部署。其中比較典型的有“斯巴達偵察兵”無人艇，該艇長11 m，載質量1 350～2 250 kg，最高航速50 kn，該艇已經被部署到美國海軍“葛底斯堡”艦艇上，用以執行情報收集、偵察巡邏、精確打擊等任務，并參加了海灣地區的“持久自由行動”等作戰行動。除此之外，美國西風海事公司研制開發的海狐系列無人艇“海狐MK1”“海狐MK2”也已經在美國海軍服役，該艇主要任務有兩個：一是對江河地區進行作戰評估，二是保障遠征部隊執行任務的安全。

以色列的無人艇技術研究水平與美國不相伯仲，得益于其成熟穩定的無人機技術。以色列將無人機技術應用到無人艇的研制開發過程中，取得了不錯的效果，先后推出了多款型號的無人艇。其研發的“保護者”無人艇最為典型，該艇全長11 m，載質量1 000 kg，最高航速為40 kn，已部署以色列海軍，并出口到新加坡等國家。此外，其研究的“海貂魚”無人艇、“銀色馬林魚”無人艇也已經在以色列海軍服役。

其他西方國家也對無人艇加大研究力度，取得了一些成果，比如法國的“檢察員”無人艇、英國的“衛兵”無人艇、德國的“哨兵”無人艇、日本的UMV-H無人艇等都進行了相關性能測試，即將裝備到本國海軍服役。

1.2 國內無人艇技術研究現狀

國內對無人艇的研究相較于國外而言起步比較晚，尚處于初級階段，主要是在國內一些大學或企業進行技術攻關，如哈爾濱工程大學、上海大學等，隨著軍事和民用需求的牽引，近幾年無人艇的研究發展迅速，并取得階段性成果。

哈爾濱工程大學是研究無人艇技術比較早的大學，其研究水平在國內目前處于領先地位。2016年，在吉隆坡舉辦的亞洲防務展上，哈爾濱工程大學公開亮相了一款高速無人艇，此艇是和中國保利集團共同研制的最新成果，該無人艇長13 m，寬4 m，吃水0.6 m，最高航速80 kn，配備高清攝像頭和三維雷達等傳感器，可在預先設定的航行路線上進行定點巡邏，也可自主跟蹤水面目標[4]。

上海大學無人艇研究團隊經過多年的技術攻關，研制開發出精海系列無人艇，主要用于海洋測量：“精海1號”無人艇全長6.28 m，設計吃水0.43 m，最高航速10 kn，續航力大于200 n mile，適用海況為4級；“精海2號”無人艇全長8.5 m，設計吃水0.52 m，最高航速12 kn，續航力200 n mile，適用海況為5級，“精海2號”是“精海1號”的改進型，優化了導航和避障算法，提高了精度和安全性。

云洲智能科技有限公司在第四屆科博會上展示了兩款無人艇——車船一體無人艇、M80海洋測量無人艇。車船一體無人艇可以自動布放回收無人艇，在執行危險或不適于有人船只工作時具有顯著的效果；M80海洋測量無人艇采用特殊船型設計(三體船型和刀鋒式船艏設計)，使得航行更穩、興波更小，M80海洋測量無人艇最大的亮點是全隱身設計，在海浪高于0.5 m的情況下，雷達的有效反射面積僅為0.01 m2，可以在敏感水域進行各種水文、氣象、水下地貌等海洋信息的收集，具有很強的實用價值。

2 邊海防無人艇需求分析

邊海防船艇部隊是我軍的重要組成部分，是維護國家領土安全、擔負國家邊防安全保護的重要力量保證。當前，外軍將無人艇技術應用到軍事領域并且已發揮重要作用，而我國邊海防船艇部隊還沒有相應的無人艇，因此，研制適合邊海防船艇部隊使命任務的無人艇，對于加強邊海防船艇部隊建設，提升武器裝備配置具有重要現實意義[5]。

(1)無人艇將成為邊海防武器裝備的重要組成部分。我國是一個邊海防大國，其中大陸海岸線長1.8萬余千米，廣闊的海岸線對邊海防的水上力量提出了較高的要求。目前，邊海防的偵察巡邏等任務一般是由有人水面船艇裝備執行，面臨著任務重、效率低、保障難等問題。研究以無人艇為補充的邊海防水面裝備成為未來的一個重要方向，以充分發揮無人艇無人化、高效率、高適應性的優勢，結合邊海防的實際情況完成賦予的使命任務。

(2)無人艇可有效遂行海情、水文氣象、海洋調查等多樣化軍事任務。邊防海島是我國海洋領土的重要組成部分，其特點是島嶼水域面積大、島嶼數量多。雖然部分邊防海島的海情、水文氣象可以通過地方獲得，但還不系統、不精確，考慮到獲取數據途徑比較復雜、數據實時性低的情況，因此測量繪制適用邊防海島周邊水域海情、水文氣象數據顯得尤為重要。目前用于測量水文氣象的海洋測量船數量少，測量成本高，并不適應邊海防實時測量、精確測量的要求，研究適應邊海防海情、水文氣象測量的無人艇是未來一個發展方向。

(3)無人艇在高海拔、高寒復雜水域具有較強的適應性。我國的邊海防有一些地區氣候條件非常惡劣，人員工作生活非常艱苦，特別是高海拔、高寒地區，比如新疆的班公湖、黑龍江的佳木斯、黑河等地區的水域，班公湖海拔高達4 242 m，黑河地區水域條件復雜，在這些條件下人員執行邊防巡邏任務就顯得尤為困難，效率相對較低，采用無人艇代替有人船艇裝備進行邊防巡邏執勤是一個較為可行的方案。

(4)無人艇可大大提升邊海防偵察巡邏的全時全域性。邊防偵察巡邏包含兩個部分：一是沿海邊防巡邏，二是界江、界河、界湖的邊防巡邏。目前邊海防船艇部隊執行偵察巡邏任務的船艇裝備主要是偵察艇和巡邏艇，在具體的偵察巡邏過程之中還存在許多問題，具體表現為：邊海防岸線長、水域情況復雜，執行任務的效果不能得到保證，比如全天候、全水域不間斷偵察巡邏難以實現；由于執行任務水域情況比較復雜，偵察巡邏艇無法到達某些特定區域執行任務；靠近鄰國邊界水域的水文環境、情報收集等資料還需要進一步完善；目前的偵察巡邏艇造價比較高，一艘偵察艇或者巡邏艇通常造價都要幾百萬人民幣，同時需要較多的專業操作人員，性價比不高。因此，研制解決上述問題的無人艇迫在眉睫。

3 無人艇未來發展趨勢

(1)功能系統和結構更加注重模塊化。為增強無人艇功能多樣性，對無人艇系統、控制結構實行模塊化設計，根據任務劃分不同的功能模塊，通過匹配功能模塊完成相應的任務。加快系統結構標準化、通用化技術研發進度并且有效控制研發成本，降低設備維修的難度。無人艇在未來也將一直保持這個設計研發特點，但系統結構模塊化的同時要確保系統性能的高可靠性、高穩定性，使無人艇達到最大的使用效果。

(2)無人艇作戰體系趨向網絡化。體系化作戰是未來戰爭的一個重要發展趨勢，基于無人作戰平臺的體系化作戰是未來取勝的重要手段。通過作戰體系網絡化實現無人艇與其他無人作戰平臺協同作戰，才能充分挖掘無人作戰平臺的最大潛能，發揮體系作戰的最大威力。從技術層面講，無人作戰平臺采用統一標準的系統結構設計，配備相同標準的數據傳輸接口。在研發無人艇過程中，要充分考慮無人艇和其他無人作戰平臺無縫連接，共享網絡中其他無人作戰平臺的各種信息數據，形成一個整體，從而達到一體化作戰的效果。美國等西方國家對此已開展相關研究工作。

(3)艇體更加注重隱身性能。隱身性是無人艇的重要性能指標之一，是無人艇在戰場生存的關鍵。國外提高船艇隱身性的研究主要集中在優化艇體設計、開發艇體新材料等方面，從而最大程度地降低雷達和紅外設備監測無人艇的概率。比如以色列的“保護者”無人艇在設計時就充分考慮了隱身性能，采用具有雷達吸波功能的材料制造艇身，小角度傾斜上層建筑和舷側以減小雷達有效反射面積[6]。

(4)續航能力不斷提升。無人艇執行某些特定任務比如巡邏、返潛跟蹤等，對續航能力提出了較高的要求。在提高無人艇續航能力方面，國外主要從能源技術角度著手，如利用轉換器將熱電、熱離子和熱光電子轉化為先進熱機能量，以產生比現有非核裝置所能達到的更高能量密度的混合能量系統[7]。國內對以光能、風能、電能、波浪能等復合能源系統也展開了相關的研究。

4 無人艇關鍵技術研究

無人艇應用技術領域非常廣泛，除了傳統船舶技術，還涉及多項關鍵技術，如環境感知技術、自主決策技術等，甚至還涉及比較熱門的物聯網和大數據技術。根據邊海防使命任務要求，結合國內外無人艇技術研究現狀，下一步邊海防無人艇的研制涉及的關鍵技術主要有以下幾個方面。

(1)環境感知技術。環境感知是基于多傳感器綜合探知外部環境信息的一個過程，環境感知技術是無人艇自主航行的關鍵技術之一。無人艇在執行任務的水域航行時，風浪水流對其影響較大，尤其在惡劣環境船體顛簸的情況下，對水岸線(水天線)檢測、水面浮標識別、障礙物跟蹤等困難重重，這就需要展開環境感知技術研究，比如圖像預處理、濾波、邊緣增強、障礙物檢測等，以及動態背景和低信噪比條件下的目標檢測方法研究，對多傳感器信息進行融合處理，實現目標的跟蹤、檢測、識別與軌跡預測。

(2)自主決策技術。 為提升無人艇的智能化水平，同時拓展多艘無人艇協同作戰能力，對無人艇的自主決策能力提出了較高的要求，從而確保無人艇在獨立執行任務過程中能處理各種情況。自主決策就是一個多傳感器信息綜合處理的過程，基于多傳感器信息融合的自主決策是無人艇實現智能化運動控制的關鍵技術。

(3)航路規劃技術。為了實現無人艇的自主航行，航路規劃技術是必不可少的關鍵技術之一，基于電子海圖和給定航路約束點情況下，無人艇需要自主規劃出一條符合一定原則和約束條件的最優路徑，采用在線規劃時還需滿足實時性要求，此外,無人艇還要解決在動態目標威脅下的局部避碰規劃問題。

(4)船型優化技術。船型技術是提升船艇快速性和穩定性的關鍵技術，目前國外無人艇的船型主要是半潛式船型、常規滑行船型、水翼型船型等：半潛式無人艇的特點是船體大部分在水面以下，和常規船艇相比，其穩定性較高，船體興波阻力較小，但航速較慢，通常在25 kn以下；常規滑行無人艇采用的是V型、深V型或者M型，綜合性能好，航速一般超過20 kn，但船體對負載分布要求較高，因此其穩定性較差；水翼型無人艇相較于上面兩種船型其阻力最小，適航性最高，是一種比較穩定的無人艇，但其缺點也很明顯，就是性價比不高，同時拖拽難度比較大。還有一些其他的船型，包括純排水型船型、穿浪型船型、多體船型等，只適合特定需求，比如美國在研的一款反潛持續跟蹤無人艇，為實現相應的航速和任務需求采用了三體船。

(5)布放回收技術。無人艇能否安全布放回收是實現其價值的關鍵。目前國外采用的技術通常是依托母艦上現有的吊艇架和坡道對無人艇進行布放回收，這種方式在低航速、低海況的情況下非常適用，但在布放回收的過程中需要有人全程參與，因此，其時間較長，安全系數較低，需要人員具備專業的布放回收經驗。在布放回收技術領域，美國的水平最高，發展最快。為解決技術難題，美國海軍開發了助力拖拽吊艙、自動導引鉤錨系統用于輔助人力進行無人艇回收，大大提高了效率和安全系數。另外針對高航速、高海況下無人艇布放回收難的問題，美國密歇根州航空公司通過技術攻關，研制了一款近海戰斗艦充氣式布放回收系統，很好地解決了這一難題。

5 結 語

鑒于無人艇在軍用方面展現出的巨大優勢，無人艇在邊海防執勤中具有廣闊的應用前景。隨著通信技術、人工智能等新技術、新理念的迅速發展，為研究適應邊海防任務的無人艇提供了科技支撐。本文對邊海防無人艇技術進行初步探索，可為下一步研究提供參考依據。

[1] JAMES C. Autonomous mission planning and execution for unmanned surface vehicles in compliance with the marine rulesof the road[M].Washington: University of Washington,2007：285-394.

[2] CORFIELD S J, YOUNG J M. Unmanned surface vehicles-gamechanging technology for naval operations[C].15 in Advances in Unmanned Marine Vehicles, institution of Electrical Engineers,2006:311-328.

[3] VEERS J, BERTRAMV. Development of the USV multi-mission surface vehicle III[C].5th International Conference on Computer Applications and Information Technology in the Maritime Industries, 2006：22-24.

[4] 吳恭興.水面智能高速無人艇的控制與仿真[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2008.

[5] 李家良.水面無人艇發展與應用[J].火力與指揮控制，2012(6):203-207.

[6] 萬接喜.外軍無人水面艇發展現狀與趨勢[J].國防科技，2014(5):91-96.

[7] 何萍，陽明，馬悅.全球海戰機器人[M].北京:解放軍出版社，2012：48-50.

(編輯：孫協勝)

Unmanned Surface Vehicle Technology and Requirement in Border and Coastal Defense Service

XU Qiang1, JIAO Jinxing2, LI Jin2

(1.Training Division, Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212000, China; 2.Equipment Department, Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212000, China)

To strengthen the construction of border and coastal defense boats and promote the efficiency of border and coastal defense investigation logic, the paper establishes border and coastal defense surface vehicle with unmanned surface vehicle as supplement. After analyzing the status of unmanned surface vehicle technology at home and abroad, it proves the necessity of developing unmanned surface vehicle according the actual mission requirements of border and coastal defense boats. Considering future development trend, it also presents some key technologies, such as environment perception, independent decision-making, path planning, ship form optimization, and deploying and recovering technology.

unmanned surface vehicle; border and coastal defense; service

2017-03-01；

2017-04-19．

徐 強(1973—)，男，碩士，副部長.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.06.006

E246

A

1674-2192(2017)06- 0021- 04