基于物聯網的水面無人艇技術體系和系統功能架構的研究

謝慧　楊忠　吳有龍　顧娟

摘 要：為了滿足水面無人艇（USV）對軍用、民用的任務需求，基于物聯網技術提出了水面無人艇系統的五級技術體系架構模型，并對模型中各層功能結構進行詳細討論。分析了水面無人艇系統的功能需求，設計出水面無人艇系統功能框架圖，提出加強基本功能系統的通用化和標準化研發，為用戶提供多樣性應用。最后指出了基于物聯網技術的水面無人艇技術存在的風險，為水面無人艇統一系統架構的設計提供參考。

關鍵詞：物聯網;水面無人艇;技術體系;功能架構;RFID;5G

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2020）03-00-03

0 引 言

水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）作為一種智能化、無人化水面平臺，既可用在情報收集、監視偵察、海事巡航、島礁測繪等方面，提高我國海上作戰能力[1-4]，也可用在水體監測、預警救災、智能航運等方面[5-7]。一方面，USV功能和應用范圍在不斷拓寬，對物聯網、通信技術等方面的要求越來越高[8];另一方面，物聯網技術的迅速發展也促進了USV在軍事、民用領域的應用。

文獻[9-10]對USV的發展現狀和應用進行了分析，對無人艇的基本技術特點進行了總結，提出了無人艇應向著智能化、標準化方向發展;文獻[11]設計了基于物聯網的USV智能航行控制系統，實現了無人艇遠程控制和監測等功能。盡管國內無人艇的研究進展迅速，但仍然存在問題：目前USV類別多樣，承擔的任務不同，缺乏統一系統架構，不符合未來USV的發展趨勢[12]。本文提出了基于物聯網的水面無人艇五級技術體系架構和系統功能框架，為USV統一系統架構提供參考。

1 系統結構部署

基于物聯網的USV技術體系架構如圖1所示，共分為五層：感知層、網絡層、數據層、應用層和用戶層。每層之間和層內部的數據傳輸和處理都要遵守標準規范體系，同時為了保證系統運行的可靠性和安全性，要有統一完善的安全保障體系[13]。

1.1 感知層

感知層主要由RFID、傳感器、氣象測量儀、流速測量儀、水深測量儀、雷達等感知設備提取水域信息、地理信息、氣象信息、水質信息、系統自身運行狀態等，并將采集到的基礎信息上傳至網絡層。

1.2 網絡層

網絡層包括互聯網、微波通信、衛星通信、GPRS、4G、5G [14]等，通過網絡層接收感知層傳來的信息，甚至多個USV進行協同任務時，相互之間可以實現聯網。我國在5G技術方面已經取得了國際領先地位，5G通信技術在傳輸速率、網絡覆蓋性等方面優勢明顯，必將為USV技術的發展提供良好契機。

1.3 數據層

數據層主要用以收集、匯總從感知層和網絡層傳來的各類位置信息數據、氣象數據、水深數據、水質數據等，為應用層提供數據支撐，并對數據庫進行大數據分析、同構化處理，將處理的結果通過應用層提供給用戶層。對感知層的異常數據進行處理，如對特定區域的非法入侵船只和USV進行識別和報警。

1.4 應用層

應用層主要通過數據層傳來的數據啟動各種應用系統，包括系統的集成和遠程控制平臺，用于將各類USV的預警監測、警戒巡邏、情報偵察等應用服務信息進行整合集成，實現信息共享和無人艇集群的協同配合，根據所處情勢的緊急級別和任務的優先級別自主確定應采取的措施，如避障、待命、返回等，替代操作人員。

1.5 用戶層

用戶層主要是通過電腦、手機等設備，根據用戶需求將應用層的結果推送給目標用戶完成相應操作。操作人員可以通過該層對USV的狀態進行監測，實現火力控制、回收布放、設備維修等操作。

2 無人艇系統功能框架

2.1 功能需求分析

基于物聯網的USV功能需求如圖2所示。

（1）環境感知需求

USV的感知層配備多種傳感器，可以探測外部環境，有效執行氣象調查、水質調差、海情研究等多種民用和軍事任務，特別是獲取邊防島嶼和鄰國邊界附近的水域信息較為復雜，利用環境感知來測量水文氣象信息和規劃航行線路尤為重要。在水域航行時，無人艇會受惡劣天氣和風浪的影響，艇體顛簸的情況下執行跟蹤、巡邏、避障等任務變得更加困難，需要對感知層多種信息進行融合處理，利用環境感知技術完成任務。

（2）通信需求

無人艇可在海上作戰時擔任網絡信息平臺，為用戶層提供通信信息，配合導航系統對特定目標進行定位跟蹤，根據母艦收到的威脅信號，裝載相應的通信設施，傳輸實時信號至母艦，為己方的飛機、無人機、船只、母艦等提供定位引導和掩護，同時可以壓制敵方通信信號，或者發出信號干擾敵方的判斷。

（3）數據分析功能需求

USV根據預設值或自主算出的指令，對當前位置信息、運行狀態進行綜合判斷，實現自主避障和自主巡航。從感知層傳出的數據顯示航線上有障礙物或者水深較淺時，無人艇改變航線，自主避障，以保證航行的安全。在執行偵察任務時，對偵察數據進行初級處理，并將結果傳給用戶層，用戶層根據目標的位置變化指揮無人艇編隊變更路線方向和偵察目標。

（4）視頻功能需求

無人艇根據感知層的傳感器和攝像機對目標進行識別和監控，通過上傳的視頻觀察、分析、篩選、鎖定目標，最終對目標實現搜索和追蹤，為應用層提供支撐信息，可應用到預警監測、警戒巡邏等海警執法中。無人艇可以移動完成監控任務，將核電站、水電站、跨海大橋等重要區域拍攝的視頻信息及時傳輸到總控臺，克服了攝像頭安裝位置固定，鏡頭容易被破壞的風險，無人艇在海上巡航時，如果拍攝到可疑人員和不明物體時，用戶層根據視頻對無人艇做出指示，使無人艇逃離或者繼續跟進拍攝更清晰的視頻，便于在執法過程中更加智能可靠地采取行動。

（5）智能控制需求

無人艇有多種雷達、通信、環境采集模塊，根據預先設定好的航線航速，可以將無人艇卸載到指定區域，同樣也可以設置好回收布放的路徑，在無人艇檢測到闖入的不明威脅信號之后，立即向用戶層發送報警信息，同時可以智能控制無人艇，對目標實施跟蹤定位，對不法分子進行政策性喊話，對違法犯罪行為實施武力打擊，實現海上安全管理。

2.2 系統功能框架

結合USV系統的功能需求，為確保各類功能的實施應用，如圖3所示，可將USV系統功能框架分為基本功能系統和實用功能系統?；竟δ芟到y是為了保證USV安全航行和應用的基本功能所開發設計的系統，包括控制系統、導航定位系統、通信系統、視頻監控系統、能源驅動系統、測距避碰系統等。實用功能系統是根據軍用、民用范圍內常見應用設計的系統，包括水質檢測、水域監測、智能救援、自主滅火、武力打擊等系統。

2.2.1 基本功能系統

（1）控制系統

控制系統是USV的核心系統，是無人艇的“大腦”，為了實現各功能需求，各傳感器感知外部環境、接收數據并分析后傳遞給控制系統，控制系統的性能關系到整個無人艇系統的可靠性，目前應用較多的控制器有PLC、單片機等。

（2）導航定位系統

導航定位系統具有使用精度高、性能好、定位快等特點，可以為USV提供行駛方向、航行速度、實時定位等信息，更快、更準確地獲取無人艇的實時位置，為無人艇的安全性能提供保障。

（3）通信系統

USV在水上執行任務時，需要與基站通信，通過各類傳感器和有線、無線網絡實現各無人艇與基站間的信息交換。但是目前沒有統一的通信協議，建立規范的通信協議有助于無人艇的兼容協作。隨著物聯網技術的迅速發展，音頻、視頻等格式的數據通信需求越來越大，在5G技術、云計算、大數據研究應用的背景下，無人艇的智能化程度會越來越高。

（4）視頻監控

通過攝像頭、發射機和接收機完成視頻的實時監測和采集工作，并完成視頻實時圖傳。夜晚或者無人艇行駛到光線暗的區域時拍攝的視頻不清晰，就需要安裝具有紅外補光功能的攝像頭，同時存儲拍攝的視頻，以供管理人員回看。

（5）能源驅動

能源驅動系統為USV提供航行的動力，對航行時間和續航能力有較高要求，隨著環境污染的加重，綠色能源的發展潛力被關注，海上有足夠多的風能、波浪能和太陽能，獲取穩定和持續的能源動力才能保證無人艇用電系統的可靠。

（6）測距避碰系統

USV在自主航行過程中保持一定的安全距離和避開障礙物尤為重要，需要靠自身來感知障礙，通過測距避碰系統快速測量出障礙物的位置、距離和移動方向，將光學、聲學等多種避碰方式有效結合以克服盲區，為無人艇的智能航行提供安全保障。

2.2.2 實用功能系統

實用功能系統主要是針對特定功能開發出的系統，用來增強USV功能的多樣性，滿足用戶的多樣化需求。某些區域較為偏遠、環境惡劣，不適合人工監控和檢測，或者人為執行任務會存在安全風險，USV 可以高效、零人員傷亡地代替執行任務。把USV、物聯網技術和基本功能系統相結合，設計出無人艇水質檢測、水域監測、智能救援、自主滅火、武力打擊等實用功能系統，因此加強基本功能系統的通用化和標準化技術研發以降低實用功能系統的研發成本，更好地為用戶提供多元應用。根據無人艇的應用可劃分不同的功能系統，通過各功能系統來完成無人艇的各項應用，確保系統性能可靠穩定，使無人艇的使用效率和效果得到顯著提高。

3 新技術存在的風險

物聯網技術的發展使得萬物互聯成為可能，加快實現了USV的智能化，但也存在一定的安全隱患。

（1）感知層設備可靠性

感知層數據信息是整個物聯網的基礎，直接影響應用層和用戶層的應用和決策部署。USV執行任務時經常面臨惡劣、不可控的環境，傳感終端的損壞會直接導致物聯網信息失控。

（2）網絡的安全問題

USV的傳感器節點需要部署在無人實時看守的環境中，導致物聯網更容易受到網絡攻擊，除了一般的信息泄露、篡改數據等風險之外，還面臨傳感節點信息被攻擊者截獲從而控制網絡，對無人艇的功能加以利用的威脅。

（3）數據傳輸與處理故障

物聯網中感知層的傳感節點數量大、種類多。在通過網絡層傳輸到數據層時，容易造成網絡堵塞，數據層處理數據的能力不足，導致系統的智能性受到影響。

（4）云計算等技術的滲透

云計算等現代信息技術的發展加速了物聯網的進程，但是數據可能會被云服務巨頭公司獨占，對無人艇的軍用、民用方面功能加以干預或者泄露相關信息，存在一定的安全隱患。

4 結 語

隨著物聯網技術的不斷發展，以及USV在軍用、民用方面的迫切需求，USV各項功能系統的研究得到了廣泛關注。本文介紹了基于物聯網的USV系統結構部署，分析了USV的功能需求，以需求為牽引，歸納出無人艇系統功能框架，提出加強基本功能系統的通用化和標準化研發，降低研發成本，為用戶提供多樣性應用，最后提出新技術存在的風險，為USV統一系統架構提供參考。

參 考 文 獻

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