智能水下應(yīng)急通信一體化探討

李從改，劉 鋒，徐涴砯，姜?jiǎng)倜?/p>

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

海洋應(yīng)急通信是指在海洋環(huán)境中出現(xiàn)緊急情況時(shí)的通信，是通信的一種特殊類型。緊急情況包括但不限于：自然災(zāi)害（例如臺風(fēng)、地震、海嘯）出現(xiàn)時(shí)的告警與救援、事故（例如艦艇碰撞、飛機(jī)失事）發(fā)生后的搜救，及常規(guī)通信基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急通信等。海洋應(yīng)急通信能夠支撐緊急情況下的應(yīng)急管理，保障人類生命與財(cái)產(chǎn)安全，是實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略和海上絲綢之路的重要技術(shù)手段。

由于人類活動(dòng)主要集中于陸地，陸上應(yīng)急通信技術(shù)獲得了較多研究與應(yīng)用，海洋應(yīng)急通信技術(shù)相對較少。早在1975年就出現(xiàn)了海底防噴器應(yīng)急通信聲學(xué)系統(tǒng)[1]，以支持石油的安全開采；近來又出現(xiàn)了基于水聲的應(yīng)急通信技術(shù)[2]，但都基于單一通信方式。最近，面向6G的空天地[3-4]一體化框架，出現(xiàn)了基于空天地海一體化[5]的海上應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)[6]，可以為海事活動(dòng)提供重要的信息技術(shù)保障。由于空天地海框架主要集中于水面及以上場景，又出現(xiàn)了空天地水[7]或空天地海潛等一體化概念，增加了對水下場景的考慮。因?yàn)榫o急情況所涉及的空間范圍往往由水面延伸至水下，故需要對水下應(yīng)急通信的一體化展開研究。但這方面還沒有出現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)資料。

海洋互聯(lián)網(wǎng)[8]是陸地互聯(lián)網(wǎng)在海洋環(huán)境中的延伸，覆蓋水下、水面和空中，其思想是綜合利用一切可用通信資源，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，并根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整組網(wǎng)方法以滿足應(yīng)用需求。后來，海洋物聯(lián)網(wǎng)[9]的概念被提出，進(jìn)一步增加了感知功能。海洋互聯(lián)網(wǎng)能成為空天地海潛一體化系統(tǒng)和海洋物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)平臺，可以作為海洋應(yīng)急通信的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，海洋物聯(lián)網(wǎng)可以提供海洋應(yīng)急通信所需的感知功能。

本文針對海洋應(yīng)急通信一體化的水下部分展開研究，基于海洋互聯(lián)網(wǎng)和海洋物聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行場景和需求分析，介紹其中關(guān)鍵技術(shù)，并對其智能化進(jìn)行了闡述。可以為水下應(yīng)急通信系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行提供參考，補(bǔ)全海洋應(yīng)急通信一體化水下部分的版圖。

1 場景分析

1.1 場景與需求

顧名思義，水下應(yīng)急通信是指水下區(qū)域發(fā)生緊急情況下使用的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，一般存在一個(gè)水上或水下指揮中心，在了解現(xiàn)場情況后下發(fā)相關(guān)指令，并根據(jù)最新情況進(jìn)行決策；同時(shí)在水下區(qū)域存在多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，協(xié)同感知現(xiàn)場情況并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)給指揮中心，同時(shí)協(xié)同完成指揮中心下發(fā)的相關(guān)任務(wù)。為簡單起見，我們稱指揮中心到現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)之間的通信為下行，節(jié)點(diǎn)到中心之間的通信為上行，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)之間的通信為并行。根據(jù)業(yè)務(wù)情況，下行數(shù)據(jù)量一般不大，上行數(shù)據(jù)量往往較大，故存在顯著的上下行不對稱。

根據(jù)緊急情況發(fā)生地點(diǎn)，可以分為2種場景：近海、遠(yuǎn)海。前者離陸地較近，可用的通信技術(shù)和系統(tǒng)較多，包括：岸基通信基礎(chǔ)設(shè)施、海底觀測網(wǎng)、水下傳感網(wǎng)、水下自組網(wǎng)等，可以綜合使用有線、無線電磁波、水下聲/光/磁等通信方式；后者遠(yuǎn)離陸地，可用的通信技術(shù)和系統(tǒng)較少，包括艦艇間通信網(wǎng)、水下自組網(wǎng)等，主要采用水聲/光等無線通信方式。此外，水上部分的通信資源也應(yīng)該能夠提供一定的支持，例如衛(wèi)星、飛機(jī)、熱氣球、無人機(jī)等，特別是水面節(jié)點(diǎn)（例如船舶、浮標(biāo)等）將是重要的網(wǎng)關(guān)，可以提供水下與水上通信之間的轉(zhuǎn)換[10]。在一些情況下，空中節(jié)點(diǎn)可以和水下節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行跨介質(zhì)通信[11]。這2種場景中，近海應(yīng)急通信是重點(diǎn)，因?yàn)槟壳叭祟愃禄顒?dòng)仍然主要集中于這個(gè)區(qū)域。

根據(jù)發(fā)生緊急情況的空間范圍，可以分為小范圍與大范圍2種場景。對于小范圍的情況，一般可以使用較少的通信資源即可完成相關(guān)任務(wù)；對于大范圍的情況，往往需要調(diào)用較多的通信資源，建立多個(gè)現(xiàn)場指揮中心及總指揮中心，進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)度并通過協(xié)作才能完成相關(guān)任務(wù)。

根據(jù)目標(biāo)位置是否確定，還可以分為位置已知與位置未知兩種場景。如果位置已知，即便是大范圍，也可以直接開展相關(guān)任務(wù)；如果位置未知，還必須先確定目標(biāo)位置，才能進(jìn)行下一步的處理。例如水下搜救時(shí)，如果目標(biāo)位置不確定，必須先找到目標(biāo)，這將導(dǎo)致搜索范圍擴(kuò)大、搜索時(shí)間延長等問題，可能會影響到最終搜救效果。在尋找目標(biāo)時(shí)，往往需要一邊定位一邊對目標(biāo)進(jìn)行識別，可以考慮水下通信+定位+識別一體化技術(shù)[12]。一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，還需要通過定位和導(dǎo)航功能趕赴現(xiàn)場，這就對通信+定位+導(dǎo)航一體化[13-14]提出了需求。

此外，如果事故的位置范圍已知，但不清楚具體情況，那么往往需要首先了解現(xiàn)場情況，才能進(jìn)一步布置后續(xù)相關(guān)任務(wù)。這就需要網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點(diǎn)具有現(xiàn)場感知能力，可以通過海底觀測網(wǎng)或水下傳感網(wǎng)獲得空間狀態(tài)信息，也可通過水下探測+通信一體化[15]技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。如果需要，還可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有水下探測+通信+控制一體化[16]的節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行后續(xù)控制任務(wù)。

1.2 性能指標(biāo)

對于水下應(yīng)急通信而言，其總體要求是：快速、可靠、安全地完成任務(wù)相關(guān)的指令下發(fā)、現(xiàn)場情況上報(bào)，協(xié)同感知現(xiàn)場，輔助控制現(xiàn)場并完成相關(guān)任務(wù)。

對于水下應(yīng)急通信的具體評價(jià)，可以基于以下性能指標(biāo)。

首先，有效性方面主要是數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，特別是上行鏈路要提供足夠高的容量，例如支持語音、圖片、乃至視頻傳輸，以便指揮中心掌握足夠詳盡的信息。

其次，可靠性方面主要是誤碼率，特別是下行鏈路應(yīng)該提供高可靠性，以確保指揮中心的指令正確地傳遞到現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)。

最后，安全性方面的指標(biāo)較多，包括完整性、可用性、機(jī)密性、可控性、抗抵賴性等。水下應(yīng)急通信主要涉及前3項(xiàng)。

對于上述指標(biāo)，不同的應(yīng)用場景有不同的優(yōu)先級，可以根據(jù)需要進(jìn)行具體設(shè)定。例如民用情況下主要考慮有效性和可靠性，可靠性優(yōu)先；軍用則必須優(yōu)先考慮安全性，然后是可靠性，最后才是有效性。但在整體上，應(yīng)該保證一定的有效性，特別是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要足夠低，這樣才能有充分的時(shí)間來完成應(yīng)急任務(wù)。

2 體系結(jié)構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

水下應(yīng)急通信應(yīng)該通過水上節(jié)點(diǎn)與海上應(yīng)急通信相融合，構(gòu)成完整的海洋應(yīng)急通信系統(tǒng)，并接入空天地海一體化體系。下面僅針對水下應(yīng)急通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行討論。

如果應(yīng)急處理范圍內(nèi)剛好被海底觀測網(wǎng)所覆蓋，那么可以直接利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施完成相關(guān)通信任務(wù)，此時(shí)指揮中心可以不用部署在海面上，通過陸上通信即可完成指揮調(diào)度。如果指揮中心剛好在海面上，那么可以通過衛(wèi)星、岸基、船艦等無線通信方式與觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)中心相連。下面考慮指揮中心在水域中，且必須通過水下方式與水下節(jié)點(diǎn)通信的情況。圖1給出了水下應(yīng)急通信示意圖。指揮中心可以同時(shí)通過各種通信方式與不同實(shí)體進(jìn)行信息交互，包括：與水下節(jié)點(diǎn)通過水下通信鏈路，與其他水面節(jié)點(diǎn)水面通信鏈路。此外，指揮中心還可以通過空天通信鏈路與衛(wèi)星、飛機(jī)等進(jìn)行通信，形成水上+水下聯(lián)合一體化體系。

圖1 水下應(yīng)急通信示意圖Fig. 1 Schematic diagram of underwater emergency communication

如果是小范圍內(nèi)的淺海應(yīng)急通信，最簡單的是采用星型拓?fù)洌兴鹿?jié)點(diǎn)均直接單跳與指揮中心進(jìn)行通信，此時(shí)甚至采用有線方式也是可能的。如果水下節(jié)點(diǎn)之間還需要相互通信，那么可以采用自組網(wǎng)的方式進(jìn)行無線聯(lián)通。如果是深海情況，超過單跳通信能力，則需構(gòu)建多跳網(wǎng)絡(luò)。

如果涉及范圍較大，需要較多水下節(jié)點(diǎn)，可以采用水下傳感網(wǎng)的方式來構(gòu)建，將水下信息匯聚至指揮中心。當(dāng)涉及范圍超出一定程度時(shí)，僅使用水下節(jié)點(diǎn)往往難以勝任，此時(shí)需要部署 1個(gè)或多個(gè)水面節(jié)點(diǎn)來收集其鄰近海域數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給指揮中心。

2.2 工作機(jī)制

根據(jù)緊急情況的時(shí)空分布情況，可以確定水下應(yīng)急通信系統(tǒng)的工作機(jī)制。

在近海區(qū)域，人類活動(dòng)較多，緊急情況分布程度較為密集，也有較多現(xiàn)成通信基礎(chǔ)設(shè)施可用。為了統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，需要預(yù)先部署好應(yīng)急通信工作機(jī)制，臨時(shí)性征調(diào)相關(guān)通信資源來完成應(yīng)急任務(wù)。正常情況下，這些網(wǎng)絡(luò)工作在常規(guī)模式，完成各自的工作；緊急情況下，這些網(wǎng)絡(luò)將切換為應(yīng)急模式，優(yōu)先處理應(yīng)急相關(guān)任務(wù)。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋的地方，還需要進(jìn)行必要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，或者通過臨時(shí)部署通信節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)覆蓋。

在遠(yuǎn)海區(qū)域，人類活動(dòng)主要是遠(yuǎn)洋航行，可以在主要航線下鋪設(shè)海底光纜，或者利用現(xiàn)有海底光纜獲取基礎(chǔ)設(shè)施支持。由于海洋面積/體積太大，只能通過無線方式進(jìn)行全海域通信覆蓋。普通模式下，可以進(jìn)行粗顆粒度的通信能力部署；應(yīng)急情況下，需要針對部分海域進(jìn)行細(xì)顆粒度的重點(diǎn)覆蓋。因此，遠(yuǎn)海區(qū)域的應(yīng)急通信往往需要通過臨時(shí)部署通信節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)覆蓋，且節(jié)點(diǎn)一般具備機(jī)動(dòng)能力，可以根據(jù)需要在水下改變位置從而實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)。

由于設(shè)計(jì)目標(biāo)不同，在緊急情況發(fā)生時(shí)，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的工作機(jī)制與普通網(wǎng)絡(luò)有顯著區(qū)別。例如水下自組網(wǎng)和水下傳感網(wǎng)一般需要優(yōu)先考慮提升系統(tǒng)能量效率以延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。但是，應(yīng)急通信時(shí)以信息傳輸為首要目標(biāo)，能量消耗不再是首要問題。

2.3 節(jié)點(diǎn)類型

除了現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，水下應(yīng)急通信系統(tǒng)中包括指揮節(jié)點(diǎn)、水面節(jié)點(diǎn)和水下節(jié)點(diǎn)。

指揮節(jié)點(diǎn)通常安裝在船舶、潛艇、飛機(jī)上，需要匯集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指揮調(diào)度，一般配置足夠強(qiáng)大的通信、計(jì)算、存儲及顯示能力。

水面節(jié)點(diǎn)可以配置在浮標(biāo)上，具備水下水上 2種通信能力，通過匯聚水下數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給指揮中心。

水下節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，是水下應(yīng)急通信的主要執(zhí)行者。基于海洋互聯(lián)網(wǎng)和海洋物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)概念，水下節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者，也是數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)者。同時(shí)水下節(jié)點(diǎn)還可以是應(yīng)急相關(guān)任務(wù)的控制者和執(zhí)行者。水下節(jié)點(diǎn)的能力可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 節(jié)點(diǎn)多模通信及功能一體化技術(shù)

應(yīng)急通信中節(jié)點(diǎn)需要具備較強(qiáng)的通信能力以支持多種通信方式，包括：有線、電磁波、水聲、光、磁等，即支持多模通信。在普通模式下，可以選擇其中1種通信方式。在應(yīng)急模式下，根據(jù)任務(wù)情況，可能需要啟用多種乃至全部通信方式。針對不同的任務(wù)，節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)地選擇合適的通信方式，并對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理融合。如何為節(jié)點(diǎn)配置合適的通信能力并進(jìn)行最優(yōu)的選擇是其中的關(guān)鍵問題。

除了通信能力，節(jié)點(diǎn)也應(yīng)該具有其他功能，例如定位、導(dǎo)航、感知、探測、識別、控制等。根據(jù)不同的應(yīng)急通信場景和具體任務(wù)情況，可以選配其中一些或全部功能。這些功能可以獨(dú)立配置，也可以考慮一體化設(shè)計(jì)。前者相對簡單，只需在節(jié)點(diǎn)上加載相關(guān)模塊，但成本較高、體積較大，相互之間也可能產(chǎn)生潛在干擾，同時(shí)會加重能量的消耗問題。后者技術(shù)上相對復(fù)雜，但可以減小體積、降低干擾和能耗及成本。如何為節(jié)點(diǎn)配置合適的功能并進(jìn)行協(xié)調(diào)是其中的關(guān)鍵問題。

3.2 網(wǎng)絡(luò)快速機(jī)動(dòng)部署技術(shù)

由于海域過于寬廣，突發(fā)緊急情況海域周圍可能完全沒有或沒有足夠的節(jié)點(diǎn)來完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。此時(shí)需要通過機(jī)動(dòng)手段（例如運(yùn)輸機(jī)）將節(jié)點(diǎn)運(yùn)送至特定地點(diǎn)并進(jìn)行投放，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速機(jī)動(dòng)部署。投放的節(jié)點(diǎn)還需根據(jù)目標(biāo)任務(wù)完成進(jìn)度情況實(shí)時(shí)調(diào)整位置，任務(wù)完成后還可能需要對相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回收。如果任務(wù)執(zhí)行期較長，節(jié)點(diǎn)能量不足時(shí)，可能的應(yīng)對技術(shù)方案包括：節(jié)點(diǎn)脫離任務(wù)進(jìn)行充電或更換電池、節(jié)點(diǎn)失效、重新補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)等。

如果涉及海域附近正好有可用機(jī)動(dòng)節(jié)點(diǎn)群，此時(shí)通過系統(tǒng)調(diào)度來遷移相關(guān)節(jié)點(diǎn)就成為一種可行的低成本方案。這需要網(wǎng)絡(luò)管理/感知功能及時(shí)跟蹤了解系統(tǒng)中所有通信資源的時(shí)空分布和使用情況，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效調(diào)度。具體各節(jié)點(diǎn)如何遷移將是其中關(guān)鍵問題，需要盡快完成新網(wǎng)部署，同時(shí)避免碰撞或過度耗能，這樣節(jié)點(diǎn)才能在應(yīng)急通信中發(fā)揮作用。

3.3 網(wǎng)絡(luò)模式快速切換技術(shù)

在常規(guī)情況下，水下傳感網(wǎng)或水下自組網(wǎng)通常是基于能量效率或生命周期來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的。但是在應(yīng)急模式下，網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是盡快完成相關(guān)任務(wù)，而無需考慮能量效率，此時(shí)應(yīng)該及時(shí)調(diào)整組網(wǎng)方法以滿足應(yīng)用需求。網(wǎng)絡(luò)各層，特別是路由協(xié)議、MAC協(xié)議及物理層信號處理，需要配置2種模式下的協(xié)議棧，并根據(jù)任務(wù)需求快速切換工作模式。切換后需要妥善處理正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以便緊急情況結(jié)束后恢復(fù)常規(guī)模式時(shí)從斷開點(diǎn)繼續(xù)。

切換時(shí)，還需要確定涉及范圍，即哪些節(jié)點(diǎn)需要切換、哪些節(jié)點(diǎn)無需切換。在范圍邊緣的節(jié)點(diǎn)可能需要進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)隨時(shí)待命。隨著時(shí)間的推進(jìn)，該范圍可能增大或縮小，故需解決自適應(yīng)切換問題。

3.4 水上+水下聯(lián)合一體化技術(shù)

海洋應(yīng)急通信系統(tǒng)包括水上和水下2部分。如果涉及范圍僅在其中之一，各自進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)可以分別解決水上空間和水下空間的應(yīng)急通信問題。但一些緊急情況往往同時(shí)涉及水上空間與水下空間，因此還需要進(jìn)行水上與水下2部分的聯(lián)合一體化設(shè)計(jì)，才能滿足應(yīng)急系統(tǒng)的實(shí)際需要。此時(shí)，2個(gè)空間之間的信息交互和任務(wù)協(xié)作將更為頻繁和復(fù)雜。如果水上和水下緊急情況關(guān)系密切，水上和水下指揮中心合二為一將是更好的選擇。這種情況下，指揮中心應(yīng)該同時(shí)了解水上和水下現(xiàn)場情況，然后進(jìn)行協(xié)調(diào)相關(guān)資源完成應(yīng)急處理任務(wù)。

在空天地海潛一體化的框架下，針對海洋應(yīng)急通信的一體化內(nèi)涵如圖2所示。根據(jù)上文內(nèi)容整理形成水下部分的內(nèi)涵，水上應(yīng)急通信一體化內(nèi)涵目前還未形成確切描述，故在圖中用省略號表示，但可參照水下部分進(jìn)行類似分析。

圖2 應(yīng)急通信一體化內(nèi)涵示意圖Fig. 2 Schematic diagram of emergency communication integration connotation

4 智能化

隨著人工智能的又一次浪潮，基于學(xué)習(xí)的解決方案在通信與網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面都獲得了應(yīng)用，這使得通信與網(wǎng)絡(luò)具有了智能。相較于傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于學(xué)習(xí)的方法可以處理更為復(fù)雜的問題，且方法具有通用性，因此越來越受到重視。

目前，智能方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水聲通信[17]、水下光通信[18]、空天地一體化[19]、水下無人系統(tǒng)[20]等。海洋應(yīng)急通信也需利用學(xué)習(xí)方法進(jìn)行智能化，以更好地服務(wù)于應(yīng)急管理。

4.1 學(xué)習(xí)方法

機(jī)器學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)人工智能的重要方法，使用算法來解析數(shù)據(jù)、從中學(xué)習(xí)，從數(shù)據(jù)中自動(dòng)分析獲得規(guī)律，并利用規(guī)律對未知數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，或?qū)φ鎸?shí)世界中的事件做出決策。面向大數(shù)據(jù)環(huán)境，機(jī)器學(xué)習(xí)使用大量的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練，通過各種算法從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)如何完成任務(wù)[21]。按學(xué)習(xí)方式分，機(jī)器學(xué)習(xí)可分為：監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)采用深度的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，是當(dāng)前熱門的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型衍生出一些新的學(xué)習(xí)方法，例如強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)[22]、深度監(jiān)督學(xué)習(xí)等。深度學(xué)習(xí)及其衍生方法已在許多領(lǐng)域取得了優(yōu)異成果。

但是深度學(xué)習(xí)仍然存在著魯棒性和泛化性較差、難以學(xué)習(xí)和適應(yīng)未觀測任務(wù)、極其依賴大規(guī)模數(shù)據(jù)等問題。元學(xué)習(xí)方法[23]為解決上述問題提供了新的思路。元學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)，可以模仿生物利用先前已有的知識來快速學(xué)習(xí)新的知識。這與實(shí)現(xiàn)通用人工智能的目標(biāo)相契合，可以實(shí)現(xiàn)更高級別的智能。

4.2 智能水下應(yīng)急通信

對于水下應(yīng)急通信，可以利用上述機(jī)器學(xué)習(xí)和元學(xué)習(xí)方法在以下方面進(jìn)行智能化。

首先是水下通信技術(shù)的智能化，包括協(xié)議各層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，乃至應(yīng)用層。可以先對某種通信技術(shù)進(jìn)行智能化，然后再對多模通信和多種通信技術(shù)的融合進(jìn)行智能化。

其次是水下節(jié)點(diǎn)功能的智能化，包括各項(xiàng)功能：通信、定位、導(dǎo)航、探測、識別、控制等。分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的智能化，然后實(shí)現(xiàn)多種功能一體化的智能化，使得節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要智能地調(diào)整自身功能。

再次是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃/部署/調(diào)度的智能化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和推理，判斷各類緊急情況發(fā)生的時(shí)空分布概率，根據(jù)節(jié)點(diǎn)能力和數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃、部署和調(diào)度，使得網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)需要智能、機(jī)動(dòng)地組網(wǎng)。

最后是任務(wù)執(zhí)行的智能化。針對各種緊急情況，智能地找到最合適的應(yīng)急處理方案，并通過水下應(yīng)急通信一體化系統(tǒng)智能地執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。同時(shí)，實(shí)時(shí)感知海域空間中的狀態(tài)變化，智能地對通信和控制進(jìn)行機(jī)動(dòng)靈活的調(diào)整應(yīng)對。

4.3 實(shí)用案例

下面試舉幾個(gè)水下及水上通信在智能化應(yīng)用方面的實(shí)例，說明智能水下應(yīng)急通信一體化的可行性。

水聲通信具有傳播衰減較小、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、廣域水下通信的主要方式。由于水聲通信的長傳播時(shí)延特性，傳統(tǒng)媒體訪問控制協(xié)議設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且存在效率不高等問題。文獻(xiàn)[24]提出了一種新的基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的水聲網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議，其中一個(gè)采用該協(xié)議的代理節(jié)點(diǎn)與其他采用傳統(tǒng)協(xié)議的節(jié)點(diǎn)共存。協(xié)議代理學(xué)習(xí)利用水聲通信中固有的大傳播時(shí)延，通過同步或異步傳輸模式提高系統(tǒng)吞吐量。深度 Q學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于同步和異步協(xié)議代理，以學(xué)習(xí)最優(yōu)策略。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真證明了該協(xié)議獲得的性能增益。

水下光無線通信具有傳輸速率高、超寬帶、低延遲等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為遠(yuǎn)程控制和傳感等許多應(yīng)用的一個(gè)有吸引力的解決方案。由于惡劣的水下條件，水下光無線通信面臨著諸如吸水、散射和定點(diǎn)捕獲與跟蹤問題等挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的解決方案基于預(yù)定義的模型，假設(shè)對環(huán)境有充分的了解，不能最佳地處理水下的動(dòng)態(tài)性。文獻(xiàn)[25]提出了基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的波束自適應(yīng)方法，優(yōu)化了光的光束寬度和光束方向。提出的基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的解決方案產(chǎn)生了光源的最佳定位和波束寬度，并提高了通信鏈路的成功率。與4種不同的水下環(huán)境（包括純凈海水、清潔海洋、沿海海洋和混濁港口）的不確定性圓盤靜態(tài)方法相比，它們還保證了在信噪比方面更好的鏈路質(zhì)量。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息服務(wù)的空間范疇不斷擴(kuò)大，各種天基、空基、海基、地基網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不斷涌現(xiàn)，對多維綜合信息資源的需求也逐步提升。空天地一體化網(wǎng)絡(luò)可以為陸海空天用戶提供無縫信息服務(wù)，滿足未來網(wǎng)絡(luò)對全時(shí)全域全空通信和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的需求。文獻(xiàn)[4]針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)性高、資源高度約束等問題，提出了基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化框架，以進(jìn)行高效快速的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化與管控。同時(shí)給出了實(shí)例分析，闡明了利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)行空天地一體化網(wǎng)絡(luò)智能接入選擇的方法。并通過搭建空天地一體化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，解決了網(wǎng)絡(luò)觀測稀疏與訓(xùn)練數(shù)據(jù)難以獲取的問題，極大地提升了強(qiáng)化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練效率。文獻(xiàn)[19]分析了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)主要挑戰(zhàn)，并解釋了人工智能如何解決這些問題。然后，以衛(wèi)星流量平衡為例，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的方法來提高流量控制性能。仿真結(jié)果表明：深度學(xué)習(xí)技術(shù)是一種提高空天地一體化網(wǎng)絡(luò)性能的有效工具。

水下無人系統(tǒng)是目前探索、開發(fā)和利用海洋資源的主要裝備之一。隨著應(yīng)用需求的增加以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，水下無人系統(tǒng)的智能化逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對水下無人系統(tǒng)智能化的水下通信、智能集群以及水下智能仿生等關(guān)鍵技術(shù)，文獻(xiàn)[20]回顧了當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，指出當(dāng)前水下無人系統(tǒng)智能化亟待突破的大容量/遠(yuǎn)距離條件下的高速率/高靈敏度信息傳輸、水下仿生機(jī)器人智能驅(qū)動(dòng)與控制、大規(guī)模協(xié)同及復(fù)雜海況下控制理論等技術(shù)難點(diǎn)。并對未來水下無人系統(tǒng)智能化的研究方向做出提高水下通信效率、加強(qiáng)智能化等級及開發(fā)更先進(jìn)材料的展望。

目前，我國在海洋資源勘探開發(fā)、維權(quán)執(zhí)法、領(lǐng)海/領(lǐng)空保護(hù)任務(wù)日益繁重且難度巨大，迫切需要借助海洋智能裝備提升我國海洋信息收集和安全保障能力。由多個(gè)無人艇（USV）、自主式水下機(jī)器人（AUV）或無人機(jī)（UAV）等無人平臺組成的、以信息交互為手段、以分布式信息處理和決策控制為特征的集群系統(tǒng)逐漸成為海洋信息收集和安全保障領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。相較于單個(gè)無人艇，無人艇集群系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對水面目標(biāo)的多角度觀測和水下合作目標(biāo)的大范圍協(xié)同定位。文獻(xiàn)[26]以集群通信為基礎(chǔ)，全局協(xié)同搜索策略和局部協(xié)同搜索策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對任務(wù)區(qū)域的均衡覆蓋搜索、水面目標(biāo)探測和水下合作目標(biāo)的協(xié)同定位。在動(dòng)態(tài)分區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)中，利用 K-中心聚類算法獲得了分區(qū)內(nèi)集群中最優(yōu)聚類個(gè)數(shù)及其簇首。在動(dòng)態(tài)全區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)中，提出了改進(jìn)的鏈路開銷計(jì)算方法，利用蟻群算法完成了分區(qū)間信息傳遞的最優(yōu)鏈路路徑計(jì)算。在集群個(gè)體間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信的基礎(chǔ)上，針對大范圍多島礁和復(fù)雜海底地形區(qū)域的搜索任務(wù)，提出了射線法分區(qū)劃分算法，將任務(wù)區(qū)域劃分成一系列搜索分區(qū)，構(gòu)建了分布式USV集群協(xié)同區(qū)域搜索的多目標(biāo)任務(wù)模型，并通過納什均衡實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的集群全局協(xié)同搜索。經(jīng)過全局層面的策略協(xié)同后，USV進(jìn)入到被分配的分區(qū)內(nèi)進(jìn)行水面目標(biāo)搜索和水下合作目標(biāo)定位，由于不同傳感器的觀測噪聲存在差異，利用最小二乘支持向量機(jī)回歸方法構(gòu)建了集群通用傳感器置信度模型。在USV集群局部協(xié)同搜索過程中，針對USV集群對環(huán)境的認(rèn)知以及各個(gè)USV行動(dòng)的結(jié)果高維動(dòng)態(tài)不確定性和耦合性問題，以搜索圖作為協(xié)同變量，提出了基于分布式馬爾科夫決策過程的集群局部協(xié)同搜索策略。海試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示此協(xié)同策略降低了USV集群協(xié)同過程中個(gè)體間的沖突，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)內(nèi)水面目標(biāo)的探測和均衡覆蓋搜索。USV集群不僅需要對水面目標(biāo)進(jìn)行搜索，還需對跨介質(zhì)異構(gòu)無人集群系統(tǒng)中的AUV進(jìn)行水聲協(xié)同定位。但水聲信號易受環(huán)境干擾而產(chǎn)生數(shù)據(jù)失真問題，為此提出了最佳融合位置估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)了對失真數(shù)據(jù)的過濾。針對集群協(xié)同定位中不同估計(jì)位置間存在水聲時(shí)差信息重用問題，提出了基于微分熵的改進(jìn)最佳融合位置估計(jì)算法，提高了對AUV位置估計(jì)的精度。

5 結(jié)束語

水下應(yīng)急通信是海洋應(yīng)急通信的重要組成，對其進(jìn)行一體化與智能化具有重要的價(jià)值。通過對場景進(jìn)行分析，確定了基本需求和性能指標(biāo)，進(jìn)一步討論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸ぷ鳈C(jī)制，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分類，對潛在的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了具體闡述，并對水下應(yīng)急通信的智能化進(jìn)行了討論。