无人艇技术研究及在边海防勤务中的需求分析

徐 强, 焦金星, 李 进

(1.镇江船艇学院 训练部，江苏 镇江 212000； 2.镇江船艇学院 装备系，江苏 镇江 212000)



● 装备保障 Equipment Support

无人艇技术研究及在边海防勤务中的需求分析

徐 强1, 焦金星2, 李 进2

(1.镇江船艇学院 训练部，江苏 镇江 212000； 2.镇江船艇学院 装备系，江苏 镇江 212000)

为加强边海防船艇部队建设，提升边海防侦查巡逻的效率，构建以无人艇为补充的边海防水面装备体系是未来发展的重要方向。在分析国内外无人艇技术研究现状的基础上，结合边海防船艇实际任务需求，论证无人艇研制的必要性，针对未来发展趋势，提出环境感知技术、自主决策技术、航路规划技术、船型优化技术和布放回收技术等无人艇关键技术。

无人艇；边海防；勤务

无人艇即无人水面航行器，根据其智能化程度通常可分为遥控型无人艇、半自主型无人艇和全自主型无人艇[1]。无人艇集船舶设计、人工智能、信息处理、运动控制等专业技术为一体，研究内容涉及环境感知、路径规划、自主避障、导航技术、中央决策等多个方面，根据其作战任务的不同，系统采用模块化设计，通过匹配不同的传感器和设备，执行情报收集、侦察巡逻、扫雷、反潜、精确打击、水文地理勘察、中继通信等任务[2]。

近年来，随着智能技术的飞速发展和不断完善，其在无人艇上的应用越来越广泛。与有人水面艇相比，无人艇具有机动能力强、隐蔽性能好、使用成本低的特点，在军事领域应用前景非常广阔。以美国为代表的西方国家对无人艇的发展研究越来越重视。相较于外国，我国对无人艇的研究和应用起步较晚，技术上还有较大差距，因此，尽快研究论证适应其使命任务的无人艇装备迫在眉睫。

1 国内外无人艇技术研究现状

1.1 国外无人艇技术研究现状[3]

美国是最早研究无人艇的国家之一，其无人艇技术处于世界领先水平。2007年美国颁布了《海军无人水面艇主计划》，系统规划了美国未来无人水面艇的发展方向，其研发的多款无人艇大多已进入性能测试阶段，有的甚至已经实际部署。其中比较典型的有“斯巴达侦察兵”无人艇，该艇长11 m，载质量1 350～2 250 kg，最高航速50 kn，该艇已经被部署到美国海军“葛底斯堡”舰艇上，用以执行情报收集、侦察巡逻、精确打击等任务，并参加了海湾地区的“持久自由行动”等作战行动。除此之外，美国西风海事公司研制开发的海狐系列无人艇“海狐MK1”“海狐MK2”也已经在美国海军服役，该艇主要任务有两个：一是对江河地区进行作战评估，二是保障远征部队执行任务的安全。

以色列的无人艇技术研究水平与美国不相伯仲，得益于其成熟稳定的无人机技术。以色列将无人机技术应用到无人艇的研制开发过程中，取得了不错的效果，先后推出了多款型号的无人艇。其研发的“保护者”无人艇最为典型，该艇全长11 m，载质量1 000 kg，最高航速为40 kn，已部署以色列海军，并出口到新加坡等国家。此外，其研究的“海貂鱼”无人艇、“银色马林鱼”无人艇也已经在以色列海军服役。

其他西方国家也对无人艇加大研究力度，取得了一些成果，比如法国的“检察员”无人艇、英国的“卫兵”无人艇、德国的“哨兵”无人艇、日本的UMV-H无人艇等都进行了相关性能测试，即将装备到本国海军服役。

1.2 国内无人艇技术研究现状

国内对无人艇的研究相较于国外而言起步比较晚，尚处于初级阶段，主要是在国内一些大学或企业进行技术攻关，如哈尔滨工程大学、上海大学等，随着军事和民用需求的牵引，近几年无人艇的研究发展迅速，并取得阶段性成果。

哈尔滨工程大学是研究无人艇技术比较早的大学，其研究水平在国内目前处于领先地位。2016年，在吉隆坡举办的亚洲防务展上，哈尔滨工程大学公开亮相了一款高速无人艇，此艇是和中国保利集团共同研制的最新成果，该无人艇长13 m，宽4 m，吃水0.6 m，最高航速80 kn，配备高清摄像头和三维雷达等传感器，可在预先设定的航行路线上进行定点巡逻，也可自主跟踪水面目标[4]。

上海大学无人艇研究团队经过多年的技术攻关，研制开发出精海系列无人艇，主要用于海洋测量：“精海1号”无人艇全长6.28 m，设计吃水0.43 m，最高航速10 kn，续航力大于200 n mile，适用海况为4级；“精海2号”无人艇全长8.5 m，设计吃水0.52 m，最高航速12 kn，续航力200 n mile，适用海况为5级，“精海2号”是“精海1号”的改进型，优化了导航和避障算法，提高了精度和安全性。

云洲智能科技有限公司在第四届科博会上展示了两款无人艇——车船一体无人艇、M80海洋测量无人艇。车船一体无人艇可以自动布放回收无人艇，在执行危险或不适于有人船只工作时具有显著的效果；M80海洋测量无人艇采用特殊船型设计(三体船型和刀锋式船艏设计)，使得航行更稳、兴波更小，M80海洋测量无人艇最大的亮点是全隐身设计，在海浪高于0.5 m的情况下，雷达的有效反射面积仅为0.01 m2，可以在敏感水域进行各种水文、气象、水下地貌等海洋信息的收集，具有很强的实用价值。

2 边海防无人艇需求分析

边海防船艇部队是我军的重要组成部分，是维护国家领土安全、担负国家边防安全保护的重要力量保证。当前，外军将无人艇技术应用到军事领域并且已发挥重要作用，而我国边海防船艇部队还没有相应的无人艇，因此，研制适合边海防船艇部队使命任务的无人艇，对于加强边海防船艇部队建设，提升武器装备配置具有重要现实意义[5]。

(1)无人艇将成为边海防武器装备的重要组成部分。我国是一个边海防大国，其中大陆海岸线长1.8万余千米，广阔的海岸线对边海防的水上力量提出了较高的要求。目前，边海防的侦察巡逻等任务一般是由有人水面船艇装备执行，面临着任务重、效率低、保障难等问题。研究以无人艇为补充的边海防水面装备成为未来的一个重要方向，以充分发挥无人艇无人化、高效率、高适应性的优势，结合边海防的实际情况完成赋予的使命任务。

(2)无人艇可有效遂行海情、水文气象、海洋调查等多样化军事任务。边防海岛是我国海洋领土的重要组成部分，其特点是岛屿水域面积大、岛屿数量多。虽然部分边防海岛的海情、水文气象可以通过地方获得，但还不系统、不精确，考虑到获取数据途径比较复杂、数据实时性低的情况，因此测量绘制适用边防海岛周边水域海情、水文气象数据显得尤为重要。目前用于测量水文气象的海洋测量船数量少，测量成本高，并不适应边海防实时测量、精确测量的要求，研究适应边海防海情、水文气象测量的无人艇是未来一个发展方向。

(3)无人艇在高海拔、高寒复杂水域具有较强的适应性。我国的边海防有一些地区气候条件非常恶劣，人员工作生活非常艰苦，特别是高海拔、高寒地区，比如新疆的班公湖、黑龙江的佳木斯、黑河等地区的水域，班公湖海拔高达4 242 m，黑河地区水域条件复杂，在这些条件下人员执行边防巡逻任务就显得尤为困难，效率相对较低，采用无人艇代替有人船艇装备进行边防巡逻执勤是一个较为可行的方案。

(4)无人艇可大大提升边海防侦察巡逻的全时全域性。边防侦察巡逻包含两个部分：一是沿海边防巡逻，二是界江、界河、界湖的边防巡逻。目前边海防船艇部队执行侦察巡逻任务的船艇装备主要是侦察艇和巡逻艇，在具体的侦察巡逻过程之中还存在许多问题，具体表现为：边海防岸线长、水域情况复杂，执行任务的效果不能得到保证，比如全天候、全水域不间断侦察巡逻难以实现；由于执行任务水域情况比较复杂，侦察巡逻艇无法到达某些特定区域执行任务；靠近邻国边界水域的水文环境、情报收集等资料还需要进一步完善；目前的侦察巡逻艇造价比较高，一艘侦察艇或者巡逻艇通常造价都要几百万人民币，同时需要较多的专业操作人员，性价比不高。因此，研制解决上述问题的无人艇迫在眉睫。

3 无人艇未来发展趋势

(1)功能系统和结构更加注重模块化。为增强无人艇功能多样性，对无人艇系统、控制结构实行模块化设计，根据任务划分不同的功能模块，通过匹配功能模块完成相应的任务。加快系统结构标准化、通用化技术研发进度并且有效控制研发成本，降低设备维修的难度。无人艇在未来也将一直保持这个设计研发特点，但系统结构模块化的同时要确保系统性能的高可靠性、高稳定性，使无人艇达到最大的使用效果。

(2)无人艇作战体系趋向网络化。体系化作战是未来战争的一个重要发展趋势，基于无人作战平台的体系化作战是未来取胜的重要手段。通过作战体系网络化实现无人艇与其他无人作战平台协同作战，才能充分挖掘无人作战平台的最大潜能，发挥体系作战的最大威力。从技术层面讲，无人作战平台采用统一标准的系统结构设计，配备相同标准的数据传输接口。在研发无人艇过程中，要充分考虑无人艇和其他无人作战平台无缝连接，共享网络中其他无人作战平台的各种信息数据，形成一个整体，从而达到一体化作战的效果。美国等西方国家对此已开展相关研究工作。

(3)艇体更加注重隐身性能。隐身性是无人艇的重要性能指标之一，是无人艇在战场生存的关键。国外提高船艇隐身性的研究主要集中在优化艇体设计、开发艇体新材料等方面，从而最大程度地降低雷达和红外设备监测无人艇的概率。比如以色列的“保护者”无人艇在设计时就充分考虑了隐身性能，采用具有雷达吸波功能的材料制造艇身，小角度倾斜上层建筑和舷侧以减小雷达有效反射面积[6]。

(4)续航能力不断提升。无人艇执行某些特定任务比如巡逻、返潜跟踪等，对续航能力提出了较高的要求。在提高无人艇续航能力方面，国外主要从能源技术角度着手，如利用转换器将热电、热离子和热光电子转化为先进热机能量，以产生比现有非核装置所能达到的更高能量密度的混合能量系统[7]。国内对以光能、风能、电能、波浪能等复合能源系统也展开了相关的研究。

4 无人艇关键技术研究

无人艇应用技术领域非常广泛，除了传统船舶技术，还涉及多项关键技术，如环境感知技术、自主决策技术等，甚至还涉及比较热门的物联网和大数据技术。根据边海防使命任务要求，结合国内外无人艇技术研究现状，下一步边海防无人艇的研制涉及的关键技术主要有以下几个方面。

(1)环境感知技术。环境感知是基于多传感器综合探知外部环境信息的一个过程，环境感知技术是无人艇自主航行的关键技术之一。无人艇在执行任务的水域航行时，风浪水流对其影响较大，尤其在恶劣环境船体颠簸的情况下，对水岸线(水天线)检测、水面浮标识别、障碍物跟踪等困难重重，这就需要展开环境感知技术研究，比如图像预处理、滤波、边缘增强、障碍物检测等，以及动态背景和低信噪比条件下的目标检测方法研究，对多传感器信息进行融合处理，实现目标的跟踪、检测、识别与轨迹预测。

(2)自主决策技术。 为提升无人艇的智能化水平，同时拓展多艘无人艇协同作战能力，对无人艇的自主决策能力提出了较高的要求，从而确保无人艇在独立执行任务过程中能处理各种情况。自主决策就是一个多传感器信息综合处理的过程，基于多传感器信息融合的自主决策是无人艇实现智能化运动控制的关键技术。

(3)航路规划技术。为了实现无人艇的自主航行，航路规划技术是必不可少的关键技术之一，基于电子海图和给定航路约束点情况下，无人艇需要自主规划出一条符合一定原则和约束条件的最优路径，采用在线规划时还需满足实时性要求，此外,无人艇还要解决在动态目标威胁下的局部避碰规划问题。

(4)船型优化技术。船型技术是提升船艇快速性和稳定性的关键技术，目前国外无人艇的船型主要是半潜式船型、常规滑行船型、水翼型船型等：半潜式无人艇的特点是船体大部分在水面以下，和常规船艇相比，其稳定性较高，船体兴波阻力较小，但航速较慢，通常在25 kn以下；常规滑行无人艇采用的是V型、深V型或者M型，综合性能好，航速一般超过20 kn，但船体对负载分布要求较高，因此其稳定性较差；水翼型无人艇相较于上面两种船型其阻力最小，适航性最高，是一种比较稳定的无人艇，但其缺点也很明显，就是性价比不高，同时拖拽难度比较大。还有一些其他的船型，包括纯排水型船型、穿浪型船型、多体船型等，只适合特定需求，比如美国在研的一款反潜持续跟踪无人艇，为实现相应的航速和任务需求采用了三体船。

(5)布放回收技术。无人艇能否安全布放回收是实现其价值的关键。目前国外采用的技术通常是依托母舰上现有的吊艇架和坡道对无人艇进行布放回收，这种方式在低航速、低海况的情况下非常适用，但在布放回收的过程中需要有人全程参与，因此，其时间较长，安全系数较低，需要人员具备专业的布放回收经验。在布放回收技术领域，美国的水平最高，发展最快。为解决技术难题，美国海军开发了助力拖拽吊舱、自动导引钩锚系统用于辅助人力进行无人艇回收，大大提高了效率和安全系数。另外针对高航速、高海况下无人艇布放回收难的问题，美国密歇根州航空公司通过技术攻关，研制了一款近海战斗舰充气式布放回收系统，很好地解决了这一难题。

5 结 语

鉴于无人艇在军用方面展现出的巨大优势，无人艇在边海防执勤中具有广阔的应用前景。随着通信技术、人工智能等新技术、新理念的迅速发展，为研究适应边海防任务的无人艇提供了科技支撑。本文对边海防无人艇技术进行初步探索，可为下一步研究提供参考依据。

[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] 吴恭兴.水面智能高速无人艇的控制与仿真[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2008.

[5] 李家良.水面无人艇发展与应用[J].火力与指挥控制，2012(6):203-207.

[6] 万接喜.外军无人水面艇发展现状与趋势[J].国防科技，2014(5):91-96.

[7] 何萍，阳明，马悦.全球海战机器人[M].北京:解放军出版社，2012：48-50.

(编辑：孙协胜)

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 强(1973—)，男，硕士，副部长.

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

E246

A

1674-2192(2017)06- 0021- 04