无人水面艇海洋调查国内应用进展与展望

董 超，刘 蔚，李 雪，陈焱琨

（1.国家海洋局南海调查技术中心，广州510300；2.国家海洋局南海维权技术与应用重点实验室，广州510300）

0 引言

无人水面艇是一种可通过遥控模式或者自主模式在水面航行，并可同步开展军事对抗、环境调查、人员搜救、巡逻侦察等活动的智能化水面机器人。在军事领域，无人水面艇可用于执行海洋战场环境调查、关键海域灭扫雷、海上反潜追踪、海上防护/拦截/打击等任务；在民用领域，无人水面艇可用于执行浅水区海洋环境要素调查、极地冰区海洋环境调查、海上事故应急响应、海上污染区环境监测、海上重要人工构筑物安防巡逻等任务，是未来军民两用的核心装备之一［1］。

海洋调查常面对风高浪急、暗礁丛生等恶劣环境，传统作业手段劳动强度高、安全风险大、作业效率低。与大型水面船舶相比，无人水面艇体积小、重量轻、吃水浅，具备无人、高效等特点，非常适合在浅水区、污染区、极地等复杂海域环境中作业，有助于减轻强度、降低风险、提高效率和节约成本，具有广阔的应用前景。本文从实际应用出发，分析了无人水面艇在海洋调查领域中的优势，总结了国外无人水面艇的应用进展与现状。同时，结合笔者单位在南海海洋调查工作中积累的实践经验，分析了国内无人水面艇的技术水平和应用现状。最后，针对平台优化、载荷集成等方面，提出了现阶段存在的问题和改进建议，并对后续发展进行了展望。

1 海洋调查中无人水面艇的优势

针对传统海洋调查手段的不足，无人、高效等特点使得无人水面艇可有效减轻劳动强度、降低安全风险、提高作业效率和节约调查成本。

1.1 减轻劳动强度、降低安全风险

无人水面艇体积小、质量小、吃水浅，且无需人员随艇作业，非常适合替代传统海洋调查手段执行浅水区（例如海岛礁周边、滩涂区、潮间带等）海域的海洋环境调查。上述海域暗礁丛生，航行安全风险大。同时，受潮汐变化影响，作业时间窗口有限。传统海洋调查手段面临 “大船水浅不敢进、小艇作业太辛苦”的问题。图1（a）所示为南海典型岛礁，礁盘内部水深浅，外沿暗礁丛生。每日高潮期时，时间窗口较短，在低潮期时，外沿礁石大多在水面以上，大型船舶无法进入，只能采用图1（b）所示的人工插杆或图 1（c）所示的小艇趁潮的作业方式。这两种作业方式所面临的工作环境恶劣、劳动强度高，且作业人员须避免由天气、潮汐、海洋生物等引发的安全风险。

图1 浅水区海洋调查技术手段的现状Fig.1 Current status of marine survey techniques in shallow water areas

除浅水区问题外，在极地开展海洋环境调查时，大船在缺少海底地形数据支持的海域航行，安全风险高，极易发生触冰、搁浅等危险。此外，对于遭受石油泄漏、核辐射污染等的海域，传统海洋调查手段也难以开展。上述应用领域皆对无人水面艇提出了迫切需求。

1.2 提高作业效率、节约调查成本

受台风、寒潮等天气因素的影响，近岸海域的海洋调查活动常常需要避风。在等待天气满足作业条件时，“干三天、避两天”的状况非常普遍。以近岸路由勘察项目为例，在水深大于10m的深水区，多采用大船拖带拖鱼、挂装多波束测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪等声学设备的方式开展综合地球物理调查。在水深小于10m的浅水区，多采用小艇搭载单波束测深仪、侧扫声呐等声学设备的趁潮扫海方式。将两种手段结合使用，可获取管道、光缆、电缆等海底人工构筑物的现状。一般情况下，由一艘大船携带1～2条小艇。即便大船与小艇同时作业，日工作量也非常有限，作业效率不高。

在华南沿海地区，每年清明节至6月底期间的海况相对较好，其他月份则台风频发，每个海洋调查活动平均约有1/3的时间浪费在避风上。以近年笔者单位承担的某光缆路由勘察项目为例，该项目在10月～11月开展，期间台风频发。该项目海上总作业时间56天，避风累计时间超过30天，有效作业时间仅为25天，不足总时间的50%。该项目租赁了3000t级的大型海洋调查船开展调查，而受台风影响，由避风产生的船舶和人员开销超过了300万，导致成本大幅上升。

针对上述问题，可采用大船和无人水面艇同步作业的方式，与天气抢时间窗口，提高好天气时的日均作业量，缩短总作业时间，进而达到提高作业效率、节约调查成本的目的。图2为2018年南海某海域海洋环境综合调查的航次现场示意图，图中大船为1艘45m长、500t级的海洋调查船，后甲板空间长为16m、宽为8m，可以携带一艘5.5m长的多波束无人水面艇（红色方框）、3艘1.7m长的单波束无人水面艇（后甲板前部的两个橙色方框）、1艘1.7m长的环境监测无人水面艇（后甲板尾部橙色方框）和1艘5m长的保障小艇。5艘无人水面艇同步开展作业，可有效缩短总作业时间，节省用船成本。同时，多波束无人水面艇的通信距离约为15km，4艘小无人水面艇均具备通信中断下的自主跑线和数据记录功能。在无人水面艇作业期间，大船和保障小艇也可同步开展海洋调查，进一步提高作业效率、降低调查成本。

图2 无人水面艇与大船同步作业能力分析Fig.2 Analysis of synchronization operating capability of USV and large vehicle

2 国外发展现状和应用进展

早在第二次世界大战期间，无人水面艇便已被应用于军事作战领域。在诺曼底登陆战役中，盟军将无人水面艇驶往欺骗海域，释放烟幕剂，造成舰队编队登陆的假象，达到了军事诱骗的目的。20世纪90年代，自主驾驶技术出现并被应用于无人水面艇领域，先进的无人猎扫雷艇开始出现，并逐渐具备了监控、侦察、对抗等多种军事功能。到了现代，随着控制、通信、网络、传感器等技术的不断成熟与完善，无人水面艇的应用需求呈多样化发展，在民用领域中也逐渐得到了应用。在军事领域，较为著名的无人水面艇包括了美国研制的斯巴达侦察兵（Spartan Scout）和海洋猎 手 ACUTV （Anti⁃Submarine Warfare Continuous Trail Unmanned Vessel），以及以色列研制的保护者（Protector），如图 3（a）～ 图 3（c）所示。国外典型的民用无人水面艇如图3（d）～图 3（f）所示。其中，意大利研发的Charlie可用于南极海气界面的观测［2］，同时兼顾浅水区鱼雷探测的军事用途；日本研发的UMV⁃O可用于监控海洋和大气的生物、化学、物理等参数；英国ASV Global公司研制了多系列民用无人水面艇。其C⁃Worker 5型无人水面艇在马航MH370搜救事件中，与无人水下航行器（AUV）实现了协同作业，共同寻找飞机残骸。针对大范围的海洋调查问题，欧美多家企业推出了Wave Glider、Saildrone、C⁃Enduro等超长航程的无人水面艇，如图3（g）～ 图 3（i）所示。通过波浪能、风能、太阳能等可再生能源增强无人水面艇的续航能力，在全球海域进行流场、波浪场、地形、温度、盐度、生物等方面的综合性海洋调查。发展至今，国外无人水面艇平台经历了从自动化到智能化、从单艇作业到集群协同、从军事应用到军民共用的发展历史，平台技术和应用推广也已逐渐走向成熟［3⁃5］。

图3 国外无人水面艇平台的典型代表Fig.3 Typical representatives of overseas USV platforms

3 国内发展现状和应用进展

3.1 技术发展现状

与欧美相比，我国无人水面艇技术起步相对较晚，早期研究多集中于高校、研究所等单位主持的基础研究、型号预研等项目［6⁃9］。2008年，由中国航天科工集团公司和中国气象局大气探测技术中心联合研发的天象一号，是我国首艘投入工程应用的无人水面艇［10］，承担了北京奥运会青岛奥帆赛场比赛海域的水文气象测量任务，获取了风向、风速、水温、气温等多种环境参数数据。自2013年以来，在科技、海洋、交通、环保等行业的持续资助下，上海大学和珠海云洲智能科技有限公司在民用无人水面艇市场中推出了多个系列的海洋调查无人水面艇，逐渐带动了国内无人水面艇市场的成熟发展。在现阶段，我国研制与生产无人水面艇的机构已经超过了100家，典型的无人水面艇包括了上海大学研制的精海系列、哈尔滨工程大学研制的天行一号、华南理工大学研制的波浪推进无人水面艇、中国航天科技集团有限公司九院十三所研制的智探一号、珠海云洲智能科技有限公司研制的瞭望者号、四方公司研制的 SeaFly⁃01 等［11⁃12］，如图 4 所示。在军民应用领域，我国已基本完成了无人水面艇平台在前期技术储备和验证阶段的工作，大规模应用在短期内有望实现。

图4 国内无人水面艇平台的典型代表Fig.4 Typical representatives of USV platforms in China

3.2 应用案例分析

笔者单位具有甲级的海洋测绘、工程勘察和检验检测等资质，拥有各类型海洋声学仪器装备，业务覆盖海洋水文气象观测与调查、海洋地质与地球物理调查、海洋测绘、南海浮标观测网运维、海洋声学调查、海洋无人水面艇应用等多个领域。自2016年起，承担无人水面艇研制与应用领域中的多项国家重大专项，多次在南海海岛礁周边海域开展了无人水面艇性能测试和工程应用工作，取得了大量的研究成果和实测数据。依托《海洋智能无人艇平台技术》项目，获得了 “2016年海洋科学技术奖”特等奖。

本单位在无人水面艇领域中的应用实践主要面向海洋测绘，用于浅水区、极地冰区、海上事故区等海域的海底地形地貌调查。在现阶段，无人水面艇搭载的声学设备的量程大多小于300m，水深数据质量和自主导航精度评价依照《海道测量规范》GB12327⁃1998和《海洋工程地形测量规范》GB17501⁃1998开展，细则如下：

1）在《海道测量规范》 GB12327⁃1998中，关于水深测量主检比对不符值限差的要求如下：“水深为0m～20m时，为0.5m；水深为20m～30m时，为0.6m；水深为30m～50m时，为0.7m；水深为50m～100m时，为1.5m；水深大于100m时，为水深的3%，超限的点数不得超过参加比对的总点数的15%。”

2）在《海洋工程地形测量规范》GB17501⁃1998中，关于水深测量精度的误差规定如下：“在深度测量中，当水深小于或等于20m时，深度测量中的误差小于或等于±0.2m；当水深大于20m时，深度测量中的误差为所测深度的±1%。”

3）在《海道测量规范》 GB12327⁃1998中，关于偏航的规定如下：“测深线间隔不超过规定间隔的1/2”，即无人水面艇实际航线与计划航线间的偏差小于相邻计划测线间隔的1/2。

3.2.1 小型单波束无人水面艇的海底地形测绘

2016年4月，使用小型单波束无人水面艇获取了南海海岛礁周边4个区块、合计70km的水深数据，如图5所示。调查区块的最大水深小于40m，水深较浅处不足1m，且存在干出礁石，大船无法作业。作业的无人水面艇长 2.5m、宽 1.4m、高0.6m、质量为120kg、吃水0.5m，在浅区航行相对安全。在作业期间，海况为三级，以4.5节～5.5节的航速航行，水深数据质量和自主导航精度满足规范要求：

1）主检比对点共83个，其中测量到的水深值超限点4个，超限比例为4.8%，小于限差15%的要求，满足《海道测量规范》GB12327⁃1998中对于水深测量精度的要求。

2）水深小于20m的对比点为47个，测量中误差为±0.2m；水深大于20m的对比点为36个，测量中误差为±0.22m，满足《海洋工程地形测量规范》GB17501⁃1998中对于精度的要求。

图5 2016年4月南海海岛礁作业Fig.5 Island reef operation in South China Sea at Apr 2016

3）在作业过程中，测线间隔为50m，实际航线与计划航线的最大偏差小于3.5m，如图6所示。图中，绿色实线为计划测线，蓝色圆圈为实际测线。

图6 小型单波束无人水面艇自主导航性能示意图Fig.6 Schematic of autonomous navigation performance of small-sized simple beam USV

3.2.2 中型多波束无人水面艇海底地形测绘

2016年9月，使用2条中型多波束无人水面艇开展了南海海岛礁周边水下地形测绘综合性能测试工作，全面验证了无人水面艇的安全性、准确性、快速性、远距离等性能，如图7所示。调查区块的最大水深小于300m，最浅处约为10m。其中，无人水面艇 A长5.65m、宽2.4m、高2.9m、质量为1.1t、吃水0.5m，搭载Reason T50p多波束，波束个数为512个；无人水面艇B长6.28m、宽2.86m、高3.3m、质量为2.6t、吃水0.45m，搭载Kongsberg EM 2040多波束，波束个数为400个。在作业期间，无人水面艇经历了1～4级4个等级的海况，累计获取了150km的多波束数据。利用Caris软件的QC Report功能对检查线和主测线间的误差进行分析，水深数据质量和自主导航精度满足规范要求：

1）无人水面艇A使用全波束采集主测线数据，使用256个中央波束采集检查线数据，主检比对仅对256个中央波束数据进行了分析，发现符合2级标准检查点的比例超过了99%。

2）无人水面艇B采用全波束采集主测线和检查线数据，除去质量较差的边缘波束，符合2级标准检查点的比例超过了99%。

3）在作业过程中，测线间隔为50m～300m，实际航线与计划航线的偏差大多位于5m～20m之间，最大偏差小于30m，大多落在测线间隔的10%之内，如图8所示。图中，绿色实线为计划测线，蓝色圆圈为实际测线。

图7 2016年9月南海海岛礁作业Fig.7 Island reef operation in South China Sea at Sep 2016

图8 中型多波束无人水面艇自主导航性能示意图Fig.8 Schematic of autonomous navigation performance of medium-sized multi-beam USV

3.2.3 多无人水面艇同步作业海底地形测绘

2018年9月，携带1艘中型多波束无人水面艇和3艘小型单波束无人水面艇开展了南海海岛礁周边水下地形测绘性能测试工作，验证了多艇同步作业技术。调查区块的最大水深小于45m，最浅处约为5m。中型无人水面艇长5.5m、宽2.5m、高2.9m、质量为1.2t、吃水0.5m，搭载 Reason T50p多波束，波束个数为512个。小型单波束无人水面艇长 1.7m、宽 0.8m、高 0.4m、质量为0.04t、吃水0.2m，搭载 SDE⁃18+单波束测深仪。在作业期间，1艘中型多波束无人水面艇和2艘小型单波束无人水面艇同时进行下水作业，将另1艘小型无人水面艇作为备份，用时3天，累计获取了280km测线的多波束数据和86km测线的单波束数据。经评价，水深数据质量和自主导航精度均满足相关规范的要求。

4 存在问题与发展建议

无人水面艇由艇体平台、控制系统、通信系统、感知系统、保障系统、交互系统、任务系统等部分组成，其核心关键技术集中于导航、制导与控制［1］。本文结合海洋调查的特点，重点分析无人水面艇在平台优化、载荷集成、感知避障、布放回收、协同作业等方面存在的问题，并提出建议。

4.1 平台优化

作为搭载设备执行海洋调查的设备的载体，无人水面艇的自身性能对于数据质量而言至关重要。海洋调查大多使用声学设备，对载体的航向保持、姿态稳定性等提出了较高的要求。以某3t级无人水面艇为例，在3级海况下，艇体的横摇（roll）经常超过了10°，在部分时候超过了15°，这导致了多波束回波数据的不完整。对于无人水面艇而言，自主导航精度（实际航线与计划航线间的偏差）是一项非常重要的考核指标，可反映无人水面艇在导航、制导与控制方面的综合性能。但对于多波束测量而言，自主导航精度并非越高越好，其在固定的偏差范围内保持航向稳定更为重要。若因追求精度而频繁调整航向，导致平台姿态稳定性下降，反而适得其反。对侧扫声呐、浅地层剖面仪、合成孔径声呐等地形地貌探测设备，同样需优化设备在航向稳定方面的性能。

此外，声学设备对载体的振动和噪声提出了较高的要求。为实现低振动和低噪声，双体结构、电动双推进器、声学设备中线挂装入水的结构为最优，这也是目前市面上中小型无人水面艇采用最多的平台布局。与单体结构相比，双体结构低速稳定性好，利于开展声学调查，但其负载空间相对有限。电力推进振动小、噪声低，但其续航力较差，在高负载时续航力较差的劣势尤为明显。单从续航力的角度出发，采用柴油或油电混合的推进方案更优。综合上述分析，研制海洋调查无人水面艇应综合海区特点、功能定位、载荷特性、经费预算等因素，全面考虑艇体结构、能源动力、载荷布局等的最优设计方案，以优化平台性能。

4.2 载荷集成

目前，针对无人水面艇开发的专用型载荷较少，大多数设备的安装方式与大船相同。无人水面艇载荷集成的优化空间非常大，以集成单波束测深仪为例，传统的集成方法如下：

1）在无人水面艇端，加装单波束测深仪的探头和工控主机，以及GPS定位设备。

2）在控制基站端，通过通信链路远程访问无人水面艇端工控主机的远程桌面，进行单波束测深仪的设置与数据采集。

3）在控机基站端，通过FTP服务等方式远程下载水深数据。

上述集成方式实现简单，但缺点明显。首先，工控主机厚重的显示屏和机箱对无人水面艇而言非必要，其额外负重将导致无人水面艇的航速下降、续航力降低；其次，稳定、可靠的通信链路是使用远程桌面操控无人水面艇端设备的必要条件，这对于中小型无人水面艇而言难以实现。目前，市面上大多数中小型无人水面艇搭载的通信系统仅能保证2km的可靠通信距离。通信失连后，无人水面艇端的声学设备将处于失控状态。针对以上两方面的问题，可以从以下几方面完善载荷集成方式：

1）优化工控主机的体积和质量，或者将单波束的控制功能以芯片方式集成至无人水面艇的核心控制模块内。

2）使用时间戳同步技术，将单波束测深仪采集的水深数据和GPS获取的位置信息进行同步打包，将信息存储在无人水面艇端的存储器内。

3）在无人水面艇端架设断点续传服务器，保证通信链路通畅时的数据下载。

4）对下载完毕的数据段，在控制基站通过数据回放程序复现数据采集过程，对数据进行解析和进行标准格式存储。

上述集成方式可有效降低载荷的体积和空间，并保证通信失连后的数据自主采集。对于多波束测深仪、侧扫声呐等设备，该集成思路同样有效。但受进口设备软硬件接口封闭因素的影响，该集成思路目前在国产化程度低的设备上难以实现。除此之外，艇端声速采集、分层水样采集、艇载智能绞车等功能的实现与优化，对于载荷集成也非常重要。

4.3 感知与避障

目前，无人水面艇的感知与避障主要通过雷达、视觉、声学等技术实现［1］。雷达存在近端盲区，故其仅适用于远端目标，且易受海况、海面反射、平台晃动等因素的影响。视觉传感器适用于近端目标信息的获取，其对远端目标的成像质量较差，且易受雨、雾、浪花、平台晃动等因素的影响。对于水下目标感知，避障声呐等声学设备是当前唯一可行的技术手段，但因声学图像信噪比低、解译难度大等因素的影响，避障声呐等声学设备的应用效果欠佳。针对高海况、障碍物场复杂的海洋环境，尚无有效的感知与避障方案。基于多传感器信息融合的环境感知和智能避障，是未来重点关注的研究方向。

4.4 布放回收

布放回收直接影响着无人水面艇的操作难度和安全等级。常见的布放回收方式包括侧吊式、A型架式、滑道式、抛缆式、托架式、船坞式等［13］。各种方式的优缺点不一，需结合应用特点选择最佳的布放回收方式。在实际应用中，若无人水面艇属于大船标配，与大船同步建造，则建议参考船载救生艇和快艇的设计思路，为无人水面艇配备专用布放回收系统，以便于后期的操作与维护。若无专业母船支持，建议使用后甲板船舷低、A型架净宽大的母船，以便于人工操作脱钩、捕获、解缆、系缆等，降低布放回收难度。

4.5 协同作业

单一无人水面艇的功能和效率相对有限，多艇协同和多平台协同作业技术可进一步提高无人水面艇的作业效率和数据采集精度。对水深较浅的海域，将多条小型单波束无人水面艇进行组网协同测量，可提高高潮期间的作业量，缩短任务执行周期。对于水深极浅、包含大量干出礁石的海域，无人机和无人水面艇协同作业技术的应用价值较高——无人机负责干出礁石区域，无人水面艇负责航行安全区，二者可协同测量并一体化成图。对于需要高精度海底地形测量的应用问题，可将AUV携带声学设备贴底采集高精度的海底地形地貌，由无人水面艇为AUV提供水下定位和通信支持。上述协同作业技术的发展，可进一步拓展无人水面艇的应用领域。

5 结论与展望

针对海洋调查的应用难点，本文详细分析了我国无人水面艇的最新进展，并对未来技术的发展方向进行了展望。经多年持续投入，我国海洋调查无人水面艇的自主导航、智能控制、远程通信、人机交互、载荷集成等技术已基本成熟，并已逐渐开展了对复杂海洋环境下的环境感知、智能避障、协同作业等技术的探索。应用实践表明，在四级海况内（含四级）使用无人水面艇开展海底地形地貌调查，水深数据质量和自主导航精度均满足行业规范的技术要求，具备进入大规模工程应用的条件。除海底地形地貌调查外，针对物理海洋、海洋生物化学等领域的研究与应用相对较少。除此之外，我国在基于可再生能源的长航程无人水面艇的研制与应用方面滞后，尚不具备使用无人水面艇开展全球综合性海洋调查的技术能力。在未来发展过程中，须加大上述两方面的研制与应用力度，进一步推动我国海洋调查无人水面艇平台技术的进步与发展。