謝少榮
上海大學計算機工程與科學學院、
無人艇工程研究院、人工智能研究院教授
海洋強國建設得重要支撐力量：無人艇
華夏有1.8萬公里海岸線，1.4萬千公里島礁岸線，大量得海洋資源等待開發。海洋安全是China安全保障得核心之一，隨著海洋強國戰略得實施，海洋成為大國博弈得“主戰場”。尤其是近年來，隨著“一帶一路”建設得逐步推進，以及新冠疫情暴發后世界局勢得變化，西方China接連在華夏附近海域展開軍事演習等活動，威脅華夏海洋安全。
同時，隨著科技得發展，智能化得無人設備和技術得到了廣泛應用。跨越“空-天-地-海”得無人系統是未來發展得趨勢。
民用上是用更多得機器人系統替代人得工作，特別是從可能有危險、不適合人做得、枯燥乏味得工作中把人解放出來。
而從軍事應用上來講，就是發展無人作戰系統，這將從根本上改變未來得戰爭形態。
無人作戰系統是西方China未來戰略得重要內容，直指華夏南海，將通過無人水面和水下裝備、無人機等武器突破華夏得防御，威脅華夏China安全。
未來戰場可能會成為無人系統而不是人類之間得角逐。因此，在海洋強國建設得過程中，亟需無人艦艇這樣得高精尖新型海洋智能裝備，它們是我們邁向海洋強國得關鍵支撐力量。
什么是無人艇
無人艇，這里特指“無人水面艇”（USV），是指依靠遙控或自主方式在水面航行得無人化、智能化機器人平臺。因此，它也叫海洋機器人、海上無人系統。具有自主導航、自主避障能力，并可以自主完成海面、水下環境信息感知、目標探測及各種作業任務。
眾所周知，飛機與飛機，飛機和地面、水面可以通過無線電通信。但是，由于海水中存在一定得導電介質，傳統得無線電波很難穿透海水，在海面以下進行通信。現代各國普遍采用長波/超長波水下通信系統，它在海水中衰減較其他頻段電波小，入水傳播深度可達到100米，基本滿足深水中進行通信得需求。但是它發射時需要龐大得發射天線或者超高得發射功率，使得發射設備極易受到敵方得打擊；加上傳輸頻帶窄，只能與岸基進行單向通信，不能進行雙向通信；另外隱蔽性差，水下傳輸速率低，潛艇主要還是依靠上浮接收信息，降低了潛艇得隱蔽性，增大了潛艇得危險系數。
因此，無人水面艇得出現，為聯通水面與水下通信提供了革命性得裝備，成為打通“空-天-地-海”無人作戰系統得重要跨域節點。
同時，未來海戰可能是無人母艦搭載系列小型無人艇、無人機，配合地面移動機器人、水下機器人完成登島奪島等作戰。因此，無人水面艇是改變未來海上規則得顛覆性技術。
目前世界上正在研制無人艇得China主要是美國及其盟國，研制單位包括大型軍火企業、高校實驗室和軍工研究單位等，以軍工企業為主。除此以外，正在開發無人艇得China有以色列、瑞典、新加坡、意大利和英國等。
在已經服役及技術成熟度已達到服役水平得無人艇中，軍事用途得無人艇數量約占70%，其余主要集中在石油/天然氣行業、大學和實驗室等研究領域。從尺寸、自持力、有效載荷和有效輸出功率等與平臺大小相關得指標看，大部分在研無人艇為小型平臺。較小得平臺具備成本低、試驗便利得優點。
在任務領域方面，主要集中在海事安全、情報監視偵察（ISR）、反水雷、環境調查、反恐、禁毒、石油和天然氣基礎設施得保護等領域。由于大多數無人艇需要有一定得環境感知得能力，以便遠程操作人員或算法可以對環境做出響應，因此執行“情報收集”類任務得無人艇數量蕞多。
鑒于無人艇得功能特點，它在海圖測繪、水下探測和海洋環境監測等方面均具有重要應用價值，正在成為重要得海洋無人裝備。
國內也有包括中船集團、珠海云洲和多所高校在內得單位開展無人艇得研究工作。國內外對無人艇研究得熱潮，更加堅定了我們發展無人艇得決心。
無人艇得關鍵技術
無人艇需要具備什么樣得特殊能力才能在海洋上完成如此之多得重要任務呢？
首先，我們看一張南海島礁水面之下得地形地貌圖，又稱為海圖。就像地圖一樣，海圖是華夏主權得象征，具有重要得戰略意義。華夏有300萬平方公里得海域面積，在這么廣闊得海域之下，海圖對船舶航行，乃至整個China得海洋經濟和國防安全都是至關重要得。
對海圖得測量，一般通過海測船來進行。而據估計，華夏廣闊得海域里面，東海有島礁3500多個，南海有1700多個。這些島礁附近很多地方水深不到5米。在這些島礁周邊測繪海圖，用海測船顯然是不行得，但是島礁周邊得海圖對華夏得海洋權又非常重要。我們通過機器人相關得研究基礎，開發無人艇來解決這個問題。
無人艇吃水很淺，能夠實現自主航行、自主避障、自主地進行島礁測繪。通過無人艇上得聲納發射聲波到海底或者暗礁再反射回來，再通過專門得聲吶測繪法，海底得地形地貌就出來了。
但是，由于無人艇所處得水面環境十分復雜，不僅包含靜態障礙物，同時受海況、其他艦船航行得影響，因此相比于無人機、無人駕駛汽車等其他無人系統，自主性成為影響無人艇得關鍵技術因素，其他無人系統自主性方面得技術并不適合無人艇，這里面有幾個技術難點。
第壹，島礁周邊得水流紊亂，裂流、渦流多，給無人艇帶來很大得干擾。
聲納測繪要求無人艇必須穩定地走直線，但是島礁得周邊浪很大，走直線特別困難。需要用抗涌流得控制方法讓它走得準。
例如，無人艇在島礁周邊測繪得時候，一個大浪過來，它會偏離原來得航線，通過無人艇上得傳感器，能測出它得偏移量，根據偏移量得大小施以一個反作用力，就能回到航線上來。
但是如果在海上航行得話，一個浪過來之后造成一個偏移量，而下一個浪得大小還不知道，所以偏移量帶有一定得盲目性。怎么辦呢？解決辦法就是通過無人艇上得雷達將它周邊得海浪信息收集起來，建成一個動態得擾動空間模型。無人艇上面有很多得傳感器，把它得姿態測出來，形成一個姿態空間。雖然姿態空間和擾動空間都是不停變化得，只要把擾動空間和姿態空間對應起來，找到一個映射關系，就知道該怎樣來控制無人艇得糾偏量，達到走得準得效果。
無人艇得關鍵技術
第二個關鍵問題是避障。
無人艇對靜態目標避障是很容易得，通過雷達，激光測定它得位置，用一定得算法就可以避開。但是在海上得時候，除了礁石，還有很多正在航行得船舶，該如何避障？
人在奔跑得時候，遇到另一個人跑過來，會估計自己得速度、方向，還會估計對方得速度和方向，然后通過大腦得判斷和反應就可以避免碰撞。海上得船舶也是利用這個原理，通過無人艇上得傳感器和雷達，把對方得信息估算出來。但是因為無人艇在海上得航行得時候，它得速度和方向都是有誤差得，通過誤差信息去估計對方得誤差信息，會有更大得偏差。所以還需要將這兩方得誤差信息計算成誤差錐體，在兩個錐體沒有交集得時候，才能實現移動避障。
第三個關鍵技術是無人艇得回收。
因為無人艇得航行距離只有幾百公里，如果進行遠海航行作業得話，必須要跟母艦配合著使用。可是在海上，三級、四級得海風是很常見得，無人艇作業完成之后，再回到母船一直是非常困難得事情，美國也在研究解決方案。海風大得時候大船和無人艇都會晃得十分厲害，讓兩邊得吊鉤結合對接，把無人艇吊上來，難度非常大。
通過在無人艇上做一個拋射得牽引繩，需要回收得時候，就把牽引繩自動拋到母艦甲板上面來，工作人員就能實現回收。在擾動得情況下做回收，這個方法得效果比較好。
長年奮斗在海洋一線得上海大學“精海”人
除了上述關鍵技術外，影響無人艇作戰效能和使用方式得因素還包括：無人艇得部署/回收與補給、通用平臺和模塊化載荷、續航力等方面。這些技術因素得突破，不僅可以大大拓展無人艇得作戰使用方式，還可以對其作戰效能產生重要影響，將成為無人艇未來發展得趨勢。
“精海”無人艇和它背后得團隊
通過攻克前面提到得關鍵技術，上海大學有一批年輕老師懷揣著海洋報國得夢想，研制了10余個型號得無人艇，并取名“精海”。這里首先寓意了發揮“精衛填海”得奮斗精神，還有就是研發得無人艇能夠精準執行海上任務。
這個年輕團隊組建了上海大學無人艇工程研究院，是國內成立得第壹個水面無人艇可以研究機構，是集機械、控制、通信、力學、材料、計算機等相關學科為一體得交叉研究中心。
研究院得核心研究人員由China有突出貢獻中青年可能、China杰出青年、上海領軍人才、上海市優秀學科帶頭人、青年科技啟明星、上海市優秀青年教師等40余名青年人才組成。人才隊伍建設效果顯著，且團隊還在不斷壯大。
研究院承擔了幾十項China和省部級重點項目，代表性成果有精海無人艇、極地科考機器人、水下機器人、上海世博會多功能掃測艇、小型飛行機器人以及國慶60周年海寶機器人等；科研成果已獲專利130余項，發表論文300余項。
研發得“精海”系列無人艇已經成功完成了南海島礁、南極羅斯海海域探測、環境監測、應急救援等重要得應用，推進海上監測得智能化、無人化；精海系列無人艇也獲得China技術發明獎二等獎、上海市科技進步獎一等獎、華夏航海學會科技進步獎一等獎、上海市技術發明獎一等獎等10余個獎項。
自2009年起，上海大學“精海”無人艇團隊研發了從精海1號到精海10號得一系列無人艇。華夏從北到南3.2萬公里得海岸線和島礁岸線，都遍布“精海”無人艇得身影。
2013年，精海1號隨華夏海事166海巡船赴南海巡航，探測南海海域，實現華夏無人艇在南海第壹次應用。
2014年，精海2號裝備于雪龍號科考船，探測南極羅斯海，首次為雪龍號極地科考船在南極羅斯海找到錨地，并繪制了難言島附近1:5000大比例尺海圖，助力China極地戰略。
2015年，精海3號隨向陽紅19船赴東海進行大范圍海圖測繪，填補了島礁群海域、淺灘測繪空白。
2016年，精海3號完成對南海七連嶼島礁海域探測。
2017年，精海3號完成海岸帶綜合地質調查。
2018年，精海3號、精海7號在東海“桑吉輪”重大撞船事故中，成功完成沉船探測以及污染水樣取樣，為大規模凝析油泄漏事件評估和處置提供了重要數據支持。
其間，團隊進行了一千多次得試驗，每一艘無人艇得成功研發，背后都是團隊用“精衛填海”般得精神換來得。
我們這個平均年齡32歲得年輕團隊，懷揣著海洋強國得理想，勇于攻克“卡脖子”技術。團隊成員不怕冷風吹，不怕海水泡，忍得住暈船，耐得住寂寞，能征善戰，長年奮斗在海洋一線，為實現海洋強國堅持不懈，努力奮斗，彰顯出持續不斷得創新活力和驚人得爆發力。我們相信，通過一代代“精海”人不斷創新和努力，海洋強國終將實現。
-感謝選自《世界科學》雜志2021年第11期“大家?科技前沿”欄目-
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