1國外無人水面艇的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

近年來海軍傾向于使用較小的無人水面艇，一般為11米長或者更短，相應的續(xù)航能力、航程和有效載荷能力有限。雖然這些小型無人水面艇有一些是多功能的，但大多數(shù)是在有限的水域中作為概念開發(fā)和試驗的技術演示使用，或者局限于狹窄的應用范圍，如海岸巡邏、環(huán)境調查、情報監(jiān)視偵察(ISR)、反水雷措施(MCM)和兵力保護。然而，人們對部署尺寸更大、能力更強的無人水面艇越來越感興趣，這些無人水面艇可以承擔通常由船員執(zhí)行的高端任務。例如，美國海軍正在以中型和大型無人水面艇(MUSV和LUSV)的形式開發(fā)這種能力，以實現(xiàn)更具分布式特征的艦隊架構：由比例相對較少的大型水面戰(zhàn)斗艦(如巡洋艦和驅逐艦)和較多的小型艦船(如護衛(wèi)艦以及潛在的大量大型無人水面艇)組成。

MUSV設想長度在13米到45米之間，滿載排水量高達450噸，而LUSV的長度在60米到90米之間，排水量為900-1800噸。不管大小和排水量如何，這些無人水面艇必須是基于商業(yè)設計的可重新配置、低成本和高耐久性的平臺，具有足夠的模塊化和運載各種有效載荷的能力。MUSV最初預計用于情報監(jiān)視偵察(ISR)和電子戰(zhàn)(EW)任務，而LUSV旨在提供反水面作戰(zhàn)(ASUW)支持。美國海軍指出，MUSV將作為傳感器和通信中繼，成為正在開發(fā)的無人水面系統(tǒng)的一部分。該船將能夠攜帶相當于40英尺(12米)標準集裝箱的有效載荷，在需要返回港口之前，將能夠獨立運行至少60天，并能夠進行海上補給。根據(jù)《國際海上避碰規(guī)則公約》，MUSV還需要以大約16kt的巡航速度和大約4500海里的最小航程自主運行，并通過政府提供的通信中繼系統(tǒng)運行。

2.國外主要國家海軍無人艇自主技術分析

0.1美國L3哈里斯技術公司ASView軟件系統(tǒng)

美國海軍海洋系統(tǒng)司令部(NAVSEA)在2020年7月宣布，它已經授予L3哈里斯(Harris)科技公司一份價值3500萬美元的初始合同，提供一臺MUSV原型機——這是美國海軍為無人水面艇開發(fā)項目簽訂的第一個主要合同，可能會采購多達8臺MUSV，累計價值高達2.81億美元。該型MUSV是一種碼頭發(fā)射、自部署、模塊化開放系統(tǒng)架構的水面艦艇，能夠自主安全導航和執(zhí)行軍事行動。它有195英尺長，排水量約為500噸，相當于美國海岸警衛(wèi)隊一艘近岸交通艇的大小。原型MUSV將用于試驗，然后海軍將繼續(xù)努力完善該計劃，L3哈里斯公司最早將于2022年末完成首艘原型MUSV。

根據(jù)L3哈里斯技術公司發(fā)布的公告，MUSV將以路易斯安那造船廠(Swiftships)專門建造的60米級商用水面艇為中心，以吉布斯·考克斯(Gibb&Cox)和因卡特·克羅澤(Incat Crother)的設計為基礎。該公司還指出，MUSV原型機將為美國海軍艦隊提供ISR支持，并能夠在滿足《國際海上避碰規(guī)則公約》情況下的作戰(zhàn)環(huán)境中進行自主機動。

MUSV原型機的核心是該公司的ASView自主軟件，該軟件經過12年以上的持續(xù)開發(fā)和改進，現(xiàn)在該系統(tǒng)成為該公司從有人駕駛到無人駕駛水面艇轉換的關鍵。

ASView軟件架構使用基于同一模型的兩個獨立系統(tǒng)，以降低碰撞風險。系統(tǒng)組成包括：審慎自主規(guī)劃系統(tǒng)，可提供滿足多種行為的路線和機動規(guī)劃，包括地面避碰和多目標避碰;最新響應自主系統(tǒng)，它通過一組反應行為來驗證路徑，只有存在明顯的問題風險時，才會采取行動或發(fā)出警報，否則將使用審慎自主系統(tǒng)所生成的路徑。

ASView軟件利用人工智能(AI)和機器學習(ML)技術支持審慎自主規(guī)劃系統(tǒng)，它能夠提供一流的自主性能，同時還可確保L3哈里斯工程師能夠通過學習現(xiàn)有數(shù)據(jù)來訓練算法。另一項重要的使能技術是用于載荷控制的可靠高帶寬超視距(OTH)通信。

路徑規(guī)劃始于從相機、雷達、自動識別系統(tǒng)(AIS)、光探測和測距(LIDAR)、聲納、深度探測儀、導航圖覆蓋圖等傳感器收集感知數(shù)據(jù)。ASView軟件能夠把所有的入站數(shù)據(jù)進行融合，同時把所有設備的精度納入考量，最終形成船只周圍環(huán)境的完整和準確視圖。

審慎自主規(guī)劃系統(tǒng)不同于純粹的反應式自主系統(tǒng)，反應式自主系統(tǒng)無法規(guī)劃未來，也無法在沒有警告的情況下對態(tài)勢做出反應。反應式自主系統(tǒng)對操作員或觀察者來說可能更具挑戰(zhàn)性，因為它只對即時事件做出反應，并陷入循環(huán)。即使反應式自主系統(tǒng)得出了正確的結論，也可能讓操作員感到不安，他們很難對這種自主性產生信任。

ASView軟件使用審慎自主規(guī)劃系統(tǒng)運行，同時把多種目標和多種行為納入考量，所以它具有更好的可預測能力，這有助于建立信任和快速應用。除去態(tài)勢和感知自主性，L3哈里斯技術公司還提供船體、機械和電氣的自主能力，以實現(xiàn)遠程控制和船上系統(tǒng)維護，并可支持超過30天的海上擴展操作。該軟件可負責日常操作，如啟動閥門、沖洗水箱以及其他功能系統(tǒng)的激活和停用，此外還可為狀態(tài)檢修或預防性維護提供系統(tǒng)健康和性能監(jiān)控。

0.2英國羅羅公司“人工輪機長”系統(tǒng)

羅爾斯·羅伊斯公司正在開發(fā)一種自動機械控制系統(tǒng)，使有人駕駛和無人駕駛船只能夠承擔長續(xù)航任務，減少與人的互動。該系統(tǒng)名為“人工輪機長”(ACE)，旨在通過擔綱負責無人駕駛船只機械狀態(tài)監(jiān)控和操作的工程部門，成為自主任務的關鍵使能器。

“人工輪機長”是一種艇載安全決策控制系統(tǒng)，旨在智能操作少人駕駛和無人駕駛海軍平臺機械設備。它能夠自動操作艇載機械設備，包括發(fā)動機、推進系統(tǒng)、電網和燃料系統(tǒng)，使用完全確定的、基于條件的決策過程，考評當前和預測的船舶健康狀態(tài)，進行優(yōu)化操作，實現(xiàn)最低噪音、最大效率或最高速度航行或根據(jù)船舶任務要求預先維修損壞的設備。

“人工輪機長”系統(tǒng)的操作完全在艇上進行，這就避免了對數(shù)據(jù)連接的依賴，并可減少遠程控制操作員的工作量，這樣就減輕了無人駕駛船舶的設計任務并降低了系統(tǒng)的復雜性。羅爾斯·羅伊斯公司于2021年2月25日宣布，它已經從英國國防部的國防和安全加速器(DSA)獲得了資金支持，用于其在智能船第二階段計劃下繼續(xù)研發(fā)人工輪機長系統(tǒng)，該計劃用于降低風險并評估新技術和新方法，而這些新技術和新方法可以增強軍事決策、任務規(guī)劃和自動化的能力。最終目標是開發(fā)一種人機網絡，可以在2030年的軍用平臺上協(xié)同工作。為期16個月的第二階段競賽試圖能夠找到一系列人機團隊或決策代理(ADeMs)的評估和演示項目，并與名為“智能船舶人工智能網絡”(ISAIN)評估環(huán)境相集成。一個代理可以是一個人工智能應用程序，一個人，或者兩者的結合。這筆資金將使該公司能夠提高人工輪機長系統(tǒng)的技術成熟度，以進一步應用于更廣泛的海軍和商業(yè)海事市場。該公司沒有透露該合同的總價值，但國防部指出，在第二階段選擇的項目將獲得25萬英鎊(34.8萬美元)的資助。人工輪機長系統(tǒng)不僅僅是設計用來控制任何類型的商用和軍用船只的動力和推進系統(tǒng)，還包括管理冷卻、燃料、潤滑和電力系統(tǒng)等船用系統(tǒng)。

該系統(tǒng)可以聽取決策，也可以自己做決策或者給出建議，這些是操作機械設備所需的行動指南，以實現(xiàn)由船長或自主任務管理員設定的近期或長期任務目標，人工輪機長系統(tǒng)旨在完善船舶的綜合平臺管理系統(tǒng)(IPMS)，IPMS是一個分布式系統(tǒng)，通常用于實時監(jiān)測和控制船體、機械設備、電氣設備和損管系統(tǒng)——并利用這些系統(tǒng)產生的大量數(shù)據(jù)來按需優(yōu)化輸出。

例如，IPMS將順序邏輯傳遞到推進系統(tǒng)并順序控制它，ACE根據(jù)來自任務管理器和導航系統(tǒng)的信息，按工廠級別決定任務的優(yōu)先級。

“人工輪機長”系統(tǒng)的開發(fā)工作最初聚焦于一系列本身具有可用算法的最小的可行產品上，這類產品可以快速推出并可集成到現(xiàn)有的IPMS中，以展示該技術并提供一個反饋回路來引領未來的開發(fā)趨勢。這與功能齊全的套件相反，后者需要相應較長的時間才能推向市場。因此，智能船二期項目需要羅爾斯·羅伊斯開發(fā)必要的協(xié)議和功能接口，使ACE能夠與無人水面艇上的其他自主控制器進行通信。這給羅羅公司帶來了發(fā)展的機會，但更重要的是它的屬性和使用案例。該公司從使用案例開始開發(fā)功能需求，預計人們不需要使用“人工輪機長”系統(tǒng)來控制10米長的無人水面艇，因為這些船上的船用動力裝置本質上是一個小型舷外發(fā)動機(提供有限的航程和續(xù)航能力)。然而，隨著無人平臺變得越來越大，預計將執(zhí)行超視距操作90或100天的長期任務，這種情況下保持推進系統(tǒng)功能就成為一項挑戰(zhàn)。

隨著自主船的尺寸和復雜性增加，自然需要更復雜的動力和推進系統(tǒng)，人們將需要一個像ACE這樣能力更強的控制器。海軍某些部隊可能更喜歡使用“人工輪機長”系統(tǒng)作為咨詢系統(tǒng)，為無人水面艇運營商提供多種解決方案，以加快決策和行動，而不是完全自主的系統(tǒng)。

0.3BAE系統(tǒng)公司P24無人水面艇

BAE系統(tǒng)公司成立于2019年4月，其一直支持英國皇家海軍(RN)的NavyX技術加速器。該公司作為自主系統(tǒng)和人工創(chuàng)新的孵化器和加速器，基于7.8Pacific24(P24)的剛性充氣艇(RIB)已經作為標準海船部署在英國海軍的護衛(wèi)艦、驅逐艦和近海巡邏艦(OPV)上。自主海船已被確定為NavyX計劃中的幾個重點領域之一。這種從“母艦”上發(fā)射和回收的飛行器可能支持一系列任務，包括反海盜行動、持續(xù)的ISR、海上安全和部隊保護。

該公司在2019年底簽署了一份為期12個月，價值320萬英鎊的合同，以交付P24艦隊轉換配置無人水面艇，并集成到23型護衛(wèi)艦的戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)(CMS)中，同時執(zhí)行艦隊小型試驗任務以展示其操作。P24無人水面艇可以以38節(jié)的最大速度行駛，并可以在“巡邏速度”或“追逐模式”下工作45小時或航行100海里，同時可以遠程控制或自主操作。

BAE系統(tǒng)公司在倫敦DSEI 2019展覽會上的水上演示中推出了一款原型P24無人水面艇。該艇配備了遠程聲學設備(LRAD)和光電系統(tǒng)，從23型護衛(wèi)艦HMS Argyll的操作室進行控制。

該演示還得到了國防部國防科學技術實驗室(Dstl)的海上自主平臺開發(fā)(MAPLE)信息框架的支持，以促進多個無人系統(tǒng)集成到單一指揮信息環(huán)境中。MAPLE是一個可移動的指揮控制中心，是安裝在英國皇家海軍所有作戰(zhàn)平臺上的作戰(zhàn)管理系統(tǒng)套件的擴展。

將P24 RIB轉化為無人水面艇的使能技術和工藝可以追溯到BAE系統(tǒng)公司內部資助的基于現(xiàn)有9.5米P950 RIB的研發(fā)，該RIB被改造為2016年英國皇家海軍“無人戰(zhàn)士”演習的演示機。P950 RIB的改裝是與L3哈里斯公司的ASV一起進行的，L3哈里斯公司的ASV集成了ASView系統(tǒng)，根據(jù)傳感器組件提供的數(shù)據(jù)完成遠程控制或自主控制，傳感器組件包括一部導航雷達、一個全景PTZ攝像機和一個360度全景紅外攝像機。

BAE系統(tǒng)公司承諾在三年內投入450萬英鎊，以進一步探索自主技術和作戰(zhàn)概念(CONOPS)，并促進從技術演示到可部署能力的過渡。這項工作還應用了公司在開發(fā)、集成、測試、操作和支持自主系統(tǒng)方面的豐富經驗。自主性的一個重要規(guī)則是一旦涉及到關鍵決策，包括在使用致命武器進行打擊前，必須得到操作員的批準和確認。

P24無人水面艇的平臺設計和能力使得它可以作為水面戰(zhàn)斗單元的綜合兵力之一展示自主性，也可作為獨立單元或與其他有艦員系統(tǒng)一起攔截快速來襲的攻擊船。BAE系統(tǒng)公司還在研究不同天氣條件下該無人艇發(fā)射和回收的方法。該公司與英國皇家海軍平臺管理局合作，開發(fā)了一個多級安全架構，確保指揮控制和通信的完整性和網絡安全。無人艇和軍艦之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是加密的，即使被俘獲，各種安全措施也可以防止數(shù)據(jù)被竊取。網絡安全和可靠的指揮控制對于自動駕駛船舶的有效使用絕對至關重要，P24的主要用途之一是作為一個超視距傳感器，所以它需要能夠與母艦安全地共享數(shù)據(jù)并接收返回的任務指令。這是該公司正在努力研發(fā)的領域之一。

在投入使用后，BAE系統(tǒng)公司打算將一個尚未公開的武器系統(tǒng)集成到該平臺中，該系統(tǒng)將可以進行遠程操作。這可能是裝備有12.7毫米重機槍的MSI-DS海鷹多武器站(MWS)，該武器站早前與該公司的P950 RIB無人水面艇相集成，并成功測試了一系列作戰(zhàn)相關威脅。P24可以自動定位開火，輔助操作員決定是否開火，試驗將展示各種應用場景的組合，所有這些都在戰(zhàn)艦作戰(zhàn)系統(tǒng)和操作員的指揮下進行。

0.4新加坡海軍無人水面艇CDCA系統(tǒng)

新加坡國家科學和技術局(DSTA)和DSO國家實驗室的工程師正在開發(fā)一種本土碰撞檢測和避碰系統(tǒng)(CDCA)，以確保反水雷無人艇和海上安全無人水面艇(MARSEC USV)的安全航行。這些無人水面艇在新加坡共和國海軍管理下，在擁擠的新加坡海峽和鄰近的港口水域工作。這些水域服務于大約三分之一的世界海運集裝箱貿易，以及四分之一的全球石油貿易。

每天有1000多艘商船往返于這條水道。當無人水面艇在海上航行時，最大的安全問題之一是碰撞的風險。新加坡海峽的高交通密度對新加坡海軍來說是一個特別具有挑戰(zhàn)性的問題。為了克服這一點，需要一個艇載CDCA系統(tǒng)。自2008年以來，DSTA、DSO和新加坡國防部(MINDEF)未來系統(tǒng)和技術局一直在合作開發(fā)和驗證專門為新加坡海軍在該海峽的行動定制的CDCA。

CDCA的設計采用了現(xiàn)有的用于載人海上導航的避碰探測設備，包括陸地信息導航圖、海上自動識別系統(tǒng)和自動雷達繪圖輔助設備，用于探測周圍環(huán)境中的靜態(tài)和動態(tài)障礙物。CDCA還采用了差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)和航向傳感器來確定無人水面艇相對于障礙物的位置，使海上交通工具能夠預測與周圍船只可能發(fā)生的碰撞，并自動生成符合《國際海上避碰規(guī)則》的規(guī)避動作，而無需人工干預。CDCA算法在2013年由DSO演示，隨后應用于新加坡海軍的反水雷無人水面艇和MARSEC無人水面艇。該算法通過優(yōu)先接口與無人水面艇的自動駕駛儀進行通信——從自動駕駛儀接收航向和速度指令，生成并反饋防撞機動指令。當無人水面艇的預定路徑上檢測到障礙物時，這種設置使得CDCA的指令能夠操縱并改變無人水面艇的航向和速度，同時操縱無人水面艇在沒有障礙物的情況下，以預定的航向和航速前進。

基于速度障礙概念的反應式避障方法是由美國宇航局(NASA)噴氣推進實驗室(JPL)的研究人員首先提出的。與審慎路徑規(guī)劃方法相比，反應式避障方法提供了更快的重新規(guī)劃速度，審慎路徑規(guī)劃方法的重點是生成全局最優(yōu)路徑，并綜合考慮用戶定義的路線或終點，隨著環(huán)境復雜度的增加，需要進行繁復的計算。美國海軍研究辦公室(ONR)的機器人智能體指令和傳感控制架構(CARACaS)也采用了反應式避障方法的修改版本，該架構于2014年8月首次演示。CARACaS是一個可移動安裝的套件，幾乎可以安裝在任何艦船上，使它們能夠自動或與其他無人駕駛平臺同步運行，并有能力規(guī)劃自己的路線，甚至進行集群機動。更快的重新規(guī)劃速度這一優(yōu)勢使得反應式避障方法更適用于高速航行的無人水面艇，并使它能夠對高速航行機動的障礙物做出非常靈敏的反應。與審慎路徑規(guī)劃方法相比，反應式方法還使無人水面艇能夠更嚴格地按照用戶定義的航路點航行，然而該算法傾向于生成局部極小解，并且更適合相對稀疏的環(huán)境。CDCA算法的迭代可以分為CD階段和CA階段。在任何時候，如果無人水面艇和障礙物之間最近的接近點小于預定的安全距離，可能發(fā)生的碰撞就會被標記出來。

相比之下，CDCA算法在一定空間內生成本艇軌跡樣本，用于在CA階段進行評估，以逐步消除無人水面艇預計會與周圍障礙物發(fā)生碰撞的軌跡。該算法還將同時計算其余軌跡的目標功能成本。該目標功能能夠取消違反國際海上避碰規(guī)則的軌跡、偏離當前路線和速度的軌跡、或者非常接近障礙物的軌跡，從而決定下一步的無人水面艇行動軌跡。然后選擇成本最低的軌跡，并將CA航向和速度指令發(fā)送給自動駕駛儀。

新加坡海軍打算使用4艘新的30噸級MARSEC無人水面艇來保障新加坡海峽的海上安全行動。一旦投入使用，MARSEC無人水面艇將執(zhí)行24小時巡邏和監(jiān)視行動，并攔截可疑船只。新的無人水面艇將與新加坡海軍的有人水面作戰(zhàn)艦艇一起行動，如瀕海任務船(LMV)，并輔助海岸警衛(wèi)隊(PCG)巡邏新加坡水域。根據(jù)MINDEF發(fā)布的規(guī)格，MARSEC無人水面艇長16.9米，寬5.2米，最大額定速度和續(xù)航時間分別超過25海里/小時和36小時。完全開發(fā)后，它將配備一系列非致命和致命的有效載荷，包括一個LRAD和一個配備了12.7毫米機槍的穩(wěn)定遙控武器站，以及一個激光眩目器。該無人水面艇將由兩人進行操作，一名負責任務規(guī)劃和導航，另一名負責有效載荷操作，其使用真實的海上交通數(shù)據(jù)進行了數(shù)百萬公里長達9個多月的實驗室模擬，并已通過安全驗證。

DSTA還在融合審慎路徑規(guī)劃方法和反應式避障方法來增強CDCA算法，在這種融合中，將首先使用審慎路徑規(guī)劃技術，以連續(xù)生成避開靜態(tài)障礙物和陸地到達期望終點的路徑。當沿著這條預定的路徑行駛時，無人水面艇還將采用反應式避障邏輯來避開動態(tài)障礙物。這確保了無人水面艇能夠以一種更加高效的方式機動，審慎路徑規(guī)劃能確保產生的避碰方案更優(yōu)。這兩種方法的融合也使該無人水面艇能夠提前規(guī)劃其規(guī)避策略，減少掉頭等非必要行為。

盡管在增強無人水面艇自主性方面已經取得了相當?shù)倪M展，但對于部署完全自主的無人艇還有其他一些實際的考量：如法律和倫理影響以及作戰(zhàn)概念，這些似乎仍有待解決。此外，對該技術可靠性的信任還沒有達到刺激商業(yè)領域和海軍領域更大應用的水平。建立對自主無人艦艇的信任是廣泛推廣自主式無人艦艇之前最為關鍵的一環(huán)，如果我們能夠建設完善數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)清楚展示該系統(tǒng)的可靠性和安全性，這樣才能使人們接受自主性，并增強對無人艇自主性的信心。目前，如何證明無人水面艇自主的安全性是一項關鍵挑戰(zhàn)。