海洋智能系统：无人艇水面监测技术

USV是一种可通过遥控模式或者自主模式在水面航行，并可同步展开军事对抗、环境调查、人员搜救、巡逻侦察等活动的非智能化水面机器人。在军事领域，USV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，USV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。

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，USV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。

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10 m的深水区，多采用大船拖带拖鱼和挂装多波束测深仪、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10 m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。以国家海岸局南海调查技术中心的项目为例，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3 000 t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300万元，导致成本大幅上升。

针对上述问题，可采用大船和USV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3.1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45 m长、500 t级的海洋调查船，后甲板空间长为16 m、宽为8 m，可以携带一艘5.5 m长的多波束USV（红色方框）、3艘1.7 m长的单波束USV（后甲板前部的两个橙色方框）、1艘1.7 m长的环境监测USV（后甲板尾部橙色方框）和1艘保障小艇。5艘USV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USV的通信距离约为15 km，4艘小USV均具备通信中断下的自主跑线和数据记录功能。图3.2为两类USV作业图。在USV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3.1　海洋调查船布置图

图3.2　两类USV作业图

早在第二次世界大战期间，USV便已被应用于军事作战领域。在诺曼底登陆战役中，盟军将USV驶往欺骗海域，释放烟幕剂，造成舰队编队登陆的假象，达到军事诱骗的目的。20世纪90年代，自主驾驶技术出现并被应用于USV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。目前，随着控制、通信、网络、传感器等技术的不断成熟与完善，USV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USV包括美国研制的斯巴达侦察兵（Spartan Scout）、持续追踪反潜无人舰（anti-submarine warfare continuous trail unmanned vessel，ACUTV），以及以色列研制的保护者（Protector）。(www.xing528.com)

与欧美相比，我国USV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。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USV，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USV市场中推出了多个系列的海洋调查USV，逐渐带动了国内USV市场的成熟发展。在现阶段，我国研制与生产USV的机构已经超过了100家，典型的USV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USV、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SeaFly01等。在军民应用领域，我国已基本完成了USV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。

目前，针对USV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。以集成单波束测深仪为例，传统的集成方法如下：

（1）在USV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USV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，通过文件传输协议（file transfer protocol，FTP）服务等方式远程下载水深数据。

这样的方式对于通信链路的要求颇高，在通信失联时USV所搭载的设备将处于失控状态，不利于对海洋环境的持续监控。

此外，单一USV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USV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USV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、包含大量干出礁的海域，无人机和USV协同作业技术的应用价值较高，无人机负责干出礁区域，USV负责航行安全区，两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USV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USV的应用领域。

作为未来海洋环境监测网的关键一环，USV更多承担着灵活布放AUV并作为AUV机动指令塔的功能，作为“AUV母舰”，USV技术的进步直接影响着海洋环境监测的未来发展。