国外无人水面艇的发展现状及未来趋势

1国外无人水面艇的发展现状及趋势

近年来海军倾向于使用较小的无人水面艇，一般为11米长或者更短，相应的续航能力、航程和有效载荷能力有限。虽然这些小型无人水面艇有一些是多功能的，但大多数是在有限的水域中作为概念开发和试验的技术演示使用，或者局限于狭窄的应用范围，如海岸巡逻、环境调查、情报监视侦察(ISR)、反水雷措施(MCM)和兵力保护。然而，人们对部署尺寸更大、能力更强的无人水面艇越来越感兴趣，这些无人水面艇可以承担通常由船员执行的高端任务。例如，美国海军正在以中型和大型无人水面艇(MUSV和LUSV)的形式开发这种能力，以实现更具分布式特征的舰队架构：由比例相对较少的大型水面战斗舰(如巡洋舰和驱逐舰)和较多的小型舰船(如护卫舰以及潜在的大量大型无人水面艇)组成。

MUSV设想长度在13米到45米之间，满载排水量高达450吨，而LUSV的长度在60米到90米之间，排水量为900-1800吨。不管大小和排水量如何，这些无人水面艇必须是基于商业设计的可重新配置、低成本和高耐久性的平台，具有足够的模块化和运载各种有效载荷的能力。MUSV最初预计用于情报监视侦察(ISR)和电子战(EW)任务，而LUSV旨在提供反水面作战(ASUW)支持。美国海军指出，MUSV将作为传感器和通信中继，成为正在开发的无人水面系统的一部分。该船将能够携带相当于40英尺(12米)标准集装箱的有效载荷，在需要返回港口之前，将能够独立运行至少60天，并能够进行海上补给。根据《国际海上避碰规则公约》，MUSV还需要以大约16kt的巡航速度和大约4500海里的最小航程自主运行，并通过政府提供的通信中继系统运行。

2.国外主要国家海军无人艇自主技术分析

0.1美国L3哈里斯技术公司ASView软件系统

美国海军海洋系统司令部(NAVSEA)在2020年7月宣布，它已经授予L3哈里斯(Harris)科技公司一份价值3500万美元的初始合同，提供一台MUSV原型机——这是美国海军为无人水面艇开发项目签订的第一个主要合同，可能会采购多达8台MUSV，累计价值高达2.81亿美元。该型MUSV是一种码头发射、自部署、模块化开放系统架构的水面舰艇，能够自主安全导航和执行军事行动。它有195英尺长，排水量约为500吨，相当于美国海岸警卫队一艘近岸交通艇的大小。原型MUSV将用于试验，然后海军将继续努力完善该计划，L3哈里斯公司最早将于2022年末完成首艘原型MUSV。

根据L3哈里斯技术公司发布的公告，MUSV将以路易斯安那造船厂(Swiftships)专门建造的60米级商用水面艇为中心，以吉布斯·考克斯(Gibb&Cox)和因卡特·克罗泽(Incat Crother)的设计为基础。该公司还指出，MUSV原型机将为美国海军舰队提供ISR支持，并能够在满足《国际海上避碰规则公约》情况下的作战环境中进行自主机动。

MUSV原型机的核心是该公司的ASView自主软件，该软件经过12年以上的持续开发和改进，现在该系统成为该公司从有人驾驶到无人驾驶水面艇转换的关键。

ASView软件架构使用基于同一模型的两个独立系统，以降低碰撞风险。系统组成包括：审慎自主规划系统，可提供满足多种行为的路线和机动规划，包括地面避碰和多目标避碰;最新响应自主系统，它通过一组反应行为来验证路径，只有存在明显的问题风险时，才会采取行动或发出警报，否则将使用审慎自主系统所生成的路径。

ASView软件利用人工智能(AI)和机器学习(ML)技术支持审慎自主规划系统，它能够提供一流的自主性能，同时还可确保L3哈里斯工程师能够通过学习现有数据来训练算法。另一项重要的使能技术是用于载荷控制的可靠高带宽超视距(OTH)通信。

路径规划始于从相机、雷达、自动识别系统(AIS)、光探测和测距(LIDAR)、声纳、深度探测仪、导航图覆盖图等传感器收集感知数据。ASView软件能够把所有的入站数据进行融合，同时把所有设备的精度纳入考量，最终形成船只周围环境的完整和准确视图。

审慎自主规划系统不同于纯粹的反应式自主系统，反应式自主系统无法规划未来，也无法在没有警告的情况下对态势做出反应。反应式自主系统对操作员或观察者来说可能更具挑战性，因为它只对即时事件做出反应，并陷入循环。即使反应式自主系统得出了正确的结论，也可能让操作员感到不安，他们很难对这种自主性产生信任。

ASView软件使用审慎自主规划系统运行，同时把多种目标和多种行为纳入考量，所以它具有更好的可预测能力，这有助于建立信任和快速应用。除去态势和感知自主性，L3哈里斯技术公司还提供船体、机械和电气的自主能力，以实现远程控制和船上系统维护，并可支持超过30天的海上扩展操作。该软件可负责日常操作，如启动阀门、冲洗水箱以及其他功能系统的激活和停用，此外还可为状态检修或预防性维护提供系统健康和性能监控。

0.2英国罗罗公司“人工轮机长”系统

罗尔斯·罗伊斯公司正在开发一种自动机械控制系统，使有人驾驶和无人驾驶船只能够承担长续航任务，减少与人的互动。该系统名为“人工轮机长”(ACE)，旨在通过担纲负责无人驾驶船只机械状态监控和操作的工程部门，成为自主任务的关键使能器。

“人工轮机长”是一种艇载安全决策控制系统，旨在智能操作少人驾驶和无人驾驶海军平台机械设备。它能够自动操作艇载机械设备，包括发动机、推进系统、电网和燃料系统，使用完全确定的、基于条件的决策过程，考评当前和预测的船舶健康状态，进行优化操作，实现最低噪音、最大效率或最高速度航行或根据船舶任务要求预先维修损坏的设备。

“人工轮机长”系统的操作完全在艇上进行，这就避免了对数据连接的依赖，并可减少远程控制操作员的工作量，这样就减轻了无人驾驶船舶的设计任务并降低了系统的复杂性。罗尔斯·罗伊斯公司于2021年2月25日宣布，它已经从英国国防部的国防和安全加速器(DSA)获得了资金支持，用于其在智能船第二阶段计划下继续研发人工轮机长系统，该计划用于降低风险并评估新技术和新方法，而这些新技术和新方法可以增强军事决策、任务规划和自动化的能力。最终目标是开发一种人机网络，可以在2030年的军用平台上协同工作。为期16个月的第二阶段竞赛试图能够找到一系列人机团队或决策代理(ADeMs)的评估和演示项目，并与名为“智能船舶人工智能网络”(ISAIN)评估环境相集成。一个代理可以是一个人工智能应用程序，一个人，或者两者的结合。这笔资金将使该公司能够提高人工轮机长系统的技术成熟度，以进一步应用于更广泛的海军和商业海事市场。该公司没有透露该合同的总价值，但国防部指出，在第二阶段选择的项目将获得25万英镑(34.8万美元)的资助。人工轮机长系统不仅仅是设计用来控制任何类型的商用和军用船只的动力和推进系统，还包括管理冷却、燃料、润滑和电力系统等船用系统。

该系统可以听取决策，也可以自己做决策或者给出建议，这些是操作机械设备所需的行动指南，以实现由船长或自主任务管理员设定的近期或长期任务目标，人工轮机长系统旨在完善船舶的综合平台管理系统(IPMS)，IPMS是一个分布式系统，通常用于实时监测和控制船体、机械设备、电气设备和损管系统——并利用这些系统产生的大量数据来按需优化输出。

例如，IPMS将顺序逻辑传递到推进系统并顺序控制它，ACE根据来自任务管理器和导航系统的信息，按工厂级别决定任务的优先级。

“人工轮机长”系统的开发工作最初聚焦于一系列本身具有可用算法的最小的可行产品上，这类产品可以快速推出并可集成到现有的IPMS中，以展示该技术并提供一个反馈回路来引领未来的开发趋势。这与功能齐全的套件相反，后者需要相应较长的时间才能推向市场。因此，智能船二期项目需要罗尔斯·罗伊斯开发必要的协议和功能接口，使ACE能够与无人水面艇上的其他自主控制器进行通信。这给罗罗公司带来了发展的机会，但更重要的是它的属性和使用案例。该公司从使用案例开始开发功能需求，预计人们不需要使用“人工轮机长”系统来控制10米长的无人水面艇，因为这些船上的船用动力装置本质上是一个小型舷外发动机(提供有限的航程和续航能力)。然而，随着无人平台变得越来越大，预计将执行超视距操作90或100天的长期任务，这种情况下保持推进系统功能就成为一项挑战。

随着自主船的尺寸和复杂性增加，自然需要更复杂的动力和推进系统，人们将需要一个像ACE这样能力更强的控制器。海军某些部队可能更喜欢使用“人工轮机长”系统作为咨询系统，为无人水面艇运营商提供多种解决方案，以加快决策和行动，而不是完全自主的系统。

0.3BAE系统公司P24无人水面艇

BAE系统公司成立于2019年4月，其一直支持英国皇家海军(RN)的NavyX技术加速器。该公司作为自主系统和人工创新的孵化器和加速器，基于7.8Pacific24(P24)的刚性充气艇(RIB)已经作为标准海船部署在英国海军的护卫舰、驱逐舰和近海巡逻舰(OPV)上。自主海船已被确定为NavyX计划中的几个重点领域之一。这种从“母舰”上发射和回收的飞行器可能支持一系列任务，包括反海盗行动、持续的ISR、海上安全和部队保护。

该公司在2019年底签署了一份为期12个月，价值320万英镑的合同，以交付P24舰队转换配置无人水面艇，并集成到23型护卫舰的战斗管理系统(CMS)中，同时执行舰队小型试验任务以展示其操作。P24无人水面艇可以以38节的最大速度行驶，并可以在“巡逻速度”或“追逐模式”下工作45小时或航行100海里，同时可以远程控制或自主操作。

BAE系统公司在伦敦DSEI 2019展览会上的水上演示中推出了一款原型P24无人水面艇。该艇配备了远程声学设备(LRAD)和光电系统，从23型护卫舰HMS Argyll的操作室进行控制。

该演示还得到了国防部国防科学技术实验室(Dstl)的海上自主平台开发(MAPLE)信息框架的支持，以促进多个无人系统集成到单一指挥信息环境中。MAPLE是一个可移动的指挥控制中心，是安装在英国皇家海军所有作战平台上的作战管理系统套件的扩展。

将P24 RIB转化为无人水面艇的使能技术和工艺可以追溯到BAE系统公司内部资助的基于现有9.5米P950 RIB的研发，该RIB被改造为2016年英国皇家海军“无人战士”演习的演示机。P950 RIB的改装是与L3哈里斯公司的ASV一起进行的，L3哈里斯公司的ASV集成了ASView系统，根据传感器组件提供的数据完成远程控制或自主控制，传感器组件包括一部导航雷达、一个全景PTZ摄像机和一个360度全景红外摄像机。

BAE系统公司承诺在三年内投入450万英镑，以进一步探索自主技术和作战概念(CONOPS)，并促进从技术演示到可部署能力的过渡。这项工作还应用了公司在开发、集成、测试、操作和支持自主系统方面的丰富经验。自主性的一个重要规则是一旦涉及到关键决策，包括在使用致命武器进行打击前，必须得到操作员的批准和确认。

P24无人水面艇的平台设计和能力使得它可以作为水面战斗单元的综合兵力之一展示自主性，也可作为独立单元或与其他有舰员系统一起拦截快速来袭的攻击船。BAE系统公司还在研究不同天气条件下该无人艇发射和回收的方法。该公司与英国皇家海军平台管理局合作，开发了一个多级安全架构，确保指挥控制和通信的完整性和网络安全。无人艇和军舰之间传输的数据是加密的，即使被俘获，各种安全措施也可以防止数据被窃取。网络安全和可靠的指挥控制对于自动驾驶船舶的有效使用绝对至关重要，P24的主要用途之一是作为一个超视距传感器，所以它需要能够与母舰安全地共享数据并接收返回的任务指令。这是该公司正在努力研发的领域之一。

在投入使用后，BAE系统公司打算将一个尚未公开的武器系统集成到该平台中，该系统将可以进行远程操作。这可能是装备有12.7毫米重机枪的MSI-DS海鹰多武器站(MWS)，该武器站早前与该公司的P950 RIB无人水面艇相集成，并成功测试了一系列作战相关威胁。P24可以自动定位开火，辅助操作员决定是否开火，试验将展示各种应用场景的组合，所有这些都在战舰作战系统和操作员的指挥下进行。

0.4新加坡海军无人水面艇CDCA系统

新加坡国家科学和技术局(DSTA)和DSO国家实验室的工程师正在开发一种本土碰撞检测和避碰系统(CDCA)，以确保反水雷无人艇和海上安全无人水面艇(MARSEC USV)的安全航行。这些无人水面艇在新加坡共和国海军管理下，在拥挤的新加坡海峡和邻近的港口水域工作。这些水域服务于大约三分之一的世界海运集装箱贸易，以及四分之一的全球石油贸易。

每天有1000多艘商船往返于这条水道。当无人水面艇在海上航行时，最大的安全问题之一是碰撞的风险。新加坡海峡的高交通密度对新加坡海军来说是一个特别具有挑战性的问题。为了克服这一点，需要一个艇载CDCA系统。自2008年以来，DSTA、DSO和新加坡国防部(MINDEF)未来系统和技术局一直在合作开发和验证专门为新加坡海军在该海峡的行动定制的CDCA。

CDCA的设计采用了现有的用于载人海上导航的避碰探测设备，包括陆地信息导航图、海上自动识别系统和自动雷达绘图辅助设备，用于探测周围环境中的静态和动态障碍物。CDCA还采用了差分全球定位系统(DGPS)和航向传感器来确定无人水面艇相对于障碍物的位置，使海上交通工具能够预测与周围船只可能发生的碰撞，并自动生成符合《国际海上避碰规则》的规避动作，而无需人工干预。CDCA算法在2013年由DSO演示，随后应用于新加坡海军的反水雷无人水面艇和MARSEC无人水面艇。该算法通过优先接口与无人水面艇的自动驾驶仪进行通信——从自动驾驶仪接收航向和速度指令，生成并反馈防撞机动指令。当无人水面艇的预定路径上检测到障碍物时，这种设置使得CDCA的指令能够操纵并改变无人水面艇的航向和速度，同时操纵无人水面艇在没有障碍物的情况下，以预定的航向和航速前进。

基于速度障碍概念的反应式避障方法是由美国宇航局(NASA)喷气推进实验室(JPL)的研究人员首先提出的。与审慎路径规划方法相比，反应式避障方法提供了更快的重新规划速度，审慎路径规划方法的重点是生成全局最优路径，并综合考虑用户定义的路线或终点，随着环境复杂度的增加，需要进行繁复的计算。美国海军研究办公室(ONR)的机器人智能体指令和传感控制架构(CARACaS)也采用了反应式避障方法的修改版本，该架构于2014年8月首次演示。CARACaS是一个可移动安装的套件，几乎可以安装在任何舰船上，使它们能够自动或与其他无人驾驶平台同步运行，并有能力规划自己的路线，甚至进行集群机动。更快的重新规划速度这一优势使得反应式避障方法更适用于高速航行的无人水面艇，并使它能够对高速航行机动的障碍物做出非常灵敏的反应。与审慎路径规划方法相比，反应式方法还使无人水面艇能够更严格地按照用户定义的航路点航行，然而该算法倾向于生成局部极小解，并且更适合相对稀疏的环境。CDCA算法的迭代可以分为CD阶段和CA阶段。在任何时候，如果无人水面艇和障碍物之间最近的接近点小于预定的安全距离，可能发生的碰撞就会被标记出来。

相比之下，CDCA算法在一定空间内生成本艇轨迹样本，用于在CA阶段进行评估，以逐步消除无人水面艇预计会与周围障碍物发生碰撞的轨迹。该算法还将同时计算其余轨迹的目标功能成本。该目标功能能够取消违反国际海上避碰规则的轨迹、偏离当前路线和速度的轨迹、或者非常接近障碍物的轨迹，从而决定下一步的无人水面艇行动轨迹。然后选择成本最低的轨迹，并将CA航向和速度指令发送给自动驾驶仪。

新加坡海军打算使用4艘新的30吨级MARSEC无人水面艇来保障新加坡海峡的海上安全行动。一旦投入使用，MARSEC无人水面艇将执行24小时巡逻和监视行动，并拦截可疑船只。新的无人水面艇将与新加坡海军的有人水面作战舰艇一起行动，如濒海任务船(LMV)，并辅助海岸警卫队(PCG)巡逻新加坡水域。根据MINDEF发布的规格，MARSEC无人水面艇长16.9米，宽5.2米，最大额定速度和续航时间分别超过25海里/小时和36小时。完全开发后，它将配备一系列非致命和致命的有效载荷，包括一个LRAD和一个配备了12.7毫米机枪的稳定遥控武器站，以及一个激光眩目器。该无人水面艇将由两人进行操作，一名负责任务规划和导航，另一名负责有效载荷操作，其使用真实的海上交通数据进行了数百万公里长达9个多月的实验室模拟，并已通过安全验证。

DSTA还在融合审慎路径规划方法和反应式避障方法来增强CDCA算法，在这种融合中，将首先使用审慎路径规划技术，以连续生成避开静态障碍物和陆地到达期望终点的路径。当沿着这条预定的路径行驶时，无人水面艇还将采用反应式避障逻辑来避开动态障碍物。这确保了无人水面艇能够以一种更加高效的方式机动，审慎路径规划能确保产生的避碰方案更优。这两种方法的融合也使该无人水面艇能够提前规划其规避策略，减少掉头等非必要行为。

尽管在增强无人水面艇自主性方面已经取得了相当的进展，但对于部署完全自主的无人艇还有其他一些实际的考量：如法律和伦理影响以及作战概念，这些似乎仍有待解决。此外，对该技术可靠性的信任还没有达到刺激商业领域和海军领域更大应用的水平。建立对自主无人舰艇的信任是广泛推广自主式无人舰艇之前最为关键的一环，如果我们能够建设完善数据，并以数据清楚展示该系统的可靠性和安全性，这样才能使人们接受自主性，并增强对无人艇自主性的信心。目前，如何证明无人水面艇自主的安全性是一项关键挑战。

　　审核编辑：汤梓红