科技前沿▏国内外USV发展状况
水面无人艇（Unmanned Surface Vessel）简称USV，近年来受到国内外越来越多的关注。虽然当前船舶自动化水平较高，但船舶的正常运行始终离不开人的参与。即使是无人值班机舱，当有紧急情况发生时仍需要船员来处理。船舶驾驶虽有卫星导航、电子罗盘、电子航道图和自动舵的辅助，但驾驶台还未实现无人化。船舶无人化不仅能提高船舶的自动化和智能化水平，也能减少船舶发生危险的风险。据统计，在船舶碰撞事故中，89%-96%的事故可归因于人的自身原因，包括明显的和潜在的原因。
国内外有很多研究机构和公司进行了船舶无人化研究，无人水面艇（USV）是研究中的热点，其在军事和民用都有广阔的应用前景。在军事方面，出于保护人身安全的目的，在执行扫雷、侦察等危险系数高的任务时USV具有很大的优势；在民用方面，USV能有效减少人员费用的支出和提高船舶航行的安全性。为此，本文介绍国内外USV发展的现状，列出当前世界上主要的USV和性能参数。
一、国外发展现状
⒈ 美国USV发展现状
美国是全球海军实力最强大的国家，USV发展一直受到美国海军的关注。早在二战时期，美军就在USV上架设了枪炮和导弹，通过远程操控来对敌人进行攻击。1946年美国在测试核爆的“十字路行动”中，使用USV对核弹爆炸区域的水进行取样，检查水质的放射性。在20世纪60年代的越南战争中，美军使用内燃气动力的USV船队通过远程控制来执行扫雷任务。20世纪70年代，USV被广泛应用于美军的反水雷舰艇系统上，该系统由一艘母船和若干子船组成，而子船有USV、水下无人艇（UUVs）和无人飞机3种类型，在军事监管中发挥了重要的作用。在20世纪90年代后期，美国海军研发了具有自我防御功能的“Roboski”号喷射性USV，并于2000年初期开始在USV上安装执行机密任务的传感器平台，在沿海形成具有战斗力的USV船队。
同时，美国PEO LMW研发了一款可重构，高速和长耐力的半自动USV，该USV配备具有ARPA功能的雷达、固定摄像机、红外传感器、麦克风、水深仪、温度和风速传感器。在反潜战时，还可配备声呐系统。美国海军水下作战中心联合公司于2002年起合作开发SPARTAN SCOUTUSV，它被认为是高新技术的示范项目，其目标是研发具有模块化、可重构、多任务、高速、半自主航行的USV。2003年法国和新加坡也加入其中。美国海军航空和海上作战系统中心机器人小组是SPARTAN SCOUT USV项目组的成员之一，该小组研发了测试样机和USV通用平台，旨在提高USV的载重和自主航行能力。
在2007年，美国海军海上系统司令部（NAVSEA）濒海水雷战项目执行办公室制定了《海军USV 总体规划》，主要目的在于：①满足美国海军USV 发展需求；②实现美国国防部2020年关于转变军事结构的发展目标。
该计划提出，USV需要高度自动化水平，以减少远程通信的需求和操作人员的负担。该计划对USV的军事任务做了如下概括：①扫雷，②反潜作战，③海事安全，④水面战争，⑤支持特种作战，⑥电子战争，⑦海事特别任务。
除军方外，位于弗吉尼亚州的UOV公司研发了以太阳能、风能和回收动力作为能源，理论上续航能力为无限长的UOV，适用于海洋数据收集、测量等。成立于20世纪90年代的Navtec公司研发了基于喷水动力的USV——Owl MKⅡ，它在隐蔽性和配重能力上有显著提高，并具有侧扫声呐和摄像功能，被应用在波斯湾。
上图为Owl MKⅡ型USV，下图分别为美国研发的另外五款USV，分别为PEO LMW、SPARTANSCOUT、Roboski、SSC San Diego、UOV等五款USV。
⒉ 以色列USV发展现状
以色列是在USV军事化方面领先的国家。最负盛名的是以色列国防部研发的“PROTECTOR”系列的USV，该USV能在不暴露身份的情况下执行一些关键的任务，降低了船员和士兵的作战风险。“PROTECTOR”采用远程控制方式，最大航速能达到40kn，该型号USV已被新加坡和美国军方采购。
以色列国防部还研发了一款自动航行的中型USV——“Silver Marlin”，通过岸边监控系统和卫星通信控制系统实现对其的监控。该USV能够实现船舶的自动避碰，并具有自动航行和超视距操作的功能，能携带多个传感器和武器系统，应用于执行沿海智能化巡逻任务，是防卫、反恐、扫雷、搜救和救援的重要保障。
2005年以色列Elbit公司推出一款“黄貂鱼（Stingary）”号USV，它是基于Elbit公司在无人机的基础上研发的，船型小、隐蔽性好，能够完成海岸物标识别、智能巡逻、电子战争等多项任务。
以色列研发的主要USV型号如下图所示，分别为PROTECTOR、Silver Marlin、Stingary等型号的三款USV。
⒊ 其他国家发展现状
美国、以色列发展的USV主要是服务于国防，而其他国家发展的USV更多地服务于民用领域，比如航运、海洋环境保护、航道测量等。欧洲有很多科研机构从事USV的研发，日本对USV也有相应的研究。以下列出USV研究比较著名的项目和有代表性的船舶。
⑴MUNIN
2012年9月，由Fraunhofer CML（海事物流和服务弗劳恩霍夫中心）、MARINTEK（挪威海事技术研究所）等8家研究机构共同合作完成一项MUNIN项目，项目预计完成日期为2015年8月。MUNIN项目组以船长为200m的散货轮作为对象，研究内容包括船舶自主航行、引擎自动控制、岸基远程控制和物标探测，如下两图所示。
⑵Springer
2004年英国普利茅斯大学MIDAS科研小组开始研发USV——“Springer”，如下图所示。该船为双体船，主要用途是在内河、水库和沿海等浅水水域追踪污染物，测量环境和航道信息，还用于传感器采集技术、测量技术以及能源控制系统研究的人。该船用直流电机驱动，使用SLAM技术克服GPS定位可靠性不够高的缺点，能基于船舶航行环境预估船舶下一步位置。普利茅斯大学Naeem W对Springer自动导航、环境监测和基于COLREGs的规则自动避碰进行了较为深入的研究。
⑶Charlie
意大利热那亚CNR-ISSIA研究机构研发的“Charlie”号USV是一艘双体船，主要作用是在南极洲对海洋微表层进行取样和收集大气海洋界面的数据以及在浅水区域探测鱼雷，如下图所示。该船由无刷直流电机驱动，并在船上配备太阳能板。Caccia等对Charlie导航、控制、路径规划和避碰均有研究，并进行了很多相关实验。
⑷Delfim
Delfim是由葡萄牙DSOR（动力系统和海洋机器人实验室）研发的小型自动航行的双体ASV（自动水面船舶），用于与AUV（自动水下船舶）联合作业，执行海洋数据的实时采集和传输，如下图所示。ASV上装有DGPS、USBL（水下定位装置）、高速通信模块以及海洋数据测量设备，在执行任务时，ASV向AUV传输定位数据以供AUV定位，AUV向ASV传输海洋测量数据，ASV再将这些数据传回岸边或者周围的船舶。该项研究由欧盟资助，执行时间是1998年到2000年。
⑸MESSIN
1998年至2000年期间，德国联邦科技部资助MESSIN项目，该项目研发了一条双体USV船舶，该船用于在低于5m水深的水域执行多种测量和研究任务。
⑹ROAZ
ROAZ是由法国波尔多工程研究所自主系统实验室研发的ASV，如下图所示。与Delfim类似，ROAZ通过视觉信息来计算AUV与ASV的相对位置和方位，在内河环境下实现AUV 的自动靠泊服务。
⑺MMSV Ⅲ
德国Veer公司在1997年就开始研发USV，起始阶段研究工作主要集中在渔业，生产了“STIPS I”和“STIPS Ⅱ”两种USV。在2005年，Veer公司研发了多任务的VSV“MMSV Ⅲ”，如下图所示。
⑻YAMAHA
日本雅马哈公司研发了两种USV，一种是高速无人艇UMV-H型，另一种为海洋无人艇UMV-O型，如下图所示。UMV-H型USV使用水喷射动力，最大功率达到90kW，长为4.44m，可携带常用的一些设备，比如水下摄像机和声呐，UMV-H的最主要特点是既可以载人也可以无人航行。UMV-O型USV是一个针对远洋航行的USV，主要目的是监控海洋和大气的生物地球化学和物理参数，具有很长的续航能力。第一艘UMV-O型USV取名为“Kan-Chan”号，是由日本的科学与技术机构研发成功。
二、国内发展现状
国内USV起步较晚，已从最初的概念设计阶段逐渐过渡到实际运用阶段。哈尔滨工程大学、大连海事大学和沈阳新光集团等机构对USV 较早就开始研究。哈尔滨工程大学在USV 的运动控制和仿真方面做了研究较为深入，包括运动控制、目标检测、路径规划等方面。
⒈ “天象一号”海上气象探测船
由中国航天科工集团公司所属沈阳航天新光集团与中国气象局大气探测技术中心共同研制成功了我国首艘无人驾驶海上气象探测船--“天象一号”，如下图所示。“天象一号”探测系统由两部分组成：一是海上无人探测平台，即“天象一号”无人驾驶探测船；二是地面控制系统。该气象探测船总长6.5米，船体用碳纤维制成，采用智能驾驶、雷达搜索、卫星应用、图像处理与传输等诸多国际前沿技术，科技含量高。该探测船有人工遥控和自动驾驶（可按预定航线行驶）两种驾驶方式，如途中遇到障碍物可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行。“天象一号”气象探测船在船体设计上有自稳定功能，可满足高海况下工作。该船配备可靠的动力系统，其航程可达数百km，一次航行可在海面作业20天左右，填补了我国海洋气象动态探测空白，在应对海洋突发事件和监测海洋、大型湖泊等的环境及灾害预警等方面具有重要意义。
⒉ 海事无人船
青岛北海船舶重工有限责任公司与上海大学、上海海事局联合开发、自行设计研制的我国首艘无人艇--水面无人智能测量平台工程样机已通过了由交通运输部海事局组织的专家评审，如下图所示。该无人艇采用玻璃钢全封闭结构；选用柴油机动力系统，采用喷水推进；具有良好的机动性和抗风浪能力。该艇具有无人驾驶和不沉性等特点，可用于不适宜载人的试航任务，在加载相关的操控系统后还可完成水温气象参数测量、地形勘察、探测、导航、搜救等任务。目前，它已用于内陆江河、深海大洋等水域的海事检测任务，如下图所示。
⒊ 云洲系列无人船
珠海云洲智能科技有限公司5年前在珠海创建，致力于国内无人船领域的研发与创造，目前已经斩获诸多奖项，引起各方关注，被视为“创新黑马”。他们研发的环保和环卫无人船属于世界首创，完全符合国家标准的定时、定点、定量水样采集，位置精度在1米以内；采多少水，存到哪个瓶子里，都可以按照设定指令完成。同时无人船还会自动生成采集报告，操作者、采集时间、采集地点、当时的气候条件等一系列数据都是自动保存的，不能修改，便于标准化管理。他们的环保无人船，一经面世，就获得了政府部门和企业的关注；迅速投产、销售，已应用于全国15个省、市、自治区的31余个城市的环保和水利部门的监测、测量，并参与了国内多个污染事故的监测，得到了当地环保部门的一致好评。
云洲智能无人船志向远大，不仅仅满足在环保在线监测上，他们的目光已经从江河湖泊延伸向广袤的海洋，未来走向深蓝是他们的终极目标。无人船只是智能作业平台，搭载什么样的设备就可以用于什么样的需求，“领航者”号是他们正在着力推出的一款新颖水上作业无人船。作为一款通用化海洋高速无人船平台，“领航者”号未来将在环保监测、气象探测、科研勘探、水下测绘、搜索救援、安防巡逻乃至军事应用等不同领域完成各自的任务。其中，首先将推出水上测绘无人船，目前正在进入最后的攻坚阶段，在完成各项测试与水上联调后将推向市场。今年下半年起，云洲智能将在着眼珠海建设国内首个无人船生产测试基地，有关筹备工作进行顺利，预计明年初动工建设。它不仅能为云洲智能本身的产品生产和海洋测试提供良好的硬件环境，更重要的是，借此可以打造一个无人船领域的行业公共平台，吸引相关企业、高校、科研机构来共同合作，形成合力，做大市场。
三、结语
目前，全球无人船行业发展尚未成熟，市场需求却快速增长，这为中国无人船企业通过强化自主创新、掌握核心技术、抢占无人船“蓝海”提供了绝佳契机。当前我国正大力依托海洋资源优势，发展海洋经济以及先进装备制造产业，全球无人船市场的增长有望使无人船成为先进装备制造产业的新增长点。
当然作为新兴的海洋工程先进装备制造产业，未来USV的发展需要突破导航、通讯、动力和船体4大核心难题，可谓任重而道远。一方面它要有成熟的航行算法和避障能力，让船只可以按照既定路线自主航行，躲避障碍；另一方面平台还需要有远距离水面数据和实时视频通讯的功能，确保作业数据的质量；还需要平台通过软件界面，可以在卫星地图上查看船只航行的路线、任务的状态、监测的参数，进行在线数据的简单分析与处理。
从目前情况来看，USV在军事上应用最为常见，国外特别是美国、以色列等国发展势头迅猛；未来在民用领域，随着各国对海洋战略的重视及海洋开发力度的加大，USV也即将扮演越来越重要的角色。随着网络技术、人工智能和信息技术的进步，通过智能控制和GPS定位等技术的发展，对USV研究将出现新的突破，它必将在未来多个领域有广泛的应用前景，对人类水上工程应用、海洋军事活动及海洋开发建设等产生深远影响。
■本文相关资料引自《中国造船》上的文章“USV发展现状及展望”，文章作者为柳晨光等，就职于水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心。特此说明，相关版权归原作者所有。