科技前沿▏USV的技术发展与未来展望

水面无人艇（Unmanned Surface Vessel,USV）近年来受到国内外越来越多的关注。国内外USV的最新进展和成果前文已经介绍过了，这里不再累述，本文重点介绍USV的控制方式、动力机构、自动避碰技术及路径优化和未来技术发展，并针对我国内河环境展望了USV在航道数据测量和海事巡航方面的应用前景。

一、USV技术发展

⒈ USV控制方式

USV 船舶控制方式主要有3 种，即远程遥控、自主航行、远程遥控/自主航行双模。

⑴远程遥控

远程遥控是利用远程通信技术实现USV与岸上控制中心的信息交互，达到远程操控船舶的目的。在USV航行时，控制中心与其交互的信息包括航行状态信息、视觉信息、故障诊断信息和控制指令等。考虑到通信数据量大、实时性需求高的特点，比较适合的远程通信技术主要有WiFi，蜂窝网和卫星通信等，其中WiFi由于具备网络传输速率高、抗干扰能力强等特点，比较适合几百米范围内的通信，蜂窝网需要在其覆盖范围内使用，而卫星通信不受距离限制，但成本较高。

⑵自主航行

ASV与USV在概念上有所区别，主要表现在：①ASV的航行、碰壁策略由自动控制系统提供，自动控制系统由远程控制中心或者由船舶自身控制，但船舶上允许有维护和服务人员；②USV可以是自主航行，也可以远程控制，但船舶上没有人。ASV要求船舶自身具有完整的动力控制系统、航迹/航向控制系统、自动避碰系统、故障诊断系统和应急处置系统。ASV一旦失控可能会造成十分严重的后果，因此在航行时ASV应与普通船舶一样遵守相同的交通规则，且一旦有故障发生，应采取应急措施。

⑶远程遥控/自主航行双模

以目前理论水平和技术条件而言，完全替代人来操控船舶是很难实现的。采用远程遥控/自主航行双模这样一种比较常见和安全的控制方式是比较合适的。下图展现了MUNIN项目实现的效果。图中左边船舶为自主航行船舶，船舶电脑系统中显示的航行路径、气象导航和轨迹参数会实时地更新和存储，通过雷达、AIS和红外传感器监测周围环境。当遇到其他船舶或者障碍物，该船会根据COLREGs规则（国际海上避碰规则）进行避碰操作。与此同时，所有的监控参数都会被实时地传输到陆地控制中心（SCC）。当船舶离陆地较近时，可通过GSM、3G或者4G网络进行通信；当距离较远时，就需要用到卫星通信了。MUNIN项目组专门设置了仿真中心，可对控制策略进行仿真，节约了成本的同时也提高了安全性。

⒉ USV动力机构

USV动力推进方式有螺旋桨推进、喷水推进和风力推进。螺旋桨推进在船舶推进中占有统治地位，发展历史长达300多年。喷水推进方式在高速时具有优异的推进效率和操纵性能，在军舰上使用较多。YAMAHA公司“UMV-O”号USV使用的是喷水推进，最高航速能达到40kn。统计资料表明，使用螺旋桨作为动力的USV仍是主流。螺旋桨在低速时比喷射更有效率，建造和维修成本也更低。风力能源取之不竭，使用风力作为动力的USV续航力在理论上是无限的。但由于这类USV仍需进行数据采集、路径控制、信息传输等任务，对电能也有一定的需求。主要USV的推进方式和动力源如表1所示。

⒊ 自动避碰技术及路径规划研究

船舶在航行时周围环境的变化十分迅速且不可预知，具备自主航行能力的船舶需要一套完善且实时的导航控制系统（GCS）。自动避碰技术是USV实现自动导航系统的关键，里斯本科技大学L.P.Perera提出基于自动避碰的导航系统的基本框架，如下图所示。

USV在航行时与其它船舶具有“同等地位”，必须遵守水路交通的法规法则。国际海上避碰规则（COLREGs）是IMO制定的海上交通规则，适用于在公海和连接公海可供海船航行的一切水域中的一切船舶。USV在海上航行时也须遵守COLREGs规则。针对我国内河具体航行环境，2003年9月交通部发布了《中华人民共和国内河避碰规则（2003年修正本）》，细化了我国内河船舶航行和避碰规则。

在国外，MIT海洋工程部门Michaeel R.Benjamin等分析了自主航行USV遵守COLREGs的必要性，并对USV如何实现自动避碰给予建议。贝尔法斯特女王大学Wasif Naeem等进一步提出了应用DPSS算法来进行COLREGs规则下的USV航行最佳路径选择。在国内，哈尔滨工程大学卢艳爽基于A*算法，并融合传感器实时的USV和障碍物的数据，实现了USV实时动态避碰。大连海事大学王哲建立了基于COLREGs规则下评判碰撞危险度的模型，并利用USV避碰系统知识库来实现自动避碰的。江苏科技大学陈超等为解决USV路径规划问题，提出了一种基于可视图的A*算法，可提高路径规划的效率，并对该算法进行了仿真验证。

关于避碰算法研究普遍停留在理论和仿真验证阶段，在实船验证方面还存在不足。目前针对内河环境的USV自动避碰方面研究很少，有待进一步深入。

⒋ 未来技术发展

随着信息技术、网络技术、人工智能的进步，USV将向网络化、智能化以及模块化发展。

⑴CPS在USV中的应用

信息物理系统（cyber-physical systems,CPS）是基于嵌入式设备的高效能网络化智能信息系统，它通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组建自动协调等方面的能力，是时空多维异构的混杂自治系统。CPS在功能上主要考虑性能优化，是集计算、通信与控制3C技术于一体的智能技术，具有实时、安全、可靠、高性能等特点，如下图所示。

与嵌入式系统不同的，CPS把通信放在与计算和通信同等地位上，强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。此外，CPS对于异构信息具有很好的适应能力，同时允许系统中部分部件动态的退出和进入，具有很好的容错性。USV正常航行离不开位置、速度、视觉、姿态、雷达等多源异构信息的支持，CPS能很好地满足USV的需求，在未来对USV的研究中，应考虑应用CPS的可能性。

⑵新能源的应用

由于石油等不可再生资源的日渐枯竭以及排放造成的环境问题，节能减排已成为世界热门议题。海运是国际物流最主要的方式，对船舶使用新能源的需求越发迫切。国内外围绕太阳能、风能等新能源开展研究比较多，但离商用仍有一定距离。USV船型较小，操控方便，成本相对低廉，可优先考虑新能源的应用。目前USV能源以汽油、柴油和存储在电池中的化学能为主，但也有USV尝试使用新能源。UOV公司研发了以风能为动力能源、太阳能和回收动力为电能的USV，实现了能量的自给自足。比如 “Charlie”号USV，其动力来源于电机，其在船上配备了太阳能板，在一定程度上提高了它的续航力。以风作为动力的帆船已有千年的历史。风帆控制较为复杂，而且帆船还要受到海浪、海风及海流等环境的扰动作用。帆船的航行控制对象具有非线性和时变性，其所处的外部环境复杂多变，所以其本身的数学模型和扰动模型难以精确建立。除风能外，可利用太阳能、波浪能作为辅助能源。在风帆上布设柔性太阳能板是一种比较节约空间的方式。

除此之外，高度可靠自主排除故障能力也是USV在今后发展中面临的主要挑战。

二、USV发展展望

从目前情况来看，USV 在军事上应用最为常见，在民用领域USV也即将扮演越来越重要的角色。以下分别在航道数据测量和海事巡航两方面加以论述。

⒈ 航道数据测量

欧美和日本等国利用USV 采集海洋环境数据，这样技术已较为成熟，大大节约了人力和费用。我国内河航运在国家运输业中发挥的作用日渐明显，航道作为航运三大基本要素之一，航道数据是航运管理的重要依据，也是构建“智能航道”的必要条件。航道数据主要包括河床数据、航道尺寸、航道演变、水文数据、水位、航标及其他助航设施布设情况等。

受潮汐、气候因素的影响，航道数据变化频繁，需及时更新。水深、水流速度等数据采集点较多，采用人工方式效率较低。配备水深、流速和风速等传感器的USV，通过远程操控或自主航行方式实时采集航道数据。如果采集工作量大或者更新速率要求高，则可组织多艘USV联合作业，将目前航道数据采集由单点扩展成多点，形成数据采集网。采集的航道数据通过专网传回数据服务器，经过解析、存储后，实时显示在电子航道图上，同时提供航道数据服务平台，供海事管理部门和船舶用户使用。应用USV采集航道数据提高了效率的同时也提高了内河航运的信息化、自动化和智能化水平。

⒉ 海事巡航

我国内河航道中的部分河段较窄、船舶交通量大、桥梁多，船舶事故时有发生。船舶事故发生后，越早发现危害越小，生命财产保全的可能性也越大。同时，内河沿线多为人口集中区，事故如没有得到及时地处理，会对沿线的居民生活带来危害。

　　目前海事部门采用人员定期巡航，巡航时间和次数有限，且在夜间和大风浪天气下巡航较少。在当前技术条件下将USV 应用于内河巡航已成为可能。巡航USV应具有远程和自主航行两种控制方式，并在USV上配备摄像机和雷达等设备实时监测航道情况。在远程控制模式下，USV依靠远程控制人员的操控执行巡逻；在自主航行模式下，USV按照事先制定的路线进行航行，一旦监测到碰撞、火光等异常现象则报警，值班人员再进行确认。

三、结语

USV已是未来海洋和内河航运发展战略中不可或缺的一部分。在现有研究基础上，应结合计算机技术、网络技术、人工智能、信息技术和CPS等实现对USV研究新的突破。随着USV相关技术和理论的不断发展，它在航道数据测量和自动巡航等方面将会有很好的应用前景。

■本文来源于《中国造船》上的文章“USV发展现状及展望”，考虑到文章较长，做了删节，标题也做了相应修改。文章作者为柳晨光等，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，版权归原作者所有。