【防务观察】未来海战将无人化？一窥美军水面“蜂群”技术体系
2016年2月，美国国防部2017财年预算中披露，战略能力办公室目前正在与海军研究署联合开展“海上集群”项目，核心是无人水面艇蜂群技术，验证无人水面艇开展不同任务时的情景感知和协作特性。
“海上集群”项目2015财年投资550万美元。2016财年转入样机试验阶段，投资2000万美元。美国防部计划，2016年完成一艘无人水面艇在开放水域的远航程自主航行，验证软硬件的可靠性；并试验5艘无人水面艇蜂群子系统，包括传感器、导航、通信和自主系统等。2017财年计划投资1800万美元，开展蜂群无人艇的单项战术任务验证，研究复杂联合任务能力，如自主搜寻和识别等、先进负载运输等。
战略能力办公室“海上集群”项目源于美国海军研究署的无人水面艇蜂群项目。2014年8月，美国海军完成相关技术的试验验证，使用了13艘无人水面艇（5艘自动控制、8艘遥控）组成编队，利用舰载传感器网络，成功由护航模式转变为敌船拦截模式，验证了自主任务能力。
一、发展背景
目前，由于国防预算的削减，美国海军舰艇数量逐渐减少，有人舰艇规模难以满足大量监测、护航等任务的需要；同时，美国远征作战压力突出，有人舰艇执行任务仍具有一定安全风险。与有人舰艇相比，无人水面艇生存能力更强、不易被探测、成本更低、不会造成人员伤亡。为此，美海军计划采用一系列蜂群无人水面艇代替载人舰艇，执行侦查、护航、小艇拦截等复杂任务。
二、研发现状
2014年8月，美国海军远征作战司令部开展了无人水面艇蜂群试验，在詹姆士河进行了为期3天、每天30分钟的演习，主要内容是开展高价值舰艇护航任务。试验使用了美国国家航空航天局喷气推进实验室研发的“机器人智能感知系统控制体系架构”（CARACas），重点解决了数据交互、自主决策等关键问题。
试验的5艘无人水面艇有4艘由海军水面战中心卡迪洛克分部提供，1艘由达尔格伦分部提供。其中，2艘为11米长的刚性船体充气船（RHIB），1艘为11米长的内河小艇，1艘为7米长的刚性船体充气船，1艘为7米长的港口安全艇。不同小艇的使用验证了CARACas的多功能性。试验小艇均为美海军现役装备，稍做改动就可发展为自主无人水面艇。除无人水面艇外，试验还包括了一艘高价值舰艇、一艘模拟敌方Mark V特种作战小艇，以及交通控制和支援小艇。
试验共分为四个阶段。第一阶段，5艘无人水面艇执行高价值舰艇的护航任务，8艘人工遥控艇在前方领航。第二和第三阶段，河道变窄，人工遥控艇在两侧河岸对危险情况进行侦查，无人水面艇和高价值舰艇通过河道。第四阶段，无人水面艇发现敌船，即时改变任务模式，由护航转变为集群攻击。
无人水面艇试验过程
三、关键技术
无人水面艇蜂群的关键技术包括两方面，一是用于自主控制的“机器人智能感知系统控制体系架构”CARACas系统，另一个是用于共享态势感知数据的“分散与自动数据融合系统”DADFS软件。CARACas可从雷达和DADFS获取状态感知信息，并规划航线。
1、“机器人智能感知系统控制体系架构”
美海军2004年开始研发CARACas，并结合了美国国家航空航天局对火星探测器的研发成果，目前已积累了3500海里的研发测试经验。目前，CARACas已完成的试验包括高速避障及探测（浮标、桥梁等）、多种无人艇合作、探测数据融合和交互、艇上任务规划等。
CARACas由行为系统、动态计划系统、感知系统三部分构成。行为系统是软件核心，基于R4SA（可靠实时可重构机器人软件架构软件）搭建，用于规划无人艇的行为、任务等。动态计划系统基于CASPER（连续行为规划计划执行和再计划软件）搭建，可根据任务内容和无人艇当前状态，制定无人艇动态行动计划。感知系统则可绘制部署区域的环境感知图像，作为安全导航的依据，主要装备包括喷气推进实验室研发的“锤头”立体感知系统以及使用了360°探测头系统（无人潜航器使用iPUMA声纳系统），可进行威胁探测和态势感知。此外，CARACas还设有世界处理器，可作为无人艇状态信息、任务信息、导航地图的外部通用接入点。
360°探测头系统
2、“分散与自动数据融合系统”
DADFS则是实现多艇控制的关键因素，可同步各艇的状态感知数据，并利用各艇上关联的传感器数据创建统一的态势感知图像，实现多艇感知数据的交互与融合。系统由美国海军研究署资助研发，结合了丹尼尔公司的数据融合算法和约翰霍普金斯大学应用物理实验室的分布式平台系统。
四、未来发展
无人水面艇蜂群作为美国防部战略能力办公室为“第三次抵消”战略研发的项目，即将开展单艇和多艇的战术任务长航时试验，短期内就可用于海上作战，颠覆近海、内河的侦察、护航、负载运输等模式。未来可利用海军大型舰艇将无人艇大量运送至全球各地，执行复杂任务。还可与其他无人平台联合，更高效地完成任务，例如与无人机联合探测感知战区的多维环境。可执行的任务包括可用于水域水文测绘、水利侦查、自动避害、航线规划、深海测绘导航、水下科研、反水雷、监视侦察、海洋生态保护等。
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无人艇执行护航任务模拟图
新闻提示
今年8月，美国海军在弗吉尼亚州詹姆斯河进行了一次无人艇“蜂群”作战演示，安装了CARACaS系统、故障自动防护系统的13艘无人艇，以集群作战模式完成一系列复杂机动动作后，实施了对“可疑船只”的包围和拦截，成功完成了护航作战任务。可以说，无人艇的问世在一定程度上创新了美国海军的作战方式。
近年来，随着无人机、无人车等新型无人装备相继诞生并取得长足发展，无人装备领域发展正从空中陆地向海上不断迈进，无人艇的发展前景如何？未来海战是否走向无人化？本期我们邀请海军军事专家刘伟为您作相关解读。
自主协同 蜂群攻击
10月5日，美国海军宣布在无人艇技术研究领域取得重大突破，无人艇不仅具备保护本方舰艇的能力，还能以“蜂群战术”向敌方舰艇发起自主攻击——
今年8月，美国海军在弗吉尼亚州詹姆斯河进行了一次无人艇“蜂群”作战演示，共有13艘无人艇参加，其中5艘无人艇采用自主控制，另外8艘由后方人员实施远程遥控。它们在收到来自直升机提供的威胁报警后，依托雷达和红外传感器探测目标，以集群作战模式完成一系列复杂机动动作后，实施了对“可疑船只”的包围和拦截，保护本方船只安全撤离，成功完成了护航作战任务。
所谓“蜂群战术”，顾名思义，就是像蜜蜂一样成群结队地攻击同一个目标，这样的攻击具有快速、机动和密集等特点。在海上实施“蜂群”攻击，通常是指同时利用多艘高速快艇协同攻击敌方单一大型舰艇的作战行动。“蜂群”攻击要求为协同行动提供强大的指挥控制、态势感知、信息共享和实时通信能力，而“蜂群”攻击的实现则要求无人艇在自主操作的情况下完成，即信息化之外又增加了自主化，包括高速的自主信息处理能力和精准的自主路径规划能力，其难度之大可想而知。据美国海军透露，普通的巡逻艇通常需要3至4名海员操控，但是安装了CARACaS系统、故障自动防护系统后，1名海员就能完成20艘无人艇的操控。与无人机不同的是，无人艇还具备了一定的自主性，并且不是每一步都需要有人发号施令。
美国海军之所以大力推进无人艇技术研究，与2000年美国海军“科尔”号驱逐舰遭受恐怖主义袭击直接相关。在那次袭击中，一艘装满炸药的小艇突然撞向停靠在也门亚丁港的“科尔”号驱逐舰，造成17人死亡，39人受伤。美国海军认为，基于网络自主化的无人艇将在保护海军舰艇、港口和海上设施免受类似袭击方面发挥重要作用，同时还可以使海军和舰艇装备从这种危险的防御任务中解脱出来。一方面可以避免人员伤亡，另一方面为更好地执行其他任务创造条件。
蓄力研发 不断创新
在过去20年中，无人装备尤其是无人机的军事应用取得了突飞猛进的发展，各国对无人艇技术的经费投入也逐年增加。从世界范围来看，当前的无人艇主要由美国、英国、法国、加拿大、以色列、日本等10余个国家研制，能够完成情报搜集、物理表征、反水雷、海事安全和训练测试等方面任务。
目前在全球无人艇市场，共有60余种无人艇，已经投入使用的型号中，军用无人艇数量约占70%。在无人艇的研发方面，美国始终处于领先地位，世界上近一半的无人艇是由美国研制。美国海军始终重视对无人艇自主化方面的研究，并积极吸收民事部门针对自主化和网络化操作的研究成果。此外，美国海军还资助国家航空航天局喷气推进实验室开发了机器人智能指挥与感知的控制体系架构（CARACaS），旨在使用最少的人工干预完成无人艇的操控和导航。在此次无人艇“蜂群”作战演示中，起关键作用的正是CARACaS系统。CARACaS系统成本极其低廉，并很容易安装在巡逻艇及其他船只上，配备该系统的无人艇一定程度上可以自主完成运输特种部队、保卫港口和码头的任务，真正做到了“低投入高回报”。
反复测试 攻坚克难
截至目前，美国海军已经在无人艇和无人潜航器上对CARACaS系统进行了长达8年的全面测试，下一步美国海军还将组织更多无人艇参与试验，并将引导无人艇开展更为复杂的协同行动。总的来讲，其未来发展方向包括以下几个方面：
进一步加强无人艇协同自主化。减少操作人员的数量、构建安全的舰艇网络、具备自主机动和待命以及清除障碍的能力，是美国海军对未来无人艇能力构想的重要方面。由于无人艇所处的水面环境十分复杂，不仅包含静态障碍物，同时还受海况、其他舰船航行的影响，对自主化操作的要求很高。因此，相比于其他无人系统，除了传感器、通信与数据接口、动力等所有无人系统都存在的技术问题外，高度自主化是影响未来无人艇发展的一个关键环节。
进一步提高续航能力。随着未来无人艇向执行侦察监视、反水雷、反潜等多种任务的方向发展，对其续航能力要求越来越高，但由于要与速度、耐波性以及有效载荷和动力等方面进行权衡，制约了续航能力的发展。为此，美国海军将提高无人艇的燃料有效载荷率作为技术发展的目标之一，同时还在研究通过转化太阳能、海浪能量等方式为无人艇提供持续不断的能源供应。
此外，武器化也将成为未来无人艇发展的一个重要趋势。正如无人机近年来走过的历程一样，无人艇未来最有可能首先具备反潜攻击能力，可发射鱼雷或小型反鱼雷武器，其在反水雷方面所发挥的作用将进一步拓展，可以执行目前由有人驾驶直升机和反水雷系统承担的任务。无人艇还将在电子战领域得到应用，帮助海军舰艇对敌实施引诱和迷惑。
制图：梁淼隆
世界无人艇发展进行时
★1898年
著名发明家尼古拉·特斯拉进行了遥控无人艇试验，其试验艇成为人类第一艘水面无人艇。
★20世纪60年代
美国将一型V-8汽油机驱动的小艇，改装为遥控扫雷艇。
★20世纪90年代
美国研制的“遥控猎雷作战样机”成功在波斯湾进行了海上作业。
★2003年
美国海军研制的“斯巴达人”无人艇首次演示，可通过换装任务模块，执行多样化任务。
★2005年底
以色列展示了“黄貂鱼”无人水面艇，其具有出色的自主导航与定位能力。
★2006年
以色列海军对“保护者”无人艇进行了新一轮作战评估海试，旨在研究未来无人艇发展的突破口。
★2010年
美国“食人鱼”无人艇亮相，可执行海岸部队的任务。
★2013年9月
新加坡大型无人艇完成海上试验，可进行连续48小时的自主航行。
★2014年
美国海军研究局取得新突破，无人艇不仅具有保护本方舰艇的能力，还能以“蜂群战术”向敌方发起自主攻击。
未来无人艇发展路向何方，让我们拭目以待……
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