海洋無人系統(tǒng)跨域協(xié)同觀測技術進展

王偉平 ，張尤君，董 超 , ，李秋鵬，鄭 策 ，陳焱琨 , ，鄭 兵 ,

（1.國家海洋局南海調查技術中心，廣州 510300；2.廣東省風力發(fā)電有限公司，廣州 510300； 3.自然資源部海洋環(huán)境探測技術與應用重點實驗室，廣州 510300； 4.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），珠海 519080）

1 引 言

海洋科學作為一門以觀測為主要研究手段的戰(zhàn)略科學，其發(fā)展在很大程度上依賴海洋觀測儀器設備的技術水平?？v觀海洋科學史，所有重大突破無一不是技術設備創(chuàng)新的結果?，F(xiàn)有的各種海洋觀測平臺各有優(yōu)勢，但均存在一定的局限性。以無人機（UAV）、無人艇（USV）和自主式水下潛器（AUV）為代表的無人自治平臺具備智能、靈活、快速、機動的特點，是海洋觀測技術的前沿發(fā)展方向。但目前這些平臺搭載傳感器的類型和數(shù)量有限，單一平臺難以滿足海洋任務多樣性的需求。雖然已有不少針對同類型無人自治平臺的組網(wǎng)觀測研究，但在跨平臺、跨域組網(wǎng)并形成機動集成系統(tǒng)方面的應用實踐仍處于起步階段。在這方面搶得先機，對于我國的海洋科技發(fā)展和海洋強國建設具有重要意義。

2 傳統(tǒng)組網(wǎng)觀測技術

國外在組網(wǎng)觀測系統(tǒng)方面已經有較為成熟的應用，國內也已經開始這方面的研究，但傳統(tǒng)組網(wǎng)技術主要是定點連續(xù)觀測和單域設備的組網(wǎng)觀測，研究內容豐富但觀測手段分散，沒有做到空中-水面-水下的跨域組網(wǎng)[1-3]。下面介紹一些主要的傳統(tǒng)組網(wǎng)觀測系統(tǒng)。

美國綜合海洋觀測系統(tǒng)是目前世界上業(yè)務化程度最高的近岸觀測系統(tǒng)，覆蓋全美近海海域，由11 個區(qū)域性海洋觀測系統(tǒng)組成，包括535 個岸基臺站、132 個高頻地波雷達站、258 個浮標或海上平臺。近幾年，AUV、波浪滑翔器、動物遙測系統(tǒng)也進入觀測網(wǎng)，另外還有在全球范圍航行的約240 艘志愿船。觀測數(shù)據(jù)信息通過衛(wèi)星或有線通信實時傳輸至數(shù)據(jù)中心，6~60 min 即可完成觀測數(shù)據(jù)的顯示與網(wǎng)絡化共享[4-7]。

加拿大海王星觀測系統(tǒng)是目前世界上已業(yè)務化運行的規(guī)模最大的海底觀測網(wǎng)，布放于北美太平洋岸外，海底光電纜長840 km，可傳輸60 kW的能量和100 GB/s 的數(shù)據(jù)[8-12]。布放的觀測儀器包括寬頻地震儀、海底壓力計、海流儀、溫鹽深儀、氧傳感器、聲學多普勒流速剖面儀、數(shù)碼相機、濁度計、水聽器、熒光計、硝酸鹽傳感器、氣體張力測量儀、方向傳感器、流式細胞儀、沉積物捕獲器。

澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)可觀測洋盆和區(qū)域范圍的物理學、化學和生物學變化，包括海洋代際變化、氣候變率和極端天氣、主要邊界流和跨流域海流、大陸架、生態(tài)系統(tǒng)反應等[13-17]。該系統(tǒng)由一個注重開放海域的深海和氣候節(jié)點及五個區(qū)域節(jié)點組成。五個區(qū)域節(jié)點涵蓋西澳大利亞、昆士蘭、新南威爾士、南澳大利亞和塔斯馬尼亞等地區(qū)。

日本密集型地震海嘯海底監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)位于日本以南海域，以地震和海嘯的觀測預警為首要目的。該系統(tǒng)在退役海底光電纜上建網(wǎng)，大大降低了系統(tǒng)總成本。其最大特色在于監(jiān)測儀器密集分布，長度300 km 的主干光纜上即安裝了5 個科學節(jié)點、20 個觀測點，觀測點之間相距僅15~ 20 km。每個觀測站點可準確地探測地震和海嘯活動，并實時將數(shù)據(jù)傳送給日本海洋科學技術中心下屬的橫濱地球科學研究所[18-20]。

同濟大學負責建設的20 km 東海小衢山海底觀測網(wǎng)，主要觀測東海陸架的海洋物理、化學、生物、地質等變化過程[21-22]。2012年，“863 計劃”正式啟動了東海淺海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)集成項目，計劃增加觀測網(wǎng)的長度，并研發(fā)一套適合淺海的海洋環(huán)境多參數(shù)原位監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)。2013年，小衢山海底觀測站升級改造為東海海底觀測與海洋儀器裝備測試實驗平臺。

浙江大學牽頭研制的摘箬山島海底觀測網(wǎng)絡示范系統(tǒng)已在2013年8月11日成功布放，由岸站、葉綠素儀、濁度儀、有色可溶解有機物探測儀等組成，光電纜長1.5 km，水深10 m，接駁2套傳感器系統(tǒng)。建成至今仍可正常運行，是目前為止國內應用時間最長的高壓供電海底觀測網(wǎng)。未來將添加遠海傳感器通過衛(wèi)星進行通信和傳送數(shù)據(jù)[23-26]。

臺灣東部海域海纜觀測系統(tǒng)由臺灣氣象局搭建，覆蓋臺灣東部海域，第一階段從宜蘭市的陸地向外海鋪設，總長度約45 km，在纜線末端水深300 m 處安裝1 個科學觀測節(jié)點。搭載的觀測儀器主要有地震與海嘯壓力計、水聽器和溫鹽儀等，該階段已于2011年11月開始啟用。第二階段將繼續(xù)延長海纜，系統(tǒng)全部建成后，海纜總長度將達到250 km[27-29]。

3 無人系統(tǒng)跨域協(xié)同技術

無人智能平臺跨域協(xié)作能夠相互彌補不足，大幅提升綜合效能，已經成為歐美等科技強國的共識。作為極具挑戰(zhàn)的前沿研究熱點，美國海軍提出了異構無人平臺集群的作戰(zhàn)設想[30-31]中，包含UAV、USV 以及AUV 在內的三種無人裝備[32]。借助衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中介，形成空中-海面-水下的立體化、多維度無人集群協(xié)同作戰(zhàn)。從可靠性以及使用效率的角度出發(fā)，依靠UAV 與USV 的混合集群即可達到預期的任務意圖。使用UAV 作為預警機，依靠其高速、高空探測視野以及靈活機動的優(yōu)勢，為岸基指揮人員和USV 集群提供實時海區(qū)態(tài)勢信息。USV 集群則依靠數(shù)量優(yōu)勢和良好的搭載能力，配備不同的武器或設備，作為任務的實際執(zhí)行者[33]。

目前，多無人智能體組網(wǎng)協(xié)同方面的研究多聚集在單一域內，或者空地、空海協(xié)同, 對空、天、海、潛跨域多智能體組網(wǎng)協(xié)同的研究還相對較少?？盏亍⒖蘸f(xié)同方面，USV-UAV 自主起降、協(xié)同方面的研究取得了一些進展，國內上海交通大學、華中科技大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學等也在相關領域進行了探索?，F(xiàn)階段，無人系統(tǒng)協(xié)同的應用多集中在軍事領域，美國在該方面走在前列，空、海、潛協(xié)同編隊作戰(zhàn)的演習，無人水面母艦計劃等均有相應的報告。該方面的進展，上海交通大學的張衛(wèi)東做了非常詳細的梳理[33]。

國內，中國科學院沈陽自動化研究所于2018年提出了多無人平臺一體化/融合概念，目標是實現(xiàn)從空中、海面、水體到海底的立體協(xié)同觀測。在中國科學院海洋先導專項和南海環(huán)境變化專項支持下，該所機器人學研究室、水下機器人研究室、海洋機器人卓越創(chuàng)新中心和海洋信息技術裝備中心共同開展的空海一體化立體協(xié)同觀測聯(lián)合試驗在大連圓滿完成。這是國內首次組織大規(guī)模、跨學科、跨研究室的多平臺聯(lián)合試驗，共有五大類型八臺套無人裝備參加了聯(lián)合試驗，包括沈陽自動化研究所自主研發(fā)的“云鸮 100”無人直升機、“GZ-01”無人水面艇、“遠征二號”AUV、“探索4500”AUV 和“海翼”水下滑翔機等。本次試驗中，USV 在弱通信狀態(tài)下實現(xiàn)了對“遠征二號”的自主跟蹤；USV 在低空近海復雜環(huán)境下，實現(xiàn)了對海上快速移動小目標的精準跟蹤和調查取證；實現(xiàn)了指揮中心對多平臺實時監(jiān)控和遠程指揮的能力與多平臺信息的立體展現(xiàn)。

UAV、USV 和AUV 的進步為跨域海上無人系統(tǒng)集群的發(fā)展奠定了基礎，歐美國家通過大量的演習驗證了跨域組網(wǎng)協(xié)同能力，并在近幾年不斷取得突破性進展。在實際應用中，無人系統(tǒng)執(zhí)行的任務多樣，面臨的環(huán)境復雜多變，想要真正具備執(zhí)行任務的能力，減少人為干預，仍然有諸多的技術難點和挑戰(zhàn)亟待解決。

3.1 協(xié)同環(huán)境感知與數(shù)據(jù)融合

無人系統(tǒng)集群的環(huán)境感知能力是控制與決策的依據(jù)。集群中的個體可以看作分布式傳感器網(wǎng)絡的單個節(jié)點，通過信息融合可以獲得更廣的探測范圍、更高的探測精度，從而實現(xiàn)對任務區(qū)域的全面感知。按照融合結構的不同可以分為集中式、分布式、混合式[34-35]。其中，集中式結構將各個節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)全部傳輸至融合中心進行處理，這樣能最大限度地保證數(shù)據(jù)的完整性，融合效果也是理論最優(yōu)的，但是對于通信帶寬和通信距離提出了極高的要求，而且系統(tǒng)的可靠性較差。分布式結構每個節(jié)點擁有獨立的處理單元，對傳感器數(shù)據(jù)進行初步處理探測數(shù)據(jù)，再將結果發(fā)送至融合中心，這樣能夠緩解通信壓力，提高融合中心的處理效率，具有較高的可靠性?；旌鲜浇Y構是以上兩種結構的組合。按照數(shù)據(jù)形式的不同可以分為數(shù)據(jù)層、特征層、決策層融合方法[36]。其中，數(shù)據(jù)層融合直接將傳感器接收到的原始數(shù)據(jù)進行融合；特征層融合是從傳感器數(shù)據(jù)中提取特征向量進行融合，大幅縮減數(shù)據(jù)量，應用范圍較廣；決策層融合將處理得到的高層推論或決策進行融合處理，常用的有加權決策法（表決法）、經典推理法、貝葉斯推理法、D-S 證據(jù)理論等。

無人系統(tǒng)集群多節(jié)點功能、空間位置的協(xié)同分布為集群態(tài)勢感知提供了更多可能性，但是傳感器數(shù)據(jù)具有多源性、異構性和動態(tài)性等特點，隨著節(jié)點和傳感器數(shù)目的急劇增多，數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長，這些現(xiàn)實因素不僅對通信產生了極大壓力，還對融合算法的計算量提出了巨大挑戰(zhàn)[37]。因此，針對不同的協(xié)同態(tài)勢感知方式和架構，需要研究具有較高適用性的融合框架，提高環(huán)境綜合感知能力。

3.2 通信自組網(wǎng)

可靠的通信網(wǎng)絡是實現(xiàn)無人系統(tǒng)集群實時信息交互傳輸?shù)幕A。多個UAV 自組網(wǎng)，建立一個無線移動網(wǎng)絡，UAV 之間的通信不完全依賴地面控制站或衛(wèi)星等基礎通信設施，每個節(jié)點兼具收發(fā)器和路由器的功能，節(jié)點之間能夠相互轉發(fā)指控指令，交換感知態(tài)勢、健康情況和情報搜集等數(shù)據(jù)。UAV 自組網(wǎng)采用動態(tài)組網(wǎng)、無線中繼等技術實現(xiàn)互聯(lián)互通，具備自組織、自修復能力和高效、快速組網(wǎng)優(yōu)勢，可滿足特定條件下的應用需求[38-42]。

與UAV 組網(wǎng)通信技術不同，跨介質組網(wǎng)通信面臨的不同傳遞介質，信道容量和延遲存在差異，傳遞信息的距離、速率、帶寬、容量和延遲也會有較大的不同。海上無線通信受氣候條件和海洋環(huán)境影響較大，通信可靠性不高，通信帶寬窄。海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運營和維護成本高，且通信帶寬受限。岸基移動通信是海洋通信網(wǎng)絡的一種有力補充，具有高速率、低成本的優(yōu)點，但是只能適用于小范圍的近海海域。水下通信網(wǎng)絡的傳輸帶寬和傳輸速率均遠遠低于空中通信網(wǎng)絡。另外，不同介質的節(jié)點移動速度不同，這導致通信網(wǎng)絡拓撲結構高動態(tài)變化、鏈路質量頻繁波動，這都對組網(wǎng)技術提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，其中最主要的是介質訪問控制協(xié)議和路由協(xié)議的設計問題，以支持不同任務下的傳輸需求。

3.3 任務分配與協(xié)同編隊控制

海上無人系統(tǒng)集群的任務分配是指在滿足環(huán)境約束的條件下，為各節(jié)點分配任務并確定任務時序。按照協(xié)同控制框架的不同，可以分為集中式和分布式任務分配[43-44]。其中，集中式任務分配算法求出全局最優(yōu)的任務分配方案，但是由于節(jié)點數(shù)量多，異構特性突出，任務類型豐富，大大增加了求解空間，導致算法計算量巨大，實時性不強。分布式任務分配算法可以為中心節(jié)點或者通信設施失效引起的單節(jié)點故障提供穩(wěn)定性。針對高對抗、強不確定及時間敏感的環(huán)境中隨時可能出現(xiàn)的包括任務目標改變、威脅和環(huán)境變化、集群成員損傷等突發(fā)情況，需要UAV 集群具備實時任務調整和重規(guī)劃的能力，快速響應外界環(huán)境的變化，提高任務效率和使用靈活性。

在無人系統(tǒng)協(xié)同執(zhí)行某項任務時，需要編隊構型保持相對穩(wěn)定，以實現(xiàn)不同平臺間的協(xié)調運動（如固定隊形、協(xié)同跟蹤、協(xié)同圍捕等）和穩(wěn)定的通信連接。為此，使用的主要方法有領航者?跟隨者法、基于行為法、人工勢場法、虛擬結構法和基于強化學習的編隊控制方法等。傳統(tǒng)的編隊控制方法需要平臺和擾動的精確模型來設計控制率，但是在實際應用中，平臺和擾動通常具有時變、非線性等特點，再加上傳感器誤差、環(huán)境擾動等不利因素的影響，誤差模型的先驗信息很難獲取，嚴重限制了傳統(tǒng)控制方法的實際應用[45]。

4 海洋無人系統(tǒng)跨域協(xié)同觀測

無人系統(tǒng)跨域協(xié)同在海洋觀測領域具有廣泛的應用前景。為了利用UAV 與USV 進行環(huán)境感知、目標識別、目標跟蹤等，葡萄牙里斯本大學研究人員設計了一種協(xié)同搜救平臺，通過熱成像相機、顏色顯著特征性地圖和生物啟發(fā)視覺算法協(xié)同作業(yè)完成海上搜索救援任務[46]。美國南佛羅里達大學研究人員研究了用于軍事、災害響應等應用的沿海環(huán)境監(jiān)測平臺，其中UAV 搭載視覺攝像頭采集完整環(huán)境覆蓋信息，USV 搭載聲吶監(jiān)測水下環(huán)境信息，協(xié)同進行沿海環(huán)境監(jiān)測[47]。針對海洋原油泄漏問題，克羅地亞薩格勒布大學建立了一種由USV、UAV 和AUV 組成的跨域協(xié)作系統(tǒng)，通過化學傳感器和可視化傳感器檢測海洋原油泄漏情況[48]。美國佛羅里達大學使用USV與UAV，利用視覺評估方法對海堤與蓄水池結構健康問題進行監(jiān)測[49]。

由于缺乏高效的觀測手段，全球已知的海床面積僅占其總面積的15%，人類僅對水深超過200 m 海域中的20%開展過海床形貌制圖，現(xiàn)階段已知的全球海底精細地形占比不足1%。因此，海床被稱為地球最后的未開發(fā)地帶，其未探明的面積甚至大于月球或火星。由于電磁傳感在海洋中的局限性，世界海洋的水深測量大多必須利用現(xiàn)代聲學測繪技術，從水面或水下艦船平臺獲得。然而，使用單一平臺（單艘科考船、USV、AUV）開展走航聲學測量的效率極低，嚴重滯后于人類認知海洋、開發(fā)海洋的需求。國際上大規(guī)模水面-水下平臺協(xié)同海洋探測的首次嘗試發(fā)生于2018年對MH370 疑似失事海域的搜索，屬于無人系統(tǒng)跨域協(xié)同技術在海底地形地貌觀測領域的典型應用。使用8 臺深水型AUV 搭載水深測量設備近底探測，并通過8 艘USV 對水下AUV 平臺提供一對一的水面通信、高精度定位支持，歷時138天，完成了12.5 萬km2海域的搜索，為傳統(tǒng)單船走航作業(yè)方式效率的6.06 倍。目前，該類技術仍多停留在一條大型專業(yè)母船支撐一臺AUV 的階段，且在水面、水下無人平臺的自適應組網(wǎng)方面研究甚少，只適合在局部重點區(qū)域使用。針對高精度海底地形地貌制圖強調測量精度和效率的特點，可以利用海洋跨域組網(wǎng)協(xié)同觀測技術快速、機動的水面、水下組網(wǎng)觀測能力，高效獲取所關注海底區(qū)域盡量高精度和高分辨率的形貌信息。在深水區(qū)域，發(fā)揮水下平臺近底探測的高分辨率優(yōu)勢和水面平臺的高定位精度優(yōu)勢，自適應組網(wǎng)，加速全球未知海床的精細化探測；在淺水區(qū)域，利用水面艇吃水淺、快速、機動的優(yōu)勢，實現(xiàn)海陸過度帶和島礁附近海域精細化海底地形地貌數(shù)據(jù)的有效采集，從而為海洋科學研究、環(huán)境保障、防災減災等提供關鍵基礎數(shù)據(jù)。

國內在海洋觀測方向的應用多以單艘USV攜帶聲學設備開展淺水區(qū)水下地形測繪為主，也有部分單一類型無人智能平臺組網(wǎng)協(xié)同觀測的案例，跨域多平臺組網(wǎng)協(xié)同的案例目前尚未見公開報道。2020年9月，南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）在萬山群島海域開展多USV 協(xié)同測繪技術應用示范，作業(yè)過程分別采用蜂群模式與隊列模式，總共完成1 km2海域的全覆蓋水深測量數(shù)據(jù)采集，初步驗證了USV 編隊協(xié)同任務分配、編隊控制、編隊避障、動力定位控制與設備狀態(tài)與載荷數(shù)據(jù)實時處理功能等內容，極大地提高了海洋測繪的作業(yè)效率。

在其他海洋觀測領域，如中尺度、內波、臺風等海洋動力過程觀測，赤潮、溢油、風暴潮等海洋災害災后監(jiān)測，海上石油平臺、海上風電場等海洋工程現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測等，無人系統(tǒng)跨域組網(wǎng)協(xié)同仍以技術探索為主。近年來，我國資助了一批國家級、省部級科研項目，但距離工程應用階段仍有較大差距。

5 海洋協(xié)同觀測技術難點和發(fā)展趨勢

首先，海洋觀測任務復雜多變，觀測要素覆蓋氣象、動力、生物、化學、地質等多學科，單一平臺難以勝任橫跨空、海、潛三個維度的全要素觀測。在海上執(zhí)行觀測任務，還需具備惡劣海洋環(huán)境下的作業(yè)能力，以提高臺風、風暴潮等場景的數(shù)據(jù)采集能力。

同時，部分海洋觀測任務在時間、空間維度提出了巨大的挑戰(zhàn)。例如，次中尺度現(xiàn)象空間尺度小、生命周期短，傳統(tǒng)觀測手段難以捕獲，需要一種可快速抵達、可快速展開的觀測手段提高捕獲概率；全球已知海床僅占其總面積的15%，其未探明的面積甚至大于月球或火星的面積，已知的海底精細地形占比更是不足1%，現(xiàn)有單船走航作業(yè)方式效率太低。

最后，不同觀測平臺（USV、UAV、AUV）搭載的載荷可能存在差異（載荷類型、載荷指標），并且由于觀測平臺在續(xù)航力、航速、通信距離、最大觀測高度/深度等技術指標方面的差異，各平臺采集的數(shù)據(jù)在時間分辨率、空間分辨率等方面必然不一致，須經過數(shù)據(jù)預處理、同化、融合等步驟統(tǒng)一到同一標準下，才能開展有效的科學分析。

上述應用難題，對觀測系統(tǒng)的能力提出了非常高的要求，具體可歸納為如下三個方面：

（1）具備在大空間尺度內開展快速、立體、同步、高分辨率海洋觀測的能力；

（2）具備應對復雜環(huán)境、多樣觀測等任務場景的能力；

（3）具備智能、高效、準確地采集、處理和分析觀測數(shù)據(jù)的能力。

針對應用提出的技術難點，未來須重點關注：

（1）廣域、異構、跨介質無人系統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)同控制，包含跨平臺信息感知與融合、任務自適應動態(tài)調度、集群動態(tài)拓撲優(yōu)化等，以應對平臺、載荷參數(shù)特性差異，任務執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的觀測對象變化、平臺失效等問題，提高組網(wǎng)協(xié)同的效率，保證觀測的有效性；

（2）復雜海洋環(huán)境下的高可靠組網(wǎng)協(xié)同通信，包括廣域跨介質通信組網(wǎng)架構、適應任務場景的傳輸資源分配優(yōu)化、復雜海洋環(huán)境下的高可靠傳輸鏈路等問題，為協(xié)同觀測提供通信基礎網(wǎng)絡支撐；

（3）復雜海洋條件下無人系統(tǒng)的任務執(zhí)行和生存能力，須提升系統(tǒng)模塊化、通用性等方面的能力，保證可執(zhí)行任務的多樣性，并通過水面/水下協(xié)同、可潛USV（兼具水面、水下作業(yè)能力）等進一步優(yōu)化上述能力；

（4）無人系統(tǒng)快速機動轉場與布放回收，可研制專業(yè)母船作為無人系統(tǒng)指揮控制終端，提供任務調度、數(shù)據(jù)管理、通信組網(wǎng)、維修保養(yǎng)、成果展示等方面的支撐，并通過加裝專業(yè)化的甲板機械、控制終端等實現(xiàn)無人系統(tǒng)的高效布放、回收。

6 結束語

本文針對海洋無人系統(tǒng)跨域協(xié)同觀測技術，從傳統(tǒng)組網(wǎng)觀測技術入手，分析了現(xiàn)有海洋觀測系統(tǒng)的特點和局限性。隨后，梳理國內外無人系統(tǒng)跨域協(xié)同技術進展，并結合MH370 搜救等進行案例分析。最后，結合海洋觀測任務特點、時效性、平臺性能等因素，歸納海洋觀測系統(tǒng)未來發(fā)展須重點解決的關鍵技術問題。海洋觀測任務復雜多變，涉及學科繁多、作業(yè)環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)技術手段局限性較強?，F(xiàn)階段，無人系統(tǒng)跨域組網(wǎng)觀測發(fā)展迅速，但在智能化、適應性、可靠性等方面仍存在很大的提升空間，它是提升海洋觀測能力的一種重要手段。