前言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),海洋將成為人類生存與發(fā)展的新空間.為提升海洋觀測能力,可在特定水域部署靜態(tài)感知和動態(tài)協(xié)同控制節(jié)點,以構(gòu)建水下信息物理系統(tǒng)(underwater cyber-physical system,UCPS).上述水下信息物理系統(tǒng)是集控制、通信和計算于一體的水下智能系統(tǒng),包括探測與采集、傳播與組網(wǎng)、控制與融合等過程.近年來,水下信息物理系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,推動了自主水下機器人、水下搜救與目標(biāo)抓取、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、水聲通信、水下預(yù)警與監(jiān)控等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的升級換代和跨越發(fā)展.目前,水下信息物理系統(tǒng)理論體系尚處于構(gòu)建之中,相關(guān)研究正面臨諸多亟待解決的難題.基于上述考慮,本專題聚焦水下信息物理系統(tǒng)協(xié)同控制的最新理論、研究方法及其應(yīng)用成果,共錄用14篇論文,分別從水下信息物理系統(tǒng)探測感知、組網(wǎng)傳輸與協(xié)同控制等層面探討了當(dāng)前研究進(jìn)展.

在探測感知層面,閆敬等對水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化設(shè)計進(jìn)行綜述,分析了水下探測-通信-控制一體化研究面臨的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵問題,并對水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化未來值得深入探究的研究方向進(jìn)行了總結(jié)與展望.孫祎蕓等針對海洋船舶目標(biāo)識別問題,設(shè)計了一種基于注意力機制的雙流對稱特征融合網(wǎng)絡(luò)模型.覃賀權(quán)等針對水下目標(biāo)識別與特征提取問題,提出了一種基于通道修正均衡化的暗通道水下圖像增強算法.岳偉等針對復(fù)雜水下環(huán)境中目標(biāo)搜索問題,提出了基于改進(jìn)多狼群算法的水下目標(biāo)搜索策略.何翌等考慮探測過程中的環(huán)境約束,提出了基于多水下航行器的流速場感知算法.

在組網(wǎng)傳輸層面,姚衍等考慮水聲多徑衰落信道,采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了基于自編碼器的非相干水聲通信算法.葛志遠(yuǎn)等針對水下組網(wǎng)過程中存在通信環(huán)境多變、高噪聲以及鏈路中斷的問題,提出了一種基于能量均衡與可靠傳輸?shù)乃暵酚蓞f(xié)議.陳嘉興等針對稀疏型水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法面臨的定位覆蓋率低和誤差高的問題,設(shè)計了一種水下機器人協(xié)同控制的模型區(qū)域劃分定位算法.王銀濤等考慮水下組網(wǎng)過程中自定位精度要求,提出一種基于無人水面船輔助的水下航行器協(xié)同導(dǎo)航定位算法.

在協(xié)同控制層面,劉晨霞等針對多障礙物海流環(huán)境下多水下機器人目標(biāo)任務(wù)分配與路徑規(guī)劃問題,給出了一種基于生物啟發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的自主任務(wù)分配與路徑規(guī)劃算法.王浩亮等設(shè)計了欠驅(qū)動圓碟形水下滑翔機在海流干擾和水下礙航物影響下的三維路徑規(guī)劃策略.馬睿宸等針對波動鰭推進(jìn)水下作業(yè)機器人的懸停控制問題,提出了基于強化學(xué)習(xí)的懸?？刂破?楊晛等考慮水下遙操作問題,設(shè)計了一種補償主端位置漂移的輔助系統(tǒng),對嚴(yán)格給出了帶有力反饋的水下遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性條件.高天銘等面向水下海珍品抓取問題,采用深度學(xué)習(xí)與模糊控制相結(jié)合的方式,設(shè)計了一款面向海珍品捕撈的水下智能識別與自主抓取機器人.

總之,本專題論文系統(tǒng)展示了水下信息物理系統(tǒng)協(xié)同控制理論及其應(yīng)用的研究進(jìn)展,揭示了其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和研究前景.我們希望本專題能夠?qū)λ滦畔⑽锢硐到y(tǒng)協(xié)同控制理論及其應(yīng)用的起到積極的推廣作用.感謝各位作者分享研究成果,感謝審稿專家對投稿提出的建設(shè)性意見,感謝《控制理論與應(yīng)用》編輯部成員的工作與付出,多方共同努力,最終使得本專題順利和讀者見面.