浅论无人艇的发展及公安行业应用前景

■ 文/南京新视方舟智能科技有限公司 刘浏

关键字：无人艇 路径规划 避障 通信

1 引言

船舶的无人化是现代船舶发展的一个重要方向，且随着人工智能和现代控制技术的发展，无人艇已经开始在部分行业凸显出重要应用前景，如安防巡逻和水面警戒。无人艇特别适合江湖海洋等大面积水域的应用，可以解决人工检测效率低下、检测周期长等问题，同时减少高危水域的人员伤亡。无人水面艇作为一款水面设备平台，可以根据不同的任务需求搭载不同的任务载荷模块，快速部署执行任务。同时，现代无人艇具有自动巡航功能、智能信息处理功能、通信及遥控功能、雷达和声呐感知功能。针对具体要求，无人艇还可以灵活的选择搭载诸如水质检测、警示设备等模块来完成特定任务。随着人工智能等技术的发展应用，无人艇已经能够实现自主导航、巡航能力，具备简单的任务自主实行能力。

2 无人艇的发展回顾

无人艇包括具有自主规划、自主航行、自主环境感知能力的全自主型无人艇，以及自主航行的遥控型无人艇和按照内置程序航行并执行任务的半自主型无人艇。它集船舶设计、人工智能、信息处理、运动控制等专业技术为一体，研究内容涉及自动驾驶、自主避障、规划与导航、模式识别等多方面，可根据其作战或使用功能的不同，采用不同的模块，搭载不同的传感器及设备，执行情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、反恐、精确打击、搜寻救助、水文地理勘察和中继通信等任务。

2.1 国外无人艇发展及应用

无人艇的发展最早可追溯到1898年，当时著名发明家尼古拉·特拉斯发明了名为“无线机器人”的遥控艇。二战时期，美军就在无人水面艇(Unmanned Surface Vessel，USV)上架设枪炮和导弹。20世纪70年代，USV被广泛应用于美军的反水雷舰艇系统上。二战后期，美国海军曾通过在小型登陆艇上加装无线电控制的操舵装置和扫雷装置，用于浅海雷区扫雷作业。这些早期的无人艇大多由电缆发送的导航信号或母舰通过无线电控制，自主活动能力非常有限。进入21世纪，随着通信、人工智能等技术的发展，制约无人艇发展的诸多技术瓶颈得以部分解决，各国加大了无人艇的研发力度，无人艇迎来了一段高速发展期。

2004年，英国普利茅斯大学MIDAS科研小组开始研发USV-“Springer”，主要用于内河、水库和沿海等浅水水域追踪污染物，测量环境和航道信息。该船使用SLAM技术克服了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。2005年以色列Elbit公司推出一款“黄貂鱼（Stingary）”号USV，能够完成海岸物标识别、智能巡逻、电子战争等多项任务。2016年，美国完成最新型的海猎人无人反潜船，并且开始试验世界上最大无人驾驶船。非军方方面，位于弗吉尼亚州的UOV公司研发了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。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。

2.2 国内无人艇发展及应用

在无人艇发展方面，我国起步比较晚，与先进国家存在一些差距。2013年我国研发的“海巡166号”无人艇采用玻璃钢全封闭结构，选用柴油机为动力喷水推进，具有良好的机动性、抗沉性和抗风浪能力。2017年，南京邮电大学和武汉大学联合研制的无人艇具备自主路径规划、航迹自动跟踪、自主避障等自主功能，同时预留了超短基线和水声通信接口，具备和水下无人潜航器协同自主工作的能力。

由于受到应用场景限制以及我国警用装备的发展模式影响，无人艇在警用领域的应用进展相对缓慢。首先无人艇必须应用于大水域场地。其次我国警用装备大多来自在军用和民用领域发展成熟以后才会转为警用。因此无人艇在警务应用方面正是处于起步阶段。

目前，武汉市已经将无人艇作为其警用装备并开始测试应用。作为“百湖之市”的武汉，其广阔的水域条件为社会安全管控提出特殊的要求，同时也为无人艇的广泛应用提供了舞台，目前已经投入使用的DF-C400等多款警用无人艇都达到了理想效果。无人艇能够有效搭载多种警用设备及救生设备，具备在水面进行大范围监控巡逻、目标搜索、救援、辅助潜水作业、反恐侦察、危险环境监测等多种处理公共事务的能力。

无人艇还可以和无人机联合执行任务，二者可以形成有效的优势互补。无人艇在续航时间、有效载荷、水面以下部署设备等方面具有特定优势；但在速度、航程以及监控范围等方面不及无人机。通过二者的结合，可以有效打造一张大型的水域立体防空网，在广域尺度上实现及时、高效、实时的监控管理及救援辅助等功能。

3 无人艇关键技术

无人艇涵盖的技术领域非常广泛，除了传统的造船技术外，还涉及图像感知、机器人路径规划、运动控制技术、冗余备份高可靠性软硬件设计和机电系统的自动故障诊断技术等。另外，随着无人艇集群的发展，甚至还涉及到基于物联网的自组织网络和大数据技术。无人艇必须能够自主进行环境探测、目标识别、自主避障和路径自主规划等。综合国内外研究现状，目前无人艇研究涉及关键技术主要有以下方面。

3.1 自主路径规划技术

自主路径规划技术大致可分为两类：（1）基于传统机器人路径规划技术的路径生成技术，通过电子地图获得水域区域、水域深度、水上物标等信息获得可航行区域，然后依据起点和终点使用路径规划算法自主规划航路，但是规划的路径并不一定是实际的可行航线，例如，规划的最短路径可能在推荐航道中逆向行驶。（2）为了解决这一问题，催生了另类方法-基于轨迹分析的自主路径规划技术，该类方法以船舶历史轨迹为基础，通过轨迹压缩、轨迹聚类等提取实际可航路径。除静态航线自动生成与路径规划技术外，还需解决基于动态环境感知的局部航线自动规划问题。

3.2 自主决策与避障技术

为降低无人艇对远程操控人员的依赖，同时扩展多无人艇协同工作或作战，需要无人艇具有较强的自主决策和智能避障能力，以确保无人艇可以独立地执行中长期远程探测、信息搜集等任务。自主决策与避障技术是无人艇实现高智能化和全自主型的关键一步，目前已有较多科研机构对船舶智能避碰技术进行了广泛深入的研究。

3.3 无线通信技术

无人艇的通信技术主要涉及无线电通信、光学通信、水声通信等方面。通信对象主要有无人艇与母船之间、无人艇之间，通信内容主要有母船对无人艇的指令信息、无人艇实时回传的运动状态信息以及视频信息等，通信媒介在近距离可依靠甚高频通信，远距离可依靠卫星通信。在无人艇的通信中重点解决超高频扩频通信与卫星通信信号的海上传输抗衰耗技术、抗多普勒频移技术和抗多种干扰技术问题。

3.4 水面目标探测与自动识别技术

水面目标探测与自动识别技术是实现船舶自主决策与自动避障技术的重要基础。由于无人艇形体较小，受波浪等因素影响较大，六自由度运动较为剧烈，因此水面物标探测与目标自动识别技术首先要解决视频稳像问题和图像质量增强与平滑问题，其次要解决适应水天线和水岸线条件的水界线检测技术、低信噪比和动态背景条件下的目标检测技术以及基于多源数据关联和融合的水面目标跟踪技术。

4 无人艇在公安行业的应用前景

4.1 对大面积水域的巡航监管

由于在水面上固定监控设备设置难度较大，公安机关实施水域管理主要依靠安装在岸边、桥梁和高空建筑上的摄像头，对临岸水面状况进行清晰稳定的监控，而对非临岸的水面情况监控就较为抽象，不能全面、直观、完整的呈现实际状况，甚至出现一些监管空白。无人艇可以通过搭载摄像机、雷达、污染物探测仪等设备进行水域巡航和监管，不仅成本低、反馈信息及时，而且能在夜间和恶劣天气下长时间执行监测任务。

4.2 水域事故现场的取证

因为水流、船舶惯性等原因，一般发生在水域上的事故纠纷，等到民警到场时，第一现场往往不复存在，造成事故双方对事故责任的确认存有较大争议。通过在无人艇上搭载取证模块，可以获得事故的第一现场资料，辅助民警更加公平、正义的处理纠纷。

4.3 水域中的搜索和救助

2015年6月1日，隶属于重庆东方轮船公司的“东方之星”游轮，在从南京驶往重庆途中突遇罕见强对流天气，在长江中游湖北监利水域沉没，事故导致400余人遇难，事后搜救问题重重。应用无人艇搭载红外探测仪或者光电跟踪系统全时段、全天候自动开展搜寻生命迹象，可以快速、高效、低成本地以集群方式联合作业，可立即实现大面积的拉网式搜索，一旦发现目标，安排最近的无人艇迅速靠近救援，从而解决类似“东方之星”事故搜寻工作中暴露出的水上搜救耗时长、水文气象环境陌生等问题。

5 结语

随着工业4.0时代的到来，大数据和智能化代表着工业水平下一阶段的发展方向。在“十二五”收官之年，国家提出产业转型战略，以信息化与工业化深度融合为主线，重点发展包括海洋工程装备及高科技船舶在内的十大领域，推进智能制造。目前，无人艇技术已经相对成熟并具有实用性，形成了一定规模。无人艇技术不仅拥有强大的科技实力，更能为水域智能管理提供实实在在的平台支持，其强大的兼容和扩展性将助力智能管理转型。随着工业技术的不断创新和升级，相信包括无人艇技术在内的先进工业应用将不断促进水域管理再上新台阶。