用于水下監(jiān)視的海洋機(jī)器人

在過去的十年里，由于民用目標(biāo)受到的威脅日益增加，人們對(duì)港口和海洋基礎(chǔ)設(shè)施的安全產(chǎn)生了極大的興趣。歐洲不僅海域遼闊，而且海洋監(jiān)視面臨的挑戰(zhàn)也十分復(fù)雜，需要對(duì)海洋安全采取全球性的辦法，為此歐洲和北約設(shè)立了包含不同國家的項(xiàng)目，以填補(bǔ)這方面的技術(shù)空白。傳統(tǒng)的水下監(jiān)視采用人工解決方案，現(xiàn)在需要對(duì)港口和沿海水域進(jìn)行監(jiān)視和保護(hù)，這些能力由港口和海上監(jiān)視與保護(hù)（HARMPRO）項(xiàng)目提供，HARMPRO項(xiàng)目在永久結(jié)構(gòu)化合作（PESCO）框架內(nèi)實(shí)施。在同一項(xiàng)目框架中，海上無人反潛系統(tǒng)（MUSAS）項(xiàng)目旨在開發(fā)一種基于人工智能的創(chuàng)新型反潛戰(zhàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將加強(qiáng)水下基礎(chǔ)設(shè)施的安全性，為部隊(duì)提供充分的手段對(duì)入侵者做出快速反應(yīng)。反恐防御研究計(jì)劃（DAT）為加強(qiáng)應(yīng)對(duì)恐怖事件的組織和協(xié)調(diào)提供了措施，該計(jì)劃旨在降低各種情況下工作人員和設(shè)施易受到的攻擊。港口作業(yè)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要，必須確保安全可靠。為此，全球的組織機(jī)構(gòu)一直在探索提高海上安全的各種技術(shù)。

在這個(gè)框架中，機(jī)器人扮演了一個(gè)關(guān)鍵角色，而無人載具（UxV）無疑是該領(lǐng)域中改變游戲規(guī)則的一項(xiàng)技術(shù)。監(jiān)視系統(tǒng)中無人載具的使用有助于取代人類從事低級(jí)活動(dòng)，為操作員提供高價(jià)值的信息以進(jìn)行更高等級(jí)的決策。通過與其它觀測(cè)系統(tǒng)和載人系統(tǒng)的合作，無人載具正在發(fā)展成為可靠、長續(xù)航力、持久和具有成本效益的監(jiān)視解決方案。在科學(xué)和操作層面上對(duì)這些技術(shù)的使用有爭議，突顯了當(dāng)前潛在的可能性，也映射了對(duì)其未來的實(shí)際展望。這種分析是不斷變化的，一方面，技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了它們?cè)诋?dāng)今系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的作用，使人們?nèi)ゼ僭O(shè)更復(fù)雜的活動(dòng)；另一方面，科學(xué)的進(jìn)步提供了創(chuàng)新潛能，為新的理論場景開辟了道路。不論是在軍事還是民用操作環(huán)境中執(zhí)行探測(cè)、識(shí)別和監(jiān)視等任務(wù)，機(jī)器人系統(tǒng)的使用已經(jīng)開始改變那些傳統(tǒng)的方法。美國海軍無人水下航行器主計(jì)劃有助于繪制無人水下航行器的使用場景，評(píng)估能力并分析優(yōu)勢(shì)，從而為各種采辦和技術(shù)研究制訂精準(zhǔn)的計(jì)劃。美國海軍無人水下航行器主計(jì)劃將UUV視為作戰(zhàn)場景中潛在的力量倍增器和降低人類操作員風(fēng)險(xiǎn)的工具。UUV的能力使得終端用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用來處理不同的任務(wù)領(lǐng)域。無人水下航行器的情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）能力可以增強(qiáng)傳統(tǒng)上由操作員操作系統(tǒng)的能力，擴(kuò)展系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域中、甚至是常規(guī)系統(tǒng)不能運(yùn)行的淺水中的功率和識(shí)別能力。機(jī)器人技術(shù)對(duì)海洋監(jiān)視領(lǐng)域的影響也取決于無人載具上有效載荷的搭載能力，如聲吶、水聽器、磁力計(jì)和光學(xué)或紅外照相機(jī)等各種傳感器的搭載能力。通過這些設(shè)備，無人載具能夠執(zhí)行快速搜索任務(wù)，識(shí)別和定位受限區(qū)域內(nèi)的水下目標(biāo)和物體，這些受限區(qū)域包括碼頭、港口區(qū)域或感興趣的特定區(qū)域。

1 海底探測(cè)機(jī)器人

水下監(jiān)視的一個(gè)核心領(lǐng)域包含對(duì)爆炸物和危險(xiǎn)裝置的識(shí)別與定位能力。這些爆炸物和危險(xiǎn)裝置包括簡易爆炸裝置（IED）、水雷和未爆彈藥（UXO）。水下簡易爆炸裝置代表日益增長的恐怖主義威脅，簡易爆炸裝置的高危風(fēng)險(xiǎn)區(qū)包括港口、錨地和進(jìn)港路線等。水下水雷是布設(shè)在水中的爆炸裝置，目的是破壞或擊沉艦只或拒止艦只進(jìn)入某一區(qū)域。它們可以在雷區(qū)使用，也可以單獨(dú)系留、漂浮、沉底或埋入。未爆彈藥是遺留在海底或舊的未爆炸物。它們對(duì)于已經(jīng)存在的設(shè)施不是真正的問題，但是在建造新的基礎(chǔ)設(shè)施或清理新區(qū)域之前必須考慮。對(duì)政府而言，從海中清理未爆彈藥是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)性任務(wù)。雖然使用磁傳感器進(jìn)行未爆彈藥探測(cè)具有多種優(yōu)勢(shì)，但是考慮到未爆彈藥的異構(gòu)性，近年來有研究提出可以考慮使用水聲傳感器，而且可以利用水雷對(duì)抗（MCM）已有的系統(tǒng)和算法執(zhí)行未爆彈藥探測(cè)。

為了區(qū)別各種爆炸物和危險(xiǎn)裝置的不同威脅，可以使用多種方法，從智能方法到只是簡單地在航行時(shí)選擇不同的路線。當(dāng)然，檢查和監(jiān)視海底是確認(rèn)地區(qū)是否安全的一個(gè)基本步驟。傳統(tǒng)的做法是使用獵雷艇/掃雷艇或部署蛙人，在可能危險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)使用人力和昂貴的專用設(shè)備。使用諸如無人水下航行器之類的機(jī)器人的主要目的是降低操作員的風(fēng)險(xiǎn)，使他們遠(yuǎn)離雷區(qū)：畢竟沒有人知道水雷是如何設(shè)定和引爆的，唯一安全的方法就是遠(yuǎn)離爆炸物。

對(duì)人工智能（AI）的日益關(guān)注為自主潛航器（AUV）的使用開辟了新的場景。它們可以在沒有操作員監(jiān)督的情況下完成更高級(jí)別的任務(wù)并做出一些決策。這具有雙重意義：一方面，通過限制潛航器需要交換的數(shù)據(jù)量，可以覆蓋影響水下域的通信空白，另一方面，它可以長久保持同樣強(qiáng)度的注意力，而不會(huì)遭受人類通常會(huì)有的壓力情況影響。

UUVs可以攜帶各種傳感器，比如可生成海底側(cè)視圖像的側(cè)掃聲吶（SSS）和合成孔徑聲吶（SAS）等聲學(xué)傳感器，或者是能夠生成三維地圖的（單波束和多波束）回聲測(cè)深儀。海底淺地層剖面儀（SBP）也可以用來檢查海底沉積。此外，前視聲吶（FLS）和聲學(xué)攝像機(jī)可根據(jù)特定的任務(wù)選擇使用。磁力計(jì)、光學(xué)照相機(jī)和激光掃描儀等磁傳感器可用于非常特別的應(yīng)用。

使用成像聲吶（SAS、SSS和FLS）的UUVs可以利用圖像處理技術(shù)快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可視為海洋領(lǐng)域中圖像分類任務(wù)的先進(jìn)技術(shù)。水下域的一個(gè)大問題是難以通過一個(gè)傳感器收集得到精確的地理圖像，從而難以定位所發(fā)現(xiàn)的物體。水中無法使用GPS，解決方案是使用基于一個(gè)或多個(gè)水面網(wǎng)關(guān)以及水下定位和通信系統(tǒng)（如超短基線（USBL）、短基線（SBL）或長基線（LBL））的技術(shù)。雖然水下定位正在提供有希望的結(jié)果，變化探測(cè)（CD）也是一種有用的技術(shù)，它通過在不同的時(shí)間觀察一個(gè)畫面來確定物體或其他感興趣的現(xiàn)象隨時(shí)間的變化。在掃雷中，變化探測(cè)是一個(gè)重要的應(yīng)用。在假設(shè)海底沒有水雷時(shí)，在航路勘測(cè)期間記錄戰(zhàn)略港口、入口或海上交通線的參考聲吶圖像。UUVs進(jìn)行新的勘測(cè)后，僅在當(dāng)前圖像中出現(xiàn)的物體會(huì)識(shí)別為水雷，從而降低了錯(cuò)誤探測(cè)的可能性，并縮短了數(shù)據(jù)分析時(shí)間。

2 入侵探測(cè)機(jī)器人

監(jiān)視應(yīng)用于軍事和民事領(lǐng)域，相互交織，有時(shí)還相互重疊。例如，監(jiān)視活動(dòng)涉及軍用和民用的沿海基礎(chǔ)設(shè)施，包括造船廠和近海建筑。入侵威脅可能是蛙人或小型潛艇，而無人載具也應(yīng)視為潛在的威脅。事實(shí)上，無人載具收集的音頻或圖像數(shù)據(jù)在針對(duì)水邊設(shè)施的戰(zhàn)略作戰(zhàn)中非常有用，而且它們可能攜帶爆炸物載荷，用于攻擊碼頭、商船和軍艦，在不對(duì)稱威脅中具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，由于UUV的信號(hào)和目標(biāo)強(qiáng)度都弱于蛙人的信號(hào)和目標(biāo)強(qiáng)度，能夠更快速地機(jī)動(dòng)，而且在更遠(yuǎn)的距離上一直處于主動(dòng)聲吶的探測(cè)閾值以下，因此UUVs也可能是潛在的入侵者。

目前正在研究不同類型的監(jiān)視系統(tǒng)和策略。自20世紀(jì)80年代初以來，已經(jīng)實(shí)施了各種水下安全項(xiàng)目來應(yīng)對(duì)港口風(fēng)險(xiǎn)。它們大多依靠使用高頻主動(dòng)聲吶，探測(cè)距離不足1公里。傳統(tǒng)上，水下監(jiān)視任務(wù)由配備先進(jìn)且昂貴的傳感器載人平臺(tái)完成，不僅成本高且工作量巨大。通過與水面和水下設(shè)備協(xié)同，UUVs可在水下監(jiān)視中發(fā)揮主導(dǎo)作用。部署無人水面艇（USV）艇群進(jìn)行巡邏勘探能夠非常有效地提高港口安全系統(tǒng)的性能。通過使用USVs艇群實(shí)施監(jiān)視行動(dòng)，優(yōu)化攔截時(shí)間和位置，可為威脅攔截問題提供解決方案。關(guān)于UUVs艇群的控制問題可建立一個(gè)潛在博弈模型，模型中UUVs是對(duì)抗不對(duì)稱威脅的防御系統(tǒng)，可利用工具基于入侵者特征設(shè)計(jì)艇群的規(guī)模。歐洲的H2020 WiMUST項(xiàng)目框架提出了一種分布式可重構(gòu)自主水下陣列的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)由一組配備水聽器拖纜的協(xié)同機(jī)器人組成，用于采集海底數(shù)據(jù)，也可支持包括水聲監(jiān)視在內(nèi)的很多應(yīng)用。北約海洋研究和實(shí)驗(yàn)中心（CMRE）已經(jīng)批準(zhǔn)將協(xié)同機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)用于水下監(jiān)視應(yīng)用。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)配備水聲傳感器的協(xié)同UUVs各自生成軌跡，軌跡經(jīng)實(shí)時(shí)分類，并在這兩個(gè)UUVs和一艘作為高價(jià)值設(shè)備的艦只（HVA）之間共享，它們都完全集成到網(wǎng)絡(luò)中以便生成戰(zhàn)術(shù)圖形。由于電磁波入水后會(huì)強(qiáng)烈衰減，因此基于聲波的水下監(jiān)測(cè)成為監(jiān)測(cè)水下環(huán)境最常用的方法。水下監(jiān)視場景的一個(gè)例子如圖1所示。

圖1 基于無人系統(tǒng)的水下監(jiān)視概念場景

圖1是一個(gè)UxV網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)UxV都搭載一個(gè)或多個(gè)特定的有效載荷且執(zhí)行特定的任務(wù)，它們通信、采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。水下和空中環(huán)境之間的通信基礎(chǔ)設(shè)施由USVs來保證，這些USVs充當(dāng)網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)（即配備了聲學(xué)和無線電調(diào)制解調(diào)器）。支援艦由NRV聯(lián)盟號(hào)代表，它是一艘執(zhí)行廣泛海洋活動(dòng)的北約科研船，可以充當(dāng)指控系統(tǒng)。在圖1中，UUVs裝備了用于入侵者探測(cè)的矢量傳感器和/或水聲陣列，其中有一些裝備了側(cè)掃聲吶有效載荷用于海底勘探。

在監(jiān)視應(yīng)用中有些方法是采用聲矢量傳感器定位水下聲源，它們與傳統(tǒng)的水聽器相比能夠提供噪聲目標(biāo)的方向信息，從而增強(qiáng)監(jiān)視能力，因此廣受關(guān)注。此外，它們體積小、重量輕、功耗低，適合在UUVs上使用：它們能夠通過一個(gè)簡易的傳感器提供與拖曳式水聽器拖纜一樣的信息，這個(gè)簡易的傳感器安裝簡便且可以通過海洋機(jī)器人部署。目前矢量傳感器的缺點(diǎn)是對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)太敏感，因此必須在原始數(shù)據(jù)中進(jìn)行補(bǔ)償。一種雙軸加速度矢量傳感器已開發(fā)應(yīng)用于美杜莎級(jí)（MEDUSA）AUV上。雖然這是為地球物理勘測(cè)設(shè)計(jì)的，但這一概念也可用于聲學(xué)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。北約海洋研究和實(shí)驗(yàn)中心將一個(gè)商用矢量傳感器集成到斯洛克姆（Slocum）水下滑翔機(jī)上，目的是證明UUVs能夠生成精確的目標(biāo)方位，實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果可能代表其開啟了將多架水下滑翔機(jī)集成到機(jī)器人監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的先河，這些滑翔機(jī)上都搭載了先進(jìn)的傳感器。有關(guān)方位估計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已發(fā)表，方位估計(jì)使用了安裝在eFolaga混合式AUV上的定向頻率，分析和記錄（DIFAR）聲吶浮標(biāo)矢量傳感器。研究人員已開發(fā)出的系統(tǒng)在多目標(biāo)方位估計(jì)方面表現(xiàn)出非常有吸引力的性能，為機(jī)器人水下監(jiān)視提供了一個(gè)新工具。北約海洋研究和實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)了一種可進(jìn)行全方位觀察的立體陣列，它已安裝在斯洛克姆滑翔機(jī)的機(jī)頭上，以解決特定海域的海上交通監(jiān)控問題。

3 水下監(jiān)視的主要研究前沿

考慮到水下通信和聯(lián)網(wǎng)問題，最新的研究方向是放棄靜態(tài)和單片內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器和連接堆棧，轉(zhuǎn)而采用軟件定義的認(rèn)知自適應(yīng)解決方案。軟件定義開放式架構(gòu)調(diào)制解調(diào)器（SDOAM）的使用帶來了巨大的優(yōu)勢(shì)，它能夠根據(jù)非線性和多變的聲學(xué)信道的情況來校準(zhǔn)所有通信參數(shù)（如波形、頻率、編碼）。近期的研究進(jìn)展已展示出它是如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求和潛航器任務(wù)情況適應(yīng)此類調(diào)制解調(diào)器的運(yùn)行，不僅考慮到了具體的信道指標(biāo)，而且是在極短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)。為了有效地使用軟件定義的調(diào)制解調(diào)器，在通信協(xié)議棧的上層也需要采用認(rèn)知的和自適應(yīng)的方法。目前已經(jīng)開發(fā)了幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案，重點(diǎn)是對(duì)不同層次執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行精細(xì)同步。這些解決方案已在AUVs上成功應(yīng)用，并進(jìn)行了海試。北約海洋研究和實(shí)驗(yàn)中心自2011年以來一直致力于這項(xiàng)技術(shù)的研究、開發(fā)和推廣。北約海洋研究和實(shí)驗(yàn)中心通信棧正在發(fā)展成為一個(gè)可建立智能的、自適應(yīng)的和安全的水下網(wǎng)絡(luò)的全認(rèn)知通信架構(gòu)（CCA）。

此外，科學(xué)界、軍方最終用戶和工業(yè)界越來越關(guān)注多載具作戰(zhàn)、有人-無人互操作性和（賽博）安全?；ゲ僮餍匀Q于許多相互關(guān)聯(lián)的主題，如自適應(yīng)自主通信網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人系統(tǒng)之系統(tǒng)（SoS）的指揮和控制系統(tǒng)（C2S）以及互操作性的持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化。從互操作性標(biāo)準(zhǔn)化的角度來看，有兩個(gè)非常重要的北約標(biāo)準(zhǔn)值得關(guān)注：即NATO STANAG 4586和4748。首先，STANAG 4586是目前的無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，這是一項(xiàng)新研究的起點(diǎn)，旨在建立“聯(lián)合”多域（即無人空中、陸地和海上系統(tǒng)）控制站（MDCS）標(biāo)準(zhǔn)。將來，由行業(yè)和政府代表組成的MDCS工作組將正式發(fā)布STANAG 4586修訂版。其次，北約海洋研究和實(shí)驗(yàn)中心與學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一起開發(fā)了一個(gè)稱為JANUS標(biāo)準(zhǔn)的水下通信協(xié)議，最近已被北約批準(zhǔn)為STANAG 4748標(biāo)準(zhǔn)。這是第一個(gè)國際認(rèn)可且開放獲取的水下數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在海上廣泛應(yīng)用于自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）數(shù)據(jù)交換以及向潛艇傳輸氣象和海洋學(xué)數(shù)據(jù)。得益于標(biāo)準(zhǔn)化方法的使用，只要符合JANUS標(biāo)準(zhǔn)，即使是使用來自不同廠家的異構(gòu)和混合系統(tǒng)，也將有可能提高用于機(jī)器人監(jiān)視的海上態(tài)勢(shì)感知（MSA）功能水平。

因?yàn)楣粽吆苋菀灼茐幕驍r截此類網(wǎng)絡(luò)中的通信，水下水聲信道固有的廣播特性給諸如自主機(jī)器人監(jiān)視之類的敏感任務(wù)帶來了巨大的賽博安全風(fēng)險(xiǎn)，在無線電射頻域中擴(kuò)頻信號(hào)的使用就與此類似。相比之下，在聲學(xué)消息中密鑰的使用不能輕易地適用于水下環(huán)境。因此，一個(gè)有趣的概念是物理安全概念，即根據(jù)信道的可變性通過控制信號(hào)本身來生成密鑰。有人提議為水下水聲通信網(wǎng)絡(luò)專門設(shè)計(jì)一個(gè)安全框架，這個(gè)想法已在歐洲的UAN項(xiàng)目中實(shí)施。需要指出的是，協(xié)同機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)也可以利用其自身的多用性和自適應(yīng)能力來應(yīng)對(duì)賽博威脅。

在此背景下，不管海情如何，機(jī)器人監(jiān)視系統(tǒng)也需要無限期地持續(xù)存在，并同時(shí)保持高效。這種長期的使用需要開發(fā)創(chuàng)新的布放和回收系統(tǒng)（LARS），以及能夠在海上一天24小時(shí)獲取能量的停泊站。它們涉及許多工程問題，需要在水下域特別關(guān)注解決。監(jiān)視用航行器編隊(duì)的簡單布放和回收通常很困難，而且一般要求船只配備足夠的起吊和動(dòng)態(tài)定位（DP）系統(tǒng)。研究人員必須為自主布放、停泊和補(bǔ)給尋求扎實(shí)可信和可擴(kuò)縮的工程解決方案，以確保充分的持久性并減輕支援船的工作量。迄今為止，研究人員在提高持久性方面面臨的主要挑戰(zhàn)之一是水下航行器的精確定位，隨時(shí)間變化的漂移誤差限制成為執(zhí)行監(jiān)視這一類長期任務(wù)的一個(gè)重要障礙。水下滑翔機(jī)執(zhí)行任務(wù)的持續(xù)時(shí)間將從幾個(gè)小時(shí)延長至幾天甚至幾個(gè)月，通過提高電源和推進(jìn)系統(tǒng)的效率來降低載具的能耗是最基本的要求。一種補(bǔ)償方法是在近海停泊站執(zhí)行任務(wù)期間給載具的內(nèi)部電池充電。一個(gè)更靈活的想法是給載具配備一個(gè)能夠從周圍環(huán)境中獲取能量的便攜式設(shè)備，只是這種想法迄今為止幾乎還沒有研究過。就此而言，波浪能特別合適，因?yàn)槔碚撋喜ɡ四懿皇軙r(shí)空限制，雖然能量轉(zhuǎn)換過程非常困難。還有一項(xiàng)研究是用于海洋勘探的波浪動(dòng)力自主航行器（WAVE）項(xiàng)目，最終目標(biāo)是研究、開發(fā)并在海上測(cè)試一種新的波浪能采集和低能量推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將集成到一種外形類似魚雷的通用、模塊化AUV中。

審核編輯 ：李倩