都廣斌 陶瑞 雷震 吳雨峰 張明宇*

（1.珠海云洲智能科技有限公司 廣東省珠海市 519080 2.吉林工程技術師范學院 吉林省長春市 130052）

無人船的應用前景非常廣泛，未來無人船項目的開發(fā)可以應用于海上交通工具以及海上信息情報工作等。當前我國的無人船開發(fā)正在邁向正軌，有必要提升其航行規(guī)劃和目標跟蹤的便捷性和準確性，從而為無人船實現(xiàn)脫離人為操作、實現(xiàn)全自主航行提供重要技術支撐，強化我國海事作業(yè)的綜合能力。

1 無人船研究背景

1.1 無人船研究歷程

無人船研究開始得相對較晚，2007年，美國海軍的《海軍無人水面艇主計劃》以技術成熟但應用不成熟、技術不成熟兩個標準來劃分無人水面艇技術，為海軍無人船舶的研究提供了重要的參考依據(jù)。2012年，歐洲委員會（European Commissions）向多家無人船試驗開發(fā)單位提供了380 萬美元的資助。2013年，美國國防部發(fā)布的《無人系統(tǒng)路線圖》對無人艇未來的技術發(fā)展做出了詳細的規(guī)劃，計劃未來5年內集中于無人船相關的傳感器和通信技術的研究，未來10年內集中于增加作業(yè)任務、擴展作業(yè)范圍技術的研究，未來25年內集中于自動避碰避障等自助系統(tǒng)，提高無人船艇作業(yè)的自主性方面的研究[1]。

1.2 無人船研究意義

傳統(tǒng)的航線設計和目標跟蹤都需要依靠人工分析靜態(tài)海圖，查閱航海文獻資料，手工繪制航海路線圖，但是這種方法準確性和效率其實并不高。隨著信息化時代的到來，以數(shù)據(jù)為中心的智慧海事建設逐步成為海事信息化發(fā)展的新理念，現(xiàn)代無人船的技術也在大數(shù)據(jù)庫、人工智能技術、智能識別技術、計算機網(wǎng)絡通信、云計算、傳感器技術的發(fā)展中得到了完善。在全球一體化的影響下，我國的海洋經(jīng)濟正在蓬勃發(fā)展的道路上不斷前行，各式各樣的水上活動也隨之增多，尤其在海運產(chǎn)業(yè)當中，無人船技術的開發(fā)可以極大地節(jié)約人工成本，提高運輸效率。另外，無人船的研究開發(fā)可以讓無人船更好地適應海上氣候，從而在水質監(jiān)測、海上搜救等工作中得到廣泛應用。

2 無人船航行規(guī)劃和目標跟蹤運行機制分析

2.1 無人船航行規(guī)劃運行機制分析

2.1.1 系統(tǒng)設計

硬件裝備：

（1）GNSS 設備：GNSS 為船只提供自身所運行的方向以及當前所處的經(jīng)緯位置，無人船選用廈門新諾科技有限公司的船用GNSS 導航儀希圖-HM-1507,其參數(shù)為：

顯示器：800*480 分辨率，7 英寸LED 顯示屏。

圖1：無人船航行規(guī)劃流系統(tǒng)運行圖

圖2：無人船目標跟蹤系統(tǒng)程序流程圖

電路：12-40V。

精度：定位精度1.5 米。

波特率：默認19200，支持修改。

通訊接口：RS-232，標準UART 通訊協(xié)議。

（2）雷達設備。雷達可以幫助無人船在其檢測區(qū)域內鎖定目標位置，以為船只數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供可靠的航域信息，幫助計算程序作出正確的決策。無人船采用上海無線電研究所（航天802 所）所定制的雷達設備，其參數(shù)為：

電路：12-24V 直流。

輸出功率：6kw。

測量范圍：1000m。

最小量程：25m。

掃描周期：3s。

通訊接口：CAN 協(xié)議接口，標準幀格式。

2.1.2 程序設計

無人船海上航行規(guī)劃的技術方法一般是根據(jù)各傳感器所采集的信息進行運算，決策航線，并派給執(zhí)行系統(tǒng)進行自主航行操作。其中采集系統(tǒng)所采集的信息包括船舶的速度、方向等自身運行狀態(tài)信息，船舶周圍的障礙距離、風力、風向等海面環(huán)境信息，以及無人船在海面上的位置等關系狀態(tài)信息。采集系統(tǒng)將所收集的數(shù)據(jù)傳送至分析系統(tǒng)，對海面風力、海水深度、障礙距離等信息進行綜合分析，判斷可航行區(qū)域并規(guī)劃航行路線，同時選用智能算法生成航行距離最短的線路，并同其他信息任務一同輸入決策系統(tǒng)。無人船航行規(guī)劃程序設計包括決策層的智能決策程序、分析層的信息分析、執(zhí)行分析程序、上位機與下位機之間的信息傳遞程序和下位機與執(zhí)行機構之間的信息傳遞程序，其能夠對所收到的信息、指令、任務按照其內容構成的復雜程度分別傳遞至不同的決策系統(tǒng)中，實現(xiàn)同時容納多道運算同步進行的高效率決策，由此提供更為實時的決策指令[2]。

2.1.3 系統(tǒng)運行圖

無人船航行規(guī)劃流系統(tǒng)運行圖如圖1所示。

實驗內容：

（1）采集系統(tǒng)：通過感知設備，對無人船的運行狀態(tài)、航行位置、交通環(huán)境、水文環(huán)境、氣候環(huán)境、海浪等進行檢測和采集，并根據(jù)航行需求對信息進行初步的分類和組合。

（2）決策系統(tǒng)：分析航行中障礙物的密度、距離、范圍和周邊海事情況，根據(jù)信息復雜程度、重要程度和需求頻率對信息進行優(yōu)先排序并分配不同的決策渠道，并根據(jù)實際需要對初步分類后的信息進行處理，排除環(huán)境中非典型目標的干擾，提取出更加精準的環(huán)境信息，判斷安全航行的水域，并生成可行的路線段指令。

（3）執(zhí)行系統(tǒng)：根據(jù)收到來自決策系統(tǒng)的航線信息和航向指令對未來行駛中將要遇見的障礙物采取水平轉向、縱向加減速等繞行操作，并與決策系統(tǒng)保持雙向反饋，對航行過程中的意外危險情況進行實時記錄和反饋。

實驗目的：

（1）通過雷達識別障礙物的類型、體積、分布程度、移動狀態(tài)，結合障礙物信息生成智能無人船海面航行環(huán)境障礙分布圖，輔助子系統(tǒng)提供傳感器數(shù)據(jù)接收運算、船舶控制的工控機、岸端主機以及通信模塊等信息，從而搭建出無人船雷達傳感系統(tǒng)網(wǎng)絡。

（2）通過GNSS 確定船舶自身經(jīng)緯度和航向角信息，并將數(shù)據(jù)錄入陸地電腦系統(tǒng)，為決策系統(tǒng)提供計算航行的速度和距離的參數(shù)。

有關產(chǎn)品內分工與就業(yè)利益研究的爭議主要集中在發(fā)展中國家通過參與產(chǎn)品內分工，是否減少了發(fā)達國家的就業(yè)崗位。從現(xiàn)有研究來看，一般認為，發(fā)展中國家通過參與產(chǎn)品內分工，拓寬了產(chǎn)品生產(chǎn)種類，在延伸產(chǎn)業(yè)鏈的基礎上，擴寬了就業(yè)渠道，有效增加了國內的就業(yè)崗位，并且產(chǎn)品內分工能夠對一國的就業(yè)結構或者說就業(yè)需求產(chǎn)生一定的影響，但在這種影響的方向和強度上都存在著一定的爭議。

（3）確定數(shù)據(jù)的及時和準確。在采集數(shù)據(jù)的過程中，由于設備、船舶航行的波動等設備條件限制和環(huán)境因素的影響，所收集的數(shù)據(jù)信息會構成一定的失真范圍，所以應當對數(shù)據(jù)進行聚類和目標識別，根據(jù)傳感器的有效掃描范圍剔除無效數(shù)據(jù)，并根據(jù)聚類后各類數(shù)據(jù)點的個數(shù)，刪除點數(shù)較少的類，得到更為精準的障礙物分類結果。[3]

（4）當無人船雷達傳達系統(tǒng)網(wǎng)絡完成海事信息建模之后，基于無人船程序系統(tǒng)對海上航行數(shù)據(jù)的搜索與計算和當前運行狀態(tài)，采用智能計算系統(tǒng)對航海路徑進行實時的生成和優(yōu)化，從而實現(xiàn)全程全自主的無人船海上航行。

2.2 無人船目標跟蹤運行機制分析

2.2.1 系統(tǒng)設計

2.2.1.1 功能設計

（1）控制器設計：為了穩(wěn)定航向，控制推進器基礎控制電壓，控制量為控制電壓增量，通過對推進器控制器增減的方式實現(xiàn)航向控制。

（2）方差分類器：將圖片轉化為灰度圖片，計算出全部像素的方差值，通過與目標區(qū)域的方差值進行對比，排除方差過小的區(qū)域。

（3）位點跟蹤控制器：計算期望航向、無人船速度、航向以及采樣周期計算位移量，累加得到當前時刻變量值，控制使無人船航行至期望位點。

2.2.1.2 程序設計

（1）物理特征識別：通過記錄該目標的速度、速度誤差、歷史總位移和可信度對聚類結果以外的類簇進行特征提取，劃分目標類型，為數(shù)據(jù)關聯(lián)提供依據(jù)。對目標列表和類簇列表進行關聯(lián)，從而有效追蹤不同時刻的目標，并將獲得同一目標的連續(xù)信息集合起來。

對任一類簇所屬網(wǎng)格的二維位置信息進行分析，將第一主成分方向上的極差作為長度，將第二主成分方向上的極差作為寬度，并取第一主成分的方向來表示姿態(tài)。此外，使用聚類坐標表示類簇的位置，用類簇所屬網(wǎng)格在最高位置矩陣中的最大值作為最高位置，最低位置矩陣中的最小值作為最低位置，用類簇占據(jù)網(wǎng)格的總面積作為水平面投影面積，獲得類簇的物理特征值。

（2）數(shù)據(jù)預處理：程序對對雷達在每個周期內的原始數(shù)據(jù)進行處理時盡量保留有效信息，減小數(shù)據(jù)規(guī)模，以便后續(xù)處理的數(shù)據(jù)形式。[4]

（3）數(shù)據(jù)分割：將沒有關聯(lián)的雷達數(shù)據(jù)分割為不同的類簇，用以分離靜態(tài)障礙物和動態(tài)目標。對噪聲數(shù)據(jù)點進行處理，將非凸數(shù)據(jù)集進行聚類，分離出局部地圖中的靜態(tài)障礙物和動態(tài)目標。

程序流程圖：如圖2所示。

2.2.2 實驗過程

（1）試驗目的。使無人船程序能夠對外界環(huán)境準確感知，并根據(jù)收集到的信息對移動目標與船身的位置形成相對關系計算，由二維的平面軌跡計算進化出包含著更多環(huán)境感知模塊的三維立體模型。使無人船能夠區(qū)分海上動態(tài)障礙物和跟蹤目標，并且能在多個相似變量的情況下排除干擾，繼續(xù)保持對目標的實時追蹤，能夠在船體自身、障礙物、海面氣候、目標狀態(tài)信息和預測信息調整隨后的運行方向、速度等，并生成應急方案，在有突發(fā)情況進行臂章、停船、掉頭等操作的同時不對監(jiān)測設備產(chǎn)生干擾，保持穩(wěn)定的航行能力。最終讓無人船能夠取代或輔助人工前往制定海域執(zhí)行偵察巡航、收集數(shù)據(jù)、事故救援等任務。

（2）實驗內容。使用分類器分別對海面上的障礙物按照目標與干擾因素進行歸類并發(fā)送給計算系統(tǒng)，作為避碰的參考依據(jù)，將無人船GNSS 所提供的位置的矢量方向作為目標航向，減少路徑運算誤差，利用計算系統(tǒng)內置程序對路徑進行篩選和優(yōu)化，使用航向控制器控制無人船進行目標跟蹤航行。動態(tài)目標追蹤過程中，在設定好一定的數(shù)據(jù)指令后，將觸發(fā)對該動態(tài)目標的跟蹤航行，直到跟蹤目標消失或系統(tǒng)接到停止跟蹤的命令[6]。

3 無人船的應用前景分析

3.1 海上搜救

無人船根據(jù)雷達系統(tǒng)對于障礙物的精準分類，可以在海運事故、空難事故的海面現(xiàn)場對施救對象進行快速定位并為海上人員提供自主救援的物資設備，在黃金救援時間內為海上人工營救爭取時間，給生命營救提供更多希望，提升海上搜救的能力和效率，為海上事故應急提供信息和臨時設備的保障。

3.2 軍事偵察

無人船可以在軍事偵察中的海上偵察監(jiān)視、情報搜集、掃雷、反潛、反恐等戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭任務當中為海上執(zhí)勤人員提供援助和保護，并且隨著無人船智能技術的不斷提高，可以更加密切地配合無人機、無人潛艇等智能軍事設備執(zhí)行反水雷戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、武裝特種作戰(zhàn)等任務，從而提高我國海上軍事技術偵察的綜合效率，為我國海防安全提供更為牢靠的技術保障。[6]

3.3 氣象勘測

無論是客船、漁船、軍事艦艇等船只，還是海上航巡、海上賽事等活動都需要提前進行氣象勘測，以作為行動可行性的依據(jù)，包括沿海城市的氣象預報也需要海上氣象監(jiān)測提供相關監(jiān)測數(shù)據(jù)。無人船可以通過智能程序在出海時記錄海上的風速、風向、水溫、浪高、海水鹽度、水面和海面能見度，為陸地端提供出海后和未來城市的氣象預測，并且可以通過監(jiān)測中所收集到的異常指標發(fā)覺到大型自然災害的事前跡象，在為海事活動提供預測的同時，也能夠為我國沿海城市的自然災害預防提供更為準確的信息保障。

4 結語

當前各國正在服役的無人船只大都沒有實現(xiàn)全程全自主海上航行功能，相應的航行規(guī)劃和目標跟蹤技術程序仍需不斷完善，無人船決策系統(tǒng)的智能化水平也需進一步提高，以此來應對未來更為復雜的海事活動。無人船擁有廣闊的開發(fā)前景，預計能為我國海軍裝備、海上救援、海防建設等海事活動提供更為現(xiàn)代化的功能保障，所以我國應當加速發(fā)展無人船的智能化和提高無人船應用功能的開發(fā)力度，積極開展各項無人船關鍵技術的研究，推進無人船艇的現(xiàn)代化應用進程，加強我國的海事裝備力量。