溪流笔谈▏水面无人船艇的分类、应用及其发展

水面无人船艇（USV）是一种水面机器人，按照任务需求搭载各种不同的功能模块，自主或者半自主完成一系列任务的具有一定智能性，可高速航行于水面的小型水面船艇。USV是一个复杂的系统，涉及到船舶设计、通信传输、环境感知、数据融合、运动控制、人机交互、人工智能等多个专业领域，研究内容包括导航与定位、控制与决策、感知与融合、能源与动力、船体与载荷、通信与数据等众多方面，以达到船舶的自主航行、智能避障、目标识别、多模通信等功能。

无人船艇通过搭载不同的载荷可以执行危险、艰苦、不适合有人船只工作的任务，也可以执行对航行精度要求较高的测量测绘任务，多无人船艇集群协同工作。随着卫星定位与通讯技术、自主导航技术以及智能规划和控制技术的进步，未来可以更快速、机动、高效协同地完成更多作业任务。

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法国多用途水面无人艇（Inspector125）

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水面无人船艇的发展历程

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全球无人船艇总体发展的脉络是起源于军用，而逐渐再转为民用，基本遵循了由小型、中型到大型无人船艇、直至无人舰艇的发展思路。无人驾驶船最早见于20世纪五六十年代出现的靶艇或扫雷艇，但仅限于在有人平台的遥控范围内进行水面作业。美国海军从上世纪90年代开始研究无人水面艇，以色列“保护者”型无人水面艇较早开始批量生产，并装备部队，新加坡海军是它第一个海外用户。研发水面无人船艇的国家主要包括美国、中国、俄罗斯、以色列、日本以及欧洲主要国家，趋向于发展反舰、反潜、反水雷和电子战等能力于一体的多功能水面无人艇。

近年来，随着卫星定位与通讯技术、自主导航技术以及智能规划和控制技术的进步，装备智能化程度的提升，水面无人艇将逐步具备独立或协同遂行反潜、反舰等作战任务的能力，在海上作战中发挥重要作用。美国海军2007年发布《海军无人水面艇主计划》，提出了重点发展3-11米级的X级、“港口”级、“通气管”级和“舰队”级四类艇型的发展规划，已批量化列装应用；在中型无人船艇发展上，探索发展了16米级“水虎鱼”无人船艇和40米级“海上猎人”号探潜无人船艇；在大型无人船艇或无人舰发展上，美海军2,000吨级的“守护者”号和“流浪者”号无人水面舰分别于2020年6月和2021年7月下水试航，拟于2022年交付美海军。

美军“海上猎人”反潜无人艇

在2013年年前，全球民用无人船艇市场规模基本为零，基本处在科研阶段，少数企业、院校研究所曾在船艇上搭载仪器开展过相关实验研究。2013年云洲智能正式推出内河级城市水域应用无人船艇样机，是无人船艇行业进入产业化的首次尝试，尔后云洲智能陆续推出多款船型，应用场景从水质监测、水文测量发展到水下测绘、水面保洁、水面救生等。此后，内河级无人船艇进入快速发展阶段，逐渐有更多单位企业进入该行业，如国内的企业有华测导航、科微智能、中海达、欧卡智舶等，国外的产品包括Teledyne OceanScience、Seafloor Systems和MaritimeRobotic等。

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云洲智能早期推出的内河城市水域无人船

自2016年起，英国ASV公司（后被美国L3防务集团收购）和云洲智能先后推出系列海工级无人船艇。随后，iXblue、Sea-Kit、MaritimeRobotic、X-Ocean、Saildrone等国外公司也陆续开展海工级无人船艇产品应用探索。面向海洋观测、海洋调查、油气运维等应用场景，对海洋无人船艇提出了集群化、组网化作业要求，为此，要求不断提高作业质量和效率并降低成本。

海防类的无人船艇技术门槛高，国内外行业内单位更多倾向于先在国防工业领域进行应用开发。目前在民用领域主要应用于应急救援、巡逻执法等场景，云洲智能也于2020年推出M75型、L30型海防级民用无人船艇，先后交付海事、交通、应急管理等单位。

近年来，我国的无人船艇技术及应用逐步受到重视并不断加速发展。综合来看，无人船艇的发展经历了从遥控到自主航行、从单体到集群协同作业、从军用到军民两用的过程，平台技术与应用推广正在逐渐走向成熟，未来将在更多领域发挥出较大效能。

在军事领域，无人化、智能化武器系统作为当前快速发展和下一代战争的主要装备，已成为不可逆转的发展趋势，相信未来随着装备智能化程度的提升，水面无人艇将逐步具备独立或协同遂行反潜、反舰等作战任务的能力，在海上作战中发挥越来越重要的作用。

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水面无人船艇的分类

无人船艇可以从自主能力等级、排水量和航速三个方面进行分类：

⒈按自主能力等级分类

参考美国兰德公司针对水面无人船艇自主能力的分级标准，无人船艇按照自主能力等级不同，分为0～6级，用L0～L6来表示。

L0级为遥控级，可以全远程遥控航行状态，回传状态信息。

L1级为程控级，可以按设定航线自主航行，具有故障诊断与报警功能，不具备避开障碍的能力。

L2级为规划级，可以在简单场景中按设定航线自主航行与重规划，可避开静态障碍，具备故障隔离与容错控制功能。其中L1～L2级无人船艇一般在环境较为单一、基本不受人类活动影响或临时限制其他船只进入的水域开展作业，如环境监测、测绘测量等工作。

L3级为任务级，可以在简单场景中根据任务模型执行任务，自动生成满足规则约束的最优航行策略，避开障碍，可编队保持、重构与避碰。L3级无人船艇主要应用于水面障碍物不多的场景下的自主作业任务，如水下地形地貌的单船或多船协同测绘、海上构筑物健康评估、安防巡逻等场景。

L4级为行为级，可以在复杂场景中能够自主完成环境态势重建、任务行为序列分解与执行，多艇协作的实时最优行为决策。L4级无人船艇可在人类正常活动水域完成自主作业，如在航道、港口等复杂水域开展运维补给、水质检测、安防巡逻执法、多艇协同测量测绘等工作。

L5级为决策级，可以在大多数场景自主完成任务分解、行为规划与重构，能够与其他有人、无人系统协作，识别周围目标的行为意图，能够有限的自我学习进化。L5级无人船艇主要应用在安防巡逻、特殊任务、协同作业等场景。

L6级为协作级，可以在所有场景自主完成行为序列的规划与重构，与其他有人、无人系统高度协作，能够完全自我学习进化。L6级无人船艇在单艇自主作业、学习进化、有/无人协作、跨域协作能力等方面均具有高度的智能性，作业过程完全无需人工参与，代表了无人船艇的终极发展目标。

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⒉按排水量分类

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无人船艇按照排水量的不同，可细分为以下五类：微型无人船艇为排水量小于0.5吨的无人船艇，小型无人船艇为排水量0.5～2吨的无人船艇，中型无人船艇为排水量2～10吨的无人船艇，大型无人船艇为排水量10～100吨的无人船艇，超大型无人船艇为排水量大于100吨的无人船艇。

当然，无人船艇排水量的选择与应用环境、应用场景和任务负荷密不可分。在内陆江河湖库、近海水域调查、地貌测绘等在较低风浪和流速环境下执行的任务，无人船艇要求排水量较低，以增加便捷性、减少运输和吊放成本以及覆盖更多的作业区域，因此以微型无人船艇和小型无人船艇为主；而在深远海域、恶劣海况下的环境调查、海上巡逻、灾害救援等高任务负荷应用场景下，无人船艇需要较大的排水量，以抵御较大的风浪，搭载更多任务负荷，并保障无人船艇的安全和扩展任务种类，以中型无人船艇和大型无人船艇为主；超大型无人船艇未来则适合智慧航运和海上安防等要求。

⒊航速

无人船艇按照航速的不同，可分为以下四类：低速无人船艇为最大航速小于15节，中速无人船艇为最大航速介于15～30节，高速无人船艇为最大航速介于30～50节，超高速无人船艇最大航速则在50节以上。

当然，无人船艇的速度要求也与执行的具体任务有关。在生态环境监测、水域测绘、海洋调查、海上风电运维、海上油气运维等应用场景中，需要最大航速小于15节的低速无人船艇，确保任务载荷采集数据的质量和稳定性，以提高成果的可靠性。而在海上巡逻、灾害救援等应用场景，就需要具备更高的航速，以便高效地完成任务。

同时，珠海云洲智能科技依据无人船艇的自主能力、航行能力、任务能力和使用环境等参数，把无人船艇分为内河级、海工级和海防级三个等级。其中，内河级指能适应江河湖泊及近海岸等水域、较低风浪环境，具备遥控或自主作业能力；海工级指能适应全水域、较高风浪环境，具备自主作业能力；海防级则能适应全水域、较高风浪环境，具备高速、高动态自主作业能力。

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水面无人船艇的应用

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目前，无人船艇的主要应用领域包括城市公共水域、海洋工程、公共安全、国防工业等四大方向，应用单位为科研院所、大专院校及各类企业等，具体的应用场景包括环境监测、水文测量、海洋测绘、海洋调查、水上救援、安防巡逻、水上无人投送、通讯中继、情报侦察、电子对抗、智能航运等，涉及公安、海事、渔政、交通、生态环境、自然资源、应急管理等不同行业。

在城市水域和海洋工程领域，主要应用场景包含在城市水域江河湖泊环境下的水质监测、水下测绘、水文测量以及集群展演等。其中，水质监测的应用场景，主要是指日常水质相关的监测以及应急处置工作，无人船艇可代替环保工作者进行重复性强、劳动强度高的水样采集、水质监测和污染源追溯工作，并减少一线工作人员直接接触有毒有害环境的场景，降低劳动强度及人员伤亡风险；水下测绘的应用场景，主要是指水下地形测量、水下地貌探测、浅地层剖面测量等，无人船艇可提高水下测绘工作的便捷性和安全性，同时可支持极浅水水域作业；水文测量的应用场景，主要是指水流的流速流量测量及水利相关的测绘测量工作，无人船艇具有吃水浅、覆盖浅区能力强，定位精准、测量准确度高，能摆脱对桥梁绳索的依赖，可在恶劣天气作业等优势。

海洋观测和海洋调查应用场景，主要指海洋测绘、海洋地球物理探测、物理海洋观测、海洋生化环境监测等工作，通过无人船艇的规模化应用，提升获取数据的精度、准度、广度以及连续性，同时提高采集数据效率；海上风电、海上石油平台的应用场景，主要是指场区规划、勘测、施工和运维阶段的全过程检测，包括地形地貌监测、冲淤研究、场区地质稳定性分析、路由调查、水下构建物探测、后运行期运维监管等，无人船艇具有循线精度高、效率高、劳动强度低、安全性好、可全天候作业、运行成本低等诸多优势。

在公共安全领域，主要应用场景包括全水域巡逻执法、应急救援与水面救生。巡逻执法应用场景是指开展水面巡逻警戒、侦察取证、喊话驱离、追击拦截等工作，无人船艇可全天候作业，具有快速响应、减少人员涉险的特点；应急救援应用场景是指针对应急事件开展水面应急抢险、监测和处置等工作，无人船艇具有响应速度快，人员安全风险低、可快速部署及快速获取数据等优势；水面救生应用场景是指进行遥控或自动落水救援工作，无人船艇能够对落水人员精准、快速进行救援，同时可避免施救人员涉险，提高救援效率。

随着未来5G、人工智能、大数据、物联网技术的发展与成熟，我国的民用无人船艇起步较早，具备了先发优势，基本在国际市场上也有较强的竞争力。具体的细分领域包括：

⒈生态环保：通过自动采样、走航式水质在线监测、水上水下排污口探测，进行地表水污染物参数及浓度调查、污染物分布态势及变化趋势分析，污染团定位及污染源溯源、排污口排查与管理等，水面无人船艇具有响应速度快，监测点位多、覆盖面积大、范围广，续航时间长、连续作业能力强等优势。

⒉海洋测绘：通过水下地形测量、海底面状况探测、扫海测量、浅地层剖面测量等手段，为船舶靠泊与航行安全提供保障，为码头与航道工程整治提供依据，为锚地与施工场区底质状况、海底管线路由调查及管线现状探测提供分析基础，为研究区的冲淤演变与地质稳定性分析提供研究资料，为群礁区、滩涂区域和围填海区域等地貌复杂区域的探测提供安全保障，等等；水面无人船艇具有吃水浅，定位精准，集群作业易于组织、作业效率高，可在恶劣天气作业等诸多优势。

⒊环卫保洁：通过对水面垃圾的清理与收集，保持景区、湖库、河流、港池、海岸及海岛周边水域的水面清洁和美观，水面无人船艇具有打捞效率高、运营成本低，自动长时间作业、降低劳动强度、可昼夜工作等诸多优势。

⒋海洋调查：进行海洋水文、物理、化学、生物、底质等环境要素监测与资源调查，获取获取海洋要素资料及信息，水面无人船艇平台可在恶劣环境下作业，能增强作业安全性，同时可降低集群调查的成本并提高采集资料精度。

⒌巡逻执法：通过获取水上视频影像，识别判断水上目标物等方式，进行水上监察监管、巡逻执法、驱离警告、目标物搜索等，水面无人船艇具有可昼夜工作、自动巡查，响应速度快，可抵近观察、获取信息并实时输出，无需人员涉水等诸多优点。

除此之外，水面无人船艇还应用在应急救援、水面救生、文旅演出、水上广告等方面，通过无人设备在水面的智能化运行，代替传统设备，执行水上作业任务，具有经济、安全、适用性广、运营成本低等优点。

“海豚1号”水面救生机器人

水面无人船艇的未来发展

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从目前国内外无人船艇装备发展历程来看，基本遵循了由小型、中型到大型无人船艇、直至无人舰艇的发展思路。随着无人船艇技术发展，大家逐渐接受以无人船艇作为自动化、智能化科技手段解决行业痛点问题，对无人船艇行业的需求不再仅限于提供平台性能更高、载荷兼容能力更强的产品，同时未来随着相关标准的建立，无人船艇所产生的数据价值得以计量与保护，海量的水资源数据将得以更好地实现利用，由此提供优质且轻资产化的数据服务也是无人船艇应用领域的拓展。

未来，随着无人船艇技术逐渐成熟与各行业对无人装备的认知深入，无人船艇的细分市场将进一步拓宽。生态环保、海洋观测等一批较成熟的应用领域将会越发细分，而无人货运、水上消防、溢油回收等一批新兴应用也将得到实践。

无人船艇相较于传统船只的一个重要优势在于效率提升，集群应用、船岸结合等模式大幅提升了该优势；集群应用作业模式能有效利用时间窗口，极大提高作业效率；船岸结合模式能有效发挥无人船艇的机动优势及岸端感知和通讯能力，系统、精准、高效地为水上作业提供解决方案。

无人船艇母船搭载的集群应用探测

随着无人船艇在各领域应用程度的加深，执行任务的复杂性也在不断增加，单个无人船艇有时难以完成。以航道测量为例，航道测量是保障船舶航行的常态化工作，但航道来往船只密度大，单艇测量效率低、危险程度高，需要采用集群技术通过多艘测量艇在船舶航行间隙进行短时间全覆盖的测量。因此，多无人船艇协同执行任务在民用和军用领域展现出广阔的发展前景，也是无人船艇未来发展的必然趋势。随着机器人、通信工程、自动化、计算机、控制理论等相关学科交叉、融合范围的扩大和各项技术的日趋成熟，无人船艇的多艇协同技术也将日趋完善。

随着无人船艇应用领域的不断拓展，无人船艇需要提高对特殊任务或极端环境的适应能力，从而提高其任务性能。目前，长续航、多航态无人船艇成为了近年来的研究热点，长续航无人船艇以风能、太阳能等自然能源为主要航行动力，辅以氢燃料电池或燃油发电机，能够在海上长时间进行工作，实现低成本、长航时、大范围、高时空分辨率的海洋观测，更好地为全球气候变化、海洋生物观测、海洋环境监测等前沿热点问题提供研究数据。

多航态无人船艇可以通过浮态调节和航速变化来切换低速水下航行、半潜快速航行和水面高速航行三种航行状态，具有无人船艇高速性、无人潜器高耐波性和隐蔽性的突出优点，可以在恶劣海况下隐蔽地执行任务。未来，为使无人船艇具备长期、自主、可靠的作业能力，其控制系统性能、对恶劣海洋环境的自适应能力及多航态无人船艇的智能水平将成为重点提高方向。

无人船艇自主程度的高低决定了其能否在作业场景下制定最优策略，从而更高效地完成任务。无人船艇利用人工智能技术主要体现在感知识别以及策略控制方面，感知识别是实现智能化的基础，随着硬件技术的发展以及高效算法的提出，人工智能领域的深度神经网络模型在目标识别、视觉推理、实时追踪等领域取得了突破性的进展，显著提高了无人船艇自主航行的准确率；策略控制系统通过感知识别得到的信息对无人船艇做出控制指令，利用强化学习等人工智能方法与环境进行交互不断试错、优化，也是实现无人船艇智能化的关键。

近年来，深度强化学习等人工智能技术的迅速发展，提升了无人船艇智能化作业能力，降低了实艇训练过程中的试错成本，缩短了训练周期，对无人船艇自主航行的水平提升起到重要的作用。未来，人工智能技术对无人船艇自主程度提高的重要性将不断增加，通过数据学习与训练优化不同水面及天气环境下的应用，降低错误率，可以进一步提升无人船艇系统对感知信息的分析和自适应能力。

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水面无人船艇与海洋立体观测

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在不久前发表的《广东省海洋经济发展“十四五”规划》（以下称规划），对提升广东海洋科技创新能力、推进海洋治理体系和治理能力现代化建设，提出了更高的要求。本次发布的《规划》中，单独设置“海洋船舶工业产业集群”专栏，特别提出要加快珠海无人船艇与智能船舶测试实验平台建设，打造国内无人船产业发展高地和全球知名无人船技术研发测试公共服务平台。

目前，备受瞩目的无人船研发测试基地——香山海洋科技港，已于2019年在珠海率先建成并投入使用。香山海洋科技港由云洲智能主持建设，重点围绕无人船与海洋智能装备产业链布局，聚集人工智能、先进装备制造和新一代信息技术产业，推动广东打造海上无人系统与海洋智能装备设计、研发、试验的公共技术服务与创新孵化平台，助力粤港澳大湾区建设无人船与智慧海洋产业创新高地。

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万山无人船海上测试场

万山海上测试场已先后保障了大规模无人艇集群试验、无人移动地磁日变站系统试验、水面无人化卫星定标试验、无人艇重磁测量试验、空天地海岛礁一体化测量试验等，并取得一系列重大测试成果。有利于无人船逐步取代部分常态化观测、监测、支持技术，实施更为先进的海洋调测、海洋工程，不仅对节约人工成本、提高安全性方面具有颠覆传统作业模式的革新意义。

同时，在《规划》中重点提出，要持续推进海洋立体观测网建设，提高全省海洋观测站点分布密度和观测能力，逐步完善全省海洋立体观测网，实现海洋观测数据信息共享，推进观测资料数据对比工作，在全国率先打造“海、陆、天”三位一体的海洋立体观测网。

对此，由南方海洋科学与工程广东省实验室 （珠海）和云洲智能共同参与的“智能敏捷海洋立体观测系统”项目，以机动化智慧母船为载体，通过空、海、潜无人平台的跨域协同组网，实现对目标区域的快速、同步、立体观测，是一种全新的海洋观测模式，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

智能敏捷海洋立体观测系统

“智能敏捷海洋立体观测系统”采用云洲智能无人船艇，成功探索了无人船艇集群规模化测量施工的可行性，作业效率较单一作业船舶效率提升10倍，大大缩短了作业窗口期。“智能敏捷海洋立体观测系统”不仅能为拓展海洋科学前沿提供前所未有的利器，而且能为海洋防灾减灾、海洋环境监测、海上风电场维护等应用领域提供智慧高效的工具。