本文對(duì)水域安防巡邏領(lǐng)域無(wú)人船技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評(píng)述，并對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行了展望。分析未來(lái)水域安防的發(fā)展趨勢(shì)，指出未來(lái)水域巡防將是智能化巡防，并且無(wú)人船是未來(lái)水域巡防的主力軍。從無(wú)人船技術(shù)的智能化、機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)的智能化及作業(yè)運(yùn)籌的智能化三個(gè)方面對(duì)無(wú)人船技術(shù)在未來(lái)智能化水域安防巡邏中的應(yīng)用給出建議。
綜述表明，智慧化協(xié)同無(wú)人船集群作業(yè)是未來(lái)水域安防的主要形態(tài)，人工智能、分布式是當(dāng)前以及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)人船技術(shù)的研究熱點(diǎn)。
引言
習(xí)近平指出，新一代人工智能正在全球范圍內(nèi)蓬勃興起，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入了新動(dòng)能，正在深刻改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式。(2018世界人工智能大會(huì)開(kāi)幕賀詞)
改革開(kāi)放以前，由于受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制，中國(guó)的安防主要以人防為主，安全技術(shù)防范還只是一個(gè)概念，技術(shù)防范產(chǎn)品幾乎還是空白。20世紀(jì)80年代初，安防作為一個(gè)行業(yè)在上海、北京、廣州等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市和地區(qū)悄然興起，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，中國(guó)安防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已基本成型，且頗具規(guī)模。進(jìn)入21世紀(jì)，安全技術(shù)防范產(chǎn)品行業(yè)又有了進(jìn)一步的發(fā)展，智能化以及高科技電子產(chǎn)品、全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的大量涌現(xiàn)，都極大促進(jìn)了技防產(chǎn)品市場(chǎng)蓬勃發(fā)展。
當(dāng)今世界正處于新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，在人工智能領(lǐng)域帶動(dòng)下，大量新技術(shù)涌現(xiàn)，必將對(duì)安防領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。
未來(lái)水域安防的發(fā)展趨勢(shì)
01未來(lái)水域安防巡邏是智能化安防
在水域安防領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)的主要來(lái)源是監(jiān)控視頻，也有部分音頻、雷達(dá)、激光等數(shù)據(jù);需要提取的信息主要包括感興趣目標(biāo)、事件、統(tǒng)計(jì)特征等;智能分析技術(shù)負(fù)責(zé)建立從數(shù)據(jù)到信息的映射關(guān)系。由于數(shù)據(jù)主要由視頻構(gòu)成，所以智能分析技術(shù)中常用的算法也以計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的算法為主，如前背景建模、目標(biāo)檢測(cè)、分類(lèi)、識(shí)別、跟蹤、特征點(diǎn)提取、匹配、運(yùn)動(dòng)估計(jì)等等。智能分析技術(shù)可以代替人力，從視頻等數(shù)據(jù)中提取出客戶(hù)感興趣的信息。
隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，智能分析技術(shù)早已不局限在安防領(lǐng)域，而是成為人工智能領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。在這樣的形式下，安防企業(yè)迎來(lái)了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一方面，安防企業(yè)對(duì)智能分析技術(shù)一直非常重視，也取得了很多成果，由于擁有海量的視頻數(shù)據(jù)，在發(fā)展大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算等技術(shù)時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)，可以憑借智能分析相關(guān)軟硬件技術(shù)的積累，向其它領(lǐng)域擴(kuò)展業(yè)務(wù)。另一方面，新的領(lǐng)域也將帶來(lái)更多的投入和競(jìng)爭(zhēng)，如何通過(guò)合理的規(guī)劃來(lái)迎接這些挑戰(zhàn)，是需要不斷思考的問(wèn)題。
02無(wú)人船平臺(tái)是未來(lái)水域安防的主力軍
在未來(lái)智能化水域安防的“分布式”巡查模式中，人在后方，集群式無(wú)人船安防巡邏裝備執(zhí)行具體巡查、監(jiān)控、勘察等任務(wù)的作業(yè)，關(guān)鍵在于如何讓人能夠從巡查的各個(gè)任務(wù)和環(huán)節(jié)中解脫出來(lái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌指揮的能力。對(duì)此，研究新型智能算法和軟件，探索無(wú)人船的自主和協(xié)同技術(shù)，通過(guò)人船鏈路實(shí)現(xiàn)交互，使無(wú)人船集群可以在一名操作人員的管理下完成發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、跟蹤和監(jiān)控目標(biāo)等安保巡邏的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”的操作，并能使無(wú)人船集群具備在復(fù)雜環(huán)境中的執(zhí)行任務(wù)能力，降低人的介入干擾程度。
基于上述水域安防概念和模式分析，未來(lái)的智能化水域安防將表現(xiàn)出三個(gè)主要特點(diǎn)：
(1)無(wú)人船主戰(zhàn)。
智能無(wú)人船平臺(tái)將取代人工以及傳統(tǒng)的安防設(shè)備成為主要的安防巡邏力量，人與機(jī)器將逐步分離，人由巡防的前沿退向后方，主要負(fù)責(zé)決策和指揮;智能無(wú)人船平臺(tái)加載機(jī)器設(shè)備走向巡防前沿，成為安防巡邏的主要執(zhí)行者。
(2)萬(wàn)物互聯(lián)。
要求機(jī)器設(shè)備或無(wú)人船平臺(tái)互聯(lián)互通，自主和無(wú)人/有人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，才能針對(duì)水面上下瞬息萬(wàn)變的情況自主協(xié)同、配合行動(dòng)。同時(shí)要求有強(qiáng)大的信息高速公路，在復(fù)雜環(huán)境下構(gòu)建低延時(shí)、高容量、高可靠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)鏈路，基于智能網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連接、隨遇接入、功能可重組、快速自組織等能力。
(3)算法致勝。
算法是人工智能的核心，算法優(yōu)勢(shì)賦予無(wú)人系統(tǒng)更高的自主性，取得行動(dòng)優(yōu)勢(shì)。人工智能算法在知識(shí)積累、重復(fù)性和準(zhǔn)確性方面有較大優(yōu)勢(shì)，能夠提高信息處理、感知和決策的質(zhì)量和速度，加快“觀(guān)察-判斷-決策-行動(dòng)”O(jiān)ODA環(huán)，取得主動(dòng)權(quán)。無(wú)人船的平臺(tái)技術(shù)是基礎(chǔ)，但是智能算法是靈魂，智商欠佳、徒有肌肉的無(wú)人船是不能贏得最終的勝利的。
無(wú)人船主戰(zhàn)、萬(wàn)物互聯(lián)、算法致勝也是未來(lái)智能水域安防的三大致勝機(jī)理，無(wú)人船作為其主要載體，是未來(lái)智能化水域安防的主力軍。
中國(guó)無(wú)人船技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
早在上世紀(jì)60年代，遠(yuǎn)程控制的無(wú)人艇船隊(duì)就廣泛用于軍事領(lǐng)域。近年來(lái)， 智能化一直是船舶發(fā)展的趨勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新理念、新技術(shù)的突飛猛進(jìn)，船舶自動(dòng)化水平不斷提高，無(wú)人船艇的實(shí)現(xiàn)有了科技支撐，無(wú)人駕駛船舶航行于全球有了實(shí)現(xiàn)的可能性。以無(wú)人艇船為代表的智能船舶還在環(huán)境監(jiān)測(cè)、區(qū)域巡航等領(lǐng)域頻頻“拋頭露面”，相關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究成果也是層出不窮。
無(wú)人船艇包括具有自主規(guī)劃、自主航行、自主環(huán)境感知能力的全自主型無(wú)人船艇，以及非自主航行的遙控型無(wú)人船艇和按照內(nèi)置程序航行并執(zhí)行任務(wù)的半自主型無(wú)人船艇。它集船舶設(shè)計(jì)、人工智能、信息處理、運(yùn)動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)技術(shù)為一體，研究?jī)?nèi)容涉及自動(dòng)駕駛、自主避障、規(guī)劃與導(dǎo)航、模式識(shí)別等多方面，可根據(jù)其作戰(zhàn)或使用功能的不同，采用不同的模塊，搭載不同的傳感器及設(shè)備，執(zhí)行情報(bào)收集、監(jiān)視偵察、掃雷、反潛、反恐、精確打擊、搜尋救助、水文地理勘察、中繼通信等任務(wù)。
如今，無(wú)人船以無(wú)人化、集成化、自動(dòng)化與智能化的信息獲取方式，為相關(guān)職能部門(mén)提供多項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)功能，其主要用途與應(yīng)用領(lǐng)域包括：城市地下水道檢測(cè)、高精度水下地形測(cè)繪、大壩堤防安全檢測(cè)、水文信息自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)、智能水道管理、河長(zhǎng)制智慧化管理、智慧漁業(yè)災(zāi)害應(yīng)急服務(wù)。
安徽欣思創(chuàng)科技作為中科院旗下的國(guó)家高新科技企業(yè)，多年專(zhuān)業(yè)從事無(wú)人船人工智能控制平臺(tái)技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售。公司擁有多項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利和核心船控技術(shù)，除了常規(guī)的路徑規(guī)劃、自動(dòng)巡航、GPS/北斗雙系統(tǒng)導(dǎo)航、失控保護(hù)等功能外，還具有智能懸停、按ADCP高精度智能測(cè)流、遠(yuǎn)距離水底成像并分析等核心技術(shù)。針對(duì)市場(chǎng)需求推出了水文智能測(cè)流無(wú)人船、水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)無(wú)人船、水質(zhì)自動(dòng)取樣無(wú)人船、水下探測(cè)成像無(wú)人船等多款無(wú)人船產(chǎn)品，以其智能、高效、安全、便捷等優(yōu)質(zhì)特性，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。
無(wú)人船技術(shù)在智能化水域安防巡邏中的應(yīng)用思考
無(wú)人船技術(shù)在智能化水域安防巡邏中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：無(wú)人船平臺(tái)的智能化，設(shè)備系統(tǒng)的智能化和指揮運(yùn)籌的智能化。
01無(wú)人船平臺(tái)的智能化
智能化的無(wú)人船平臺(tái)能夠通過(guò)多維度廣泛感知外部環(huán)境與內(nèi)部狀態(tài)信息，基于感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自主完成深度挖掘、推理和融合，實(shí)現(xiàn)水域環(huán)境態(tài)勢(shì)構(gòu)建，自主產(chǎn)生控制策略并執(zhí)行，同時(shí)要具有一定的自主認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力。
02設(shè)備系統(tǒng)的智能化
針對(duì)不同的作業(yè)場(chǎng)景，將智能化的無(wú)人船平臺(tái)相結(jié)合為智能化無(wú)人設(shè)備系統(tǒng)。與有人系統(tǒng)相比，智能化無(wú)人設(shè)備系統(tǒng)能適應(yīng)更廣泛的使用條件，具有更好的持久性和耐受力，能夠支撐大范圍任務(wù)系列。
03指揮運(yùn)籌的智能化
在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，無(wú)人船系統(tǒng)難以獨(dú)立完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，有人系統(tǒng)指揮無(wú)人船集群將是未來(lái)智能作業(yè)的主要工作模式，需要指揮運(yùn)籌系統(tǒng)的智能化，通過(guò)智能輔助，實(shí)現(xiàn)有人/無(wú)人協(xié)同作業(yè)能力躍升。
欣思創(chuàng)無(wú)人船平臺(tái)在安防水域的日常河岸巡邏任務(wù)的同時(shí)還可配備專(zhuān)業(yè)聲吶系統(tǒng)和多個(gè)(可選)功能性高清攝像頭等設(shè)備，可將聲吶掃描的水下地形、水下物品、溺水人員或物證等圖像及定位等信息，通過(guò)自組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸至岸邊的多個(gè)手機(jī)或電腦終端，以便岸邊救援人員高效、安全地開(kāi)展搜救工作。智能控制系統(tǒng)可對(duì)船只進(jìn)行路線(xiàn)規(guī)劃設(shè)定，對(duì)搜索水域進(jìn)行地毯式掃描，從而實(shí)現(xiàn)全方位信息覆蓋和精準(zhǔn)搜索，幫助岸邊工作人員快速判斷并確定目標(biāo)點(diǎn)后安排潛水人員針對(duì)性地尋找水下物體。同時(shí)，船只還可選配雙目視覺(jué)系統(tǒng)和聲吶避障系統(tǒng)，實(shí)時(shí)傳輸水面視頻信息、幫助船只行進(jìn)中的智能避障。通過(guò)船體及動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)航及控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)和智能化的人機(jī)交互系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高效安全的水域安防巡邏作業(yè)任務(wù)。
目前，欣思創(chuàng)水底探測(cè)成像無(wú)人船產(chǎn)品因?qū)I(yè)、輕便、可操作性強(qiáng)及通信效果佳而獲得藍(lán)天救援組織及水上警務(wù)管理部門(mén)的一致認(rèn)可。從而最大程度地保障了搜救人員的人身安全，并且實(shí)現(xiàn)了搜索效率的大幅提升，搜索工作時(shí)間僅為傳統(tǒng)搜索工作模式的1/5~1/8。
與傳統(tǒng)水面船艇作業(yè)相比，無(wú)人船作業(yè)具有如下明顯優(yōu)勢(shì)：
1. 實(shí)現(xiàn)作業(yè)無(wú)人化、智能化。無(wú)人船最顯著的特征是航行及任務(wù)執(zhí)行的自主化，為其設(shè)定好航行路徑及作業(yè)任務(wù)后，其可自主航行、智能避障和執(zhí)行任務(wù)，不需要或者弱化了人的參與，從而將人從繁重的、強(qiáng)度高的水上任務(wù)中解放出來(lái)。
2. 作業(yè)更高效、更標(biāo)準(zhǔn)。采用小船體、高航速、自主航行的無(wú)人船，由于其高機(jī)動(dòng)性和高自主性等特點(diǎn)，采用無(wú)人船通?？梢允s常規(guī)船艇的調(diào)度、租用、人員維護(hù)等環(huán)節(jié)，利用精準(zhǔn)的自主導(dǎo)航和船體小、速度快的特點(diǎn)，可以在多種作業(yè)環(huán)境中更高效的執(zhí)行任務(wù)。同時(shí)，由于作業(yè)過(guò)程全受計(jì)算機(jī)控制，可以讓作業(yè)過(guò)程嚴(yán)格按設(shè)定執(zhí)行，任務(wù)結(jié)果更準(zhǔn)確、更標(biāo)準(zhǔn)。
3. 模塊化設(shè)計(jì)，功能多樣。無(wú)人船通常采取模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)更換任務(wù)模塊使其能夠執(zhí)行不同的使命。因此，搭載不同的任務(wù)模塊，無(wú)人船可以完成從民用到軍用的各種任務(wù)。
4. 航速高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。當(dāng)前內(nèi)河使用的無(wú)人船，多數(shù)長(zhǎng)度在10米以?xún)?nèi)，排水量不到一噸，吃水深度僅為傳統(tǒng)艦艇的十幾二十厘米，航速在4至10節(jié)，最大航速甚至超過(guò)20節(jié)，因此能快速駛往傳統(tǒng)艦艇無(wú)法到達(dá)的特定水域，如淺水區(qū)、狹窄巷道等。
5. 小巧靈活、隱蔽性好。無(wú)人船的外形通常低矮平滑，表面又涂有各種隱身材料，加之體型小巧，可借助海浪、島礁等的掩護(hù)，因此遭毀傷的概率小、生存能力很強(qiáng)。
6. 使用成本低。由于無(wú)人船降低了維護(hù)人員的成本，不僅可以大量部署，且其活動(dòng)不受氣候影響，可全天候執(zhí)勤，因此使用成本相對(duì)較低。
無(wú)人船艇包括具有自主規(guī)劃、自主航行、自主環(huán)境感知能力的全自主型無(wú)人船艇，以及非自主航行的遙控型無(wú)人船艇和按照內(nèi)置程序航行并執(zhí)行任務(wù)的半自主型無(wú)人船艇。它集船舶設(shè)計(jì)、人工智能、信息處理、運(yùn)動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)技術(shù)為一體，研究?jī)?nèi)容涉及自動(dòng)駕駛、自主避障、規(guī)劃與導(dǎo)航、模式識(shí)別等多方面。無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)在多學(xué)科交叉融合發(fā)展推動(dòng)下，正在向更高水平的智能自主方向發(fā)展，其廣泛的覆蓋性、復(fù)雜的系統(tǒng)性、開(kāi)放的知識(shí)性，決定了它必將成為一個(gè)極富創(chuàng)造力的領(lǐng)域，從而形成新的科學(xué)前沿。無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)具有巨大的理論與技術(shù)創(chuàng)新空間和廣闊的應(yīng)用前景。如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)從“專(zhuān)用 ”到 “通用”的跨越式發(fā)展，既是無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是水面安防巡邏研究和應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。
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