八年磨砺试锋刃 海洋测绘扬美名——自然资源部南海调查中心无人艇研制与应用

2018年1月，南极罗斯海恩克斯堡岛。一项重要的任务摆在中国第34次南极考察队面前——测绘我国新建站前期建设临时码头海底地形。来自自然资源部南海调查中心的考察队员使用新型设备——多艘无人艇，很快为新建站临时码头前沿测绘了长450米、宽150米的海域。2020年汛期，江西洪灾。7月12日零时，鄱阳湖湖水漫过“1998年洪水位22.52M”的红色标记，突破我国最大淡水湖水位有水文记录的极值。自然资源部南海局抽调南海调查中心骨干，千里驰援，两进江西，迅速在汛情严峻的岸段水域探险情、测经纬，运用“海洋探测一号”无人艇及探测设备，完成了近14公里的探测，检测出5个疑似风险点。类似的事例不胜枚举。一时间，海上无人艇名声大噪。近年来，南海调查中心又开拓了无人艇集群研制和实践，其主持的“我国首次基于无人船艇集群的近海海域海底基础调查工程”项目不久前入选了2022年度中国十大海洋科技进展。梅花香自苦寒来。从研发到应用，自然资源部南海调查中心走过了不平凡的8年。无人艇集群测量从无到有 八年磨砺海洋无人艇建设海洋强国，需要持续探索海洋、认识海洋，就一定少不了海洋监测调查，海洋数据越精细、越翔实，开展海洋工作就越顺利。然而，岛礁周边海底地形起伏剧烈，海洋动力因素复杂多变，往往“大船怕搁浅不敢去，小船能力差进不了”；采用传统调查手段，又有着作业效率差、数据精度低、人员涉水危险性高的问题。此外，海洋调查设备对搭载平台的抗波性、航行稳定性有一定要求，须满足设备在航行中始终保持在水面下，避开气泡层，摇晃幅度小。“空中有无人机，地上有无人车，拍摄、探测等工作开展得很好，我们就琢磨着海上是否可以应用类似无人机的无人艇。”自然资源部南海局南海调查中心主任王伟平介绍，为了克服区域环境导致的困难，南海调查中心结合当时技术的新进展，提出针对岛礁及近岸海洋调查，开展无人艇这一新型智能平台技术的研究。为了解决这些困难和问题，自然资源部南海调查中心自2015年开始，踏上了研制海洋调查无人艇的征程。与无人机、无人车等智能移动平台相比，在民用领域的无人艇研制和应用起步相对较晚，早期主要用于江河、湖泊、水库等水域的环境监测、地形测量等。将无人艇用于环境情况较为复杂的海洋调查，对平台的智能化程度、可靠性、安全性、便利性等提出了更高要求。彼时，国内的无人艇尚未形成系统化、业务化的应用体系，没有先例可循。在茫茫大海上，无人艇能做什么？自主航行性能如何？安全作业流程该怎么设计？不同应用对无人艇的特殊要求是什么？带着一连串的问题，南海调查中心董超研究员带领的技术团队在起步阶段只能摸着石头过河，从实践中寻找问题的答案。他们先期开展走访调研，了解当时河道无人艇作业情况，试点应用到海洋调查；又针对多种海洋调查场景的需求，参与设计和改进了多个无人艇型号。对于极浅水区调查需求的微小型单波束无人艇SE40，设计了具有极低吃水、喷泵动力、设备共形安装、可冲滩等特色；对于近岸海洋全覆盖地形调查需求的中型多波束无人艇M80，设计了具有三体稳性船型、仪器升降鳍收放等特色；对于极地极端环境调查需求的中型多波束无人艇M80B，实现了克服磁场影响的航向保持功能和克服极寒环境影响的器件保障设计。参与多型无人艇研发和改进，南海调查中心技术得到了积累和提升。2018年~2023年，南海调查中心先后争取到多个国家专项和省级项目支持，牵头多家合作技术单位，开始研制大型海洋调查无人艇。该艇是国内首艘油电混合动力无人艇，具备海底地形地貌调查、水文气象调查等海洋调查功能，具有双体双推稳性高、航向控制精度优、系留增程通信距离远、自体噪声低、续航能力强、模块化程度高、搭载拓展性强等显著优势，在海洋调查领域具有广泛的应用前景。首艘无人艇研制成功后，被命名为“海洋探测一号”，其优势主要是三个方面：一是优化平台结构、动力，提升复杂海洋环境下的姿态稳定性；二是设计抑制环境扰动的高性能控制器，优化高海况下的运动控制精度；三是基于系留无人机的高性能通信系统，极大提升远程控制能力。无人艇协同工作从海洋到内陆 广泛应用得赞誉“无人艇是一种按照预定路线自主航行的智能化水面舰艇，可用于开展岛礁周边浅水区的水文气象、水下地形、生态环境等方面的数据采集，弥补传统技术手段作业强度大、安全风险高等方面的不足，为海洋调查提供了一种新型的技术手段。”南海调查中心高级工程师刘蔚介绍。海洋调查无人艇一经问世，便在海洋调查领域展示出广泛的应用前景。为了开个好头，海洋调查无人艇首次外海海试选在了作业难度相对较低的西沙赵述岛周边海域，以岛礁周边海域水下地形地貌测绘为目标，验证海洋测绘型无人艇的应用效果。赵述岛周边海域水深较浅，珊瑚丛生、地形复杂。首战西沙的是一款小型测绘无人艇，长1.5米，搭载了单波束测深系统，可在航行中采集正下方的水深数据。2016年9月，南海调查中心组织无人艇海试小分队，抵达赵述岛。他们寻找下水点、搭建基站、下载卫星影像、绘制测线、下水测试……为无人艇的海试进行周密的准备。为了应对可能发生的失联、失控、触礁等情况，队员们乘坐渔船，紧紧跟着无人艇，关注着它的一举一动。无人艇按照计划测线自主航行，同步记录水深数据。当看到数据稳定地回传到控制基站时，大家都松了一口气。经过两天连续作业，无人艇共完成12.42公里测线的水深数据采集，验证了在岛礁周边海域开展水下地形地貌测绘的性能。然而也留下了遗憾：平静的海况未能验证恶劣海况下无人艇的性能；人乘坐小艇紧跟后方监视，也不符合“无人”的特点。首次外海海试初步验证了平台的作业性能，对作业流程有了直观的体验，并对下一步技术攻关的重点方向有了大致判断。西沙赵述岛测量任务完成后，小分队迅速总结经验，深挖船型、动力、通信、操控等方面的不足，提出改进方案，倾力设计一款搭载能力更强，动力输出更足，可在3级海况作业，尺寸和重量适中的无人艇。2018年，中国第34次南极考察队计划为我国第五个南极考察站奠基。同年1月，在南极罗斯海恩克斯堡岛，来自南海调查中心的钱立兵接到一项特别的任务——测绘我国新建站前期建设临时码头海底地形。这是为新建站临时码头选址、航道选定、土石方工程量计算等提供重要基础资料的一次调查。钱立兵将新型设备——多艘无人艇“排兵布阵”。测绘海域水浅、浮冰多、礁石密布，测绘难度较大。钱立兵使用小型无人艇开展作业，该艇集单波束测深仪、导航定位系统、控制系统于一体，吃水浅、体积小、操控灵活，能贴近海岸线作业，可自如穿梭于浮冰与出露礁石之间，大大降低了人工作业的风险，提高了工作效率。很快，码头前沿长450米、宽150米的海域相关资料测绘完成。南海调查中心使用了多艘无人艇协助第34次南极考察作业，在南极长城站，还有2艘小型单波束无人艇进行长城湾海底地形测绘作业。“随着我国南极考察进入业务化调查阶段，无人艇灵活、便携、安全性高的优势逐渐凸显。未来会有更先进、更智能的无人艇加入，助力开展各项考察工作。”钱立兵说。2020年7月20日，南海局收到一封特殊的邀请函——江西防汛前线请求派遣海洋技术专业人员协助岸堤检测，排查管涌、塌方等风险点。原来，江西发生洪灾，鄱阳湖水位漫过了“1998年洪水位22.52M”的红色标记，突破我国最大淡水湖水位有水文记录的极值。南海局当即抽调南海调查中心骨干，组成4人小分队，携带“海洋探测一号”无人艇及探测设备，从广州赶赴江西省上饶市信江信瑞联圩六零腾溪段。这是一次“没有准备”的行动。现场情况一切未知，首次接到内陆水域防汛调查任务，队员们把能想到的困难想在前面，在路上制订作业方案、安排任务分工。他们给自己的要求是：下水就能作业。水位上涨、雨水冲刷、堤坝重筑……一到信江任务岸段，现场所见和专业经验，让队员们立即作出了判断：这里的水下地貌已经改变，原有底图无法为无人艇预设航线；新形成的信江“岸线”九曲十八弯，无人艇操作难度升级；垃圾漂浮的江面环境，会对“海洋探测一号”造成各种损伤。4人即刻调整作业方案：底图不能用，就重新绘制一幅。无法设定无人艇自动航线，就改为人工操作。出发前，“海洋探测一号”在南海海域刚完成首次深远海性能测试，没想到它的首战是信江抗洪。江面上漂着不少渔网，水下有淹没的树木凉亭，烈日暴晒下无人艇表面温度到了45摄氏度……这些令队员们担心的事情都在“海洋探测一号”不负众望的作业中渐渐消失。3天后，队员们绘制了新的水下三维底图，排查14公里岸线，检测出5个疑似风险点（3处为疑似冲刷沟槽，2处为疑似滑塌）并提供经纬度坐标，高效完成了预定任务。首战告捷！江西防汛前线指挥部赞誉道：“铁肩担责分秒必争，并肩抗洪科技增效。”“这是一次特殊的经历。我以前也带过兵，这帮年轻人干劲上来跟战士一样猛。”王伟平说，“我们是党和国家的海洋调查力量，国家需要我们在哪里，我们的队伍就出现在哪里。”面向海洋风电场等领域的无人艇智能观测从单兵到集群 新时代的海洋测绘尖兵实践是最好的试金石。无人艇的有效应用，充分检验了其强大优势：具有较高的自主化水平，能自主执行环境感知、路径跟踪、自主避障等任务，减少了对作业人员的要求；可以在危险或恶劣的环境中执行调查任务，减少人员的风险暴露，避免了作业人员在复杂环境中的潜在危险。然而，俗话说：双拳难敌四手。在无人艇领域也是如此。单个无人艇不管是在作业效率，还是在数据方面，都很难与多个无人艇相比。使用一艘母船指挥多艘无人艇协同工作可以成倍、高效地完成任务，更能有效减少人力资源和时间成本。因此，南海调查中心开始了无人艇集群的研制。2019年7月，南海调查中心的董超、刘蔚、郑兵、陈焱琨、贺惠忠参与组建了南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）的海洋智能无人装备团队，承担团队项目“智能快速机动海洋立体观测系统”。该项目旨在研制“智能快速机动海洋立体观测系统”，依托智能型支持母船，搭载配置不同海洋观测设备的空域、水面、水下无人设备，到达指定观测区域，通过在空中-水面-水下批量化布放多种自主移动观测平台，进行多智能平台自适应组网观测，实现对观测目标的立体动态观测。在自主移动平台标配母船支撑下，观测系统具备快速转场作业能力，可对给定观测任务快速作出响应。其中，南海调查中心承担了面向海洋测绘和海洋风电场等领域的智能观测系统的研究课题。正是在这些项目和课题的支持下，无人艇集群技术研发快速推进。2021年9月~10月，南海调查中心在万山岛海域实施大中型无人艇集群协同测绘演示验证。7条多波束无人艇协同作业，对集群通信、控制软件的要求较高。参与本次演示验证的无人艇分别是3艘 L25大型无人艇，以及4艘 M40中型无人艇，通过大型保障母船集中管理控制。演示验证包含两部分内容测试。第一，集群自主航行性能测试。7艘无人艇组成的集群由人工引导进入指定的区域，管理软件发布测量任务后开展集群作业，集群到达目标点位后自动转向，各艇沿原路径返回出发点。第二，集群测量性能测试。集群自主航行期间，同步采集多波束水深数据，经数据处理、拼接形成海底地形图。2021年11月中旬，南海调查中心在珠海淇澳岛近岸海域开展小型单波束无人艇集群测绘演示验证。本次验证使用10艘小型单波束无人艇 SE40，以集群编队方式采集水深数据，并通过通信网络实时回传至岸端基站，数据处理软件可对回传的水深数据进行实时处理与图像拼接。单波束水深数据的数据量较小，数据实时回传对通信带宽的压力较小。2022年4月起，南海调查中心在珠海唐家湾开展小型多波束无人艇集群测绘试点。为了满足测绘极浅水区超高分辨率（1∶500）水深资料数据的需求，他们利用多艘小型单波束无人艇组网开展测量，通过对无人艇多艇合理分配和总体规划，实现了大范围区域的快速覆盖测量。该试点分多阶段开展，验证了蜂群模式、雁行模式等组网作业模式，结合集群测量系统的开发和改进，逐步迭代技术演进，先后多次开展外业试点。38天艰苦试验，6000多公里来回测线，南海调查中心再次获得成功。无人艇集群随即投入使用。2022年6月~9月，南海调查中心联合云洲智能，通过“作业母船+无人船”的集群测绘作业模式，参加大湾区近海海域海底基础调查项目。如果采用传统手段调查，需要6个人、一条500吨的测量船，工作近半年时间。而这次任务，南海调查中心只使用了5条15吨无人艇，实际作业55天，测量了超过2700平方公里海域面积，测线总里程高达2.5万公里。无人艇集群测绘的首次应用，突破了动态协同组网、全局障碍物场综合感知、多级最优避障策略等技术难题，构建了适用于复杂海洋环境下的无人船集群环境感知与协同运动控制技术体系。此次调查的圆满完成，为查明大湾区近海海底地形，打造广东海洋大数据“一张图”夯实数据基础，同时还为加快构建陆海统筹国土空间开发保护新格局、推动经济社会高质量发展提供了坚实保障，开创了我国无人船艇海上集群作业的新篇章。工作人员操作无人艇集群开展海上测绘从现在到未来 探测更广的海洋事实证明，研发无人艇在海洋智能装备“产、研、用”合作上迈出了重要的探索性步伐，不仅在极地、南海、近岸得到有效应用，而且在内陆的水道也发挥了作用。行而不辍，未来可期。南海调查中心无人艇的成功研制和应用打开了海洋调查的又一扇大门。无人艇单艇技术随着传感器件、控制理论和人工智能技术的不断发展，能够在环境感知、任务规划和执行等层面，实现更高智能级别的自主性，进一步完成更复杂的任务。在应用中，南海调查中心从海洋测绘拓展到其他适用领域，包括气象观测、温盐剖面观测、海流观测、生态资源调查等。此外，长航时也是重要突破方向，通过低功耗和多能源供应等技术手段，延长航行时间，拓展任务执行能力。无人艇集群技术方面，南海调查中心将通过持续开展跨域异构平台（如无人潜器、无人机）协同，实现对海洋立体环境的观测能力；通过持续开发协同组网的信息共享和自组织适应技术，能够根据环境和节点变化，自主进行组织调整；通过提高集群的规划和决策能力，能够根据任务需求，自主进行任务决策和调整，应对环境和任务的实时变化。