“智海”系列无人船：开创智能海上新时代技术创新与应用

　　我国是海洋大国，拥有约300万平方公里主张管辖海域、1.4万多公里海岛岸线、1.8万多公里大陆海岸线，大量的海洋资源等待开发。在数字化和智能化技术迅猛发展的时代背景下，智能船舶作为新兴领域，已成为船舶行业未来发展的必然趋势。面向我国新一代智能航运体系建设需求，在国际上率先提出了“自学习无人船”新概念及其技术体系，自主研制了“智海”系列近浅海无人船，其中包括“智海1号”无人船和“智海2号”无人船(如图1)，搭建硬件在环开发平台，开发智能自主系统，推动了无人船自主航行理论与技术的发展。

　　“智海”系列无人船构建了基于多传感器融合的多模态感知系统，全面地捕捉水面上的各种数据信息，突破了全局-局部混合航路优化技术、不依赖运动模型的跟踪控制等关键技术，实现了近浅海复杂水域的无人船自主航行功能，具备水质监测、水文测量、水下测绘、水域巡检等任务作业能力，有力支撑沿海/内河水上交通运输智能化发展。 关键技术 基于多传感器融合的多模态感知系统 “智海”系列无人船集成了一套完整的感知系统，采用Jetson Xavier NX作为运算器处理器，具有更强大的运算能力以及处理能力，高达21 TOPS的加速计算能力可并行运行神经网络，并处理来自多个高分辨率传感器的数据，支持深度学习以及强化学习算法进行实船验证。船体搭载IMU、RTK、水上摄像头、水下摄像头、3D激光雷达等传感器，不仅能获取船舶自身位置、速度、姿态信息，还可以实时获取静态环境与动态障碍物信息，通过数字图像传输系统将获取数据在地面上位机端实时显示。 全局-局部混合航路优化技术 针对可航水域的地理约束和动态环境限制，研究团队发明了多种创新技术，包括“四元安全领域”、“自适应进化精英遗传”、“参数化光滑路径规划”和“模糊推理-动态窗口分层决策”等方法，构建了一个全局-局部混合航路优化技术体系，成功挖掘出稀疏化安全航路点的最优搜索机理。该体系首次从系统化的层面，兼顾了全局规划和局部决策，解决了安全可行航路优化的难题。通过自主研制的“智海”系列无人船的海上试验和应用结果表明，与传统的全局静态规划技术相比，全局-局部混合航路优化技术使测线长度缩短了37%，测量成本节省了42%。这项技术不仅提升了无人船的自主航行能力，而且显著提高了测量效率和成本效益。 不依赖运动模型的跟踪控制技术 针对运动模型完全未知的智能学习控制问题，研究团队提出了“可伸缩模糊集”新概念和“自适应学习前馈补偿”新算法，奠定了变结构自学习控制器和论域自适应智能逼近器设计的理论基础，阐明了无模型学习控制的机理，建立了智能学习控制器的参数化极速学习机制，构建了前馈-反馈混合自结构学习控制框架。这一框架彻底摆脱了对模型的依赖，形成了具有自结构性能强化机制的智能学习控制能力，突破了无人船跟踪控制的精准性和可靠性瓶颈，显著提升了无人船的控制性能。应用于“智海”系列无人船的试验和应用结果表明，相较于传统控制方法，这项创新技术使航迹跟踪精度提高了35%以上，显著增强了无人船的控制性能，提升了其在复杂动态环境中的自主航行能力，进一步推动了无人船技术的发展，为未来无人船在更多领域的应用奠定了坚实的基础。 技术成果 在深入探索与创新的道路上，自主研制的“智海”系列无人船完成了近海大规模搜救演习、航道精细测绘等作业任务，取得了丰硕的研究成果。在知识产权方面，取得了授权发明专利49项，软件著作权12项。在学术产出方面，发表权威期刊论文280余篇，入选全球高被引论文40篇、热点论文12篇。在科研荣誉方面，荣获了中国海洋工程科学技术奖一等奖2项、辽宁省技术发明奖一等奖1项、辽宁省自然科学奖二等奖1项。在人才培养方面，培养了全球高被引科学家、国家万人计划青年拔尖人才、辽宁省兴辽英才计划领军人才、交通运输行业中青年科技创新领军人才等，并在IEEE Trans. Intell. Transp. Syst.、Ocean Eng.、IEEE Syst. J.、《中国舰船研究》等国内外权威期刊担任编委或副主编，得到了建党100周年辽宁省“众心向党、自立自强”基层青年科技工作者、大连市人民政府“首届最美科技工作者”表彰。 经济、社会效益 “智海”系列无人船可以在港口、湖泊、水库等环境自主完成对环境的感知、路径规划决策与运动控制，进行水文测量、航道巡检、自主救援等作业任务，能够满足无人自主作业的需求，减小人工的干预，极大提高了执行任务的快速性与安全性。通过将全局-局部混合航路优化、不依赖运动模型的跟踪控制等关键技术应用于“智海”系列无人船实现了显著经济、社会效益，具体如下： 提高海洋资源管理效率 通过收集关于海洋牧场位置、规模和结构等详细数据，有助于建立和完善海洋牧场数字化服务平台，促进海洋资源的科学管理和合理利用，为海洋牧场的可持续发展提供坚实的信息支撑。 优化渔业生产规划 搭载先进传感器和监测设备，无人船能够实时收集海洋牧场内的环境信息和生物信息，包括水质、温度、盐度以及鱼类种群分布等关键数据，有助于渔业部门制定更加科学和合理的捕捞计划，保护海洋生态平衡，同时确保渔业资源的长期稳定供应，为渔业生产的可持续发展提供科学依据。 增强水产资源动态监控能力 通过嵌入高精度跟踪控制技术，无人船能够对水产资源进行长期、连续的监测，实时掌握资源储量的变化情况，有助于渔业管理部门及时调整渔业政策，优化资源配置。 提升海洋灾害应对能力 在海洋牧场区域，无人船可以作为快速响应平台，对海洋灾害如赤潮、油污等进行实时监测和预警。全局-局部混合航路优化、不依赖运动模型的跟踪控制等关键技术确保了无人船能够在恶劣海况下稳定作业，为灾害应对提供决策支持，极大减少灾害对海洋牧场的影响，降低经济损失。

　　综上所述，将全局-局部混合航路优化、不依赖运动模型的跟踪控制等关键技术应用于无人船进行自主导航，显著提升了海洋生态环境监测、海洋资源开发、渔业生产监管、海洋环境综合治理等领域的社会服务能力;同时，对于海洋渔业养护、养殖污染防控、海洋生态保护修复、生态多样性观测保护、海洋灾害应急处理、海湾生态环境可持续发展等带来明显的经济效益，产生不可估量的生态环境效益。最后，本研究成果将推动我国海洋科技领域的快速发展，为相关产业提供关键技术支持。