水下信息物理系統探測–通信–控制一體化：挑戰與進展

　　摘要: 水下信息物理系統是集計算、通信和控制于一體的水下智能系統，包括水下探測與采集、通信與組網、控制與決策等過程. 目前, 水下信息物理系統探測–通信–控制一體化理論體系尚處于構建之中, 相關研究正面臨諸多亟待解決的難題. 為此，本文簡述了水下信息物理系統的內涵與主要特征，分析了水下探測–通信–控制一體化研究面臨的挑戰與關鍵問題;綜述了水下立體探測、通信組網、協同控制等關鍵技術的研究進展;對水下信息物理系統探測–通信–控制一體化未來值得深入探究的研究方向進行了總結與展望.

　　關鍵詞: 水下信息物理系統; 探測; 通信組網; 協同控制; 一體化設計

　　閆敬; 關新平; 羅小元; 楊晛， 控制理論與應用 發表時間：2021-11-19

　　1 引言

　　21世紀是海洋的世紀, 海洋將成為人類生存與發展的新空間. 為提升海洋探測能力, 可在特定水域部署具有計算、通信和控制能力的水下計算單元和物理對象，以構建具有維度廣、安全性高以及實時性強等特點的水下信息物理系統. 上述系統利用計算、通信和控制手段，可實現水下物理對象與信息網絡的協同融合，對推動水下機器人、水下搜救與抓取、水下傳感器網絡、水聲通信、水下預警與監控等領域關鍵技術的升級換代和跨越式發展意義重大.

　　2 水下信息物理系統

　　在水下信息物理系統中，聲吶傳感器與潛器(例如水下滑翔機以及自主水下機器人)等物理對象通過水聲無線通信方式構成一個多跳自組織異構探測網絡. 與靜態水下傳感器網絡[1]相比，上述探測網絡引入了潛器，通過異構節點的通信組網與反饋協同，提升了探測網絡的靈活性與適變性;與動態多潛器網絡[2]相比，聲吶傳感器的引入增強了探測網絡時空覆蓋能力，提升了水下探測的快速性與持續性. 由此可見，水下信息物理系統集水下泛在探測、適變通信和協同控制等功能于一體，具有終端異構化、結構網絡化和功能靈活化等突出優點，是實現水下信息物理系統智能化與互聯化的關鍵.

　　2.1 水下探測–通信–控制一體化設計

　　現有的水下探測、通信與控制系統通常是相互獨立的. 具體來說，探測系統主要關注如何利用水聽器、多輸入多輸出探測聲吶來接收目標輻射噪聲與信息，同時結合信號處理手段，以提取目標特征、方位和距離等信息;通信系統主要關注如何針對水聲窄帶寬、多徑、頻率選擇性衰減以及高噪聲等信道特點，采取高性能、可實現的組網通信協議，以將信息從源點傳輸到終端;控制系統主要關注如何根據已獲取的導航信息，設計比例-積分-微分、預測、滑模、自適應以及多種智能控制器，以驅動潛器實現前進、后退、縱傾、回轉、升降和橫移等運動. 可以看出，探測與通信系統功能上具有重疊性，如果探測與通信系統互不關注對方收到的數據，那么探測與通信系統在頻譜資源、能耗上將互相競爭. 同時，控制系統通常假設探測與通信是完美實現的，即假設傳感器與潛器等節點的反饋信息是可靠獲取且實時傳輸的，然而水下復雜環境使得上述假設很難保證. 綜上可知，探測、通信、控制的分離設計，一方面使控制指令易產生信息不完整約束，另一方面探測與通信又缺少有效的反饋機制，嚴重制約了水下信息物理系統整體性能的提升. 因此，為實現水下信息物理系統探測–通信–控制一體化設計，有必要建立水下探測、通信、控制聯合設計架構.

　　2.2 探測–通信–控制一體化面臨的挑戰

　　2.2.1 水下環境開放性使得一體化架構建立難

　　水下環境的開放性，使得很難建立固定的通信基礎設施. 因此，為了滿足水下不同監測需求，需要部署分布在不同物理空間的異構終端[4]，包括主/被動聲納、前視和側掃聲納、聲學路徑垂直陣、測深儀、聲速剖面儀、岸基浮標、水面監控平臺等探測感知終端. 需要指出，水面監控平臺可通過衛星通信、短波、北斗等多種寬窄帶通信方式，以實現常規海況下的寬帶接入與惡劣海況下的窄帶接入;水面浮標，可通過水聲通信方式與水下探測設備窄帶接入，也可通過寬帶接入的方式與水面監控平臺通信;水下設備主要通過水聲組網通信方式與水面浮標以及水下其它設備窄帶接入. 上述終端全向/定向通信并存、使用頻段種類多、服務優先級不同，導致不同接入技術差異性大且不可兼容，使得建立具有自組織泛在能力的水下探測–通信–控制一體化網絡架構非常困難. 此外，水下信息物理系統寬帶受限、通信時延大、能量有限等弱通信特性，以及水下潮汐洋流等不確定環境條件，又加劇了水下信息物理系統探測–通信–控制一體化網絡架構建立的難度.

　　2.2.2 聲吶資源受限下探測通信一體化實現難

　　探測通信一體化設計，不僅可以克服傳統分離設計帶來的資源互相競爭、效能低下的不足，而且可以通過共享射頻資源與天線孔徑，提升頻譜利用率、降低設備間電磁干擾、增強隱蔽性. 需要指出的是，探測通信一體化技術最早應用于雷達[5]，其主要采用分時、分頻或者分波束的方式進行功能集成，并 依 靠 電 磁 波 進 行 探 測 通 信 ， 具 有 傳 播 速 率高(≈ 3 × 108 m/s)、 孔 徑 大 、 可 用 頻 帶 寬(3 MHzv 300 GHz)等特點. 然而，電磁波在水中呈指數規律衰減，使得基于雷達的探測通信一體化技術并不能直接應用于水下. 目前，聲吶仍然是水下遠距離探測通信的唯一有效手段. 相比于雷達信號，聲吶信號傳播速率低(≈ 1500 m/s)、孔徑小、可用帶寬窄(3 Hzv 97 kHz)、多徑效用明顯[6] . 聲吶上述資源受限約束一方面導致水下通信信號易出現線性與非線性失真、相位抖動、頻率偏移，另一方面使得水下探測與通信帶外干擾嚴重且互相抑制、增加了共享信號設計難度. 如何克服聲吶資源受限約束，成為水下探測通信一體化設計面臨的一大挑戰。

　　2.2.3 水聲弱通信特性導致組網傳輸穩健性弱

　　水下探測–通信–控制一體化設計的核心基礎是構建具有自組織、泛在、強實時、高可靠性的異構探測網絡，通過探測感知、信息共享與協同控制，最大限度把信息優勢轉化為決策優勢，以實現水下信息物理系統整體性能的提升. 上述過程離不開聲吶傳感器與潛器等物理對象的組網傳輸，然而水聲具有弱通信特性[7]，例如：(1) 電磁波在水中呈指數規律衰減，使得北斗等定位系統并不能直接應用于水下，且受高噪聲以及多徑干擾等不穩定因素影響，水下節點間的時鐘同步難以精確實現;(2) 水中不均勻分布的聲速剖面造成聲線彎曲;(3) 水聲通信主要通過發送器和水聽器實現信息收發，傳播時延大且消耗的能量遠高于無線電波通信. 水聲上述弱通信特性，導致陸地環境下的組網傳輸協議并不適用于水下. 此外，水下節點所處的水體，在外力和自身環境參數變化等因素影響下會不斷地流動，形成快時變的水下流速場，增加了組網傳輸的不確定性與脆弱性，進而對水下信息物理系統探測感知與控制指令的實時共享與可靠反饋提出了新的挑戰.

　　2.2.4 復雜水下環境易使控制與反饋信息不完整

　　在水下信息物理系統探測–通信–控制一體化設計過程中，探測–通信系統為控制系統提供必要的信息支撐，而控制系統又可通過潛器等移動節點運動促進探測–通信性能的反饋提升. 具體來說，潛器等移動節點通過自身攜帶的水聲通信模塊動態協同鄰域內節點，進而通過航跡規劃、追蹤以及編隊控制形式實現水下探測與通信性能的反饋提升. 為此，如何在探測–通信–控制一體化框架下設計潛器反饋控制律顯得尤為重要. 目前，學者們提出了很多適合陸地環境的移動機器人反饋控制律[8]，其通常忽略機器人與物理環境間的耦合關系. 然而，受水聲弱通信、水流、復雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素，以及潛器動力學模型強非線性、高耦合度等內部因素影響，潛器與水下物理環境間的交互耦合異常緊密. 水下物理環境局部攝動、通信時延、鏈路失效、噪聲干擾等不確定性因素均會通過網絡直接或者間接地波及到潛器控制單元，甚至導致整個反饋控制律的失效. 因此，在設計潛器反饋控制律時，不僅要考慮潛器控制性能的優化，而且還需要聯合考慮探測–通信性能的優化. 然而，受限于目前探測、通信技術以及系統建模水平，許多關鍵的狀態在水下復雜環境中無法實時反饋，一些重要的參數難以準確測量，導致水下控制與反饋信息不能完整匹配. 如何克服復雜水下環境中控制與反饋信息不完整限制，成為反饋提升探測與通信性能面臨的一大難題.

　　3 水下探測–通信–控制一體化研究進展

　　水下探測–通信–控制一體化研究，主要內容涉及水下立體探測、通信組網與協同控制，其相互依賴與制約的關系如圖2所示. 基于此關系，從如下三方面進行綜述：1) 水下探測通信一體化;2) 弱通信條件下定位組網;3) 復雜水下環境中潛器協同控制.

　　3.1 水下探測通信一體化

　　水下被動與主動探測是最常見的兩種探測方式，其中被動探測主要利用水聽器與聲吶陣列被動接收目標的輻射噪聲[9]，例如潛艇與水體摩擦產生的水流噪聲以及潛器自身機械噪聲等，進而結合波束形成、方位估計等信號處理方式提取目標特征、方位、深度以及距離等信息. 與此不同，主動探測技術通過發射聲波以及接收目標反射回波方式進行探測，其發展形成了以低頻大功率探測[10]、雙/多基地探測[11]、前向散射探測[12]和多輸入多輸出(multiple input multiple output，MIMO)[13–14]為主要分支的技術脈絡. 盡管如此，現有的水下被動或主動探測系統多假設其與水下通信系統是兩個獨立的子系統，并沒有考慮兩者間功能上的重疊性與資源上的競爭性.

　　3.2 弱通信條件下定位組網

　　定位組網是水下探測–通信–控制一體化設計的中間環節，其目的是確定水下目標以及節點(例如傳感器與潛器)的位置信息，進而通過水聲通信協議設計的方式實現穩健組網，上述過程對確保水下探測信息的可靠傳輸與控制信息的有效反饋至關重要.

　　現有定位技術大致可分為兩類：距離相關技術;距離無關技術. 前者主要利用主/被動聲吶、前視/側掃聲吶、測深儀等探測設備進行定位，其定位精度高、受制因素少，是目前普遍采用的定位技術. 一些學者已經對距離相關定位技術進行了研究，并從不同角度出發開發了協同定位算法. 這些算法大多利用信號到達時間差(TDOA) 、信號到達時間(TOA)、信號飛行時間(TOF)、以及信號到達角度(AOA)進行距離測量. 例如，Liu等人[23]基于TDOA設計了多潛器協作的定位算法，實現了移動潛器群的精確定位. Zhou等人[24] 為減小網絡通信能耗，考慮水下潛器與傳感器位置的時空相關性，提出了基于移動預測與TOA的協同定位算法. Luo等人[25]對傳感器節點的被動移動進行分析，提出了混合網絡下協同定位算法. 上述定位算法假設節點間的時鐘是同步且聲線是直線傳播的，但是受水聲弱通信特性影響，節點間時鐘很難達到精確同步且聲線是彎曲傳輸的. 具體來說，水下異步時鐘與聲線彎曲模型可表示為[26–27]其 中 ，T表 示 節 點 本 地 時 鐘 ;t表 示 真 實 時鐘;α與β分別表示節點時鐘漂移與偏移;C(z)表示深度為z時節點的水聲傳輸速度;a¯表示與水下環境相關的聲速剖面陡度;b表示水面聲速.

　　3.3 復雜水下環境中潛器協同控制

　　受水流干擾等因素影響，水下傳感器對目標探測誤差會不斷累積. 因此，有必要面向探測與傳輸需要，增加部署少量可以自主移動的潛器，一方面作為移動錨節點向傳感器提供自定位參考，并根據探測的需要對傳感器數據進行中繼轉發、拓撲修復與組網協同，另一方面根據傳感器已探測到的目標信息，通過自身攜帶的水聲通信模塊動態協同鄰域內的潛器，并組成特定的編隊圍捕隊形，以完成對水下移動目標的近距離、高精度、全方位自主探測. 為完成上述任務，潛器需根據探測信息進行航跡調度，進而根據已規劃航跡進行多潛器協同控制.

　　4 水下探測–通信–控制應用

　　為最終實現水下立體探測、通信組網與協同控制，有必要搭建水下探測–通信–控制一體化平臺. 圖8是一個典型的水下信息物理系統探測–通信–控制一體化平臺. 目前，水下探測–通信–控制平臺搭建相關研究正處于起步階段，但是國內外已經開展的相關工作對未來一體化平臺搭建意義重大.

　　受美國海軍“水聲監視系統”(SOSUS)啟發，科學家在上世紀60年代就提出“建立水下探測網絡” 的設想. 進入21世紀，尤其是“911事件”后，美國、日本等國家加快了建設水下探測網絡的步伐. 2005年，美國國防部斥資開展“近海水下持續監視網絡”(PLUSNET)，使得基于水聲傳感器網絡的探測系統在水下環境中應用成為現實[92]. 2016年，美國國家基金委宣布，歷時10年、耗資3.86億美元的“大型海洋觀測計劃”(OOI)正式啟動運行[93] . 同年，美國國防高級研究計劃局投資研發的分布式敏捷反潛系統完成了海試，其利用數十個無人潛航器組網，首創自下而上探測模式，提升了探測精度，實驗表明40個潛器組成的網絡可以探測近18萬平方千米的海域. 2020年11月，麻省理工學院開發了一種水下反向散射定位系統[94]，其通過反射調制的音頻信號生成二進制脈沖，進而計算往返時間以確定位置，實驗表明其淺水區估計距離精度約50cm. 此外，日本2002年 構 建 了 “ 新 型 實 時 海 底 探 測網”(ARENA)，并于2017年宣布將聯合美國、韓國以及我國臺灣籌建“太平洋海底觀測網”. 歐盟在海洋科學技術項目MAST-III的支持下，也相繼開展了一系列水下信息物理系統探測研究. 例如，法國推出了Alister輕型水下潛器，長度為1.7-2.5m、重量為50-90公斤，可有效探測及識別水雷，搭載有合成孔徑雷達，比普通聲吶探測效果高5-10倍. 上述重大項目的開展與相關計劃的制定，推動了水下信息物理系統探測–通信–控制應用的落地，成為各國/地區技術競爭的制高點和產業布局的焦點!

　　5 思考與展望

　　“向海則興，背海則衰”，大力發展海洋事業已成為全世界的廣泛共識. 隨著海洋裝備制造、傳感器、信息處理和人工智能等技術的快速發展，水下信息物理系統正朝著無人化、集成化與智能化的方向快速發展. 可以預見，通過探測、通信與控制的一體化設計來實現水下各種資源的共享與協同優化將成為水下信息物理系統的一個重要研究方向，也將成為未來水下綜合電子信息系統發展的趨勢.

　　本文最后列出水下信息物理系統探測–通信–控制一體化設計過程中，一些重要但尚需解決的問題以及未來值得深入探究的研究方向.

　　1) 在探測層面，各類探測感知設備各有優缺點，只用某個單一設備并不能長時間、高可靠地確保水下探測任務的實現[97] . 因此，要實現對移動目標全天候、全方位的實時探測，需要部署多平臺，獲得多維度、多層次、互補型的動態多源數據，對其進行高效融合處理，協同完成探測任務. 然而，水下環境的快時變和移動目標的高機動，使得多平臺與移動目標的信息具有多尺度(時間、空間等)、多粒度、高動態、高沖突等特點. 同時，水聲信道的窄帶寬、強多徑干擾使得3-5公里距離的典型數據傳輸率只有6-7kb/s，致使信息傳輸易發生數據丟失或污染，且聲波傳播的慢速率造成的傳輸秒級長時延及時延抖動，引發數據時空失配和錯序. 陸地環境下，苑晶等人[98]基于雷達與視覺進行多源信息融合以實現機器人目標探索跟蹤. 考慮水下復雜環境與目標機動性等約束，如何對動態多源探測信息進行高效融合以組建水下信息物理系統探測–通信–控制一體化網絡架構尚未得到充分解決.

　　2) 在通信層面，水下靜態與動態節點通過聲通信確定自身以及目標位置信息，進而利用水聲通信協議實現穩健組網. 現有的水下定位組網方式存在如下三個問題：a) 通信協議主要關注如何將信息從源點傳輸到終端，而不關注探測與控制性能，使得通信性能的提升有可能以犧牲探測與控制性能為代價;b)傳輸過程中的信息安全大多忽視，但是水下節點的隱私保護與攻擊防護不容忽視[99];c) 信息處理優化求解大多利用傳統最小二乘或者凸優化求解，導致陷入局部最優或者求解困難. 針對上述問題，文獻 [100]提出基于差分計算的隱私防護模型，進而考慮水聲弱通信與流速場影響，設計了水下傳感器與目標安全定位算法;文獻 [101]指出針對復雜優化問題，可以基于感知得到的動態環境信息，利用強化學習、深度強化學習等算法以解決復雜優化問題，以使得系統能夠適應高復雜、高動態、強對抗環境開展作業任務. 目前已有研究只是做了初步的探索，但如何在探測–通信–控制一體化網絡架構下實現網絡有效安全通信與協同定位尚需進一步研究.

　　3) 在控制層面，控制對象與其性能要求隨探測-傳輸的變化而變化，對潛器反饋控制提出新的挑戰. 目前，潛器反饋控制通常假設探測與通信是完美實現的，即主要關注如何根據已獲取的導航信息實現穩定控制，然而水下復雜環境使得上述假設很難保證. 可以預見，未來潛器協同控制，不僅需要具有一定的自主控制能力，而且還需要根據任務的需要具有信息獲取、任務規劃、無線通信、水質適應、長續航等能力，這離不開探測、通信、導航、信號處理、人工智能技術的支持. 需要注意的是，利用潛器探測海洋生態環境(探測方向)、潛器的自供電技術(能源方向)、潛器的自適應控制(控制方向)、基于蟻群算法的潛器路徑規劃(控制方向)、基于潛器的水下物聯網構建(網絡方向)、潛器編隊控制(協同方向)、基于強化學習的潛器跟蹤控制(控制方向)、潛器仿生設計(總體方向)、以潛器為移動邊緣的水下傳感器網絡(通信方向)、多潛器協同任務(協同方向)、移動式水下傳感器網絡時間同步(導航方向)、利用過氧化氫或直接推進的動力系統(能源方向)、潛器水下無線充電(能源方向)、水陸兩棲無人系統(總體方向)、基于滑模控制的潛器跟蹤控制(控制方向)、改進潛器的單信標導航精度(導航方向)、聲吶圖像中的目標識別(探測方向)、潛器視覺定位(導航方向)、優化潛器的環境采樣任務(探測方向)、潛器的深海探測任務(探測方向)已經被列入潛器的20項前沿技術趨勢. 因此，如何將一體化系統的反饋需求與面向控制的探測–通信相結合，進而對潛器進行聯合設計與優化將是一項具有挑戰性的研究方向. 目前部分研究已經開始朝著這個方向開展，但是尚需結合水下物理系統的特征(例如水聲信道、噪弱通信性、噪聲特性與潛器物理受限等)進一步深入研究.

　　4) 在應用層面，水下探測–通信–控制一體化平臺搭建相關研究正處于起步階段，研究結果主要通過仿真軟件進行驗證. 目前已有的海上實驗還停留在節點通信、組網和控制分離驗證的階段. 因此，如何將探測–通信–控制一體化理論成果進行海上驗證，并根據海試結果進一步指導理論結果是未來需要重點研究的另外一個方向. 此外，水下信息物理系統發展關鍵是面向應用場景，從技術發展到解決實際應用場景需求還有很多新的問題需要解決和突破. 以海洋牧場中海珍品自主抓取為例，如何在弱光照與動態海流下實現“看得見”與“抓的著”是其面臨的兩個主要技術問題，這涉及多方面的技術突破，包括弱光照下水下圖像自主識別技術、動態水流下目標定位技術、潛器航行與抓取聯動裝置設計技術、機械手自主抓取與回收技術等. 需要強調的是，澳大利亞Blueprint實驗室生產的REACH ALPHA 5 機械臂是目前世界上最小最輕的水下五功能機械手，具有質量輕、精度高等優點，但是其價格昂貴，不利于規模化推廣. 因此，一方面需要根據應用場景的不同實現不同學科背景、多技術領域的科研人員協作，另一方面需要推進海洋試驗平臺共用以及數據共享，以期促進水下信息物理系統信息化與智能化.