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从五月花到海猎人,初探水面舰无人化技术的发展

2024-11-24 206


虽然提起 AI 自驾系统往往会想到汽车,甚至无人机也更广为人知与生活更加贴近,但船舰无人化的发展其实比想像中的还要迅猛,结合卫星通讯与自动 AI 的发展,海军无人载具正走在世界新兴科技的前沿。

Level 5 自驾仍遥遥无期,虽然随着 5G 通讯开始商用化,无人公共交通已开始试行,但其实最先实用化其效益最高的可能还是无人船只。比起自驾车,自驾船远不需要担忧拥挤的交通,且可以真正大幅减少人力成本。如何满足人类在海上的基本生理需求,一直都是远洋航行的挑战。挪威的 Yara Birkeland 号有望在今明年就成为首艘投入商业运营的无人货轮。

▲ 无人货轮 Yara Birkeland 载货量可达 120 TEU 且完全由电气驱动,在如今疫情下发展更受到重视不过如今工程似乎也因疫情而停摆。(Source:Yara 官网)

必须注意的是,这里讨论的船只无人化不是指光靠遥控操作(remote control),还必须有自驾(self-driving)能力,所以又称海面自主航行船(MASS)。而其优点也远不仅止于低成本航行,而是可赋予更高风险的任务,就算是遇上暴风雨等恶劣环境,也不用担心人员伤亡。所以不仅在商业上,军事上更受到青睐。而这项军民通用的技术,发展比想像中的还要迅速。事实上,不少渔业船队已开始引进民间自动化技术,甚至反过来向国防承包商输出设备。

而近期,全球首艘完全无人驾驶的科研船已经下水,五月花号(Mayflower Autonomous Ship,MAS)这个船名将在 400 年后再度从英国普利茅斯启航至美国,虽然已没有新世界可殖民,但将改写航运世界的规则。这艘无人船将搭载由 IBM Power9 CPU 和 NVIDIA V100 Tensor Core GPU 所构筑的最新边缘 AI 计算系统,使用近 30 个传感器和 6 个摄影机,及红帽自动化软件,使船只拥有先进的电脑视觉,这些技术其实和自驾车有类似之处。

▲ 准备使用太阳能动力来挑战横跨大西洋的无人海洋科研船五月花号。(Source:IBM)

新时代海军

但这其实已不算是什么前瞻概念,早在 2007 年 9 月,美国海军就制定了无人水面载具的发展纲要(Unmanned Surface Vehicle Master Plan),积极探索自主水面无人载具的潜力。2010 年美国国防高级研究计划局(DARPA)正式开展了连续追踪反潜无人载具 (ACTUV)的计划,如今技术已经进展到高级任务测试,未来甚至期望能在公海上依国际法处理问题船只。

自动化是海军非常想要实现的目标,这将会是新时代海军的关键。而如今新兴技术进入热潮,遂有更快速的发展。早在 2016 年,全球第一艘无人反潜舰海猎人号(Sea Hunter)就已下水,可在公海上首席执行官达 90 日的巡洋任务。若不论远航,在 2018 年,中国也发表了可进行集群演练的瞭望者 Ⅱ 型无人导弹快艇。虽然技术上还是有差异,但无人化基本上已蔚为潮流。

军民通用

有趣的是,海猎人与五月花有着相同的特征,都为了能长期的探查海洋资讯,虽然一个是为了捕捉敌方潜艇,一个是为了科学研究,但设计上有许多共通点,均采用三船体以实现高速航行,且能够在完全无人情况下透过卫星通讯及 AI 边缘运算自主运行,就算气象不佳,也仍有维持生存的能力。海猎人甚至在 7 级海象也能保证航行,可说是现今远洋无人舰发展的主流设计。

值得一提的是,如海猎人的导航雷达采用的是商业零组件,而非特殊军规,在自驾船的领域内很多都是军民通用。这些技术证明了,未来不需要大船也能进行远洋任务,且 AI 永远不会对枯燥的海上生活感到无聊。以海猎人来讨论,就是因为其符合以最少人力的方式来运行,不需要其他大型载具进行投放回收,可以自行返回港口停泊,只要单人就可以进行监视及远端遥控。

且基本上只要关键时刻对机器下达指示即可。当海猎人发现可疑目标时,将会通过高度加密的卫星通讯进行联络,再由岸上人员决定进入追踪状态或是继续巡逻。目前还不配有武装,只是因为令 AI 自主使用武器可能会牵扯到伦理问题,但其机能上都已考虑进去。

▲ 无人军舰的行动逻辑主要有两种,保护海上区域及护卫海上通道,但行为也不能过于僵化,以避免被埋伏或袭击,也是 AI 需克服的问题。(Source:美国海军无人水面载具发展纲要)

适应新技术

海猎人满载燃料也不过是 145 吨,且能以最快 21 节的速度来航行,未来将可能会与滨海战斗舰 (LCS)等,一起进行作战任务,成为其挂载的模组之一,并配备更多武装。现在已完成了突破性的长距离自主航行测试,从圣地亚哥航行到夏威夷珍珠港并返回,总距离近 8,370 公里。且在无人化后,船舰将能完全专注在更高性能的设计,能使用非常规传感器单独追踪水下的柴电潜艇。

海猎人在 2018 年交付美国海军后,现已改称为中等排水量无人水面载具(MDUSV),又称中型无人水面载具(MUSV),随着装备更新,未来的新舰可能会被赋予更多任务。事实上,海猎人也只是美国海军探索更大型无人水面载具作战的垫脚石而已,甚至这样的追求已越发热烈到,受到国会议员的质疑。显示新兴科技发展之迅猛,已使海军实务更需要加快适应。

其中最值得关注的是,美国正打算组建以多艘大型无人水面舰(LDSUV)为主的“幽灵舰队”,并将配属给拥有最先进的朱瓦特级驱逐舰 DDG-100 的水面作战第一中队一起进行演习,这些船舰都是依海猎人的经验所打造出来。大君主计划(Project Ghost Fleet Overlord)更是寄望无人舰队能够承担起大部分的任务,其将采用模组化设计,依任务需求来搭载各种感测、射控与武器装备。甚至该技术能很有弹性的应用在民间船只上。

▲ 美国 LDSUV 实验舰就是由民间船只改装来的,美国海军正积极投入该军备计划,甚至推迟了传统舰种的预算。(Source:美国海军)

但就算做到以上这些,无人船舰技术仍不能说是真正成熟,还是要面对若造成设备损害时该如何应急维修等问题,所以就算机能上可以单独进行任务,但实务上还是会与大型战舰进行编组,以确保可以进行足够的后勤维护,才能真正长时间的进行任务。目前美国海军的应对方案,就是在船上装置冗余的系统以防万一。

  • AI captain! Self-sailing crewless ship to recreate historic Mayflower voyage 
  • Robot Boats Leave Autonomous Cars in Their Wake 
  • Navy Awards Contract for First Vessel In Its Family of Unmanned Surface Vehicles 
  • Geurts: Navy Looking for ‘Balance’ in Developing Future USVs 

(首图来源:美国海军)

2020-10-10 22:04:00

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