水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化：挑戰(zhàn)與進(jìn)展

　　摘要: 水下信息物理系統(tǒng)是集計(jì)算、通信和控制于一體的水下智能系統(tǒng)，包括水下探測(cè)與采集、通信與組網(wǎng)、控制與決策等過(guò)程. 目前, 水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化理論體系尚處于構(gòu)建之中, 相關(guān)研究正面臨諸多亟待解決的難題. 為此，本文簡(jiǎn)述了水下信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵與主要特征，分析了水下探測(cè)–通信–控制一體化研究面臨的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵問(wèn)題;綜述了水下立體探測(cè)、通信組網(wǎng)、協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展;對(duì)水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化未來(lái)值得深入探究的研究方向進(jìn)行了總結(jié)與展望.

　　關(guān)鍵詞: 水下信息物理系統(tǒng); 探測(cè); 通信組網(wǎng); 協(xié)同控制; 一體化設(shè)計(jì)

　　閆敬; 關(guān)新平; 羅小元; 楊晛， 控制理論與應(yīng)用 發(fā)表時(shí)間：2021-11-19

　　1 引言

　　21世紀(jì)是海洋的世紀(jì), 海洋將成為人類生存與發(fā)展的新空間. 為提升海洋探測(cè)能力, 可在特定水域部署具有計(jì)算、通信和控制能力的水下計(jì)算單元和物理對(duì)象，以構(gòu)建具有維度廣、安全性高以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)的水下信息物理系統(tǒng). 上述系統(tǒng)利用計(jì)算、通信和控制手段，可實(shí)現(xiàn)水下物理對(duì)象與信息網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同融合，對(duì)推動(dòng)水下機(jī)器人、水下搜救與抓取、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、水聲通信、水下預(yù)警與監(jiān)控等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的升級(jí)換代和跨越式發(fā)展意義重大.

　　2 水下信息物理系統(tǒng)

　　在水下信息物理系統(tǒng)中，聲吶傳感器與潛器(例如水下滑翔機(jī)以及自主水下機(jī)器人)等物理對(duì)象通過(guò)水聲無(wú)線通信方式構(gòu)成一個(gè)多跳自組織異構(gòu)探測(cè)網(wǎng)絡(luò). 與靜態(tài)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]相比，上述探測(cè)網(wǎng)絡(luò)引入了潛器，通過(guò)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的通信組網(wǎng)與反饋協(xié)同，提升了探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的靈活性與適變性;與動(dòng)態(tài)多潛器網(wǎng)絡(luò)[2]相比，聲吶傳感器的引入增強(qiáng)了探測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)空覆蓋能力，提升了水下探測(cè)的快速性與持續(xù)性. 由此可見(jiàn)，水下信息物理系統(tǒng)集水下泛在探測(cè)、適變通信和協(xié)同控制等功能于一體，具有終端異構(gòu)化、結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化和功能靈活化等突出優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)智能化與互聯(lián)化的關(guān)鍵.

　　2.1 水下探測(cè)–通信–控制一體化設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)有的水下探測(cè)、通信與控制系統(tǒng)通常是相互獨(dú)立的. 具體來(lái)說(shuō)，探測(cè)系統(tǒng)主要關(guān)注如何利用水聽(tīng)器、多輸入多輸出探測(cè)聲吶來(lái)接收目標(biāo)輻射噪聲與信息，同時(shí)結(jié)合信號(hào)處理手段，以提取目標(biāo)特征、方位和距離等信息;通信系統(tǒng)主要關(guān)注如何針對(duì)水聲窄帶寬、多徑、頻率選擇性衰減以及高噪聲等信道特點(diǎn)，采取高性能、可實(shí)現(xiàn)的組網(wǎng)通信協(xié)議，以將信息從源點(diǎn)傳輸?shù)浇K端;控制系統(tǒng)主要關(guān)注如何根據(jù)已獲取的導(dǎo)航信息，設(shè)計(jì)比例-積分-微分、預(yù)測(cè)、滑模、自適應(yīng)以及多種智能控制器，以驅(qū)動(dòng)潛器實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、縱傾、回轉(zhuǎn)、升降和橫移等運(yùn)動(dòng). 可以看出，探測(cè)與通信系統(tǒng)功能上具有重疊性，如果探測(cè)與通信系統(tǒng)互不關(guān)注對(duì)方收到的數(shù)據(jù)，那么探測(cè)與通信系統(tǒng)在頻譜資源、能耗上將互相競(jìng)爭(zhēng). 同時(shí)，控制系統(tǒng)通常假設(shè)探測(cè)與通信是完美實(shí)現(xiàn)的，即假設(shè)傳感器與潛器等節(jié)點(diǎn)的反饋信息是可靠獲取且實(shí)時(shí)傳輸?shù)模欢聫?fù)雜環(huán)境使得上述假設(shè)很難保證. 綜上可知，探測(cè)、通信、控制的分離設(shè)計(jì)，一方面使控制指令易產(chǎn)生信息不完整約束，另一方面探測(cè)與通信又缺少有效的反饋機(jī)制，嚴(yán)重制約了水下信息物理系統(tǒng)整體性能的提升. 因此，為實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化設(shè)計(jì)，有必要建立水下探測(cè)、通信、控制聯(lián)合設(shè)計(jì)架構(gòu).

　　2.2 探測(cè)–通信–控制一體化面臨的挑戰(zhàn)

　　2.2.1 水下環(huán)境開(kāi)放性使得一體化架構(gòu)建立難

　　水下環(huán)境的開(kāi)放性，使得很難建立固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施. 因此，為了滿足水下不同監(jiān)測(cè)需求，需要部署分布在不同物理空間的異構(gòu)終端[4]，包括主/被動(dòng)聲納、前視和側(cè)掃聲納、聲學(xué)路徑垂直陣、測(cè)深儀、聲速剖面儀、岸基浮標(biāo)、水面監(jiān)控平臺(tái)等探測(cè)感知終端. 需要指出，水面監(jiān)控平臺(tái)可通過(guò)衛(wèi)星通信、短波、北斗等多種寬窄帶通信方式，以實(shí)現(xiàn)常規(guī)海況下的寬帶接入與惡劣海況下的窄帶接入;水面浮標(biāo)，可通過(guò)水聲通信方式與水下探測(cè)設(shè)備窄帶接入，也可通過(guò)寬帶接入的方式與水面監(jiān)控平臺(tái)通信;水下設(shè)備主要通過(guò)水聲組網(wǎng)通信方式與水面浮標(biāo)以及水下其它設(shè)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(wù)優(yōu)先級(jí)不同，導(dǎo)致不同接入技術(shù)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(cè)–通信–控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常困難. 此外，水下信息物理系統(tǒng)寬帶受限、通信時(shí)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(huán)境條件，又加劇了水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立的難度.

　　2.2.2 聲吶資源受限下探測(cè)通信一體化實(shí)現(xiàn)難

　　探測(cè)通信一體化設(shè)計(jì)，不僅可以克服傳統(tǒng)分離設(shè)計(jì)帶來(lái)的資源互相競(jìng)爭(zhēng)、效能低下的不足，而且可以通過(guò)共享射頻資源與天線孔徑，提升頻譜利用率、降低設(shè)備間電磁干擾、增強(qiáng)隱蔽性. 需要指出的是，探測(cè)通信一體化技術(shù)最早應(yīng)用于雷達(dá)[5]，其主要采用分時(shí)、分頻或者分波束的方式進(jìn)行功能集成，并 依 靠 電 磁 波 進(jìn) 行 探 測(cè) 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(diǎn). 然而，電磁波在水中呈指數(shù)規(guī)律衰減，使得基于雷達(dá)的探測(cè)通信一體化技術(shù)并不能直接應(yīng)用于水下. 目前，聲吶仍然是水下遠(yuǎn)距離探測(cè)通信的唯一有效手段. 相比于雷達(dá)信號(hào)，聲吶信號(hào)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(dǎo)致水下通信信號(hào)易出現(xiàn)線性與非線性失真、相位抖動(dòng)、頻率偏移，另一方面使得水下探測(cè)與通信帶外干擾嚴(yán)重且互相抑制、增加了共享信號(hào)設(shè)計(jì)難度. 如何克服聲吶資源受限約束，成為水下探測(cè)通信一體化設(shè)計(jì)面臨的一大挑戰(zhàn)。

　　2.2.3 水聲弱通信特性導(dǎo)致組網(wǎng)傳輸穩(wěn)健性弱

　　水下探測(cè)–通信–控制一體化設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)是構(gòu)建具有自組織、泛在、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠性的異構(gòu)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)探測(cè)感知、信息共享與協(xié)同控制，最大限度把信息優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)整體性能的提升. 上述過(guò)程離不開(kāi)聲吶傳感器與潛器等物理對(duì)象的組網(wǎng)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(shù)規(guī)律衰減，使得北斗等定位系統(tǒng)并不能直接應(yīng)用于水下，且受高噪聲以及多徑干擾等不穩(wěn)定因素影響，水下節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步難以精確實(shí)現(xiàn);(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(guò)發(fā)送器和水聽(tīng)器實(shí)現(xiàn)信息收發(fā)，傳播時(shí)延大且消耗的能量遠(yuǎn)高于無(wú)線電波通信. 水聲上述弱通信特性，導(dǎo)致陸地環(huán)境下的組網(wǎng)傳輸協(xié)議并不適用于水下. 此外，水下節(jié)點(diǎn)所處的水體，在外力和自身環(huán)境參數(shù)變化等因素影響下會(huì)不斷地流動(dòng)，形成快時(shí)變的水下流速場(chǎng)，增加了組網(wǎng)傳輸?shù)牟淮_定性與脆弱性，進(jìn)而對(duì)水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)感知與控制指令的實(shí)時(shí)共享與可靠反饋提出了新的挑戰(zhàn).

　　2.2.4 復(fù)雜水下環(huán)境易使控制與反饋信息不完整

　　在水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中，探測(cè)–通信系統(tǒng)為控制系統(tǒng)提供必要的信息支撐，而控制系統(tǒng)又可通過(guò)潛器等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)探測(cè)–通信性能的反饋提升. 具體來(lái)說(shuō)，潛器等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)自身攜帶的水聲通信模塊動(dòng)態(tài)協(xié)同鄰域內(nèi)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)航跡規(guī)劃、追蹤以及編隊(duì)控制形式實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)與通信性能的反饋提升. 為此，如何在探測(cè)–通信–控制一體化框架下設(shè)計(jì)潛器反饋控制律顯得尤為重要. 目前，學(xué)者們提出了很多適合陸地環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人反饋控制律[8]，其通常忽略機(jī)器人與物理環(huán)境間的耦合關(guān)系. 然而，受水聲弱通信、水流、復(fù)雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素，以及潛器動(dòng)力學(xué)模型強(qiáng)非線性、高耦合度等內(nèi)部因素影響，潛器與水下物理環(huán)境間的交互耦合異常緊密. 水下物理環(huán)境局部攝動(dòng)、通信時(shí)延、鏈路失效、噪聲干擾等不確定性因素均會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接或者間接地波及到潛器控制單元，甚至導(dǎo)致整個(gè)反饋控制律的失效. 因此，在設(shè)計(jì)潛器反饋控制律時(shí)，不僅要考慮潛器控制性能的優(yōu)化，而且還需要聯(lián)合考慮探測(cè)–通信性能的優(yōu)化. 然而，受限于目前探測(cè)、通信技術(shù)以及系統(tǒng)建模水平，許多關(guān)鍵的狀態(tài)在水下復(fù)雜環(huán)境中無(wú)法實(shí)時(shí)反饋，一些重要的參數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)量，導(dǎo)致水下控制與反饋信息不能完整匹配. 如何克服復(fù)雜水下環(huán)境中控制與反饋信息不完整限制，成為反饋提升探測(cè)與通信性能面臨的一大難題.

　　3 水下探測(cè)–通信–控制一體化研究進(jìn)展

　　水下探測(cè)–通信–控制一體化研究，主要內(nèi)容涉及水下立體探測(cè)、通信組網(wǎng)與協(xié)同控制，其相互依賴與制約的關(guān)系如圖2所示. 基于此關(guān)系，從如下三方面進(jìn)行綜述：1) 水下探測(cè)通信一體化;2) 弱通信條件下定位組網(wǎng);3) 復(fù)雜水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制.

　　3.1 水下探測(cè)通信一體化

　　水下被動(dòng)與主動(dòng)探測(cè)是最常見(jiàn)的兩種探測(cè)方式，其中被動(dòng)探測(cè)主要利用水聽(tīng)器與聲吶陣列被動(dòng)接收目標(biāo)的輻射噪聲[9]，例如潛艇與水體摩擦產(chǎn)生的水流噪聲以及潛器自身機(jī)械噪聲等，進(jìn)而結(jié)合波束形成、方位估計(jì)等信號(hào)處理方式提取目標(biāo)特征、方位、深度以及距離等信息. 與此不同，主動(dòng)探測(cè)技術(shù)通過(guò)發(fā)射聲波以及接收目標(biāo)反射回波方式進(jìn)行探測(cè)，其發(fā)展形成了以低頻大功率探測(cè)[10]、雙/多基地探測(cè)[11]、前向散射探測(cè)[12]和多輸入多輸出(multiple input multiple output，MIMO)[13–14]為主要分支的技術(shù)脈絡(luò). 盡管如此，現(xiàn)有的水下被動(dòng)或主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)多假設(shè)其與水下通信系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，并沒(méi)有考慮兩者間功能上的重疊性與資源上的競(jìng)爭(zhēng)性.

　　3.2 弱通信條件下定位組網(wǎng)

　　定位組網(wǎng)是水下探測(cè)–通信–控制一體化設(shè)計(jì)的中間環(huán)節(jié)，其目的是確定水下目標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)(例如傳感器與潛器)的位置信息，進(jìn)而通過(guò)水聲通信協(xié)議設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健組網(wǎng)，上述過(guò)程對(duì)確保水下探測(cè)信息的可靠傳輸與控制信息的有效反饋至關(guān)重要.

　　現(xiàn)有定位技術(shù)大致可分為兩類：距離相關(guān)技術(shù);距離無(wú)關(guān)技術(shù). 前者主要利用主/被動(dòng)聲吶、前視/側(cè)掃聲吶、測(cè)深儀等探測(cè)設(shè)備進(jìn)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(shù). 一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)距離相關(guān)定位技術(shù)進(jìn)行了研究，并從不同角度出發(fā)開(kāi)發(fā)了協(xié)同定位算法. 這些算法大多利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA) 、信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)、信號(hào)飛行時(shí)間(TOF)、以及信號(hào)到達(dá)角度(AOA)進(jìn)行距離測(cè)量. 例如，Liu等人[23]基于TDOA設(shè)計(jì)了多潛器協(xié)作的定位算法，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)潛器群的精確定位. Zhou等人[24] 為減小網(wǎng)絡(luò)通信能耗，考慮水下潛器與傳感器位置的時(shí)空相關(guān)性，提出了基于移動(dòng)預(yù)測(cè)與TOA的協(xié)同定位算法. Luo等人[25]對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的被動(dòng)移動(dòng)進(jìn)行分析，提出了混合網(wǎng)絡(luò)下協(xié)同定位算法. 上述定位算法假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)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(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘很難達(dá)到精確同步且聲線是彎曲傳輸?shù)? 具體來(lái)說(shuō)，水下異步時(shí)鐘與聲線彎曲模型可表示為[26–27]其 中 ，T表 示 節(jié) 點(diǎn) 本 地 時(shí) 鐘 ;t表 示 真 實(shí) 時(shí)鐘;α與β分別表示節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移與偏移;C(z)表示深度為z時(shí)節(jié)點(diǎn)的水聲傳輸速度;a¯表示與水下環(huán)境相關(guān)的聲速剖面陡度;b表示水面聲速.

　　3.3 復(fù)雜水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制

　　受水流干擾等因素影響，水下傳感器對(duì)目標(biāo)探測(cè)誤差會(huì)不斷累積. 因此，有必要面向探測(cè)與傳輸需要，增加部署少量可以自主移動(dòng)的潛器，一方面作為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)向傳感器提供自定位參考，并根據(jù)探測(cè)的需要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)、拓?fù)湫迯?fù)與組網(wǎng)協(xié)同，另一方面根據(jù)傳感器已探測(cè)到的目標(biāo)信息，通過(guò)自身攜帶的水聲通信模塊動(dòng)態(tài)協(xié)同鄰域內(nèi)的潛器，并組成特定的編隊(duì)圍捕隊(duì)形，以完成對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)的近距離、高精度、全方位自主探測(cè). 為完成上述任務(wù)，潛器需根據(jù)探測(cè)信息進(jìn)行航跡調(diào)度，進(jìn)而根據(jù)已規(guī)劃航跡進(jìn)行多潛器協(xié)同控制.

　　4 水下探測(cè)–通信–控制應(yīng)用

　　為最終實(shí)現(xiàn)水下立體探測(cè)、通信組網(wǎng)與協(xié)同控制，有必要搭建水下探測(cè)–通信–控制一體化平臺(tái). 圖8是一個(gè)典型的水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化平臺(tái). 目前，水下探測(cè)–通信–控制平臺(tái)搭建相關(guān)研究正處于起步階段，但是國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展的相關(guān)工作對(duì)未來(lái)一體化平臺(tái)搭建意義重大.

　　受美國(guó)海軍“水聲監(jiān)視系統(tǒng)”(SOSUS)啟發(fā)，科學(xué)家在上世紀(jì)60年代就提出“建立水下探測(cè)網(wǎng)絡(luò)” 的設(shè)想. 進(jìn)入21世紀(jì)，尤其是“911事件”后，美國(guó)、日本等國(guó)家加快了建設(shè)水下探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的步伐. 2005年，美國(guó)國(guó)防部斥資開(kāi)展“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)”(PLUSNET)，使得基于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)系統(tǒng)在水下環(huán)境中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)[92]. 2016年，美國(guó)國(guó)家基金委宣布，歷時(shí)10年、耗資3.86億美元的“大型海洋觀測(cè)計(jì)劃”(OOI)正式啟動(dòng)運(yùn)行[93] . 同年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局投資研發(fā)的分布式敏捷反潛系統(tǒng)完成了海試，其利用數(shù)十個(gè)無(wú)人潛航器組網(wǎng)，首創(chuàng)自下而上探測(cè)模式，提升了探測(cè)精度，實(shí)驗(yàn)表明40個(gè)潛器組成的網(wǎng)絡(luò)可以探測(cè)近18萬(wàn)平方千米的海域. 2020年11月，麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一種水下反向散射定位系統(tǒng)[94]，其通過(guò)反射調(diào)制的音頻信號(hào)生成二進(jìn)制脈沖，進(jìn)而計(jì)算往返時(shí)間以確定位置，實(shí)驗(yàn)表明其淺水區(qū)估計(jì)距離精度約50cm. 此外，日本2002年 構(gòu) 建 了 “ 新 型 實(shí) 時(shí) 海 底 探 測(cè)網(wǎng)”(ARENA)，并于2017年宣布將聯(lián)合美國(guó)、韓國(guó)以及我國(guó)臺(tái)灣籌建“太平洋海底觀測(cè)網(wǎng)”. 歐盟在海洋科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目MAST-III的支持下，也相繼開(kāi)展了一系列水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)研究. 例如，法國(guó)推出了Alister輕型水下潛器，長(zhǎng)度為1.7-2.5m、重量為50-90公斤，可有效探測(cè)及識(shí)別水雷，搭載有合成孔徑雷達(dá)，比普通聲吶探測(cè)效果高5-10倍. 上述重大項(xiàng)目的開(kāi)展與相關(guān)計(jì)劃的制定，推動(dòng)了水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制應(yīng)用的落地，成為各國(guó)/地區(qū)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)布局的焦點(diǎn)!

　　5 思考與展望

　　“向海則興，背海則衰”，大力發(fā)展海洋事業(yè)已成為全世界的廣泛共識(shí). 隨著海洋裝備制造、傳感器、信息處理和人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，水下信息物理系統(tǒng)正朝著無(wú)人化、集成化與智能化的方向快速發(fā)展. 可以預(yù)見(jiàn)，通過(guò)探測(cè)、通信與控制的一體化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)水下各種資源的共享與協(xié)同優(yōu)化將成為水下信息物理系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向，也將成為未來(lái)水下綜合電子信息系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì).

　　本文最后列出水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中，一些重要但尚需解決的問(wèn)題以及未來(lái)值得深入探究的研究方向.

　　1) 在探測(cè)層面，各類探測(cè)感知設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，只用某個(gè)單一設(shè)備并不能長(zhǎng)時(shí)間、高可靠地確保水下探測(cè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)[97] . 因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)全天候、全方位的實(shí)時(shí)探測(cè)，需要部署多平臺(tái)，獲得多維度、多層次、互補(bǔ)型的動(dòng)態(tài)多源數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行高效融合處理，協(xié)同完成探測(cè)任務(wù). 然而，水下環(huán)境的快時(shí)變和移動(dòng)目標(biāo)的高機(jī)動(dòng)，使得多平臺(tái)與移動(dòng)目標(biāo)的信息具有多尺度(時(shí)間、空間等)、多粒度、高動(dòng)態(tài)、高沖突等特點(diǎn). 同時(shí)，水聲信道的窄帶寬、強(qiáng)多徑干擾使得3-5公里距離的典型數(shù)據(jù)傳輸率只有6-7kb/s，致使信息傳輸易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或污染，且聲波傳播的慢速率造成的傳輸秒級(jí)長(zhǎng)時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)，引發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)空失配和錯(cuò)序. 陸地環(huán)境下，苑晶等人[98]基于雷達(dá)與視覺(jué)進(jìn)行多源信息融合以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人目標(biāo)探索跟蹤. 考慮水下復(fù)雜環(huán)境與目標(biāo)機(jī)動(dòng)性等約束，如何對(duì)動(dòng)態(tài)多源探測(cè)信息進(jìn)行高效融合以組建水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)–通信–控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)尚未得到充分解決.

　　2) 在通信層面，水下靜態(tài)與動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)通過(guò)聲通信確定自身以及目標(biāo)位置信息，進(jìn)而利用水聲通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健組網(wǎng). 現(xiàn)有的水下定位組網(wǎng)方式存在如下三個(gè)問(wèn)題：a) 通信協(xié)議主要關(guān)注如何將信息從源點(diǎn)傳輸?shù)浇K端，而不關(guān)注探測(cè)與控制性能，使得通信性能的提升有可能以犧牲探測(cè)與控制性能為代價(jià);b)傳輸過(guò)程中的信息安全大多忽視，但是水下節(jié)點(diǎn)的隱私保護(hù)與攻擊防護(hù)不容忽視[99];c) 信息處理優(yōu)化求解大多利用傳統(tǒng)最小二乘或者凸優(yōu)化求解，導(dǎo)致陷入局部最優(yōu)或者求解困難. 針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn) [100]提出基于差分計(jì)算的隱私防護(hù)模型，進(jìn)而考慮水聲弱通信與流速場(chǎng)影響，設(shè)計(jì)了水下傳感器與目標(biāo)安全定位算法;文獻(xiàn) [101]指出針對(duì)復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題，可以基于感知得到的動(dòng)態(tài)環(huán)境信息，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法以解決復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題，以使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)高復(fù)雜、高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境開(kāi)展作業(yè)任務(wù). 目前已有研究只是做了初步的探索，但如何在探測(cè)–通信–控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效安全通信與協(xié)同定位尚需進(jìn)一步研究.

　　3) 在控制層面，控制對(duì)象與其性能要求隨探測(cè)-傳輸?shù)淖兓兓瑢?duì)潛器反饋控制提出新的挑戰(zhàn). 目前，潛器反饋控制通常假設(shè)探測(cè)與通信是完美實(shí)現(xiàn)的，即主要關(guān)注如何根據(jù)已獲取的導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，然而水下復(fù)雜環(huán)境使得上述假設(shè)很難保證. 可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)潛器協(xié)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(jù)任務(wù)的需要具有信息獲取、任務(wù)規(guī)劃、無(wú)線通信、水質(zhì)適應(yīng)、長(zhǎng)續(xù)航等能力，這離不開(kāi)探測(cè)、通信、導(dǎo)航、信號(hào)處理、人工智能技術(shù)的支持. 需要注意的是，利用潛器探測(cè)海洋生態(tài)環(huán)境(探測(cè)方向)、潛器的自供電技術(shù)(能源方向)、潛器的自適應(yīng)控制(控制方向)、基于蟻群算法的潛器路徑規(guī)劃(控制方向)、基于潛器的水下物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建(網(wǎng)絡(luò)方向)、潛器編隊(duì)控制(協(xié)同方向)、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的潛器跟蹤控制(控制方向)、潛器仿生設(shè)計(jì)(總體方向)、以潛器為移動(dòng)邊緣的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(通信方向)、多潛器協(xié)同任務(wù)(協(xié)同方向)、移動(dòng)式水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步(導(dǎo)航方向)、利用過(guò)氧化氫或直接推進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)(能源方向)、潛器水下無(wú)線充電(能源方向)、水陸兩棲無(wú)人系統(tǒng)(總體方向)、基于滑模控制的潛器跟蹤控制(控制方向)、改進(jìn)潛器的單信標(biāo)導(dǎo)航精度(導(dǎo)航方向)、聲吶圖像中的目標(biāo)識(shí)別(探測(cè)方向)、潛器視覺(jué)定位(導(dǎo)航方向)、優(yōu)化潛器的環(huán)境采樣任務(wù)(探測(cè)方向)、潛器的深海探測(cè)任務(wù)(探測(cè)方向)已經(jīng)被列入潛器的20項(xiàng)前沿技術(shù)趨勢(shì). 因此，如何將一體化系統(tǒng)的反饋需求與面向控制的探測(cè)–通信相結(jié)合，進(jìn)而對(duì)潛器進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化將是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究方向. 目前部分研究已經(jīng)開(kāi)始朝著這個(gè)方向開(kāi)展，但是尚需結(jié)合水下物理系統(tǒng)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(jìn)一步深入研究.

　　4) 在應(yīng)用層面，水下探測(cè)–通信–控制一體化平臺(tái)搭建相關(guān)研究正處于起步階段，研究結(jié)果主要通過(guò)仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證. 目前已有的海上實(shí)驗(yàn)還停留在節(jié)點(diǎn)通信、組網(wǎng)和控制分離驗(yàn)證的階段. 因此，如何將探測(cè)–通信–控制一體化理論成果進(jìn)行海上驗(yàn)證，并根據(jù)海試結(jié)果進(jìn)一步指導(dǎo)理論結(jié)果是未來(lái)需要重點(diǎn)研究的另外一個(gè)方向. 此外，水下信息物理系統(tǒng)發(fā)展關(guān)鍵是面向應(yīng)用場(chǎng)景，從技術(shù)發(fā)展到解決實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求還有很多新的問(wèn)題需要解決和突破. 以海洋牧場(chǎng)中海珍品自主抓取為例，如何在弱光照與動(dòng)態(tài)海流下實(shí)現(xiàn)“看得見(jiàn)”與“抓的著”是其面臨的兩個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題，這涉及多方面的技術(shù)突破，包括弱光照下水下圖像自主識(shí)別技術(shù)、動(dòng)態(tài)水流下目標(biāo)定位技術(shù)、潛器航行與抓取聯(lián)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)械手自主抓取與回收技術(shù)等. 需要強(qiáng)調(diào)的是，澳大利亞Blueprint實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的REACH ALPHA 5 機(jī)械臂是目前世界上最小最輕的水下五功能機(jī)械手，具有質(zhì)量輕、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格昂貴，不利于規(guī)模化推廣. 因此，一方面需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科背景、多技術(shù)領(lǐng)域的科研人員協(xié)作，另一方面需要推進(jìn)海洋試驗(yàn)平臺(tái)共用以及數(shù)據(jù)共享，以期促進(jìn)水下信息物理系統(tǒng)信息化與智能化.