海洋是交通运输、资源开发、环境保护和海上治理的重要空间。随着海上活动日益频繁，传统依靠有人船舶执行巡检、监测、搜救、海上巡查等任务的方式，在作业效率、人员安全、持续工作能力和复杂环境适应性等方面面临一定限制。特别是海上交通管理、港口巡检、反走私、应急救援和海洋环境监测等任务，对智能化、无人化和协同化装备提出了更高需求。水面无人艇是一类能够在水面自主航行、感知环境并执行任务的智能装备，具有部署灵活、机动性强、作业风险低、可长时间执行重复性任务等特点，是海洋智能装备发展的重要方向。在较为简单的任务中，单艘无人艇可以根据预设航线完成巡航、采样或监测等工作。然而，在真实海上场景中，任务往往具有明显的复杂性：任务区域范围大，目标数量多且动态变化，海面环境受到风、浪、流等因素影响，通信链路可能出现延迟或中断，不同无人艇之间还需要同时兼顾任务效率、航行安全、队形保持、能耗约束和协同关系。

图1 无人艇图片

随着海上任务从简单巡航逐渐发展为复杂任务，单艘无人艇的局限性也越来越明显。单艇的感知范围有限，难以长期覆盖大面积海域；自身携带的传感器、能源和计算资源有限，难以全面对周围环境进行感知；在遇到多个目标同时出现、通信受限或强风浪干扰时，也很难高效、稳定和安全地独立完成任务。此时，需要由多艘无人艇组成集群，通过信息共享、任务分工、协同规划和智能决策共同完成任务。水面无人艇集群可以理解为一支“海上机器人团队”。在这支团队中，每艘无人艇既是独立的智能体，又是集群整体的一部分。它们需要像团队成员一样，既能独立执行具体任务，又能围绕同一任务目标进行有机协作。如何让多艘无人艇不是简单地“同时行动”，而是在复杂任务下形成“协同作业、动态调整、整体最优”的智能行为，是其中的关键。（如图2所示）

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图2 无人艇智能协同系统

然而，无人艇数量增加，并不意味着系统自然就会变得更智能。真正的难点在于，如何让多艘无人艇不是简单地“各自行动”，而是能够在统一任务目标下“协同配合”（如图3所示）。在海上巡检任务中，多艘无人艇需要按照一定队形覆盖指定区域；在反走私和重点水域巡查等任务中，集群需要相互配合，决定由哪艘无人艇执行目标确认、由哪艘无人艇持续观测、由哪艘无人艇负责区域补位，以及如何保证航行过程中不发生碰撞。这些问题已超出简单航迹跟踪或单艇控制的范畴，涉及感知、通信、交互、规划、决策等多方面技术。

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图3 无人船艇编队示意图

从整个运行过程来看，无人艇集群完成复杂任务通常需要经历一个“感知-评估-交互-规划-决策-反馈”的闭环流程。首先，集群要通过雷达、摄像头、导航设备等获取自身状态、周围目标和海面环境信息，这是“看见环境”的过程；随后，系统要对这些信息进行融合和分析，判断目标位置、运动趋势和异常行为，这是“理解态势”的过程；在此基础上，集群需要决定每艘无人艇承担什么任务，例如巡检、监测、目标确认、持续观测、区域补位或通信中继，这是“任务分配”的过程；接着，系统要为每艘无人艇规划安全可行的航行路线，避免障碍物和艇间冲突，这是“路径规划”的过程；最后，控制系统要把规划结果转化为具体运动，使无人艇在风浪流干扰下仍能稳定执行任务，并根据新的环境信息不断修正行动。也就是说，无人艇集群不是一次性完成规划后机械执行，而是在任务过程中持续感知、判断、调整和优化。

在实际工作中，复杂海洋环境进一步增加了无人艇集群协同的难度。海面上存在风、浪、流等外部干扰，无人艇的运动状态可能随时偏离预定轨迹；海上通信也可能受到距离、遮挡、干扰和带宽限制的影响，导致信息延迟、中断或不完整；任务目标本身也可能是动态变化的，异常目标的运动意图并不一定明确。在海上反走私、应急救援等任务中，相关船只可能出现改变航向或加速等情况。此时，无人艇集群不仅要知道目标“现在在哪里”，还要判断目标“接下来可能如何运动”，并据此动态调整跟踪、确认和协同响应策略策略。此外，多艇协同还会带来任务目标之间的冲突。例如，为了扩大搜索范围，无人艇之间需要拉开距离，但距离过大可能影响通信质量；为了快速响应动态目标，无人艇需要提高机动性，但高机动运动可能破坏原有队形，也会增加能耗；为了保持编队稳定，系统可能需要限制运动幅度，但这又可能降低对突发情况的响应速度。因此，复杂任务下的无人艇集群决策，本质上是一个多目标权衡问题，需要在安全性、效率、能耗、队形保持、通信连通和任务完成度之间取得平衡。

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图4 无人艇编队复杂海况下执行任务

安全性也是无人艇集群必须始终考虑的重要底线。多艘无人艇同时运动时，既要避免与障碍物碰撞，也要避免艇与艇之间发生冲突；既要保证重点区域或重点目标周围形成有效协同覆盖，又要防止航行路线交叉或队形重构混乱。同时，无人艇的推进器、舵机等执行机构都有物理限制，不能无限输出控制力。如果上层决策给出的机动指令过大，而底层控制系统无法实现，就可能导致航迹跟踪误差增大甚至任务失败。因此，真正可靠的无人艇集群系统，不仅要在理想环境中表现良好，还要能在通信不稳定、外部干扰、模型不确定和执行器受限等现实条件下保持稳定运行。

正因为如此，复杂任务下水面无人艇集群智能协同控制决策方法的研究具有重要意义。它关注的不只是“怎样让一艘无人艇走得更准”，而是“怎样让多艘无人艇像一个整体一样高效、安全、智能地完成任务”。在这个过程中，集群需要具备协同感知能力，能够从多源信息中获取更完整的海上态势；需要具备协同控制能力，能够在复杂海况和弱通信条件下保持队形与轨迹稳定；需要具备智能决策能力，能够根据任务变化和目标行为进行动态分工、路径调整和协同响应。从应用角度看，无人艇集群可以广泛服务于反走私、海洋监测、应急救援、港口巡检、航道维护和智慧航运等领域。

总体来看，本项目围绕复杂任务下水面无人艇集群智能协同控制决策问题，面向真实海上场景中环境复杂、目标动态变化、通信受限和多艇协同困难等挑战，系统开展了集群感知、态势评估、协同控制、任务分配和智能决策等研究，形成了一批具有理论意义和应用价值的研究成果。项目成果推动了水面无人艇由“单艇自主航行”向“集群智能协同”发展，为无人艇集群在海洋监测、应急救援、港口巡检、航道维护和智慧航运等领域的应用提供了方法支撑和技术基础。未来，相关成果有望进一步服务于复杂海况下的海上无人化作业，让“海上机器人团队”更加可靠、高效、智能地完成各类实际任务。