水下信息物理系统探测–通信–控制一体化：挑战与进展
摘要: 水下信息物理系统是集计算、通信和控制于一体的水下智能系统，包括水下探测与采集、通信与组网、控制与决策等过程. 目前, 水下信息物理系统探测–通信–控制一体化理论体系尚处于构建之中, 相关研究正面临诸多亟待解决的难题. 为此，本文简述了水下信息物理系统的内涵与主要特征，分析了水下探测–通信–控制一体化研究面临的挑战与关键问题;综述了水下立体探测、通信组网、协同控制等关键技术的研究进展;对水下信息物理系统探测–通信–控制一体化未来值得深入探究的研究方向进行了总结与展望.
关键词: 水下信息物理系统; 探测; 通信组网; 协同控制; 一体化设计
闫敬; 关新平; 罗小元; 杨晛， 控制理论与应用 发表时间：2021-11-19
1 引言
21世纪是海洋的世纪, 海洋将成为人类生存与发展的新空间. 为提升海洋探测能力, 可在特定水域部署具有计算、通信和控制能力的水下计算单元和物理对象，以构建具有维度广、安全性高以及实时性强等特点的水下信息物理系统. 上述系统利用计算、通信和控制手段，可实现水下物理对象与信息网络的协同融合，对推动水下机器人、水下搜救与抓取、水下传感器网络、水声通信、水下预警与监控等领域关键技术的升级换代和跨越式发展意义重大.
2 水下信息物理系统
在水下信息物理系统中，声呐传感器与潜器(例如水下滑翔机以及自主水下机器人)等物理对象通过水声无线通信方式构成一个多跳自组织异构探测网络. 与静态水下传感器网络[1]相比，上述探测网络引入了潜器，通过异构节点的通信组网与反馈协同，提升了探测网络的灵活性与适变性;与动态多潜器网络[2]相比，声呐传感器的引入增强了探测网络时空覆盖能力，提升了水下探测的快速性与持续性. 由此可见，水下信息物理系统集水下泛在探测、适变通信和协同控制等功能于一体，具有终端异构化、结构网络化和功能灵活化等突出优点，是实现水下信息物理系统智能化与互联化的关键.
2.1 水下探测–通信–控制一体化设计
现有的水下探测、通信与控制系统通常是相互独立的. 具体来说，探测系统主要关注如何利用水听器、多输入多输出探测声呐来接收目标辐射噪声与信息，同时结合信号处理手段，以提取目标特征、方位和距离等信息;通信系统主要关注如何针对水声窄带宽、多径、频率选择性衰减以及高噪声等信道特点，采取高性能、可实现的组网通信协议，以将信息从源点传输到终端;控制系统主要关注如何根据已获取的导航信息，设计比例-积分-微分、预测、滑模、自适应以及多种智能控制器，以驱动潜器实现前进、后退、纵倾、回转、升降和横移等运动. 可以看出，探测与通信系统功能上具有重叠性，如果探测与通信系统互不关注对方收到的数据，那么探测与通信系统在频谱资源、能耗上将互相竞争. 同时，控制系统通常假设探测与通信是完美实现的，即假设传感器与潜器等节点的反馈信息是可靠获取且实时传输的，然而水下复杂环境使得上述假设很难保证. 综上可知，探测、通信、控制的分离设计，一方面使控制指令易产生信息不完整约束，另一方面探测与通信又缺少有效的反馈机制，严重制约了水下信息物理系统整体性能的提升. 因此，为实现水下信息物理系统探测–通信–控制一体化设计，有必要建立水下探测、通信、控制联合设计架构.
2.2 探测–通信–控制一体化面临的挑战
2.2.1 水下环境开放性使得一体化架构建立难
水下环境的开放性，使得很难建立固定的通信基础设施. 因此，为了满足水下不同监测需求，需要部署分布在不同物理空间的异构终端[4]，包括主/被动声纳、前视和侧扫声纳、声学路径垂直阵、测深仪、声速剖面仪、岸基浮标、水面监控平台等探测感知终端. 需要指出，水面监控平台可通过卫星通信、短波、北斗等多种宽窄带通信方式，以实现常规海况下的宽带接入与恶劣海况下的窄带接入;水面浮标，可通过水声通信方式与水下探测设备窄带接入，也可通过宽带接入的方式与水面监控平台通信;水下设备主要通过水声组网通信方式与水面浮标以及水下其它设备窄带接入. 上述终端全向/定向通信并存、使用频段种类多、服务优先级不同，导致不同接入技术差异性大且不可兼容，使得建立具有自组织泛在能力的水下探测–通信–控制一体化网络架构非常困难. 此外，水下信息物理系统宽带受限、通信时延大、能量有限等弱通信特性，以及水下潮汐洋流等不确定环境条件，又加剧了水下信息物理系统探测–通信–控制一体化网络架构建立的难度.
2.2.2 声呐资源受限下探测通信一体化实现难
探测通信一体化设计，不仅可以克服传统分离设计带来的资源互相竞争、效能低下的不足，而且可以通过共享射频资源与天线孔径，提升频谱利用率、降低设备间电磁干扰、增强隐蔽性. 需要指出的是，探测通信一体化技术最早应用于雷达[5]，其主要采用分时、分频或者分波束的方式进行功能集成，并 依 靠 电 磁 波 进 行 探 测 通 信 ， 具 有 传 播 速 率高(≈ 3 × 108 m/s)、 孔 径 大 、 可 用 频 带 宽(3 MHzv 300 GHz)等特点. 然而，电磁波在水中呈指数规律衰减，使得基于雷达的探测通信一体化技术并不能直接应用于水下. 目前，声呐仍然是水下远距离探测通信的唯一有效手段. 相比于雷达信号，声呐信号传播速率低(≈ 1500 m/s)、孔径小、可用带宽窄(3 Hzv 97 kHz)、多径效用明显[6] . 声呐上述资源受限约束一方面导致水下通信信号易出现线性与非线性失真、相位抖动、频率偏移，另一方面使得水下探测与通信带外干扰严重且互相抑制、增加了共享信号设计难度. 如何克服声呐资源受限约束，成为水下探测通信一体化设计面临的一大挑战。
2.2.3 水声弱通信特性导致组网传输稳健性弱
水下探测–通信–控制一体化设计的核心基础是构建具有自组织、泛在、强实时、高可靠性的异构探测网络，通过探测感知、信息共享与协同控制，最大限度把信息优势转化为决策优势，以实现水下信息物理系统整体性能的提升. 上述过程离不开声呐传感器与潜器等物理对象的组网传输，然而水声具有弱通信特性[7]，例如：(1) 电磁波在水中呈指数规律衰减，使得北斗等定位系统并不能直接应用于水下，且受高噪声以及多径干扰等不稳定因素影响，水下节点间的时钟同步难以精确实现;(2) 水中不均匀分布的声速剖面造成声线弯曲;(3) 水声通信主要通过发送器和水听器实现信息收发，传播时延大且消耗的能量远高于无线电波通信. 水声上述弱通信特性，导致陆地环境下的组网传输协议并不适用于水下. 此外，水下节点所处的水体，在外力和自身环境参数变化等因素影响下会不断地流动，形成快时变的水下流速场，增加了组网传输的不确定性与脆弱性，进而对水下信息物理系统探测感知与控制指令的实时共享与可靠反馈提出了新的挑战.
2.2.4 复杂水下环境易使控制与反馈信息不完整
在水下信息物理系统探测–通信–控制一体化设计过程中，探测–通信系统为控制系统提供必要的信息支撑，而控制系统又可通过潜器等移动节点运动促进探测–通信性能的反馈提升. 具体来说，潜器等移动节点通过自身携带的水声通信模块动态协同邻域内节点，进而通过航迹规划、追踪以及编队控制形式实现水下探测与通信性能的反馈提升. 为此，如何在探测–通信–控制一体化框架下设计潜器反馈控制律显得尤为重要. 目前，学者们提出了很多适合陆地环境的移动机器人反馈控制律[8]，其通常忽略机器人与物理环境间的耦合关系. 然而，受水声弱通信、水流、复杂水底地貌、水中悬浮物等外部因素，以及潜器动力学模型强非线性、高耦合度等内部因素影响，潜器与水下物理环境间的交互耦合异常紧密. 水下物理环境局部摄动、通信时延、链路失效、噪声干扰等不确定性因素均会通过网络直接或者间接地波及到潜器控制单元，甚至导致整个反馈控制律的失效. 因此，在设计潜器反馈控制律时，不仅要考虑潜器控制性能的优化，而且还需要联合考虑探测–通信性能的优化. 然而，受限于目前探测、通信技术以及系统建模水平，许多关键的状态在水下复杂环境中无法实时反馈，一些重要的参数难以准确测量，导致水下控制与反馈信息不能完整匹配. 如何克服复杂水下环境中控制与反馈信息不完整限制，成为反馈提升探测与通信性能面临的一大难题.
3 水下探测–通信–控制一体化研究进展
水下探测–通信–控制一体化研究，主要内容涉及水下立体探测、通信组网与协同控制，其相互依赖与制约的关系如图2所示. 基于此关系，从如下三方面进行综述：1) 水下探测通信一体化;2) 弱通信条件下定位组网;3) 复杂水下环境中潜器协同控制.
3.1 水下探测通信一体化
水下被动与主动探测是最常见的两种探测方式，其中被动探测主要利用水听器与声呐阵列被动接收目标的辐射噪声[9]，例如潜艇与水体摩擦产生的水流噪声以及潜器自身机械噪声等，进而结合波束形成、方位估计等信号处理方式提取目标特征、方位、深度以及距离等信息. 与此不同，主动探测技术通过发射声波以及接收目标反射回波方式进行探测，其发展形成了以低频大功率探测[10]、双/多基地探测[11]、前向散射探测[12]和多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)[13–14]为主要分支的技术脉络. 尽管如此，现有的水下被动或主动探测系统多假设其与水下通信系统是两个独立的子系统，并没有考虑两者间功能上的重叠性与资源上的竞争性.
3.2 弱通信条件下定位组网
定位组网是水下探测–通信–控制一体化设计的中间环节，其目的是确定水下目标以及节点(例如传感器与潜器)的位置信息，进而通过水声通信协议设计的方式实现稳健组网，上述过程对确保水下探测信息的可靠传输与控制信息的有效反馈至关重要.
现有定位技术大致可分为两类：距离相关技术;距离无关技术. 前者主要利用主/被动声呐、前视/侧扫声呐、测深仪等探测设备进行定位，其定位精度高、受制因素少，是目前普遍采用的定位技术. 一些学者已经对距离相关定位技术进行了研究，并从不同角度出发开发了协同定位算法. 这些算法大多利用信号到达时间差(TDOA) 、信号到达时间(TOA)、信号飞行时间(TOF)、以及信号到达角度(AOA)进行距离测量. 例如，Liu等人[23]基于TDOA设计了多潜器协作的定位算法，实现了移动潜器群的精确定位. Zhou等人[24] 为减小网络通信能耗，考虑水下潜器与传感器位置的时空相关性，提出了基于移动预测与TOA的协同定位算法. Luo等人[25]对传感器节点的被动移动进行分析，提出了混合网络下协同定位算法. 上述定位算法假设节点间的时钟是同步且声线是直线传播的，但是受水声弱通信特性影响，节点间时钟很难达到精确同步且声线是弯曲传输的. 具体来说，水下异步时钟与声线弯曲模型可表示为[26–27]其 中 ，T表 示 节 点 本 地 时 钟 ;t表 示 真 实 时钟;α与β分别表示节点时钟漂移与偏移;C(z)表示深度为z时节点的水声传输速度;a¯表示与水下环境相关的声速剖面陡度;b表示水面声速.
3.3 复杂水下环境中潜器协同控制
受水流干扰等因素影响，水下传感器对目标探测误差会不断累积. 因此，有必要面向探测与传输需要，增加部署少量可以自主移动的潜器，一方面作为移动锚节点向传感器提供自定位参考，并根据探测的需要对传感器数据进行中继转发、拓扑修复与组网协同，另一方面根据传感器已探测到的目标信息，通过自身携带的水声通信模块动态协同邻域内的潜器，并组成特定的编队围捕队形，以完成对水下移动目标的近距离、高精度、全方位自主探测. 为完成上述任务，潜器需根据探测信息进行航迹调度，进而根据已规划航迹进行多潜器协同控制.
4 水下探测–通信–控制应用
为最终实现水下立体探测、通信组网与协同控制，有必要搭建水下探测–通信–控制一体化平台. 图8是一个典型的水下信息物理系统探测–通信–控制一体化平台. 目前，水下探测–通信–控制平台搭建相关研究正处于起步阶段，但是国内外已经开展的相关工作对未来一体化平台搭建意义重大.
受美国海军“水声监视系统”(SOSUS)启发，科学家在上世纪60年代就提出“建立水下探测网络” 的设想. 进入21世纪，尤其是“911事件”后，美国、日本等国家加快了建设水下探测网络的步伐. 2005年，美国国防部斥资开展“近海水下持续监视网络”(PLUSNET)，使得基于水声传感器网络的探测系统在水下环境中应用成为现实[92]. 2016年，美国国家基金委宣布，历时10年、耗资3.86亿美元的“大型海洋观测计划”(OOI)正式启动运行[93] . 同年，美国国防高级研究计划局投资研发的分布式敏捷反潜系统完成了海试，其利用数十个无人潜航器组网，首创自下而上探测模式，提升了探测精度，实验表明40个潜器组成的网络可以探测近18万平方千米的海域. 2020年11月，麻省理工学院开发了一种水下反向散射定位系统[94]，其通过反射调制的音频信号生成二进制脉冲，进而计算往返时间以确定位置，实验表明其浅水区估计距离精度约50cm. 此外，日本2002年 构 建 了 “ 新 型 实 时 海 底 探 测网”(ARENA)，并于2017年宣布将联合美国、韩国以及我国台湾筹建“太平洋海底观测网”. 欧盟在海洋科学技术项目MAST-III的支持下，也相继开展了一系列水下信息物理系统探测研究. 例如，法国推出了Alister轻型水下潜器，长度为1.7-2.5m、重量为50-90公斤，可有效探测及识别水雷，搭载有合成孔径雷达，比普通声呐探测效果高5-10倍. 上述重大项目的开展与相关计划的制定，推动了水下信息物理系统探测–通信–控制应用的落地，成为各国/地区技术竞争的制高点和产业布局的焦点!
5 思考与展望
“向海则兴，背海则衰”，大力发展海洋事业已成为全世界的广泛共识. 随着海洋装备制造、传感器、信息处理和人工智能等技术的快速发展，水下信息物理系统正朝着无人化、集成化与智能化的方向快速发展. 可以预见，通过探测、通信与控制的一体化设计来实现水下各种资源的共享与协同优化将成为水下信息物理系统的一个重要研究方向，也将成为未来水下综合电子信息系统发展的趋势.
本文最后列出水下信息物理系统探测–通信–控制一体化设计过程中，一些重要但尚需解决的问题以及未来值得深入探究的研究方向.
1) 在探测层面，各类探测感知设备各有优缺点，只用某个单一设备并不能长时间、高可靠地确保水下探测任务的实现[97] . 因此，要实现对移动目标全天候、全方位的实时探测，需要部署多平台，获得多维度、多层次、互补型的动态多源数据，对其进行高效融合处理，协同完成探测任务. 然而，水下环境的快时变和移动目标的高机动，使得多平台与移动目标的信息具有多尺度(时间、空间等)、多粒度、高动态、高冲突等特点. 同时，水声信道的窄带宽、强多径干扰使得3-5公里距离的典型数据传输率只有6-7kb/s，致使信息传输易发生数据丢失或污染，且声波传播的慢速率造成的传输秒级长时延及时延抖动，引发数据时空失配和错序. 陆地环境下，苑晶等人[98]基于雷达与视觉进行多源信息融合以实现机器人目标探索跟踪. 考虑水下复杂环境与目标机动性等约束，如何对动态多源探测信息进行高效融合以组建水下信息物理系统探测–通信–控制一体化网络架构尚未得到充分解决.
2) 在通信层面，水下静态与动态节点通过声通信确定自身以及目标位置信息，进而利用水声通信协议实现稳健组网. 现有的水下定位组网方式存在如下三个问题：a) 通信协议主要关注如何将信息从源点传输到终端，而不关注探测与控制性能，使得通信性能的提升有可能以牺牲探测与控制性能为代价;b)传输过程中的信息安全大多忽视，但是水下节点的隐私保护与攻击防护不容忽视[99];c) 信息处理优化求解大多利用传统最小二乘或者凸优化求解，导致陷入局部最优或者求解困难. 针对上述问题，文献 [100]提出基于差分计算的隐私防护模型，进而考虑水声弱通信与流速场影响，设计了水下传感器与目标安全定位算法;文献 [101]指出针对复杂优化问题，可以基于感知得到的动态环境信息，利用强化学习、深度强化学习等算法以解决复杂优化问题，以使得系统能够适应高复杂、高动态、强对抗环境开展作业任务. 目前已有研究只是做了初步的探索，但如何在探测–通信–控制一体化网络架构下实现网络有效安全通信与协同定位尚需进一步研究.
3) 在控制层面，控制对象与其性能要求随探测-传输的变化而变化，对潜器反馈控制提出新的挑战. 目前，潜器反馈控制通常假设探测与通信是完美实现的，即主要关注如何根据已获取的导航信息实现稳定控制，然而水下复杂环境使得上述假设很难保证. 可以预见，未来潜器协同控制，不仅需要具有一定的自主控制能力，而且还需要根据任务的需要具有信息获取、任务规划、无线通信、水质适应、长续航等能力，这离不开探测、通信、导航、信号处理、人工智能技术的支持. 需要注意的是，利用潜器探测海洋生态环境(探测方向)、潜器的自供电技术(能源方向)、潜器的自适应控制(控制方向)、基于蚁群算法的潜器路径规划(控制方向)、基于潜器的水下物联网构建(网络方向)、潜器编队控制(协同方向)、基于强化学习的潜器跟踪控制(控制方向)、潜器仿生设计(总体方向)、以潜器为移动边缘的水下传感器网络(通信方向)、多潜器协同任务(协同方向)、移动式水下传感器网络时间同步(导航方向)、利用过氧化氢或直接推进的动力系统(能源方向)、潜器水下无线充电(能源方向)、水陆两栖无人系统(总体方向)、基于滑模控制的潜器跟踪控制(控制方向)、改进潜器的单信标导航精度(导航方向)、声呐图像中的目标识别(探测方向)、潜器视觉定位(导航方向)、优化潜器的环境采样任务(探测方向)、潜器的深海探测任务(探测方向)已经被列入潜器的20项前沿技术趋势. 因此，如何将一体化系统的反馈需求与面向控制的探测–通信相结合，进而对潜器进行联合设计与优化将是一项具有挑战性的研究方向. 目前部分研究已经开始朝着这个方向开展，但是尚需结合水下物理系统的特征(例如水声信道、噪弱通信性、噪声特性与潜器物理受限等)进一步深入研究.
4) 在应用层面，水下探测–通信–控制一体化平台搭建相关研究正处于起步阶段，研究结果主要通过仿真软件进行验证. 目前已有的海上实验还停留在节点通信、组网和控制分离验证的阶段. 因此，如何将探测–通信–控制一体化理论成果进行海上验证，并根据海试结果进一步指导理论结果是未来需要重点研究的另外一个方向. 此外，水下信息物理系统发展关键是面向应用场景，从技术发展到解决实际应用场景需求还有很多新的问题需要解决和突破. 以海洋牧场中海珍品自主抓取为例，如何在弱光照与动态海流下实现“看得见”与“抓的着”是其面临的两个主要技术问题，这涉及多方面的技术突破，包括弱光照下水下图像自主识别技术、动态水流下目标定位技术、潜器航行与抓取联动装置设计技术、机械手自主抓取与回收技术等. 需要强调的是，澳大利亚Blueprint实验室生产的REACH ALPHA 5 机械臂是目前世界上最小最轻的水下五功能机械手，具有质量轻、精度高等优点，但是其价格昂贵，不利于规模化推广. 因此，一方面需要根据应用场景的不同实现不同学科背景、多技术领域的科研人员协作，另一方面需要推进海洋试验平台共用以及数据共享，以期促进水下信息物理系统信息化与智能化.