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1 水下/水面信息物理系统感知-通信-控制理论及其应用专刊序言

闫敬，关新平，刘妹琴

2025, 40(1):1-6. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.1318

[摘要](88) [HTML](41) [PDF 402.13 K](84)

摘要:

2 水下无人系统跨域协同控制:研究进展与挑战

闫敬，张诗杭，关新平，杨晛，罗小元

2025, 40(1):7-27. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0283

[摘要](100) [HTML](33) [PDF 14.01 M](82)

摘要:
水下无人系统跨域协同控制,旨在通过传感器融合、跨域通信、数据处理等技术和方法,突破水下单一传输介质限制,实现水下物理单元跨域信息交互和任务协同.它是未来海上无人系统发展的趋势,对提升海上无人系统智能化与自主化至关重要.目前,水下无人系统跨域协同控制理论研究尚不成熟,在任务部署、信息交互、路径规划与多机控制等层面面临诸多亟待解决的难题.鉴于此,详细阐述了海空跨域协同下的水下无人系统架构与主要特征,分析了水下无人系统跨域协同控制面临的挑战与关键问题;梳理总结了水下无人系统跨域协同国内外发展现状;综述了水下任务部署、信息交互、导航制导与协同控制层面的研究进展.最后,对水下无人系统跨域协同控制未来值得深入探究的方向,进行了总结与展望.

3 基于单双目融合的AUV坐落式回收光视觉引导算法

祝志坤，卢丙举，李一辰，王凯，于文彬

2025, 40(1):28-37. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0346

[摘要](51) [HTML](21) [PDF 6.66 M](46)

摘要:
自主水下航行器(AUV)在任务进行过程中或完成后需通过自主回收实现能源补充与数据下载等操作,是否能进行高效、精准地回收引导决定了AUV的回收效率,成为其能否广泛应用的关键.针对AUV坐落式回收过程中的近距离光学引导定位问题,提出一种基于深度学习的单双目位姿测量算法.首先,面向恶劣的水下光学成像条件,结合暗通道先验去雾和YOLO v9目标检测网络,实现一种可适应不同水质、光照强度且鲁棒性强、可靠性高的引导光源提取算法.同时,针对回收过程中的特征匹配问题,设计一种不依赖于AUV速度的全向特征匹配算法,实现3D-2D特征匹配.此外,针对坐落式回收典型的多阶段引导特点,分别基于PnP原理和SVD分解设计面向不同阶段的单、双目引导定位算法.最后,基于多次仿真和实物实验,验证算法在精确位姿估计方面的可行性和有效性.

4 基于贝叶斯和统计相似度量测的水下自主定位方法

黄浩乾，吕奥奇，王迪，张昱曈

2025, 40(1):48-54. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2023.1593

[摘要](40) [HTML](23) [PDF 6.43 M](44)

摘要:
复杂的水下环境通常会引起信号传播延迟或带来量测野值,从而产生量测丢失和非高斯噪声问题,导致水下自主定位的精度降低.为了解决这些问题,提出一种基于贝叶斯推断和统计相似度量测的水下自主定位方法.首先,该定位方法使用最大后验估计方法来判断量测丢失是否发生.如果接收到此刻的量测信息,则采用不动点迭代方法最大化统计相似度量测的下界,以逼近真实的噪声协方差矩阵,从而获得更准确的状态估计和误差协方差矩阵;如果没有接收到量测信息,则只输出一步预测的状态估计和误差协方差矩阵,以提高该方法的鲁棒性.仿真和海试实验验证结果表明,所提出的水下自主定位方法相较于其他的定位方法具有更高的定位精度和更好的鲁棒性.

5 多参数未知下水声传感网由粗到精的定位方法

鲜江峰，马俊领，吴华锋，梅骁峻，谭拂晓，张媛媛，陈信强，王维军

2025, 40(1):38-47. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0521

[摘要](34) [HTML](15) [PDF 1.03 M](39)

摘要:
水声传感网(underwater acoustic sensor networks,UASNs)是水下物联网的主要技术,为海洋生态环境监测和水下搜救等应用提供了较好的技术手段和信息感知平台.在UASNs应用中定位至关重要,因为没有精确位置信息的数据收集将无利用价值.然而,由于存在路径损耗、吸收损耗、设备发射功率不确定以及水下环境参数未知等不利因素,使得在复杂动态海洋环境中实现鲁棒精确定位较为困难.为此,提出一种多参数未知下水声传感网由粗到精的定位方法(coarse-to-fine localization method for UASNs under unknown multi-parameters,CFL-UMP).首先,利用一阶泰勒级数展开和若干近似操作,将原非线性非凸定位问题转化为交替非负约束最小二乘框架;然后,粗定位阶段基于Golub-Kahan双对角化的最小二乘残差(LSMR)算法求解得到位置估计近似解,然而LSMR通常只能快速收敛到局部最优解,因此在精细定位阶段引入二分法,将第1步粗估计得到的近似解作为二分法的初始值,通过迭代同时得到水下目标位置、路径损耗因子以及发射功率的精确解;接着,为了验证CFL-UMP算法的优越性,分析CFL-UMP算法的计算复杂度,并推导出克拉默-拉奥下界;最后,与所选基准算法相比,通过仿真结果证实了CFL-UMP在不同水下模拟场景中均能获得最优的定位精度,且能够有效降低水下定位误差.

6 基于改进灰狼群优化算法的水下机器人海底电缆定位算法

黄文超，温锦嵘，徐哲壮

2025, 40(1):87-94. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0016

[摘要](38) [HTML](15) [PDF 3.02 M](36)

摘要:
随着海上风力发电和光伏发电的快速发展,海洋输电工程的地位越来越重要,海底电缆的应用也越来越广泛.获得精确的海底电缆位置不仅有利于日常巡检,而且提高了故障检测的效率,因此,海底电缆的路由定位和故障检测将会是未来维护和维修的重要环节.由于海底电缆的小直径和内部电流的变化性,导致定位准确度的下降以及定位难度的上升.针对上述问题,首先,基于海底环境和水下机器人,利用三芯铠装海底电缆的电缆结构推导海底电缆外磁场的近似方程;然后,水下机器人根据检测到的磁感应强度值进行姿态调整,在此基础上,提出一种基于改进灰狼优化算法(improved grey wolf optimization, IGWO)的海底电缆定位算法,利用基于磁通密度模的适应度函数,设计一种用于海底电缆探测的在线路径定位方法;最后,通过仿真实验验证了IGWO算法实现海底电缆定位的精确性和有效性.

7 弱通信条件下多水下自主航行器分布式编队轨迹规划

宋逸哲，刘妹琴，董山玲，郑荣濠，魏平

2025, 40(1):71-79. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0306

[摘要](13) [HTML](13) [PDF 680.41 K](30)

摘要:
针对随机通信时延和时变通信拓扑条件下的多水下自主航行器编队轨迹规划问题,将随机梯度上升算法引入分布式模型预测控制方法中,提出一种在线分布式轨迹规划方法.首先,通过采样贝塞尔曲线,将轨迹规划问题转化为一系列优化问题.然后,通过拉格朗日对偶函数法分布式求解,在完成点对点轨迹规划任务的同时保持成员间通信连接.最后,基于拉格朗日对偶理论框架推导出所提出算法的收敛速度与最大通信时延的定量关系,通过在仿真场景下与现有方法的对比实验验证所提方法的可行性和有效性,并通过仿真实验探究水下自主航行器自身运动误差及定位误差对轨迹规划的影响.

8 基于能量优化和超时传输的水声传感器网络路由协议研究

王雪怡，刘妹琴，张森林

2025, 40(1):55-63. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0262

[摘要](23) [HTML](18) [PDF 13.58 M](29)

摘要:
高性能水声路由协议要求协议具有高吞吐量的同时,能耗尽可能小,这是提高能源利用效率的关键.针对这一问题,提出基于能量优化和超时传输的水声传感器网络路由协议.首先,路由寻找阶段融合能量均衡策略并利用退避机制尽可能接收多的路由请求再进行回复来控制路由开销;然后,数据传输阶段引入超时传输机制,利用主备份路由协同传输并监听和判断链路有效性,融合碰撞避免机制规避碰撞;最后,通过仿真和水下实验与按需平面距离向量路由协议(Ad Hoc on-demand distance vector routing, AODV)和矢量转发路由协议(vector based forwarding, VBF)进行对比.仿真实验结果表明:所提出协议相比于AODV与VBF,吞吐量和数据包成功接收率均有提升,且具有更低的单位字节能耗;水下实验结果表明:相比于AODV,所提出协议吞吐量提升了11.84%,数据包成功接收率提升了15.62%,单位字节能耗可降低0.10J.

9 基于全驱系统方法的AUV鲁棒自适应轨迹跟踪控制

王鹏，钱承，张柳柳，华长春

2025, 40(1):285-291. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0440

[摘要](16) [HTML](11) [PDF 612.07 K](29)

摘要:
针对存在执行器故障、外界干扰和模型不确定的自主式水下潜航器系统(autonomous underwater vehicle, AUV),提出基于全驱系统(fully actuated system,FAS)方法的鲁棒自适应轨迹跟踪误差受限控制策略,使AUV能够渐近跟踪目标信号.首先,将跟踪误差相关的归一化函数和障碍函数与时变尺度函数相结合,提出误差受限全驱系统方法;其次,将径向基函数神经网络(radial basis function neural networks,RBFNNs)与误差受限全驱系统方法相结合处理系统中的不确定模型;进一步,设计自适应补偿机制处理执行器故障;再次基于Lyapunov稳定性理论证明轨迹跟踪误差渐近收敛于零;最后,通过仿真结果验证所设计的鲁棒自适应轨迹跟踪误差受限控制器的有效性.

10 基于SCI-CA模型的船舶纵摇多维多步预测方法

王宇超，赵洵，杨周琦，傅荟璇

2025, 40(1):64-70. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2023.1701

[摘要](16) [HTML](13) [PDF 2.72 M](28)

摘要:
海洋环境复杂多变,船舶航行容易受到风浪、洋流等因素的干扰,船舶运动具有非线性、耦合性等特点.针对传统的船舶运动姿态预测方法对时序数据的提取效率尚有不足,难以达到高精度预测效果的问题,提出样本卷积交互-通道注意力(SCI-CA)神经网络船舶纵摇运动预测模型.该模型采用多类别船舶运动姿态数据作为输入,将输入拆分为两个子序列,利用样本卷积交互网络(SCI)的递归下采样卷积交互结构,结合多分辨率聚合而成的丰富特征,提高船舶运动数据深层特征的利用率.再通过通道注意力机制(CA)提高有效通道的权重比例,并以残差结构输入到全连接层,得到最后的预测结果.实船数据验证结果表明,SCI-CA组合模型预测结果较其他模型预测精度高,其平均绝对百分比误差(MAPE)、均方根误差(RMSE)均有明显降低,验证了SCI-CA模型预测船舶运动的有效性.

11 基于改进瞪羚优化算法的UWSN三维定位算法

付雷，王骥

2025, 40(1):80-86. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2023.1617

[摘要](19) [HTML](14) [PDF 1.84 M](27)

摘要:
为解决三维空间中的水下无线传感器网络(underwater wireless sensor networks, UWSN)传统DV-Hop算法定位误差大的问题,提出一种基于改进瞪羚优化算法(improved gazelle optimization algorithm, IGOA)的UWSN三维定位算法(IGOADV-Hop).首先,通过双通信半径修正节点跳数,对锚节点间的距离误差进行加权修正;然后,在瞪羚优化算法引入Logistic映射初始化种群,增加种群多样性;接着,在开发阶段引入位置更新动态权重系数,提升节点位置计算的全局寻优能力;最后,使用IGOA替代最小二乘法进行节点三维坐标计算,并在网络中加入移动节点和水下噪声构建动态UWSN.仿真实验结果表明,与传统DV-Hop算法和其他群智能优化算法相比,所提出算法定位精度更高.

12 无人机领导的多无人艇系统固定时间优化编队控制

向雨竹，邹文成，郭健，向峥嵘

2025, 40(1):223-230. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0345

[摘要](21) [HTML](16) [PDF 467.40 K](25)

摘要:
针对多无人艇(unmanned surface vessels,USVs)编队系统中USV视野受限等问题,提出一种以无人机(unmanned aerial vehicles,UAV)作为多USV编队领导者的模型.针对UAV领导的多USV系统水空协同编队问题,设计一种固定时间的优化编队控制算法.在对USV、UAV进行三自由度动力学建模的基础上构建增广系统,并建立一个以优化控制输入及编队误差为目标的性能指标函数.所提出的辨识器-执行者-评价者结构的强化学习算法中,辨识器可以精确辨识系统中的未知非线性动态,通过评价者完成对最优性能指标函数值的评估、执行者更新控制策略两个步骤不断优化控制策略以逼近最优,进而利用Lyapunov方法证明UAV-USV系统编队误差能在固定时间内收敛.最后,通过仿真模拟验证了所提出算法的有效性.

13 客货混运下高铁运行图与货物配装方案协同优化

米雷，卢亚菡，杨立兴，戚建国

2025, 40(1):308-316. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2023.1749

[摘要](13) [HTML](11) [PDF 580.75 K](25)

摘要:
客货混运新模式为我国高速铁路运营管理带来了新的机遇和挑战.鉴于此,以最小化列车停站时间、货物滞留数量和运营成本为目标,以列车到发时刻、动车组编组和货物配装计划为决策变量,为客货混运下高铁运行图与货物配装方案协同优化问题构建一类整数线性规划模型.为验证模型的有效性,以京沪高速铁路为背景进行数值实验,并调用CPLEX软件求解.结果表明:在尽可能减小对客运服务影响的前提下,所提出方法能够通过灵活决策列车时刻表及增加列车编组,提高列车运力;与采用固定列车时刻表的货物配装优化方案相比,协同优化方法能够在小幅增加列车停靠时间的情况下大幅提升货物运输量,可为相关运营部门制定客货混运计划提供一定的理论支撑.

14 欠驱动无人船路径跟踪: 一种有限时间正切漂角视线制导方法

王宁，贾薇，吴浩峻

2025, 40(1):187-195. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0336

[摘要](18) [HTML](10) [PDF 639.90 K](24)

摘要:
海洋环境复杂多变,为提升欠驱动无人船(underactuated marine vehicle,UMV)的自主航行与故障应对能力,提出基于有限时间正切漂角视线制导的指令滤波路径跟踪控制策略.在包括内部动力学未知、时变大漂角和执行器故障的复杂情况下,该策略可使UMV在有限时间内遵循所需的路径.首先,构建有限时间漂角观测器,用于快速精准地估计时变大漂角;随后,引入有限时间正切漂角视线制导律,不仅能提升制导性能,还能有效避免因非光滑制导指令产生高频震荡导致UMV失稳;此外,通过采用有限时间指令滤波控制技术降低计算负担,并提出滤波补偿方案减少滤波误差;最后,基于径向基函数神经网络和有限时间理论,设计自适应有限时间容错路径跟踪控制器,使得UMV的纵向速度和艏向角跟踪误差在有限时间内能够收敛到原点附近的小邻域.仿真实验验证了所提出方案的有效性和优越性.

15 一种基于粒子滤波的水声连续波信号检测前跟踪算法

岳洋，郑翠娥，孙大军，徐健

2025, 40(1):111-118. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0513

[摘要](17) [HTML](15) [PDF 2.61 M](22)

摘要:
针对水声双扩展信道背景下的连续波信号跟踪问题,提出一种基于粒子滤波的检测前跟踪算法,重点提升临近多径信号干扰下的弱信号跟踪性能.首先,提出一种利用临近信号预测状态来描述多径信号干扰的似然函数;其次,在量测空间中引入速度量测集,推导速度-相关包络联合似然函数解析式,并以此构建多量测输入的信号检测前跟踪模型,最终获得稳健的信号参数跟踪结果.数值仿真与水池实验结果表明,在典型的水声时变双扩展信道下,所提出算法具有更优的多径信号检测及跟踪性能.

16 结合二值化神经网络与知识蒸馏的轻量型水声目标识别算法

崔翰林，褚晓晖，徐立军，祁兵兵，胡润泽

2025, 40(1):128-136. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0522

[摘要](17) [HTML](15) [PDF 2.30 M](22)

摘要:
基于深度学习的水下声学目标识别算法在水下平台部署时,通常面临计算资源短缺和水下声学环境复杂多变的挑战,提出一种结合二值化神经网络与知识蒸馏的轻量型水声目标识别算法(DSBNN_KD),旨在通过深度可分离卷积和权重参数二值化等手段实现模型的压缩和优化加速.同时,利用知识蒸馏技术将高性能高复杂度的教师模型的知识转移到轻量级学生模型上,从而缓解极端量化带来的性能损失,并确保模型的泛化性能.对DSBNN_KD的表现在两个实测水声数据集上进行全面评估,实验结果表明,相比当前主流的全精度轻量化模型,所提出DSBNN_KD在模型参数量、模型部署尺寸和计算量等方面均展现出显著的优势,同时在知识蒸馏技术的辅助下,量化后的模型依然可以保持与全精度模型接近的性能.

17 基于自适应反正切非奇异终端滑模的水下机械臂轨迹跟踪控制

范亚洲，孙林祥，白雪剑，赵艺楠，惠晓龙，王宇

2025, 40(1):205-213. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0341

[摘要](17) [HTML](14) [PDF 1.35 M](22)

摘要:
针对水下机械臂的末端轨迹跟踪控制问题,提出一种自适应快速反正切非奇异终端滑模控制器.首先,基于莫里森方程建立考虑水作用效应的水下机械臂动力学模型;其次,结合非奇异终端滑模控制和反正切函数特性,设计一种快速反正切非奇异终端滑模控制器,并基于径向基神经网络预测系统的未知扰动;然后,通过李雅普诺夫理论验证所提控制方法可在有限时间内收敛到期望位置;最后,通过仿真实验验证所提控制方法的有效性.

18 一类无人艇的重复学习复合抗扰容错控制

张健，朱延正，苏春翌，童显芳

2025, 40(1):261-270. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0512

[摘要](12) [HTML](9) [PDF 1.79 M](22)

摘要:
针对一类具有多重扰动、不可测速度信息和执行器故障的无人艇系统,提出一种重复学习复合抗扰容错控制策略.首先,为了克服速度信息不可用的不足,提出一种新的集成故障-扰动估计器,实现故障与干扰之和的准确估计;然后,基于观测信息,通过设计一类比例微分型重复学习复合抗扰容错控制器来实现周期性轨迹跟踪,相比于传统比例微分型重复学习控制器,所提出基于观测器的重复学习控制器不需要利用测量输出的导数且具有更大的控制自由度;最后,通过对一类无人艇动力定位系统的仿真,验证所提出重复学习复合抗扰容错控制策略的有效性和优势.

19 基于分位数回归的服务时长区间预测及鲁棒手术指派方法

张新泽，张舒政，王昱，高哲明

2025, 40(1):317-326. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0078

[摘要](5) [HTML](8) [PDF 711.88 K](22)

摘要:
手术部是医院的核心部门,合理制定手术计划有助于医疗资源的高效配置,对提升医疗服务质量至关重要.手术时长的不确定性为手术调度带来了挑战,为了应对手术时长的不确定性,基于历史手术数据,应用方差膨胀因子减少患者特征之间共线性.基于分位数回归刻画手术时长区间,构建患者特征驱动的手术时长不确定集;在此基础上,考虑术后重症监护室床位资源限制,建立鲁棒手术指派模型,决策开放的手术室和患者的手术日期,最后基于真实数据测试方法的有效性.实验结果显示,通过调节模型参数,所提出模型在降低运营成本和减少手术室加班时间方面优于确定性模型;与随机规划模型相比,在牺牲较少加班时长情况下,降低了总运营成本,并在求解时间上具有优势.

20 基于改进最小边际代价算法的多USV多AUV任务分配

白小山，佘桉奇，郑心泉，吴宗泽

2025, 40(1):119-127. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0520

[摘要](16) [HTML](9) [PDF 503.70 K](21)

摘要:
随着自主水下机器人(AUV)和无人水面艇(USV)在民用和军事领域的应用不断扩展,USV与AUV协同完成相关任务的作业模式受到了广泛关注. 针对多USV和多AUV协同访问多目标点的任务分配问题进行研究,旨在最小化多USV和AUV系统访问所有目标点的总旅行距离.首先,建立考虑通信约束和AUV最大航程约束的多USV多AUV协同多点访问任务分配问题的数学模型,并对问题的NP-hard属性进行分析.其次,提出一个两阶段任务分配算法:1)先利用最小边际代价算法构建各USV访问完所有水面目标点的路径,再采用最近插入策略分配水下目标点;2)通过多个邻域搜索算子对初始解进行优化,得到可行最终解.相对于已有流行的自组织映射算法,仿真实验表明所提出任务分配算法能在较短计算时间内得到质量较优的任务分配方案.

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