1 导读

水下滑翔机（Underwater Glider, UG）作为一种长期海洋观测平台近年来发展迅速。现有的相关综述大多停留在单个滑翔机层面，缺乏对编队网络的全面回顾。为此，本综述系统总结了 UG 编队的应用进展：将编队应用划分为海洋现象观测与目标检测两大类；评估了协调控制、任务分配、路径规划、编队通信等关键技术；并讨论了岸基控制系统、网络集群潜力、应用挑战及未来研究方向，旨在为 UG 编队的部署与应用提供有价值的理论参考。

2 背景介绍

海洋覆盖地球 71% 的表面，是气候调节、资源供给与生态维系的核心，但迄今仅约 5% 被详细勘测。传统观测手段各有局限：科考船成本高、航次间隔长；Argo 浮标只能随流漂移，无法主动组网；锚系潜标空间覆盖有限。要实现台风生消、中尺度涡演化、黑潮变异等过程的连续三维捕捉，亟需一种兼具长航程、长续航与自主机动能力的平台。水下滑翔机正是为这一需求而生。其概念最早由著名海洋学家 Henry Stommel 于 1989 年提出，利用“浮力驱动 + 固定机翼”的原理，通过油囊/活塞周期性改变自身排水体积，配合机翼把上下浮沉运动转化为前向滑翔，航速低却能以极低功耗航行 3000公里以上、续航 6至12 个月。自 21 世纪初以来，美国、中国等国相继开发出成熟型号，形成了全球分布的单机观测网络。然而，单机难以满足复杂海洋监测任务对时空分辨率的要求：台风内部结构、黑潮强流、中尺度涡的三维精细结构，往往需要多台滑翔机在不同深度、不同站位同步采样；目标声学探测更需要多平台构成阵列以提升定位精度。于是，多机编队协同观测成为必然趋势——美国 AOSN、欧洲 EGO、澳洲 IMOS、中国“透明海洋”等计划相继建立，UG 从个体观测迈向网络协同发展。

3 图文介绍

UG 编队的应用可归纳为两大主线。第一条主线是海洋现象观测：编队通过多站位、多深度的协同采样，显著提升了对海洋哺乳动物声学、台风内部结构、强海流（如黑潮）、中尺度涡三维结构及温盐剖面的观测效率、精度与空间覆盖能力。第二条主线是目标探测：利用编队构成水声阵列，开展水声勘探、矢量水听器目标定位与环境噪声采集，其中 UG 自身噪声低，尤其适合被动声学监测。

图1 水下滑翔机编队应用的研究现状与发展趋势

在台风观测中，UG 编队可被预先布放于台风可能路径上，随台风过境连续获取海表面温度、盐度、流速与混合层深度的三维剖面，揭示台风致使的的海洋响应与上层海洋冷却机制；黑潮、湾流等强海流区则要求编队具备抗流能力，通过协调控制保持站位、追踪锋面，刻画流系结构与输运过程。编队相比单机，可在同一时刻覆盖更大断面，极大缩短了“快照”式观测的时间差。中尺度涡是海洋能量级联与物质输运的重要载体，直径可达数十至数百公里。据研究汇总，2010—2019 年期间多个航次采用多台滑翔机构成观测阵列，成功重建了中尺度涡的三维温盐结构、涡旋偶极子与亚中尺度过程。温盐剖面测量则借助编队的协同采样能力，为海洋数据同化与大尺度环流模型提供高分辨率初始场。

编队的目标探测能力主要来自多平台声学阵列，多台 UG 搭载水听器/矢量水听器，按规划阵形布放，利用到达时延差（TDOA）或波达方向（DOA）算法实现水下目标的定位与追踪；环境噪声采集则依靠编队长时间、大范围的被动声学监测，为海洋环境噪声基线评估与哺乳动物保护提供数据。UG 的低自噪声特性是其相较动力 AUV 的突出优势。

图2 水下滑翔机编队观探测应用发展

岸基控制平台是编队精准规划与协同控制的大脑。国外AOSN、ASAP、GCCS、PLUSNet 等系统实现了多平台任务规划、实时数据同化、异常诊断与远程重规划，滑翔机在水下通过水声/卫星链路与岸基通信，岸基根据回传数据动态更新任务、优化阵形。岸基平台的自动化与智能化，是未来全球分布式 UG 网络得以运行的关键基础设施。

图3 水下滑翔机编队控制岸基平台发展

编队能力的实现依赖四大关键技术：① 协调控制——从早期 VBAP、GCCS 发展到事件触发 MPC、图神经网络与数字孪生；② 任务分配——历经人工势场、鲁棒拍卖、NSGA-III 到人机融合多种群；③ 路径规划——广泛采用模拟退火、ACO、DDPG/DQN、PPO 与课程学习 TQC；④ 编队通信——由单一水声调制走向卫星/声学混合与 QoS 优化。这些技术的协同突破，支撑了编队从水面层协同向全水深异构协同演进。

图4 水下滑翔机编队技术未来发展趋势

4 总结与展望

本文系统综述了 UG 编队控制与应用。UG 编队通过协同观测，在台风、中尺度涡、黑潮等研究中已展现巨大价值；协调控制、任务分配、路径规划与通信持续突破，岸基平台（AOSN、PLUSNet 等）已实现多平台协同与实时数据同化。瓶颈在于现有协同多停留在水面层级，局部编队依赖的水声通信受距离与成本制约。未来将走向异构平台、深度强化学习、数字孪生/边缘计算、通信网络优化及岸基自主任务重规划，最终实现全球分布式 UG 网络的全天候观测。

5 作者简介

通讯作者 张润锋

天津理工大学 机械工程学院

天津理工大学副研究员、硕士生导师，主要研究海洋航行器适应化设计、复杂波流环境下的路径规划与精准集群控制技术，入选中国航海学会青年人才托举工程、苏州湾领军创新创业人才专项，主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、天津市自然科学基金等10余项，获2024年天津市技术发明一等奖，中电科科技进步三等奖，累计发表学术论文50余篇，发明专利20余项。

期刊简介

《海洋（英文）》（Ocean）是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，主编团队由挪威科技大学的Torgeir Moan院士、中国科学院的王中林院士、以及清华大学的张建民院士共同组成。《海洋（英文）》致力于发布海洋科学、海洋工程、海洋科技领域相关的最新研究进展，通过开放获取的出版模式提升成果传播速度与影响力，助力科研合作与创新，启幕海洋相关领域的学术新征程。

收稿范围包括但不限于：海洋生物学与海洋生物制药、海洋生物地球化学过程、海洋地球科学、海洋自然资源、大气与气象学、海洋污染与生态学、海洋化学、海洋数学、遥感、海洋声学与光学、海洋环境与预测、海洋自动化与机器人技术、海洋信息学与数字孪生、海洋灾害与防治、海洋采矿、近海与海岸工程结构、海洋岩土工程、水产养殖工程、流体力学、水动力学、海底工程等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。

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期刊网址：www.sciopen.com/journal/3008-1203 

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