地下空間無人系統研究綜述

王軍，王佳慧，李玉蓮，陳世海，吳保磊

（1.中國礦業大學 信息與控制工程學院, 江蘇 徐州 221116; 2.地下空間智能控制教育部工程研究中心, 江蘇 徐州 221116; 3.江蘇省地下空間智能感知與無人系統創新平臺, 江蘇 徐州 221116）

地下空間指在巖層或土層中自主形成或經人工開發形成的空間，對國家經濟發展、城市建設和國防建設具有重要意義。目前我國已成為世界上地下空間開發規模、數量和難度最大的國家，涉及到交通運輸、水利水電、能源開采、國防建設、核工業等多個方面[1]。地下空間內部較為封閉、結構復雜且縱深空間大，給地下空間的安全開發與建設帶來嚴峻挑戰[2]。

地下空間包括天然洞穴和人工開發空間[3]，其中人工開發地下空間包括商用盈利性質用地、公共服務性質用地、軍事城防性質用地、基本生活設施用地、能源開發設施用地等。具有高防護、易封閉、熱穩定、內部環境易控、低能耗、可疊加等特性，以其在抗爆、防毒等方面的優越性能成為城市的防災空間，是人類活動空間不可分割的一部分[4]。與此同時，電力中樞、通信樞紐、能源中心、指揮機構等事關國家和軍隊命脈的重要設施被置于地下，地下空間已成為國家主權的重要組成部分，是繼宇宙空間、海洋資源之外的人類可以開拓的第三大領域[5]。

地下空間作為新型國土資源和重要戰略空間，受到各國政府重視。同時，深地空間資源探測和開發利用也成為科技創新和技術應用的前沿陣地[6]。地下空間作為關系國家安全和民生福祉的重要戰略空間、科技創新前沿陣地，要努力搶占地下空間研究領域科技高地，構筑國家先發優勢。2021年習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會和中國科協第十次全國代表大會上強調指出：“要在事關發展全局和國家安全的基礎核心領域，瞄準深地深海等前沿領域，前瞻部署一批戰略性、儲備性技術研發項目，瞄準未來科技和產業發展的制高點”[7]。

深地既包括地球深部的礦物資源、能源資源的勘探開發，也包括各類型地下空間安全利用、減災防災等[8-11]。深地探測納入《“十三五”國家科技創新規劃》面向2030年重大科技項目，構筑國家先發優勢，圍繞“深空、深海、深地、深藍”，發展保障國家安全和戰略利益的技術體系[12]。并制定了以向地球深部進軍為統領，全面實施深地探測、深海探測、深空對地觀測和土地科技“三深一土”的科技創新戰略，確立了“三深”戰略領域躋身世界先進行列、土地科技水平顯著提升的總體目標[13]。

在國際上，地下空間無人系統也逐漸受到相關組織和研究人員的高度重視[14]?！皣H智能地下空間大會”已連續舉辦四屆，重點探討了如何利用智能技術應對地下空間面臨的諸多挑戰，探討智慧地下空間在安全性、利用效率、可持續性等方面的應用?！皣H地下空間學術大會”已連續舉辦六屆，逐漸將其主題轉移到地下空間的規?；?、綜合化、深層化、協同化開發利用，其核心手段和目的也是地下空間的智能化利用。

地下空間的合理開發與利用是國家實現可持續發展、低碳發展的有效途徑，同時也可保證人防工程、國防設施系統的協調發展。不同類型的地下空間既有獨立性，又具有關聯性。地下空間類型不一，各類型建筑可根據實際情況相互轉換。世界上許多發達城市建設的重要基礎設施都具備一定的防護功能。大部分地下建筑是平戰兩用工程。美國堪薩斯市的數據中心建在地下近70 m處；俄羅斯在城市和工業區構筑的掩蔽部可容納約2 000多萬人，還可抵抗一定程度的沖擊波；位于英國倫敦南部的防空洞被改造成世界上首個地下農場。一些國家政府和企業部分的信息化工程設施也建在地下，如重要信息資源庫、信息庫、計算中心等。

如何保障安全合理有序地開發建設地下空間，實現地下空間經濟效益、社會效益和國防戰略效益的全面建設和提升，對于國家發展和國防建設具有重要的現實意義。隨著經濟社會的發展和技術的進步，以智能機器人為代表的無人系統越來越多的被應用到社會生活的方方面面。無人系統集成人工智能、智能機器人、智能計算等科學技術，具備感知、交互、學習能力，可根據現有信息進行推理和決策，完成給定任務[15]。地下空間無人系統通過自主協同規劃、多域協同合作以動態自適應調整，可涌現出單個主體難以實現的智能水平，在地下探索、地下偵察、地下運輸、地下作戰、礦場勘探、安全監測、防災減災等領域發揮關鍵作用。

本文圍繞地下空間無人系統相關研究及其關鍵技術進行總結。首先，根據無人系統應用背景的不同，從地下礦井無人開采系統、地下軌道交通無人系統、地下管廊綜合管理無人系統、地下無人作戰系統4個方面介紹了地下空間無人系統的國內外研究現狀；然后圍繞地下空間通信技術、地下空間態勢感知技術、自主導航定位技術、集群協同控制技術4個方面對相關研究進行總結，并指出現存問題；最后，對地下空間無人系統未來發展趨勢進行了展望。

1 地下空間無人系統國內外研究現狀

地下空間的開發與建設如圖1所示。地下空間的開發類型多樣，其無人系統也不盡相同。根據無人系統的應用背景，將地下空間無人系統分為地下礦井無人開采系統、地下軌道交通無人系統、地下管廊綜合管理無人系統、地下無人作戰系統。本節圍繞以上4個方面介紹地下空間無人系統的國內外研究現狀。

圖1 地下空間開發與建設Fig.1 Development and construction of underground space

1.1 地下礦井無人開采系統

人工智能、工業互聯網、云平臺、大數據、機器人、5G等先進技術的發展，推動了地下礦產智能無人開采的創新和發展[16-18]。為貫徹落實國家發展改革委、能源局、應急部、煤炭監管局、工業和信息化部、財政部、科技部、教育部聯合發布的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》[19]，山西省、河南省、山東省、貴州省和云南省就智能化建設提出了具體實施方案或意見。煤礦智能化發展指導意見的頒布和實施將為智能無人采礦的發展提供政策依據[20-22]。

礦山井下作業環境復雜且災害風險高，無人系統可輔助工作人員完成礦場勘探、安全監測、無人運輸等工作，實現煤礦開采的無人化、自主化、智能化、高效化發展。無人開采是煤礦、金屬礦山、非金屬礦山和其他采礦行業生產中的一個關鍵過程，直接影響采礦的整體安全效益[23-24]。智能無人采礦提高了采礦的自動化程度，但目前礦產開采智能化建設水平不平衡。自動化技術已應用于世界各地的采礦工程[25]，隨著礦產開采的日益復雜，傳統的機械化、自動化開采技術已不能滿足進一步提高開采效率和安全水平的要求，礦產開采逐漸走向智能化和無人化[26]。

目前，地下無人采礦技術主要包括螺旋鉆無人采礦、刨煤機無人采礦、綜合機械化無人采礦、智能化無人綜采，關鍵技術如圖2所示。螺旋鉆機的無人采煤通常適用于薄煤層開采，一些煤礦也用于露天開采邊煤[27]。智能無人開采一般用于中厚煤層的開采。通過工作面智能控制系統，利用可視化遠程監控，實現工作面采煤、支護和煤炭運輸的智能操作。特厚煤層的智能綜采放頂煤主要通過使用超大開采高度放頂煤液壓支架、智能放頂煤系統、關鍵技術的智能控制等實現[28-29]。綜合機械化無人采煤可實現控制系統的自動化和整個過程的可視化遠程監控，對智能無人采煤的發展具有重要意義。智能無人采礦基礎平臺、智能液壓支撐系統[30]、智能采礦模型和地下自動駕駛汽車[31]等技術，推動了智能無人采礦的發展?；趥鹘y綜采技術，使用液壓支架、采煤機、刮板輸送機和其他具有感知、決策和執行能力的采礦設備，實現“無人跟蹤作業、有人安全巡查”的安全高效開采模式[32]。隨著5G智能礦山、煤礦機器人、煤礦智能設備等新技術和設備的應用，我國智能無人采礦領域迎來了新發展。

圖2 地下礦井無人開采關鍵技術Fig.2 Key technology of unmanned underground mining

文獻[33-34]總結了地下礦井無人開采技術的現狀和發展趨勢，將綜采工作面智能無人開采技術分為可視化、遠程干預的智能無人開采和自適應智能無人開采，提出了綜采工作面的智能無人開采關鍵技術和智能化無人工作的適用性評價方法。文獻[35]基于視覺遠程干預、機器人輔助巡檢和慣性導航技術的發展現狀，提出了具有“感知、決策、執行、操作和維護”4個維度的智能采煤系統的基本架構，確定了智能采煤關鍵技術有待突破的技術方向。

1.2 地下軌道交通無人系統

地鐵是一種在地下運行的交通工具，相較于地上交通，其在可達性、時效性、安全性等方面都具有一定的優勢，可有效緩解現有交通中的擁堵問題[36]。然而，地鐵可能是一種危險的交通工具。地鐵通常在封閉空間中運行，這些空間較為狹窄且封閉。由于環境限制難以處理緊急事件，往往會帶來無法預測的人員傷亡和財產損失。實現地下軌道交通無人化是城市建設軌道交通領域的一個熱門話題。在輕軌列車等交通設施方面，國內外有許多研究，如法國、加拿大、新加坡、中國等軌道交通國家在交通無人駕駛的設計上都采用了先進的技術，已經領先于世界先進水平。

隨著5G技術和無線傳感器網絡等通信技術的快速發展，動車組控制系統將應用于減少地面設備，提高列車運行控制的自主性和智能化。根據系統設備實現的自動化功能，國際標準IEC 62290-12014定義了5個自動化等級（即GoA0～GoA4），以明確列車運行系統的自動化水平[37]。根據該標準，GoA0和GoA1基本上是非自動化的列車運行水平，需要司機手動操作列車。在GoA2中，加速和制動是自動的，列車速度由車載系統持續監督。此外，司機負責列車的安全離開和車門控制。GoA3是無人駕駛的列車運行，在列車內沒有司機，只有一名操作人員負責列車的安全離開。大多數現有的列車自動運行系統一般都能實現GoA2或GoA3。列車運行自動化的最高水平是無人值守的列車運行，即GoA4，其中完全沒有司機或操作人員，列車完全自動運行。圖3為地下軌道交通自動化等級流程圖。

圖3 地下軌道交通自動化等級流程Fig.3 Flow chart of automation level of underground rail transit

由于無人值守的列車運行線路可以大大降低運營和維護成本，因此，應用全自動（或無人值守）列車運行是未來城市地鐵系統發展的一個趨勢，根據IEC-62 290標準實現GoA4。無人值守的列車運行系統的主要功能包括列車跟蹤安全、列車運行任務和智能列車駕駛3個層面。目前世界上已有40多條地鐵線在完全無人值守的模式下運行，而且越來越多的地鐵線將被建設或升級為完全無人值守模式[38]。無人駕駛系統的顯著特點是根據信號系統發送的駕駛指令完成的。雖然有人駕駛不需要修改信號系統，但自動駕駛在安全性和可靠性方面更有優勢，如在高密度運行的狀態下，無人駕駛技術的應用不僅可以減少投資，而且有利于降低軌道交通生命周期的成本[39]。如圖4所示，地鐵軌道安全是完成地鐵運行任務、實現地鐵智能駕駛的重要前提，而列車智能駕駛算法必須建立在地鐵運行任務的保障基礎上。

圖4 無人值守的列車運行系統的功能Fig.4 Function of the unattended train operation system

無人駕駛控制系統具有提高系統容錯率的特殊能力。列車控制系統采用多種技術，為列車提供保護設施，具有極大的安全性，可以提高系統的可用性，實現主動系統和備用系統的無縫切換。全自動大容量無人駕駛車輛配置的可靠性在技術領域得到了認可。為了實現控制中心的運行，無論是傳輸功能還是通信系統，特殊功能包括列車的雙向圖像數據和文字數據的信息傳輸[40]。

列車的控制系統采用信號系統的控制方法。它需要使用制動控制精度的誤差。誤差約為±25 cm，最小間隔縮短到90 s[41]。列車控制可以實現對運行中的列車進行完整的安全監控和故障診斷，從而保證準確性和快速性。當檢測到列車的運行狀態時，實施故障遠程處理，采用分析判斷的方法，按常規系統實施應急自動處理的安全措施[42]。

1.3 地下管廊綜合管理無人系統

地下綜合管廊整合了電力、通信、燃氣、供熱、給排水等多種工程管線。它具有檢修、吊裝、監控等設施，實行地下隧道空間的統一規劃、統一設計、統一施工、統一管理，其運營管理對“城市生命線”的安全運行至關重要[43]。作為“城市生命線”，綜合管廊的安全運行在軍民融合建設中起著至關重要的作用。然而，隨著綜合管廊建設規模的擴大，管廊內的管線主管數量也隨之增加。管廊中的管線主管數量增加，其安全綜合監管面臨的問題也隨之而來。

地下綜合管廊較為復雜，各地區地質差別大，其安全狀況直接影響人們的生活質量。然而，傳統監測方法無法精準高效地監測地下管廊的危險。常用監控方式包括固定式監控設備和人工巡檢結合。然而固定式監控設備易受環境影響，人工巡檢方式較為危險，無法達到智慧城市中地下綜合管廊的實際運維要求。無人化智能化系統可對整個綜合管廊智能化控制，也可對整體流程實時監控[44]。

地下綜合管廊也可能出現一些嚴重問題，如管道破裂和腐蝕，從而造成地下污染和地面沉降[45]。地下水開采、鄰近地區管廊的施工及地下管道的泄漏是城市地區人為沉降坑形成的主要原因[46]。其中，下水道、排水管、運輸管道中存在泄漏、爆裂或堵塞較為常見。因此，為保證地下管廊綜合管理安全、效率和監控系統的發展，地下管廊需要精準的實時監測[47]。

地下管廊的破壞會導致城市地區地下空洞和天坑，地下超過25年的管線經常會出現存在裂縫、缺陷、管線腐蝕等問題。為解決此問題，計算機視覺和圖像處理方法也被應用于地下管道監測[48]?；谌斯ぶ悄芊椒捎糜诒O測地表和地下管線的缺陷?；跓o線傳感器網絡可確定地下管線的土壤環境，如水分、密度、孔隙度、PH值、溫度和承載力，以充分了解地下綜合管廊的狀態。人工智能方法與無線傳感器網絡相結合可更全面地監測地下管廊，以經濟安全的方式完成運輸、電力、排水、燃氣等生活保障任務。

1.4 地下空間無人作戰系統

地下工程在古代軍事中常被作為防御作戰手段，其與戰爭淵源甚深。城市地下設施建設日趨堅固多樣，平時方便民眾使用，戰時則可轉變成“地下作戰堡壘”，成為繼陸、海、空、天、電、網之后的第七維戰略空間。美軍在2017年初起草關于陸軍2020—2040年在大城市作戰的白皮書，提出“地下機動需求”問題，足見美軍對未來地下空間作戰的重視[49]。20世紀50年代抗美援朝戰爭[50]、20世紀90年代初波黑戰爭、2001年阿富汗戰爭[51]、2003年伊拉克戰爭、2011年敘利亞戰爭、2016年摩蘇爾戰役、2022年俄烏沖突等諸多戰例均表明，地下空間在國防建設中發揮著至關重要的作用[52]。

隨著各國政府對地下空間開發利用的重視和科學技術的發展，地下空間的規模逐漸擴大，結構日益復雜，加速了地下空間無人系統的研究。美國海軍陸戰隊發布《21世紀遠征部隊如何進行作戰》，針對2025年以后的戰爭，要求提高海軍陸戰隊在城市街區、下水道和隧道等城市地形條件下的作戰能力[49]。美國國防高級研究計劃局（defense advanced research projects agency, DARPA）提出的快速輕量自主項目（fast lightweight autonomy, FLA）[53-55]、機械天線計劃（a mechanically based antenna, AMEBA）[56]、地下挑戰賽（subterranean challenge, SubT）[57]，旨在突破地下環境群體智能控制、高精度導航與建圖、可靠通信等，使無人系統在執行地下軍事行動時獲得態勢感知能力，在復雜的地下環境中高效完成快速偵察、實時建圖、環境感知、自主導航等任務。

中國陸軍裝備部舉辦的“跨越險阻”陸上無人系統挑戰賽-地下無人系統偵察搜索比賽[58]，旨在推進地下無人系統技術與裝備創新發展，使無人系統具備在地下樓道、坑道、管網區域的機動、通信、測繪、偵察等功能?！暗叵绿綔y-2020”城市地下空間內物體探測系統挑戰賽是一項具備國防特色的國家級賽事，致力突破地下空間遠程快速建圖、精確導航、精準搜索等技術，變革指揮人員和作戰人員在人造隧道系統、城市地下環境和自然洞穴網絡中的作戰方式[59]。

2 地下空間無人系統關鍵技術

隨著機械、電子、控制、人工智能等多學科的融合發展，無人系統在限制未知環境中的自主行動能力得到了較大提升[60]，并逐漸向自主化、協同化方向發展。無人系統自主性的提升降低了無人系統協同的復雜度與操作人員的負擔，因此受到廣泛關注。地下空間無人系統是指各單體之間相互配合通過信息共享以全面掌握環境狀況，代替人類在地下空間中執行偵察、救援、監測等任務[61]，如無人化地鐵、無人化地下指揮中心、地下自主監測系統等。其優勢主要體現在環境適應能力強、風險小、代價低、非接觸、無人傷亡、長續航、多功能等方面。與其他無人系統不同，地下空間無人系統需具備在封閉環境中信息交互、特殊地形中協作、實時可靠通信、無衛星定位的自主導航等能力。本節圍繞地下空間通信、地下空間態勢感知、自主導航定位、集群協同控制技術4個方面對相關研究進行總結，地下空間無人系統關鍵技術關系如圖5所示。

圖5 地下空間無人系統關鍵技術關系Fig.5 Key technology relationship diagram of unmanned system in underground space

2.1 地下空間通信技術

地下作業任務和地下應急救援任務需要穩健高效的通信設施，通信是確保地下工作環境安全的關鍵因素。地下隧道、地鐵、地下礦井通常相對濕度較高。腐蝕性水、灰塵、爆炸性氣體和有毒氣體，如二氧化碳和甲烷，會影響人員和設備（包括通信設備）的性能。地下環境中，通信系統包括有線系統（through the wire,TTW）、無線系統（through the air, TTA）、透地系統（through the earth, TTE）、混合系統（mixed medium type, MMT）[62-64]，如圖6所示。TTW可采用光纜、同軸電纜、雙絞線等線纜，但其都具有一定的使用環境；TTA技術中工作頻段的差別將導致其吞吐量和傳輸時延具有一定的差異；TTE中超低頻或甚低頻的電磁波具有一定的穿透能力。

圖6 地下空間通信技術Fig.6 Underground space communication technology

TTW通信系統使用電纜/線進行地下內部通信和地下到地面通信[65]。TTW通信包括電話機、聲能電話、撥號尋呼混合系統等，但現場總線和工業以太網較為常用?，F場總線通常用作骨干網路的分支，骨干網絡采用工業以太網?，F場總線是一種分層通信網絡，連接現場傳感器、控制器、執行器等設備。實現控制中心與作業現場之間的數據傳輸與控制。與傳統的線纜連接相比，具備安裝方便、傳輸質量高、修整方便等優點[66-67]。以太網網絡的數據傳輸存在非實時性，很難應用于地下通信。針對這一問題，諸多學者從抑制沖突或降低沖突概率方面解決。工業以太網在地下空間作業環境應用較為廣泛，如礦井提升、通風、排水、安全監控系統等，實現地下作業任務的管控一體化[68-69]。

TTA通信系統易于在地下環境部署，但其覆蓋范圍的擴展也需要增加基礎電信設施。地下環境與典型的無線地面系統中的環境有很大不同。因此，在規劃TTA系統時，必須考慮一些對系統性能有很大影響的特定屬性。許多TTA系統建立在標準無線通信系統之上，特別是無線局域網，該系統指定了較低層協議，如IEEE 802.15.4或IEEE 802.11的一些修改[70]。目前，常用的TTA通信技術包括蜂窩通信、無線局域網、無線傳感器網絡、可見光通信、超寬帶無線通信技術等[71-73]。

TTE通信系統可以使無線信號通過地面覆蓋層到達地下環境，包括磁感應、地電極、彈性波傳輸。彈性波和地電極傳輸方式在低頻段依賴地層傳播。磁感應方式通過天線輻射進行傳輸，受大地介質和地層結構的影響較小[74-76]。在具體實現TTE通信時，需在地面和地下部署閉合線圈天線作為發射和接收裝置。

但TTW、TTA、TTE、MMT通信系統不適用于地下作戰動態環境。DARPA機械天線計劃旨在尋求一種小型、輕質、便攜的高性能新型甚低頻（very low frequency, VLF）和特低頻（ultra low frequency, ULF）發射器，實現水下、地下和建筑物內等“無線通信盲區”的可靠通信[77]。傳統的天線設計方法（如單極、雙極、環形天線）難以解決這些技術問題[78]，文獻[79-80]比較了傳統天線與機械天線的性能，發現旋轉駐極體或永磁機械天線的性能遠優于傳統天線（偶極子天線、電流環天線），并且機械天線可以突破傳統小型天線的尺寸限制，基于這一優勢許多學者對此展開研究[81-84]。

此外，水、非磁性金屬、人體組織、巖石等材料對低頻磁波的反射和吸收遠低于高頻電磁波[85]。因此，磁物理層鏈路在人體區域網絡、無線地下通信網絡和水下無線通信網絡中得到了應用[86-91]。文獻[92]提出一種旋轉偶極子式機械天線結構和通信模型，設計一種小型化和低功耗的超低頻機械天線。文獻[93]介紹了一種基于機械旋轉駐極體的ULF/VLF發射器，并通過理論分析和有限元模擬進行了驗證，為高效且小型化的機械驅動天線的研究提供了基礎。文獻[94]研究了天線結構與電磁波頻率關系，在保持電機轉速不變的情況下，改變機械天線的電荷分布方式，提高了發射信號的頻率。文獻[95]設計了一種在惡劣的電磁環境中工作的緊湊型機電調制旋轉永磁天線，這種磁鐵天線可以在有嚴重阻礙電磁波傳播的障礙物環境中可靠地傳輸二進制數據。密歇根大學研究了機械天線輻射功率與旋轉頻率、偶極矩、所需機械力和旋轉半徑之間的關系，并分析了磁介質共振對機械天線磁場性能的提升[96]。文獻[97]利用棒狀鈮酸鋰晶體的逆壓電效應實現了VLF機械天線設計。文獻[98]介紹了一種基于聲驅動磁電天線的便攜式VLF通信系統。文獻[99]利用微機電系統技術，設計了一種具有薄膜體聲諧振器結構的實用集成機械天線。文獻[100]提出一種基于旋轉永磁體的ULF磁場發生器，并證明其場強和功率均優于傳統線圈源(相同體積下)，這在低尺寸、低重量和功率應用方面具有較大突破。文獻[101]研究了永磁體旋轉的電磁輻射機理，并對其機械能與磁能之間的約束關系進行分析，提出基于旋轉永磁體陣列的機械天線技術方案。文獻[102]對比了不同機械天線的性能特點及應用優勢，并研制了基于釹鐵硼永磁體和高速永磁伺服電機的旋轉永磁式機械天線原理樣機，分析了旋轉永磁式機械天線的時變磁場分布特性。

2.2 地下空間態勢感知技術

態勢感知（situation awareness, SA）源于美國軍用航空領域，其幫助飛行員了解當前飛行狀態，以便快速做出準確的決策。目前，SA在戰場指揮[103-105]、空中作業[106-108]、自動駕駛[109]、網絡安全[110-112]、人機交互系統[113]、空間態勢感知[114-117]等領域均有所應用。SA是對一定時間和空間內的態勢要素進行感知，并對這些要素的含義進行理解，最終預測這些態勢要素在未來的狀態[118]。根據定義可知，SA是通過過去的態勢要素理解當前的態勢并對未來的狀態進行預測，是一種詳細語義提取的過程[119]。同時，SA也是一個動態變化的過程，不同時間、不同空間、不同感知主體、不同任務和不同目標都對態勢要素有一定程度的影響。

理論模型是研究態勢感知的基礎，典型SA模型包括Endsley模型[118]、Situated態勢感知模型[120]、分布式態勢感知模型[121-123]、團體態勢感知模型[124-127]、人機共享態勢感知模型[128]等。Endsley將態勢感知概括為要素感知、態勢理解及狀態預測3個層面，如圖7所示。

圖7 態勢感知模型Fig.7 Model of situational awareness

地下空間態勢感知的目的是將態勢感知的理論和方法應用到地下空間領域中，管理人員通過信息系統對原始環境數據處理，根據多角度、多層級地下空間態勢信息，全面掌握地下環境狀況，為地下空間探索開發和安全管理提供技術支撐。態勢感知是提取特定空間詳細語義的過程，且地下空間態勢感知是態勢感知方法在地下空間的應用。

地下空間態勢感知是對地下空間環境的認知過程，通過對多維度感知主體測量到的原始數據逐步處理，實現地下空間多尺度狀態語義提取，從而獲得據此表征的地下空間態勢。地下空間態勢感知的任務包括地下空間要素感知、地下空間態勢理解及地下空間狀態預測3個層面。其中，態勢要素感知層面包括多源要素信息的獲取和融合，態勢理解層面是根據獲取的多源態勢信息理解地下空間整體態勢，狀態預測層面是根據上一階段獲得的態勢信息預測其在未來一段時間內的變化趨勢，每個層面之間存在依賴關系。如果地下空間態勢要素感知和地下空間態勢理解沒有正確的結果，會影響地下空間狀態預測的結果，但每個層面的結果可獨立呈現并使用以滿足不同的任務需求，具有實際意義。地下空間態勢感知模型如圖8所示，包括地下空間態勢要素感知、地下空間態勢信息理解、地下空間狀態預測。

圖8 地下空間態勢感知模型Fig.8 Model of underground space situational awareness

地下空間態勢感知模型各模塊功能如下：

1）地下空間要素感知：地下空間要素感知的主要任務是在一定時間內獲取空間中有效的要素信息。從空域、天域、地域、地下域獲取的態勢信息與傳統數據結合，為地下空間態勢的全面認知提供一定的基礎。通過對多源態勢信息處理得到有效信息，將其轉化為圖像、音頻、視頻、圖表和地圖信息，并建立相對應的內容理解模式，避免信息來源和類型差異導致整體失效。

2）地下空間態勢理解：地下空間態勢理解的主要任務是在要素感知的基礎上完成地下空間環境識別、目標識別、意圖理解等工作，以從環境特征信息中理解地下空間的整體態勢。通過構建信息分類體系描述5種不同信息表征上的差異，其內容可按照時間、地點、人物、事物、事件、現象、場景[129]等方面進行總結，實現對態勢信息的精準理解。

3）地下空間狀態預測：地下空間態勢預測的主要任務是根據上一模塊獲得的態勢理解結果完成環境評估、威脅預測、損失評估、位置預測等工作，對地下空間中當前態勢信息在未來一段時間內的變化趨勢進行估計。

4）態勢信息可視化：地下空間態勢信息可視化模塊可以呈現當前時間內感知主體所處的地下空間狀況，以多視圖、多角度、多尺度的方式與用戶進行交互，判斷當前態勢對當前任務有何影響，將每個模塊的結果獨立呈現并使用以滿足不同的任務需求。

地下空間態勢信息來源不同、類型不同、維度不同，且具有碎片化、片面化和不確定性等特點。因此，如何根據具體任務需求，通過態勢信息處理技術和態勢圖生成與服務技術，實現快速、精準、全面的態勢感知，是地下空間態勢感知的關鍵問題。與此同時，地下空間黑暗、狹窄、氧氣含量低且通訊受限，為提高地下空間態勢感知能力，感知主體開始由單智能體向集群協同轉變。各機器人單體通過獲取不同維度和不同深度的環境信息，可更全面地感知地下空間的狀況，通過多層次態勢信息交互以弱化復雜環境引起的信息不確定性帶來的不良影響[130]。

地下空間態勢信息多源異構、數據海量且價值密度低，因此態勢要素的融合成為態勢感知的技術難點之一[131]。許多學者對此開展研究，提出了基于時空大數據平臺的態勢感知系統架構[132-135]，將局部的、短時的數據信息轉換成為整體的、長時域的信息，對環境安全進行全方位的實時監控。然而，如何根據多源、多類型、多維度態勢數據的特點構建相對統一的技術體系，避免信息來源和類型增多而導致方法失效，仍是態勢信息處理的難點。

地下空間多層次態勢信息在不同層面具有不同語義，單一層面的評估不能有效地量化其語義特征。此外，任務的重要程度及依賴關系、環境脆弱性等級和復雜程度等因素都將影響整體評估結果?？梢暬夹g可用來展現態勢感知所處理的海量異構數據及其處理結果。關于態勢圖生成[136-139]和態勢多尺度表達[140-143]已有相關研究，通過生成綜合態勢圖顯示環境中具有實時性的態勢數據，更全面的與用戶交互。但如何根據具體任務、管理層級、限制性環境之間的不同實時獲取地下空間態勢圖，仍是態勢生成與理解技術的難題。

2.3 自主導航定位技術

DARPA快速輕量自主計劃旨在使用飛行器在未知環境中開發高速、穩健、自主飛行的算法，使其在無外部通信和定位時，以20 m/s的速度在未知環境中(室內、室外、地下)自主飛行[53]。飛行器僅依靠機載傳感器在未知環境中自主搜索，其中包括自主感知和導航，即無人機高速向目標點飛行的過程中定位自身信息和感知周圍環境，同時準確快速地避開障礙物。在無外界輔助定位的環境中，無人機通常使用來自一個或多個機載攝像頭的圖像流進行自我定位，視覺同步定位和建圖[144]與視覺慣性里程計[145]方法逐步受到關注。然而，由于傳感器的范圍有限，相機需要有利的照明條件才能發揮最佳功能[146]，對于光照不足的地下環境，通常使用基于激光掃描匹配的方法，如廣義-迭代最近點[147]、正態分布變換[148]和多分辨率面元地圖[149]等。

為使無人機在無全球定位系統的未知環境中完成精準定位和導航，文獻[150]介紹了一種視覺測距系統，通過來自剛性安裝的攝像頭或一組攝像頭的視覺數據來估計自身的運動，可提供高度準確的里程估計，并且通常與慣性測量單元(inertial measurement unit, IMU)結合以處理短暫的快速運動[151-155]。文獻[156]提出了一種基于擴展卡爾曼濾波器的實時視覺輔助慣性導航算法，推導出能夠表達從多個相機位姿觀察到靜態特征時出現的幾何約束的測量模型，可在大規模真實世界環境中進行高精度姿態估計。文獻[157]提出了一種基于擴展卡爾曼濾波器的視覺慣性里程估計器，該里程計將高速高漂移IMU數據和低速率低漂移視覺數據集成在多狀態約束卡爾曼濾波框架中，成功解決未知環境中的運動跟蹤問題。文獻[158]以履帶式移動機器人為研究對象，開展地下環境自主探索策略研究，通過地形分析算法和自主環境探索策略實現中小范圍地下環境內的自主探索。文獻[159]通過融合IMU、激光雷達和攝像機的數據信息來估計微型飛行器6個自由度的姿態和速度，在沒有任何外部基礎設施(全球定位系統或外部攝像頭)的情況下實現自主導航和測繪。文獻[160]介紹了一種基于小型輕型飛行平臺的集成煙囪檢查機器人，融合輕型3D激光掃描儀、立體相機和用于表面檢測的高分辨率相機，在煙囪環境中完成了建圖和自主飛行任務。文獻[161]基于激光雷達提出一種無碰撞局部規劃器的自主探索技術，可在真實礦山環境中成功自主勘探飛行。上述研究在緩慢、平穩的飛行中被證實有較好的效果，但不適用于快速的閉環系統中。為解決這一問題，文獻[162]介紹了一種融合視覺和慣性導航系統的慣性狀態估計映射方法，能夠提供高速率、低延遲的狀態估計，以實現飛行器在充滿障礙的未知環境中高動態飛行。

2.4 集群協同控制技術

DARPA地下挑戰賽(SubT)旨在探索無人系統在地形復雜、通信退化、無外界定位、廣闊且未知的惡劣地下場景執行任務所需的技術，輔助軍隊及其后勤保障人員以應對突發性人為災害或自然災害。通過群體協同在突發災害后的地下空間進行搜尋與救援行動可以大大減少定位受害者所需的時間，從而增加受害者的生存機會[57]。群體協同中，每個單體都應具備一定的狀態估計、規劃和決策能力，尤其是在探索限制性未知環境等場景下，每個單體的自我感知能力對整個任務至關重要。陸軍裝備部舉辦的“跨越險阻”陸上無人系統挑戰賽-地下無人系統偵察搜索比賽旨在解決無人系統的地下機動、地下空間測繪、地下目標搜索、地下目標獲取等問題[58]。

地下空間集群協同領域的探索是一個具有挑戰性的問題，許多學者對此領域開展研究[163-170]。文獻[171]研究了無人機/地面車輛(UAV/UGV)協同系統中的自動地面地圖構建和高效路徑規劃，通過無人機構建地面地圖輔助無人車識別障礙物，同時實現地面地圖構建和高效路徑規劃。文獻[172]介紹了一種多機器人礦山勘探和測繪的自主系統，由腿式四足機器人和微型飛行器相互配合，在無外界定位的地下空間實現完全自主的探索。文獻[173]通過激光雷達、攝像頭、IMU、氣體檢測器、熱像儀傳感器補充機器人的內置傳感，并采用概率方法考慮未知環境中的不確定性，解決了地下空間大規模探索問題。文獻[174]提出了一種2層搜索策略，將感知任務分解為粗略探索層和精細映射層，通過無人機和無人車在無外界定位的三維未知環境中協作完成搜索、測繪和導航。文獻[175-176]提出一種融合來自傳感器的連續信息和離散信息、語義幾何特征等信息的同步定位與建圖系統，用于多機器人地下隧道的搜索問題。文獻[177]提出一種基于激光雷達的多機器人SLAM系統，使用3D激光雷達數據構建了地下隧道的點云地圖，不僅可以對多個機器人軌跡穩健估計，還可檢測和定位感興趣的對象。在未知環境中做出最大獎勵的決策需要在信念空間上構建價值學習和策略，即機器人所有可能狀態的概率分布。然而，在大型空間環境中的信念空間規劃面臨著嚴峻的計算挑戰。為解決這一問題，文獻[178]提出一種具有豐富信息圖形結構的分層信念空間規劃器，能夠執行長期、超出通信范圍的任務。文獻[179]提出一種基于圖的地下勘探路徑規劃方法，將局部規劃器與全局規劃器相結合，由空中機器人和腿式機器人在地下空間完成自主勘探。文獻[180]提出了一種具有快速準確的圖形估計和簡單的拓撲規劃的方法，減輕了機器人對精確路徑規劃的需求和基于位置的路徑跟蹤控制器的帶寬要求。

2.5 存在的問題

綜上所述，已有工作對地下空間無人系統方面進行了深入研究，但在突破關鍵技術、整合系統有效資源實現基本功能等方面還存在一些問題：

1）態勢要素感知方面：地下環境光照弱、煙塵多、濕度高等因素，容易造成傳感器的失效和退化等問題，導致無人系統所攜帶傳感器性能下降。因此，需要通過融合來自多種傳感器的信息來提升無人系統在地下空間態勢要素感知的魯棒性。

2）無人系統單體性能方面：實際地下環境中存在突發事件、時空受限、長時導航、穿越狹窄區域等情況，單體性能在體積、計算負載、載荷、傳感器精度、環境適應性等方面存在不足，需通過芯片技術、人工智能、信息物理系統等技術，提高無人系統單體對特殊地形環境的適應性、自主性、抗干擾能力、目標識別精度和導航精度等。

3）智能交互方面：人與無人系統及無人系統之間通常通過直接和間接的方式進行信息傳輸?；谕ㄐ旁O備直接進行交互已經得到了廣泛的研究。通過手勢指令、標記等基于線索推斷的間接交互適用于直接交互受限環境中，但目前相關研究較少且缺乏理論支撐。

3 結束語

本文對近年來地下空間無人系統態勢感知的發展狀況進行了回顧，針對這一問題眾多學者開展了相關研究。關于未來可能的研究方向，我們認為可在以下幾個角度進行考慮:慮:

1）實時可靠通信：地下環境信息類型多樣，目前通信系統結構受多個矛盾相互制約。地下空間穩定可靠的通信需同時考慮數據傳輸的實時性和部署的靈活性，并具備重構能力。地下空間的通信呈現出可重構化、協同化、云計算化趨勢。

2）多棲高性能無人系統：機器人各單體需要在狹窄、地形復雜的地下空間中相互協作且長時間執行任務，這對機器人的體積、機動性能、傳感器精度、計算、載荷、通信能力以及多模態運動方面有較高的要求。地下無人系統在執行任務時需同時兼顧執行任務的效率和無人系統穿越復雜地形的能力，多棲高性能無人系統可融合不同運動模式的優點，具有較好的機動性能，在復雜地形環境中的穿越能力大幅提高。因此，仍需對無人系統本體的性能和多模態運動方面進一步探索。

3）異構機器人協同：態勢感知是無人系統與地下空間進行自主交互的關鍵，無人系統基于視覺、激光雷達、超聲波等外部傳感器從不同角度可獲取周圍環境的直觀感知信息和自身狀態信息。在實際地下空間，僅依靠自身獲取的直觀信息，難以保障無人系統安全地執行任務。因此有必要通過異構無人系統相互協作，提高整體移動性、靈活性和特定任務的性能。如何通過異構無人系統協同對地下空間進行全面態勢感知，也是一個值得探索的問題。

4）協同任務分配與路徑規劃：地下空間環境復雜，無人系統的協同任務分配與路徑規劃是其在地下空間高效執行任務的前提。在實際地下空間，各無人系統間信息共享，獲取環境中多尺度信息，實現無人系統的高效任務分配與路徑規劃。如何實現無人系統高效的協同任務分配與路徑規劃，值得進一步探索。

5）空天地網跨域感知：地上地下空間一體化感知是通過軟硬件資源共享實現地上廣探和地下細測，在此基礎上利用信息共享實現地上和地下協同感知。同時，地上地下一體化感知是實現地上減災地下防災一體化、地上地下空間管理一體化、地上地下空間協同作戰的基礎。因此，如何實現地上地下空間一體化感知，同樣也是一個值得研究的問題。