無人機(jī)技術(shù)在長江海事監(jiān)管中的應(yīng)用

陳 俊 王茹軍 熊 輝 曹 陽 翟 平

（1.長江海事局 武漢 430016； 2.重慶海事局 重慶 400011）

長江干線通航環(huán)境復(fù)雜，船舶航行風(fēng)險(xiǎn)較大，容易發(fā)生安全事故，導(dǎo)致海事部門的監(jiān)管難度很大。面對(duì)嚴(yán)峻的水上安全形勢(shì)，長江海事局通過AIS，VTS，CCTV，GPS等現(xiàn)代監(jiān)管設(shè)施的建設(shè)，安全監(jiān)管手段的信息化水平有了很大程度的提高［1］。但從長遠(yuǎn)來看，現(xiàn)有的海事裝備在監(jiān)管范圍、設(shè)施裝備綜合利用率等方面仍存在一些問題和不足。為更好地解決這些問題，同時(shí)根據(jù)2011年國務(wù)院2號(hào)文件的精神，打造長江干線全方位覆蓋、全天候運(yùn)行、具備快速反應(yīng)能力的現(xiàn)代化水上安全監(jiān)管和應(yīng)急救助體系，更好地履行水上安全監(jiān)管和人命救助職責(zé)，更好服務(wù)“暢通、高效、平安、綠色”長江航運(yùn)建設(shè)和沿江經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展［2］，本文結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)管模式和自身設(shè)施設(shè)備現(xiàn)狀，擬在監(jiān)管領(lǐng)域中引入“無人機(jī)”監(jiān)管手段。

1 長江海事監(jiān)管工作現(xiàn)狀

長江海事局管轄重慶至安徽約2 100km長江干線、1 000km水域支汊和19個(gè)水庫（湖泊），并負(fù)責(zé)長江干線宜賓至上海安全通信保障和船舶引航服務(wù)。轄區(qū)安全監(jiān)管的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為“六多一雜”：港區(qū)和停泊區(qū)多、渡口渡船多、橋區(qū)壩區(qū)多、油區(qū)和危險(xiǎn)品作業(yè)點(diǎn)多、船舶及船公司多、水運(yùn)從業(yè)人員多，通航環(huán)境復(fù)雜［3］。

（1）海事監(jiān)管區(qū)域存在盲點(diǎn)。目前基于海巡艇，VTS，CCTV，AIS和VHF的監(jiān)管措施，在監(jiān)管區(qū)域內(nèi)存在一些監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，在時(shí)間連續(xù)性上還存在一定的限制。為了突破這些監(jiān)管盲點(diǎn)的限制，一方面需要對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)施進(jìn)行有機(jī)整合，提升監(jiān)管效率；另一方面，需要引入一種全新的空中監(jiān)管手段，從空中以俯視的視角開展監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)全方位的水－岸－空立體監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)海事監(jiān)管水域多維可視化，保障水上交通通暢安全［4］。

（2）應(yīng)急搜救現(xiàn)場(chǎng)的支持能力有限。長江水域多為天然航道，狹窄彎多，礁石密布，水流變化大，船舶航行風(fēng)險(xiǎn)高。水上災(zāi)情與污染情況瞬息萬變，特別是應(yīng)急搜救現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)信息實(shí)時(shí)性的要求更高，有時(shí)也需要對(duì)某些局部危險(xiǎn)區(qū)域和重點(diǎn)目標(biāo)實(shí)施直觀立體的監(jiān)控，讓上級(jí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況有快速和全面的了解，方便決策。目前海事監(jiān)管系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)突發(fā)性事件時(shí)已凸顯出不足，在未來更加復(fù)雜的安全形勢(shì)與嚴(yán)峻的安全隱患下，建立基于無人機(jī)遙感系統(tǒng)的海事應(yīng)用系統(tǒng)將極大提高海事監(jiān)管效率、提升監(jiān)管能力［5］。

（3）現(xiàn)有設(shè)施、設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本高。長江海事的轄區(qū)是一條長達(dá)數(shù)千公里的帶狀區(qū)域，而各種監(jiān)控設(shè)施的覆蓋范圍都有限，因此，為了實(shí)現(xiàn)長江流域全線覆蓋的目標(biāo)，需要投入大量的資金和人力物力進(jìn)行海事監(jiān)管基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。同時(shí)，AIS，VTS，CCTV，GPS，VHF等大量先進(jìn)系統(tǒng)和設(shè)備的使用，其運(yùn)行維護(hù)需要大量的人員和資金投入［6］。這些因素不僅使現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)施和設(shè)備的適用性受到一定的限制，還在某種程度上削弱和降低了它們的使用率，阻礙了其更新?lián)Q代，限制了技術(shù)在應(yīng)用層面上的發(fā)展。而無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用將極大地改善這種現(xiàn)狀，無人機(jī)的運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于巡邏船，能促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步和革新，并推進(jìn)相關(guān)設(shè)備／設(shè)施的升級(jí)與改進(jìn)。

2 無人機(jī)應(yīng)用于海事監(jiān)管的可行性分析

2.1 無人機(jī)概述

無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。機(jī)上無駕駛艙，但安裝有自動(dòng)駕駛儀、程序控制裝置等設(shè)備。地面、艦艇或母機(jī)遙控站人員通過雷達(dá)等設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測(cè)和數(shù)字傳輸［7］。相對(duì)于傳統(tǒng)的海事監(jiān)管方式，無人機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）機(jī)動(dòng)靈活，適宜應(yīng)急。長江上游地區(qū)的自然災(zāi)害主要有泥石流、滑坡，中下游有洪澇災(zāi)害、河堤潰損，同時(shí)，長江地區(qū)突發(fā)性水污染事故頻發(fā)，對(duì)周邊水環(huán)境的影響和破壞巨大。事故發(fā)生存在隨機(jī)性，災(zāi)害一旦發(fā)生，監(jiān)管部門必須立即展開救援活動(dòng)。當(dāng)處理這些緊急狀況時(shí)，無人機(jī)憑借其重量輕、體積小、便于攜帶、環(huán)境要求低等特點(diǎn)，能夠迅速奔赴至目標(biāo)區(qū)域。因此具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，承擔(dān)任務(wù)的方式也更為機(jī)動(dòng)靈活［8］。

（2）連續(xù)執(zhí)行任務(wù)的能力。無人機(jī)具有長時(shí)間連續(xù)執(zhí)行任務(wù)的能力，相對(duì)于傳統(tǒng)巡航方式，節(jié)省了大量的人力和物力。無人機(jī)以其飛行距離和飛行高度的靈活性，更容易實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的全方位監(jiān)管巡查［9］。

（3）監(jiān)視范圍寬，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。與海巡艇相比，無人機(jī)具有高空探視的優(yōu)勢(shì)，巡視范圍的輻射面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海巡艇，可深入事故、災(zāi)害中心區(qū)域，不易遺漏和被蒙蔽，可最大限度接近目標(biāo)，情報(bào)信息可信度高，巡視效果更佳，為事故調(diào)查取證提供最有效證據(jù)。同時(shí)，無人機(jī)往往具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸能力，為應(yīng)急決策提供的信息更具時(shí)效性。

（4）降低工作人員救援風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)只需操縱員位于安全區(qū)域操作飛機(jī)即可，因此即使無人機(jī)遭遇墜落等極端情況，對(duì)人員傷亡也沒有任何威脅。故無人機(jī)可到達(dá)災(zāi)害中心區(qū)執(zhí)行監(jiān)視等任務(wù)，還可以完成危險(xiǎn)性較高，不宜使用有人偵察機(jī)的任務(wù)［10］。

2.2 無人機(jī)應(yīng)用于海事監(jiān)管的可行性

（1）低空空域開放的政策支持。作為海事應(yīng)用飛行平臺(tái)的無人機(jī)通常飛行在1 000m以下空域。該空域被稱作低空空域。對(duì)于低空空域管理，將按照管制空域、監(jiān)視空域和報(bào)告空域3類劃分進(jìn)行管理。管制空域，需要提前申請(qǐng)并接受航管部門管制指揮；監(jiān)視空域，僅需要備案，確保雷達(dá)看得見、能夠聯(lián)系上；報(bào)告空域，則類似于自由飛行。與此前低空空域全部實(shí)行管制管理相比，分類管理在改進(jìn)審批、簡化審批程序和縮短審批時(shí)間上有很大進(jìn)步。低空空域的開放將為海事領(lǐng)域應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)提供便利，也為長江海事立體監(jiān)測(cè)體系的形成奠定政策基礎(chǔ)。

（2）無人機(jī)技術(shù)的不斷提升。近年來，隨著航空材料、通信、傳感器、導(dǎo)航定位和發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)技術(shù)日趨成熟，無論在性能上還是在操縱性、可靠性諸方面都有了長足進(jìn)步，使其在軍、民用領(lǐng)域均得到越來越廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)在飛行時(shí)間、飛行速度、有效載荷、安全性等各個(gè)方面的指標(biāo)不斷提高，為無人機(jī)技術(shù)在海事領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

（3）長江海事的現(xiàn)有基礎(chǔ)。經(jīng)過近10年的不斷發(fā)展，長江海事系統(tǒng)信息化軟、硬件建設(shè)取得了長足進(jìn)步，初步涵蓋了長江海事局業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求；專業(yè)化的信息化管理和運(yùn)維團(tuán)隊(duì)基本具備，信息化系統(tǒng)管理維護(hù)水平不斷提升；現(xiàn)代化監(jiān)管手段在水上安全監(jiān)管中廣泛應(yīng)用，越來越發(fā)揮出顯著效果。尤其是近年來長江海事局開展了電子巡航試點(diǎn)，改革了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)巡航監(jiān)管模式，代之以信息化監(jiān)管為主導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)處置為補(bǔ)充的新模式，以提升全面監(jiān)控能力，減輕監(jiān)管工作強(qiáng)度，節(jié)約監(jiān)管行政成本，提高監(jiān)管工作效率。

3 無人機(jī)在海事監(jiān)管業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

海事監(jiān)管職責(zé)主要包括：管理通航秩序、通航環(huán)境；巡邏執(zhí)法、調(diào)查取證；應(yīng)急反應(yīng)、人命救助；船舶溢油和排污監(jiān)視；負(fù)責(zé)禁航區(qū)、航道（路）、交通管制區(qū)、錨地和安全作業(yè)區(qū)等水域的監(jiān)督管理，維護(hù)水上交通秩序；航標(biāo)巡檢、航道測(cè)繪等。無人機(jī)在海事監(jiān)管業(yè)務(wù)中的功能見圖1。

圖1 無人機(jī)海事監(jiān)管業(yè)務(wù)功能圖

3.1 輔助巡航

在巡航監(jiān)管中引入無人機(jī)技術(shù)，利用小型無人機(jī)部分替代海巡艇，輔助電子巡航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空中巡航監(jiān)管的常態(tài)化日常巡航，將傳統(tǒng)的基于海巡艇的現(xiàn)場(chǎng)巡航模式與新的電子巡航動(dòng)態(tài)監(jiān)管模式相結(jié)合，以信息化監(jiān)管為主導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)處置為補(bǔ)充，進(jìn)行水域通航組織、指揮和管控，從而進(jìn)一步推進(jìn)長江海事監(jiān)管體系的建設(shè)。無人機(jī)技術(shù)在巡航監(jiān)管中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）部分替代海巡艇進(jìn)行常規(guī)巡航。

（2）輔助電子巡航，提供多維數(shù)據(jù)。

（3）事故現(xiàn)場(chǎng)取證。

（4）危險(xiǎn)品船舶動(dòng)態(tài)跟蹤。

（5）對(duì)重點(diǎn)水域進(jìn)行監(jiān)督。

（6）威懾作用。

3.2 污染監(jiān)測(cè)

長江的水污染主要來源于3個(gè)方面：①長江兩岸工業(yè)廢水和生活污水的排放；②長江上航行的船舶排放的廢氣、廢水和垃圾；③一些載有危險(xiǎn)品的船舶發(fā)生事故時(shí)造成的泄漏。海事部門擔(dān)負(fù)著水上防污的重要職責(zé)，而船舶油污染是水上防污的重要內(nèi)容。由于目前船員環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)，重個(gè)人利益輕社會(huì)利益的現(xiàn)象還較為普遍，偷排油污現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。特別是在船舶較為集中的水域發(fā)生時(shí)，海事人員確定違法船舶、估計(jì)偷排油污量極為困難。如果能夠從空中進(jìn)行觀察，能較容易地發(fā)現(xiàn)違法對(duì)象，也能較容易取得違法證據(jù)。

通過引入無人機(jī)，從空中進(jìn)行巡查監(jiān)管，通過熱紅外、遠(yuǎn)紅外等特殊傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)沿岸污染源、普通通航船舶和危險(xiǎn)品船舶的同時(shí)監(jiān)控，擴(kuò)大監(jiān)控的覆蓋范圍，提高監(jiān)控效率，加強(qiáng)監(jiān)管力度。

3.3 地災(zāi)監(jiān)測(cè)

三峽庫區(qū)蓄水以后，大量地上水滲入地下，造成石巖間巨大的膨脹力，加上客觀存在巨大的水壓，打破了原有的三峽高山地區(qū)脆弱的地質(zhì)平衡?，F(xiàn)三峽段山體滑坡時(shí)有發(fā)生，對(duì)航行在該水域的船舶安全構(gòu)成威脅。通過無人機(jī)的定點(diǎn)旋停，定期拍照、遠(yuǎn)程測(cè)繪等手段，可發(fā)現(xiàn)山體是否存在加速變化的趨勢(shì)，從而對(duì)航行在此地區(qū)的船舶提供安全預(yù)警。

3.4 通信巡線

目前長江海事局建有海事通信光纖線路數(shù)千公里，主要采用人工巡線，由于線路大多建在人煙稀少的崇山峻嶺地區(qū)，巡線質(zhì)量和效率都較低，且人工成本很高。采用無人機(jī)空中巡線，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成巡線任務(wù)，從而節(jié)約人力、物力成本，且巡線質(zhì)量得到保證。

3.5 其他海事擴(kuò)展應(yīng)用

（1）通信中繼。當(dāng)無人機(jī)裝上功率放大器和中繼設(shè)備等，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信號(hào)、話音和圖像通信的中繼傳輸。如當(dāng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害或重大江難事故，而事故的地點(diǎn)處于高山峽谷地段，常規(guī)手段無法到達(dá)或難以及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，又缺乏手機(jī)通信設(shè)施或設(shè)施損壞時(shí)，無人機(jī)就可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間中繼通信，使后方與事故現(xiàn)場(chǎng)人員保持聯(lián)系，從而了解事故現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，為后方施救人員準(zhǔn)備工具、器材時(shí)做到有的放矢。

（2）岸線測(cè)繪。長江海事局的上游轄區(qū)河流大多處于高山峽谷地區(qū)，水位高低落差很大。而隨著水位的漲落，河流水沒線、河流寬度、航道中心線都會(huì)發(fā)生較大變化，給電子巡航監(jiān)控、指導(dǎo)、指揮船舶航行帶來一定難度，如分道航船舶超越中心線航行行為的糾正，如果無法得到準(zhǔn)確的航道中心線，執(zhí)法工作將無法開展。如果通過準(zhǔn)確測(cè)繪，水位每變化1m就編制1張江圖。日常工作時(shí)，根據(jù)水位的變化，選定合適的江圖，那么電子巡航的監(jiān)督、指揮作用將更加強(qiáng)大。

（3）人命救助。長江自然河段水流湍急，浪花飛濺，有些地方礁石林立，船舶無法靠近。當(dāng)海難發(fā)生時(shí)，人員落水后會(huì)被立即沖散，這時(shí)從江面觀察，浪花、雜物、人員混雜，不易發(fā)現(xiàn)和分辨落水人員，而無人機(jī)能夠從空中進(jìn)行準(zhǔn)確分辨、精準(zhǔn)定位，會(huì)給更多海難人員帶來生的機(jī)會(huì)。通過無人機(jī)遞送牽引繩、攜帶氣脹式救生圈進(jìn)行投放，還可以更加有效地提高事故人員生存率。

（4）科學(xué)研究。通過無人機(jī)定時(shí)定點(diǎn)的周期性巡航，獲取大量按時(shí)間順序的大壩、橋梁、水文、航道、船舶和長江沿岸地物的三維數(shù)據(jù)，不僅能很好地構(gòu)建長江三維地理信息數(shù)據(jù)庫，還能及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新，為數(shù)字長江提供最具時(shí)效性和現(xiàn)勢(shì)性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行航道歷史變遷、交通流量對(duì)比等研究工作，全面提升長江海事的數(shù)字化和信息化管理能力。

4 長江海事無人機(jī)系統(tǒng)建設(shè)思路

長江流域無人機(jī)海事監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)可分為3個(gè)階段。

（1）研究試驗(yàn)階段。選取長江流域兩個(gè)具有代表性的特定水域進(jìn)行試點(diǎn)，各配備一套無人機(jī)水上應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)培訓(xùn)相關(guān)無人機(jī)操控人員，進(jìn)行無人機(jī)應(yīng)急數(shù)據(jù)采集、無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和管理等方法性研究和實(shí)施，其目的是為全面和完整地進(jìn)行長江流域無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

（2）大規(guī)模實(shí)施階段。使用第一階段的研究成果，在長江海事局行政管轄區(qū)水域，每隔大約100km左右選取一個(gè)適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)建設(shè)無人機(jī)基地，從而保證任何水域出現(xiàn)情況，都有無人機(jī)在1h內(nèi)能飛抵現(xiàn)場(chǎng)，為實(shí)現(xiàn)長江干線和水域支汊的全覆蓋，需要配備大約20～30套無人機(jī)水上應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和相關(guān)工作人員，同時(shí)應(yīng)全面考慮與當(dāng)?shù)氐腛A，VTS，AIS，CCTV等系統(tǒng)相結(jié)合，初步形成長江流域無人機(jī)海事監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。

（3）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用階段。在這個(gè)階段，建設(shè)一個(gè)長江流域無人機(jī)海事監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)指揮中心，協(xié)調(diào)和管理無人機(jī)海事監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（即各無人機(jī)基地），制定詳細(xì)應(yīng)急數(shù)據(jù)采集、環(huán)境污染實(shí)時(shí)監(jiān)控、水上交通事故處理的工作流程和實(shí)施規(guī)范，在發(fā)生突發(fā)性公共安全或環(huán)境污染事故時(shí)，各個(gè)無人機(jī)海事監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能協(xié)調(diào)一致，共同應(yīng)對(duì)。

5 結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)作為一種成熟的技術(shù)平臺(tái)，以其機(jī)動(dòng)快速、使用成本低、維護(hù)操作簡單、節(jié)能環(huán)保、沒有人員安全風(fēng)險(xiǎn)等技術(shù)特點(diǎn)，完全能夠很好地應(yīng)用到海事監(jiān)管中。無人機(jī)的應(yīng)用將使長江海事監(jiān)管系統(tǒng)更加完善，不僅能夠大大提升海事監(jiān)管能力，而且還能推進(jìn)長江海事信息化發(fā)展水平，在長江水系形成全方位監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)，為打造水－岸－空海事立體監(jiān)管系統(tǒng)做出重要貢獻(xiàn)。

［1］ 時(shí)景彬.長江海事局現(xiàn)代監(jiān)管系統(tǒng)管理模式研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

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