無人艇應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測及海洋管理的前景與展望

陳 鋒

（海裝上海局，上海 200083）

無人艇應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測及海洋管理的前景與展望

陳 鋒

（海裝上海局，上海 200083）

無人艇因其優(yōu)異的性能在軍事領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用，針對目前我國海洋環(huán)境監(jiān)測和海洋管理存在的問題，結(jié)合無人艇的特點(diǎn)，對無人艇在海洋環(huán)境監(jiān)測以及海洋管理方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了探索和展望。

無人艇；海洋環(huán)境監(jiān)測；海洋管理

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)在我國國民經(jīng)濟(jì)中的地位日益提高，沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展對海域空間資源的剛性需求會持續(xù)上升，沿海產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對海洋環(huán)境保護(hù)和海洋管理已提出更高更新的要求[1]。目前海洋環(huán)境保護(hù)和海洋管理也存在一些比較嚴(yán)峻的問題，具體如下：

1）海洋環(huán)境監(jiān)測

目前國內(nèi)針對海洋水質(zhì)監(jiān)測主要有兩種手段：a）人工采樣分析；b）浮標(biāo)定點(diǎn)監(jiān)測。但是這兩種手段都存在各自的問題。

對于人工采樣，像排污口、淺水域等往往是水質(zhì)監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域，還有一些水域情況復(fù)雜的區(qū)域，大船往往不能駛?cè)?，目前的做法是監(jiān)測人員租用小木筏或者小漁船到定點(diǎn)區(qū)域采樣。這對人員工作構(gòu)成一定的危險(xiǎn)，另外小漁船可能產(chǎn)生油污等，對水質(zhì)分析結(jié)果有較大影響。

對于浮標(biāo)定點(diǎn)監(jiān)測，主要存在以下幾方面問題：a）多點(diǎn)布置需要多套浮標(biāo)設(shè)備，而浮標(biāo)設(shè)備價格昂貴，多點(diǎn)布置導(dǎo)致費(fèi)用高；b）浮標(biāo)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)難度大且費(fèi)用高，浮標(biāo)由于長期安放在海上，需要定期對浮標(biāo)探頭上的附著物進(jìn)行清洗工作，在大風(fēng)浪情況下維護(hù)人員安全不能得到保障；c）無機(jī)動性，不能對污染物進(jìn)行跟蹤，所監(jiān)測水域范圍有限；d）浮標(biāo)監(jiān)測的環(huán)境因子有限，不能滿足海洋監(jiān)測的要求。

因此，亟需具有機(jī)動能力且集監(jiān)測分析和采水樣功能的設(shè)備來解決上述問題。

2）處理應(yīng)急事故

2012年8月18日10時，廣西北海市海洋局通報(bào)，18日1時許，停泊在北海市區(qū)附近外沙錨地的“北油3”輸油船因臺風(fēng)“啟德”影響，造成拋錨，飄離后碰撞海堤擱淺在岸灘，造成柴油泄漏，約 200平方米淺灘上有油污出現(xiàn)。

這起柴油泄露事故剛好在惡劣天氣情況下發(fā)生，執(zhí)法船舶、航空飛機(jī)都不能對現(xiàn)場進(jìn)行很好的攝像、拍照來對事故進(jìn)展情況進(jìn)行監(jiān)視，這就導(dǎo)致無法得到現(xiàn)場的第一手資料，可能導(dǎo)致事故影響進(jìn)一步擴(kuò)大。

而目前沿海產(chǎn)業(yè)分布主要是一些化工產(chǎn)業(yè)，這些沿海的輸油輸氣管道，以及海上作業(yè)的海洋石油平臺，一旦出現(xiàn)化工原料泄露、溢油污染等情況，都將產(chǎn)生放射性物質(zhì)，若是安排人員現(xiàn)場偵查，將對偵查人員生命安全造成威脅。

3）監(jiān)視違法用海行為

針對違法用海行為的執(zhí)法工作主要面臨的問題表現(xiàn)為：a）打擊違法行為力量不足，近年來，在利益驅(qū)使下，一些違法用海行為，如盜采海砂、傾廢、排污等日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重破壞了海域海洋環(huán)境、海洋生物資源和岸邊旅游資源。例如在打擊盜采海砂的行動中，由于執(zhí)法力量有限，一些采砂船依靠熟悉當(dāng)?shù)睾Ｓ蚯闆r，夜間盜采、白天休息，加之流動性隱蔽極強(qiáng)，給海監(jiān)執(zhí)法工作帶來了巨大的困難。b）對違法用海行為取證困難，由于沒有設(shè)備針對違法用海行為造成的污染程度及污染面積進(jìn)行及時地監(jiān)測，隨著潮水的漲退和洋流活動污染物會迅速擴(kuò)散，不能及時現(xiàn)場取證容易造成證據(jù)消失，也就不能為執(zhí)法提供依據(jù)。

4）海上經(jīng)濟(jì)目標(biāo)保護(hù)

有跡象顯示，相較于軍事目標(biāo)，恐怖分子和犯罪分子更趨向于襲擊經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，海上的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)主要是指海上石油平臺、海底管線、光纜和海上儲油設(shè)施等[2]。因?yàn)楹Ｉ辖?jīng)濟(jì)目標(biāo)最具價值又最易受攻擊，如伊拉克與尼日利亞海域的石油設(shè)施被襲、非洲合恩島附近的劫船、印度洋海域日益猖獗的襲擊等已造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

海上經(jīng)濟(jì)目標(biāo)數(shù)量多、分布廣、防護(hù)難度大，有些重要目標(biāo)距離較近，遭襲后易產(chǎn)生次生災(zāi)害和連帶毀傷，部分重要經(jīng)濟(jì)目標(biāo)科技含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗毀能力弱，遭襲后及時恢復(fù)功能難度較大，尤其是在信息技術(shù)應(yīng)用于軍事斗爭的情況下，城市重要經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的防護(hù)工作面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而目前國內(nèi)尚無針對海上經(jīng)濟(jì)目標(biāo)而建設(shè)的保障體系。

1 無人艇的優(yōu)勢及發(fā)展現(xiàn)狀

海洋環(huán)境保護(hù)及海洋管理工作任務(wù)越來越艱巨、復(fù)雜，這就對海洋裝備技術(shù)能力提出了更高的要求。而具備機(jī)動能力并且可以搭載不同任務(wù)載荷的近海海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是解決上述問題的首選裝備。將海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備集成到無人艇上，是解決這些問題的重要方式。

以無人艇為代表的海上無人航行器是解決上述問題的重要裝備。

水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）是一種具有自主規(guī)劃、自主航行能力，并可自主完成環(huán)境感知、目標(biāo)探測等任務(wù)的小型水面平臺。無人艇根據(jù)使命的不同，可采用多種不同的模塊，搭載不同的傳感器或執(zhí)行設(shè)備，執(zhí)行任務(wù)也呈現(xiàn)多樣性[3]。

相較于載人船舶，無人艇無需搭載操作人員，具有如下幾個方面的優(yōu)勢：

1）機(jī)動能力強(qiáng)，能覆蓋整個海域；

2）可長時間工作不需要補(bǔ)給；

3）對惡劣海洋環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)；

4）能對海域使用進(jìn)行 24小時動態(tài)監(jiān)視，避免船只、人員頻繁出動而浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)；

5）無需人員保障系統(tǒng)，可搭載更多的任務(wù)載荷；

6）具備高分辨率影響數(shù)據(jù)獲取能力；

目前，已有多個國家開展了海洋環(huán)境監(jiān)測無人艇開發(fā)工作。英國普利茅斯大學(xué)的W Naeem[4]等開發(fā)了一款名為“Springer”、可用于淺水水域測繪、水文及環(huán)境監(jiān)測以及污染物跟蹤的無人艇設(shè)備。其被設(shè)計(jì)成一款4m長、2.3m寬以及0.6t排水量的中等水線面雙體船。其裝載的YSI環(huán)境監(jiān)測設(shè)備可以對溫度、電導(dǎo)率、溶解氧、pH值、氯化物、水深、濁度、葉綠素等因子進(jìn)行監(jiān)測分析。

美國南佛羅里達(dá)大學(xué)的 EricT. Steimle[5]等同樣開發(fā)了一款雙體船作為海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。Volker Bertram[6]則介紹了多種無人艇。Justin E. Manley[7]則介紹了近15年來美國開發(fā)的無人艇。

這些無人艇說明其在海洋環(huán)境監(jiān)測及海洋管理方面已經(jīng)應(yīng)用成熟，而且應(yīng)用范圍很廣。

2 無人艇關(guān)鍵技術(shù)研究

為很好的完成任務(wù)使命，無人艇需要具備以下幾大關(guān)鍵技術(shù)。

1）智能水面無人艇系統(tǒng)集成技術(shù)

無人艇需要集成海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)視設(shè)備、信息處理系統(tǒng)等，如何構(gòu)建可靠性高、容錯性強(qiáng)的系統(tǒng)構(gòu)架將直接決定無人艇能否完成任務(wù)[8]。

將基于模塊化思想對無人艇進(jìn)行載體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)、設(shè)備集成，使其具備滿足快速調(diào)試等多種需要的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，與無人艇功能相適應(yīng)的信息綜合處理系統(tǒng)和與任務(wù)需求相適應(yīng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

2）無人艇智能航行及避碰技術(shù)

無人艇要實(shí)現(xiàn)智能自主航行及有效避碰，就必須具備對海上障礙物的自動識別能力和自主避碰能力。典型的障礙如大面積岸區(qū)、船只、淺水障礙，水面障礙物、水中障礙物等。而由于船舶在海上受到波浪影響會產(chǎn)生持續(xù)的隨機(jī)運(yùn)動，相較于陸上的目標(biāo)識別更加困難。而無人艇智能化程度主要體現(xiàn)在自主決策和自動控制技術(shù)。

將利用雷達(dá)、圖像、聲納等探測手段，探測靜止障礙物的距離、大小，移動障礙物的運(yùn)動方向和速度的方法，并在此基礎(chǔ)上研究了無人艇的障礙規(guī)避策略，并通過自航模試驗(yàn)對這一技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。通過這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，無人艇完全可以實(shí)現(xiàn)智能自主航行以及對障礙物進(jìn)行有效避碰。

3）無人艇姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù)

無人艇主要功能是采集并分析水質(zhì)，其任務(wù)模式?jīng)Q定了其應(yīng)具備姿態(tài)穩(wěn)定性能。除了設(shè)計(jì)具備穩(wěn)定性能的船型外，還應(yīng)開發(fā)相應(yīng)穩(wěn)定技術(shù)，提高動態(tài)穩(wěn)定性和航行安全性。

除采用具有良好穩(wěn)定性能的雙體船作為無人艇艇型外，針對不同海況條件下基于特定艇型的無人艇平臺的操縱性能進(jìn)行仿真研究及分析，特別是航向穩(wěn)定性和航行姿態(tài)穩(wěn)定性的研究；對復(fù)雜海洋環(huán)境下無人艇高速航行的穩(wěn)定性理論與方法和無人艇的抗傾覆性、浮態(tài)自恢復(fù)能力進(jìn)行研究?？梢詫?shí)現(xiàn)無人艇在惡劣海況下良好的姿態(tài)穩(wěn)定性。

4）無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)

無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)亦是關(guān)鍵技術(shù)之一，其為信息的獲取與傳輸提供了一條有效途徑，通過模擬或數(shù)字的傳輸方式，將拍攝的圖像及視頻信息傳回地面控制中心。

根據(jù)船舶運(yùn)動的特點(diǎn)，開發(fā)適用于船舶的衛(wèi)星伺服天線。另一方面，利用短波數(shù)傳電臺作為衛(wèi)星鏈路補(bǔ)充和備份，以彌補(bǔ)在衛(wèi)星鏈路終端時，依然能夠?qū)崿F(xiàn)最低限度的通訊和控制能力。從而實(shí)現(xiàn)圖像及視頻的遠(yuǎn)距離傳輸。

5）監(jiān)測設(shè)備保護(hù)技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測設(shè)備將布置在雙體船連接橋上，在無人艇運(yùn)行過程中為保護(hù)探頭避免碰撞水下物體以及微生物附著，在連接橋上增設(shè)可升降裝置。只待無人艇航行至特定區(qū)域時，才通過升降裝置放下探頭進(jìn)行采樣和分析工作，完成工作后隨即升起探頭。這樣就可以省去大量的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

3 無人艇的應(yīng)用前景

3.1 海洋環(huán)境監(jiān)測

當(dāng)下，維護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境是時代使命。在無人艇上布置相應(yīng)的傳感器或設(shè)備，即可對海洋水質(zhì)進(jìn)行分析。具體可以包括：1）海洋氣象要素監(jiān)測，如測定并記錄海域的風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度、鹽度和光合有效輻射等；2）海洋水質(zhì)要素監(jiān)測，如水溫、水深、電導(dǎo)率、pH值、溶解氧、各元素濃度等；3）海洋生物要素監(jiān)測，如對Chl-a、藍(lán)藻濃度等。

具體應(yīng)用如下：1）評定海洋環(huán)境質(zhì)量，為漁業(yè)和養(yǎng)殖提供水質(zhì)信息；2）監(jiān)測工程用海、傾倒等行為，對其污染環(huán)境的程度進(jìn)行界定，為執(zhí)法提供依據(jù)；3）預(yù)報(bào)、監(jiān)測赤潮、海冰、滸苔等自然災(zāi)害，把握災(zāi)害現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，研究災(zāi)害發(fā)生的一般規(guī)律，為相關(guān)部門及時采取有效救災(zāi)措施提供及時全面的信息[9]。

3.2 應(yīng)對緊急事故

隨著海洋資源的開發(fā)，特別是對海洋石油資源的調(diào)查與開發(fā)、海底與海岸工程的建設(shè)，越來越多地遇到海上突發(fā)性事件，如溢油、海上搜救等，對事故的處理、調(diào)查、取證等工作需要在最短的時間內(nèi)得到有效的資料，衛(wèi)星和飛機(jī)等一些調(diào)查手段由于受時間、空管、費(fèi)用等條件的限制，而遇到惡劣氣候條件，無人機(jī)和載人船舶出海的風(fēng)險(xiǎn)急劇加大，因此，能抗大風(fēng)浪的無人艇此時是應(yīng)對緊急事故的首選裝備[10]。

3.3 海洋測繪

對特定海域進(jìn)行海洋測繪工作，一些淺灘、狹窄水域等尚無海洋地理信息的海域，依靠無人艇的特點(diǎn)進(jìn)行測繪工作，進(jìn)而提供海洋地理信息、數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)圖形等。其主要應(yīng)用包括：1）獲取某些海域的具體海洋信息；2）科學(xué)研究，如研究地球的形狀，海底地質(zhì)構(gòu)造的運(yùn)動等；3）實(shí)用工程，如自然資源的勘探與海洋工程、航道工程等。具體涉及到的內(nèi)容包括海洋重力測量、海洋磁力測量、海水面的測定、大地控制與海底控制、定位、測深、海底地形勘測、制圖與MGIS等等[11]。

3.4 海上經(jīng)濟(jì)目標(biāo)保護(hù)

采用無人艇對海上經(jīng)濟(jì)目標(biāo)進(jìn)行巡航保護(hù)，主要是根據(jù)目標(biāo)的分布規(guī)定無人艇的航線，無人艇以游弋方式進(jìn)行巡查。

3.5 監(jiān)控違法行為

給無人艇配置光電偵察設(shè)備，使其具備高分辨圖像、視頻獲取能力，進(jìn)而監(jiān)控違法行為，具體應(yīng)用如下：1）對違法行為如盜采海砂、傾倒、排污等進(jìn)行拍照攝像取證；2）測定海域使用面積，對海域使用進(jìn)行24小時動態(tài)監(jiān)管。

4 結(jié)論

無人艇以其機(jī)動性、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、長時間無人工作等方面的優(yōu)勢，在海洋管理和海洋執(zhí)法上具有巨大的應(yīng)用前景，根據(jù)文章所提遠(yuǎn)海、近海無人艇各自不同的任務(wù)需求，通過設(shè)計(jì)船型、系統(tǒng)及設(shè)備選型來搭載不同的任務(wù)載荷，來解決目前海洋管理和執(zhí)法存在的問題。因此，海洋管理部門應(yīng)以需求為牽引，聯(lián)合研究院所及高校積極開展無人艇各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，推進(jìn)無人艇的實(shí)用化進(jìn)程。

[1] 許祝華, 張彥彥, 楊暉, 等. 海域無人機(jī)遙感監(jiān)測三維立體監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)與研究[J]. 海洋開發(fā)與管理, 30(6): 16-18.

[2] 馬開泉, 葛強(qiáng)林. 非戰(zhàn)爭軍事行動中重要經(jīng)濟(jì)目標(biāo)防護(hù)的戰(zhàn)略思考[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào): 綜合版, 2009, 6(1): 46-50.

[3] 李家良. 水面無人艇發(fā)展與應(yīng)用[J]. 火力與指揮控制, 2012, 37(6): 203-207.

[4] Naeem W, Xu T, Sutton R, et al. The design of a navigation, guidance, and control system for an unmanned surface vehicle for environmental monitoring[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2008,222(2): 67-79.

[5] Steimle E T, Hall M L. Unmanned surface vehicles as environmental monitoring and assessment tools[C]//OCEANS 2006. IEEE, 2006: 1-5.

[6] Manley J E. Unmanned surface vehicles, 15 years of development[C]//OCEANS 2008. IEEE, 2008: 1-4.

[7] Bertram V. Unmanned surface vehicles–a survey[J].Skibsteknisk Selskab, Copenhagen, Denmark, 2008.

[8] 王芳, 宋士林, 葛清忠. 無人機(jī)在海洋調(diào)查中的應(yīng)用前景展望[J]. 海洋開發(fā)與管理, 2013, 30(2):44-45.

[9] 徐玉如, 蘇玉民, 龐永杰. 海洋空間智能無人運(yùn)載器技術(shù)發(fā)展展望[J]. 中國艦船研究, 2006, 1(03):1-04.

[10] 方書甲. 海洋環(huán)境監(jiān)測是海洋發(fā)展和維權(quán)的支撐[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2012, 34(2): 3-10.

[11] 方書甲. 支撐海洋發(fā)展和維權(quán)的海洋環(huán)境監(jiān)測[J].光學(xué)與光電技術(shù), 2011, 9(6): 1-8.

The Application Prospects for Unmanned Surface Vehicle in Marine Management and Law Enforcement of Marine Surveillance

CHEN Feng
(Shanghai Military Representative Burner of Navy Equipment Department, Shanghai 200083, China)

Unmanned surface vehicle has been playing an increasingly large role in military field because of its excellent performance. Aiming at the existing problems in marine management and law enforcement, combined with the characteristics of unmanned surface vehicle, the paper explored and prospected the application of unmanned surface vehicle in marine rights guarding, management and law enforcement of marine surveillance.

unmanned surface vehicle; marine management; marine law enforcement

U674.77

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.006

陳鋒（1964-），男，高級工程師，工程碩士，主要從事艦船監(jiān)造及研究。