無人水面和水下航行器在保護(hù)港口和海港的應(yīng)用

康輝

在建設(shè)海洋強(qiáng)國的征程中，無人水面航行器、無人水下航行器將起到重要作用。保護(hù)港口和海港的巨大商業(yè)潛力，將驅(qū)動無人水面航行器、無人水下無人航行器和自主式水下潛航器快速發(fā)展。

現(xiàn)在，一些無人航行器的制造商和客戶，都正在企圖將它們用于保護(hù)商業(yè)或軍用港口和海港的運(yùn)營安全。雖然迄今尚未有正式的應(yīng)用例子，但包括美國金槍魚機(jī)器人公司、美國液體機(jī)器人公司、美國視頻射線公司（Video Ray）和薩博公司都表示，已經(jīng)投入了相當(dāng)?shù)臅r間和資源，探索無人航行器的商業(yè)潛力，包括無人水面航行器（USV）、無人水下航行器（UUV）和自主式水下潛航器（AUV），并努力改進(jìn)這些航行器的性能，增加續(xù)航時間、任務(wù)載荷和數(shù)據(jù)發(fā)送的能力，使它們能沿著預(yù)先規(guī)劃的路線來回巡邏、對水中出現(xiàn)的可疑物和可疑人物保持高度警覺，或繞防波堤監(jiān)測有否毀壞跡象，或?qū)哟策M(jìn)行監(jiān)測等，甚至可以用于監(jiān)測沿海地區(qū)和海事邊界的非法藥物或人口販賣活動，跟蹤高速水面艦船，如巴拿馬“獨(dú)木舟”（Panga）艇和半潛水艇等。

商用航行器

在今年的國際無人機(jī)協(xié)會（AUVSI）的丹佛無人機(jī)系統(tǒng)展上，液體機(jī)器人公司表示正在與一家未命名的港口管理機(jī)構(gòu)共同探索，如何發(fā)揮SV3的“波浪滑翔機(jī)”（Wave Gilder）等作用，包括用多艘“波浪滑翔機(jī)”組成一個船對合的方式進(jìn)行港口的安全保護(hù)。

而現(xiàn)在的“波浪滑翔機(jī)”的功能已經(jīng)有很大提高，能攜帶的任務(wù)載荷包括用于水面和水下艦船探測的拖曳式聲傳感器，以及安裝在艦船甲板的船舶自動識別系統(tǒng)（Als）接收器等任務(wù)載荷和一個高清攝像頭。船舶自動識別系統(tǒng)幫助識別合法和非法船只的活動。高清攝像頭用于近距離拍攝。這些任務(wù)載荷用于視覺識別，所以很適合用于商業(yè)市場，包括港口檢查工作和沿岸地區(qū)的勘測。

而金槍魚機(jī)器人公司也聲稱，正在利用多年的經(jīng)驗(yàn)，使用公司的“金槍魚”（Bluefin）-21/12D/12S/-9M-9AUV系列懸停自主水下航行器（HAUV）和“沙鯊”（Sandshark）微型自主潛航器（MAUV），用于確保港口安全。

金槍魚機(jī)器人公司聲稱，雖然所有系統(tǒng)都可以在確保港口方面發(fā)揮作用，但“金槍魚”9M/9更合適與在靠近岸邊使用。“金槍魚”9和“金槍魚”9M通常能執(zhí)行的各種任務(wù)，包括近海調(diào)查、環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測、反水雷、港口和海港安全；未爆彈藥處置、快速環(huán)境評估和情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）。其中，“金槍魚"9M長僅為2.5m，能在狹窄的商業(yè)或軍事港口和海港環(huán)境中靈活運(yùn)作，以速度5.55km/h機(jī)動時，一次任務(wù)的續(xù)航時間可達(dá)10h，而最高速度可達(dá)到9.25km/h左右。

如果按照續(xù)航時間，4.93m長的“金槍魚”12D/12S處于在金槍魚系列產(chǎn)品的頂端，一次能夠在站位保持長達(dá)30h（D型），可以攜帶多個任務(wù)載荷，包括側(cè)掃聲納Edge 2205、多波束回聲測深儀、底層斷面儀和光電相機(jī)，涵蓋的任務(wù)包括海洋與沿海管理、反水雷（MCM）和水文調(diào)查。

此外，現(xiàn)在最小的水下航行器HAUV，很適合于在水中作船體檢查，配備了高分辨率成像聲納后，可以繞著一艘船或進(jìn)入船體找到船上的瑕疵、缺陷或故障。雖然HAUV還需要一名潛水員花費(fèi)一小部分時間的配合才能完成任務(wù)，但是用聲納可以幫助潛水員和運(yùn)營商更容易地對船體進(jìn)行評估。HAUV不僅能夠自主執(zhí)行任務(wù)，但也可以隨時切換到手動控制，以便潛水員和運(yùn)營商對感興趣的東西進(jìn)行更仔細(xì)的檢查。

挪威的康斯伯格海事公司也通過其子公司海德羅伊德公司也將一系列的“萊姆斯”（REMUS）系列自主式水下潛航器，包括“萊姆斯”100/600/6000，用于港口和海港附近測繪和監(jiān)測指定區(qū)域，提供不同能力級別的航行器，現(xiàn)在已經(jīng)有超過250艘交付給世界各地的民用和軍用客戶，任務(wù)包括協(xié)助海上安全、水文和海洋研究。

康斯伯格海事公司的也專門設(shè)計(jì)了“福金”（Hugin）和“霧尼”（Munin）便攜式監(jiān)測水文地理學(xué)的自主式水下潛航器。公司介紹，“福金”自主式水下潛航器可以攜帶的任務(wù)載荷包括高分辨率干涉合成孔徑聲納、EM 2040多光束回波發(fā)聲器、側(cè)掃聲納、海底斷面儀、靜圖像照相機(jī)和混濁度、甲烷傳感器等。公司特別聲稱，“福金”自主式水下潛航器的任務(wù)載荷的關(guān)鍵特點(diǎn)之一，是所有傳感器可以同時操作，并分別加蓋時間戳數(shù)據(jù)，使得地理參考更容易和更準(zhǔn)確?？邓共窈Ｊ鹿具€表示，如果把多波束回聲測深儀安裝在航行器的正面，就能掃描附著在船體上的威脅，用以評估潛在風(fēng)險(xiǎn)和通過測繪港口和海港的底床，提高港口安全。

公司還特別介紹了“福金”1000型，能將儲存、電池管理、航行器維修、發(fā)射和回收（L&R）的功能部件完全集裝到一個6m的標(biāo)準(zhǔn)箱體中，而將任務(wù)計(jì)劃、航行器測試、任務(wù)執(zhí)行、任務(wù)后期分析（PMA）的功能部件集裝到另一個3m長的標(biāo)準(zhǔn)箱體中，完全滿足全部行動的需要。

民事應(yīng)用航行器的優(yōu)勢

在海事行業(yè)中有一種看法，使用無人航行器會使相當(dāng)一批人員失去工作，但金槍魚機(jī)器人公司認(rèn)為，實(shí)際情況并非如此，例如，對于一般要接受游輪的海港來說，在游輪到達(dá)港口前，都要派遣不同種類的潛水員，沿碼頭進(jìn)行安全檢查，但這種檢查并不總是100%可靠，而且有一定的危險(xiǎn)性。這時如果使用像“金槍魚”Mk 19 HAUV就可以很好地檢查那些碼頭的墩柱樁，快速高效地提供實(shí)時數(shù)據(jù)，并做出相應(yīng)的措施（如果有的話）。這樣做的結(jié)果，并不是要取代潛水員，而只是讓這些潛水員們擺脫有危險(xiǎn)的工作，轉(zhuǎn)向其他更安全的工作，因?yàn)檫€有其他幾十個工作供可以他們選擇，還可能賺更多的錢。

液體機(jī)器人公司更是認(rèn)為，對于港口安全而言，同時使用水面和水下無人航行器的重要意義是能提供不同層面的長期檢測。例如，采用一組“波浪滑翔者”無人水面航行器船隊(duì)，部署成一種柵欄形式，可以滯留在海上數(shù)月或一年，在整個覆蓋區(qū)域和整個季節(jié)，在站位上靜靜地聽著港口和遠(yuǎn)離背景的商船交通產(chǎn)生的噪聲，以更高密度和更高分辨率的傳感器，收集和發(fā)送數(shù)據(jù)，對可疑的船只向管理當(dāng)局作出實(shí)時的早期預(yù)警。反之，如果使用有人駕駛資產(chǎn)，如船舶、飛機(jī)或潛艇來執(zhí)行這種長期、持續(xù)的廣覆蓋的監(jiān)測任務(wù)，是非常不經(jīng)濟(jì)實(shí)用或不安全、甚至是不可行的。

液體機(jī)器人公司還說，無人航行器的離岸監(jiān)視，今后還可以結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)來識別威脅或可疑活動，并可以在整個時間收集交通數(shù)據(jù)用于分析，同時綜合雷達(dá)、通信和其他輸入的信息，優(yōu)化近岸資產(chǎn)的部署，諸如船只、飛機(jī)或陸上人員作出響應(yīng)。這樣就可以將沉悶和危險(xiǎn)的任務(wù)交給無人航行器，從而減少了人員的風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營成本，同時增加整個任務(wù)的效率。通過用無人航行器進(jìn)行巡邏，可以晝夜在各種天氣傾聽、探測是否有可疑目標(biāo)，并警告海岸警衛(wèi)隊(duì)、海軍和國土防衛(wèi)部，需要時派高價值有人駕駛資產(chǎn)進(jìn)行攔截。因此，使用無人值守的資產(chǎn)實(shí)際上改變了海運(yùn)監(jiān)視、監(jiān)測和處理的傳統(tǒng)方式。而民用市場的優(yōu)勢是，此前軍方已經(jīng)試驗(yàn)和積累很多航行器平臺的使用經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在只是將軍事應(yīng)用轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用就是了。

金槍魚公司同時認(rèn)為，無人航行器除了能用于港口安全外，另一個重要應(yīng)用是還可以用于船體檢查。這項(xiàng)工作對于商船公司，一直是一個耗時和昂貴的過程，現(xiàn)在如果能使用一艘自主水下潛航器或遙控潛航器，在水中對一艘船泊進(jìn)行實(shí)時檢查，甚至對一艘在港口卸載集裝箱的船只，對于船主具有重要意義和價值。

這種檢查的好處不僅僅是提供一個船殼現(xiàn)狀的外貌圖，更有價值的是，船主可以根據(jù)檢查結(jié)果確定，這艘船舶是否只需進(jìn)行些一般的現(xiàn)場維護(hù)，還是要送到陸上的船塢中進(jìn)行徹底的檢查和維護(hù)。因?yàn)橐偷酱瑝]中，不僅費(fèi)用昂貴，而且意味著，在這段時間內(nèi)，船舶將無法使用，所以用自主水下潛航器或遙控潛航器檢查，可以大大減少船只在船塢的時間。

軍事港口安全保護(hù)

現(xiàn)在一些軍事單位也在考慮將無人航行器用于保護(hù)軍用港口的安全，包括港口檢查、船體檢查、水雷定位和處理等，使用的界面不僅領(lǐng)域包括海洋，還包括內(nèi)陸湖泊等各種水體。相比民用航行器，有更高的性能和任務(wù)載荷要求。

新西蘭皇家海軍（RNZN）就在試用薩博海眼水下系統(tǒng)公司（Saab Seaeye）的臍帶纜遙控的“獵鷹”（Falcon）遙控潛航器，用以港口偵察和安全保護(hù)任務(wù)。

現(xiàn)在“獵鷹”有“獵鷹”和“獵鷹”DR兩個型別，它們很輕便，所以很容易攜帶到需要的地方，如近岸、近海、隧道等，以及也可為深海探測提供一個很好的平臺。

標(biāo)準(zhǔn)型“獵鷹”的潛水深度300m，遠(yuǎn)超過一般港口的使用深度，能攜帶8.5kg的任務(wù)載荷，包括高分辨率彩色相機(jī)、可變強(qiáng)度150W照明燈和自動深度和定位儀，臍帶纜的最大長度為450m，如采用光纜包可以增加到1100m，而“獵鷹”DR的潛水深度可達(dá)1000m的深度，能攜帶14kg的任務(wù)載荷。

自2003年以來，美國海岸警衛(wèi)隊(duì)（USCG）和美國國土安全部也開始試用美國視頻射線公司的遙控潛航器用于保護(hù)軍用港口的安全。其中最典型的是用公司的Pro 4遙控潛航器，來應(yīng)對由水上簡易爆炸裝置（WBIED）所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

Pro 4遙控潛航器的最大耐壓深度為305m，最大速度為2.1 0m/s，主要任務(wù)載荷包括黑白彩色可切換的前視攝像機(jī)、由32個小型LED燈陣組成的超高亮度照明燈、加速度計(jì)、MEMS陀螺儀（GYRO）、泄漏指示器、溫度以及壓力深度傳感器等，能在渾水中進(jìn)行高分辨率聲納掃描和聲成像，聲納搜索作用距離達(dá)100m、掃描角度達(dá)130°，航行路徑可保存、重復(fù)、取消或臨時改變，系統(tǒng)高度智能化、操作極其簡單，并具有自身位置保持功能。

美國海岸警衛(wèi)隊(duì)計(jì)劃的下一個階段是開展“水下威脅識別一中和”（STID-N）計(jì)劃，目的是發(fā)展遙控潛航器的水雷探測和中和能力。根據(jù)該計(jì)劃，美國視頻射線公司將在原來的Pro 4的滑翹上，加裝一個機(jī)械臂，從而能將一個漂浮標(biāo)記加到可疑目標(biāo)上，稍后再由潛水隊(duì)處理。

2015年，金槍魚機(jī)器人公司宣布，已經(jīng)向美國海軍交付了第四和第五套船體檢查系統(tǒng)，包括兩艘HAUV航行器和相關(guān)支持設(shè)備，用于加強(qiáng)海港海底搜索和其他水下基礎(chǔ)設(shè)施的搜索能力。公司介紹，這種船體檢查系統(tǒng)稱為“金槍魚”MK19 HAUV，可以快速高效地檢查碼頭支墩，同時將信息提供給海軍，公司還聲稱，正在研究一種整合的方式，不僅僅是合并無人航行器，而且使用高于和低于水面?zhèn)鞲衅?，以提供一個非常強(qiáng)大的信息包。

液體機(jī)器人公司同時也承認(rèn)，雖然使用無人水面航行器和無人水下航行器平臺增加了對港口和沿海地區(qū)進(jìn)行有效地分層保護(hù)的能力，但是要探測安靜的電動潛水器仍然非常困難，特別是在船只高流量地區(qū)。