無人水面艇在水上交通安全監(jiān)管中的應用

李峰，易宏

1 上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240

2 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240

3 上海交通大學 海洋智能裝備與系統(tǒng)教育部重點實驗室，上海 200240

0 引 言

水上貨物運輸具有運輸能力強、綜合成本低的特點，是目前重要的貨物運輸方式，在國際國內貿易中發(fā)揮著重要作用。特別是隨著我國經濟快速發(fā)展，我國沿海水上經濟活動日趨活躍。然而另一方面，我國海岸線綿長，海區(qū)氣象復雜，情況多變，水上交通安全情況復雜，水上交通事故時常發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，2016年全國共發(fā)生14起死亡失蹤達5人以上的水上交通事故［1］。因此，對水上交通進行安全監(jiān)管，開展水上搜救、船舶安全監(jiān)管、水域巡邏、通航秩序維護、航行警（通）告發(fā)布等工作，提高水上交通安全水平就顯得尤為必要。海事系統(tǒng)作為水上交通安全的監(jiān)管部門，多年來通過水上巡航、船舶自動識別系統(tǒng)（VTS）服務、船舶安全檢查等多種手段，有力地維護了水上安全秩序，保障了人的生命財產安全。然而，隨著水上交通密度的日益加大，以及船舶活動范圍的日益擴展，海事系統(tǒng)水上安全監(jiān)管面臨越來越多的困難。海事裝備，尤其是海事執(zhí)法船艇的智能化水平、抗風險能力以及綜合成本等已經不能適應水上安全監(jiān)管發(fā)展形勢，需要智能化程度更高、抗風險能力更強、綜合成本更低的高性能船艇。近年來，無人水面艇（USV）由于具備較高的智能化水平、較強的機動能力、較低的造價、活動區(qū)域廣、用途廣泛等特點［2-4］，受到越來越多的關注，在多個方面得到了實際應用。海事部門也在密切關注并不斷探索無人水面艇的應用。2013年，海事測量船“海巡166”輪已搭載無人艇開展島礁測量。但是，目前無人水面艇在水上交通安全監(jiān)管領域的應用總體上還處于初級探索階段，需要進一步開展深入研究。本文將基于無人水面艇的發(fā)展及功能定位，全面分析水上交通安全監(jiān)管的使用需要，提出無人水面艇在水上交通安全監(jiān)管工作的應用場景、關鍵技術及實施策略。

1 無人水面艇及其功能定位

無人水面艇的起源可追溯到二戰(zhàn)時期，當時，無人水面艇被作為火炮和靶船使用。戰(zhàn)后，無人水面艇被美軍用來在比基尼島的核彈試驗場收集放射水樣。同一時期，美軍還研制了遙控掃雷艇及導彈練習靶船。自上世紀90年代以來，隨著技術的進步以及美軍地區(qū)戰(zhàn)爭和反恐任務的需要，無人水面艇的研制進入爆發(fā)期。目前，研制應用無人水面艇的國家主要有美國、中國、以色列、歐洲、日本等。美國的“海上貓頭鷹”無人水面艇、“斯巴達偵察兵”水面高速無人水面艇、“水虎魚”無人拖帶艇、CAT-Surveyo無人水面艇，以色列的“保護者”號多用途無人水面艇、“黃貂魚”小型無人水面艇、KATANA新一代無人水面艇，日本的UMV-H和UMV-O無人水面艇，是歐美等發(fā)達國家無人水面艇的典型代表［2-9］。國內在無人水面艇的研究方面起步相對較晚，與歐美發(fā)達國家有一定的技術差距。但總體而言，我國無人水面艇的研制目前處在快速發(fā)展階段。公開報道的主要有中華造船廠于1972年建造的無人遙控掃雷艇、北方某基地裝備部通信修理廠改裝的無人遙控靶船、中國航天科工集團公司沈陽新光公司研制的無人駕駛海上氣象探測船“天象一號”、上海海事局研制的無人測量艇以及上海交通大學、哈爾濱工程大學、上海海事大學、江蘇科技大學等院校研制的無人水面艇［10-16］。

無人水面艇既可應用于軍事領域，也可運用于民用領域。軍事領域的應用時間最久，應用范圍最廣。美國海軍制定的美國無人水面艇總體規(guī)劃全面總結了無人艇在軍事領域的功能定位，即無人水面艇的7類作戰(zhàn)使命，包括反水雷戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、海上安全、水面作戰(zhàn)、支持特種部隊作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、支持海上攔截作戰(zhàn)［6，9］。無人水面艇在民用領域的研究近年來逐步得到推廣深化，已應用于海道測量、污染物追蹤、環(huán)境監(jiān)測等領域。目前，各個研究機構基于更好地實現(xiàn)無人水面艇功能的目的，在多個領域推進了無人水面艇技術研究，主要集中在控制技術、路徑規(guī)劃、布局優(yōu)化、目標識別、自動避碰、目標特征圖像提取及識別等技術領域［17-24］。

2 水上交通安全監(jiān)管

水上交通安全監(jiān)管總體上可以分為水上巡航與水上突發(fā)事件處置2個方面。作為水上交通安全監(jiān)管的主要手段，水上巡航的基本要求為：合理安排巡航船舶、巡航水域、巡航時間和頻度，加強對重點水域、重點時段、重點船舶的監(jiān)管［25］。水上突發(fā)事件處置是在發(fā)生船舶交通事故及污染事故后采取的保障人民生命財產安全的應急措施。

2.1 水上巡航

水上巡航，按照巡航水域不同，可以分為海區(qū)巡航、重要航段巡航和港區(qū)巡航。水上巡航過程中，巡航人員按照要求開展水上巡視檢查，主要包括巡查水域通航環(huán)境，巡視船舶航行、水上水下施工秩序，核查過往船舶等。根據(jù)海事系統(tǒng)規(guī)定，具體的水上巡航任務包括：

1）監(jiān)督執(zhí)行有關水道、航道、港池、錨地等水域有關安全管理規(guī)定的情況，維護交通管制區(qū)、交通密集區(qū)、捕撈作業(yè)區(qū)、橋區(qū)、壩區(qū)、油區(qū)、事故多發(fā)區(qū)等水域正常的通航秩序，保障重點船舶的航行安全；

2）監(jiān)視水域環(huán)境，制止和糾正船舶對水域污染的違法行為，對巡航中發(fā)現(xiàn)的船舶污染水域事故進行初步調查，并采取必要的應急措施；

3）巡視檢查船舶航行、停泊、作業(yè)狀況；

4）巡視檢查碼頭、港外系泊點、裝卸站、船閘及渡口等靠泊設施的安全狀況；

5）制止影響通航安全的捕撈、水上養(yǎng)殖、挖砂、水上娛樂活動等；

6）監(jiān)督船舶遵守船舶定線制、船舶報告制的情況；

7）監(jiān)督檢查水上過駁、水上水下施工、海上平臺及其他水上設施的作業(yè)情況，核查有關航行警（通）告的執(zhí)行情況；

8）檢查航標、水上建筑物安全標志的使用狀態(tài)，糾正危害航標安全和損害航標工作效能的行為；

9）巡視水域內是否存在有礙航行安全的漂流物、礙航物，及時上報本局并采取應急措施；

10）對巡航中發(fā)現(xiàn)的水上交通事故及時報告，必要時做應急處理；

11）根據(jù)協(xié)查通告，核查過往船舶；

12）根據(jù)上級機關的指示或在巡航中獲得遇險信息時，參加搶險、搜救任務，根據(jù)搜救中心或分中心的指定，擔任搜救現(xiàn)場協(xié)調人；

13）按要求觀察、記錄交通密集區(qū)的船舶通過情況，跟蹤了解通過該區(qū)域船舶的狀況，調查巡航水域不同季節(jié)漁船、定置漁具、養(yǎng)殖區(qū)的分布情況；

14）配合VTS指揮系統(tǒng)在覆蓋區(qū)內維護船舶航行秩序。

2.2 水上突發(fā)事件處置

《中華人民共和國突發(fā)事件應對法》明確指出，突發(fā)事件是指突然發(fā)生的，造成或者可能造成嚴重水上危害，需要采取應急處置措施予以應對的自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生事件或社會安全事件。水上突發(fā)事件主要包括水上交通事故和污染事故等，具有突然性，不可預測等特點。這些事件往往會造成巨大的人民生命財產損失和水域環(huán)境污染，帶來嚴重的政治經濟影響。水上突發(fā)事件處置既是對專業(yè)人員突發(fā)事件處置水平的考驗，也在很大程度上檢驗裝備的先進水平。《中國海事工作發(fā)展綱要》（2006-2020）［26］提出“渤海灣、長江口、臺灣海峽、珠江口、瓊州海峽、南中國海等重點水域離岸100 n mile搜救單元的應急到達時間不超過90 min；內河重要航段的應急到達時間不超過45 min；水上人命救助成功率保持在96%以上”的目標，對海事裝備提出了更高的技術要求。

3 無人水面艇在水上交通安全監(jiān)管中的應用分析

海事船艇是海事水上交通安全監(jiān)管的重要執(zhí)法裝備，在水上交通安全監(jiān)管中發(fā)揮著重大作用，尤其是“海巡01”輪，在搜尋馬航MH370、搜救“桑吉”輪等重大水上事件中發(fā)揮了重要作用。但是，目前海事船艇面臨著平均噸位小、平均船速慢、功能單一、在惡劣天氣情況下執(zhí)行任務能力偏弱等不足。在我國直屬海事系統(tǒng)在役執(zhí)法船艇中，尚未建造與“海巡01”輪同類的海事船艇，嚴重影響了水上交通安全監(jiān)管效能的提升。

與海事其他裝備相比較，無人水面艇具有智能化程度高、工作效率高、綜合成本低、反應速度快、抗風險能力強、可在高海況和高危情況下開展工作等優(yōu)勢，是提升水上安全監(jiān)管效能的有效手段。

3.1 無人水面艇綜合布局

海事現(xiàn)有裝備包括巡邏船，以及VTS，船舶交通管理系統(tǒng)（AIS），固定攝像機（CCTV）和飛機等。各類海事裝備發(fā)揮協(xié)同作用，綜合組成海事裝備體系，在水上交通安全監(jiān)管中發(fā)揮作用。將無人水面艇融入現(xiàn)有海事裝備體系，充分發(fā)揮無人水面艇的優(yōu)勢，彌補現(xiàn)有海事裝備體系的不足（表1），能夠進一步提升水上交通安全監(jiān)管成效。

表1 海事裝備與無人水面艇優(yōu)劣勢對比Table 1 Comparison of pros and cons of MSA equipments and USV

按照監(jiān)管水域不同，水上交通安全監(jiān)管工作可分為海區(qū)、重要航段和港區(qū)水上交通安全監(jiān)管。不同的水域，對無人水面艇的性能指標提出了不同的要求。因此，無人水面艇的配置需要綜合考慮不同水域條件下無人水面艇航行方式、承擔功能、數(shù)據(jù)分析技術、實現(xiàn)功能、關鍵技術、搭載設備、支持系統(tǒng)的不同（表2），根據(jù)實際情況，協(xié)同現(xiàn)有海事裝備，形成海事裝備體系綜合布局。

3.2 無人水面艇關鍵技術

無人水面艇具有優(yōu)異的技術指標，具備多種任務性能，高度貼合水上交通安全監(jiān)管需要。但是，無人水面艇應用于水上監(jiān)管領域的部分關鍵技術發(fā)展仍不充分。這些關鍵技術主要包括：

1）自主技術。在通航水域，特別是港口、重要航段等水域，船舶交通密集，通航環(huán)境復雜。無人水面艇在開展水上交通安全監(jiān)管時，需要性能可靠的路徑規(guī)劃方案，能夠實現(xiàn)自主導航、自主避障，從而確保自身安全以及通航水域安全。路徑規(guī)劃方案設計既要符合1972年國際海上避碰規(guī)則、水上通航法律法規(guī)等要求，也要航行路徑優(yōu)，綜合成本低。

2）智能識別。對水上物體的識別是開展水上巡航和搜救工作的基礎。水上物體包括：各種類型的船舶等移動結構物；橋梁、堤壩等固定建筑物；航標、浮標等助航設施；漁網、廢棄物等漂浮物。無人水面艇智能識別技術要能正確識別水上各種物體，正確收集船舶的靜態(tài)信息，正確判斷船舶的動態(tài)信息，正確判別船舶作業(yè)違章行為，以及準確尋找、正確識別落水人員。

3）釋放與回收方法。遠海執(zhí)行任務場景下，無人水面艇需要搭載在飛機、海事船艇等大型海事裝備上。因此，需要設計可靠的釋放與回收裝置，提高無人水面艇的安全性和可用率。

4）無線通信。無人水面艇需要不間斷地傳輸圖像、視頻、語音等信息，以便后臺專業(yè)人員能夠實時判斷水上安全形勢。需要設計性能可靠、成本節(jié)約的無線通信技術，保障無人水面艇能夠及時、有效地與后方通信。

5）良好的船舶性能。水上氣象水文條件復雜，海況多變，特別是水上搜救多在惡劣天氣時進行，需要無人水面艇船舶具備良好的穩(wěn)性、耐波性及可靠性。

3.3 水上巡航應用研究

對照2.1節(jié)介紹的14種水上巡航詳細任務，結合無人水面艇目前的技術進展，部分水上巡航任務可在現(xiàn)有技術條件下實現(xiàn)，如巡視檢查船舶航行、停泊、作業(yè)狀況，監(jiān)督船舶遵守船舶定線制、船舶報告制的情況等；部分水上巡航任務需進一步優(yōu)化技術方案，提高設計水平，如監(jiān)督執(zhí)行有關水道、航道、港池、錨地等水域有關安全管理規(guī)定的情況，維護交通管制區(qū)、交通密集區(qū)、捕撈作業(yè)區(qū)、橋區(qū)、壩區(qū)、油區(qū)、事故多發(fā)區(qū)等水域正常的通航秩序等。另有部分水上巡航任務目前還較難實現(xiàn)，需要等待技術成熟，如配合VTS指揮系統(tǒng)在覆蓋區(qū)內維護船舶航行秩序。具體應用如表3所示，其中，實現(xiàn)等級Ⅰ表示最有可能應用；Ⅱ表示較Ⅰ次之；Ⅲ表示附加較多條件的應用；Ⅳ表示暫時較難應用。

表3 無人水面艇在海事水上巡航應用一覽表Table 3 List of possible functions of USV in maritime patrol

3.4 水上突發(fā)事件處置應用研究

水上突發(fā)事件的突發(fā)性、不可預測的特點對海事部門的應急反應能力提出了高要求。無人水面艇具備高航速、綜合性能強等顯著特點，更加契合水上突發(fā)事件處置要求。以航速為30 kn的無人水面艇為例，以事故距離25 n mile的航程計算，其達到事故現(xiàn)場的時間僅需50 min，是現(xiàn)有海事裝備中最快的（表4）。

不同的水上突發(fā)事件類型、突發(fā)事件離岸距離及自然條件，會應用不同的水上突發(fā)事件應急措施?？傮w上，水上突發(fā)事件分為水上交通事故和水上污染事故，自然條件分為尚可、惡劣兩種類型，離岸距離可分為適中和較遠。根據(jù)目前的水上突發(fā)事件應急處置水平，適中和較遠以距離基地25 n mile為界。根據(jù)無人水面艇的現(xiàn)有功能，目前海事裝備配備情況、無人水面艇在水上突發(fā)事件處置中的應用如表5所示。

表4 各種海事裝備快速反應能力一覽表［27］Table 4 List of response capability of various maritime equipments

表5 無人水面艇在水上突發(fā)事件處置中的應用一覽表Table 5 List of possible functions of USV in maritime emergency disposal

4 結 語

無人水面艇經過短短幾十年的發(fā)展，已在多個領域得到應用。無人水面艇具備的綜合成本低、抗風險能力強、智能化程度高、反應速度快等特點，契合水上交通安全監(jiān)管需求，在水上交通安全監(jiān)管工作中具有廣泛的應用前景。目前，海事系統(tǒng)已經進行了無人水面艇應用的良好探索。

經過任務分析，無人水面艇在水上巡航中，部分可替代目前傳統(tǒng)的巡航工作，部分可與現(xiàn)有海事監(jiān)管手段形成補充，部分需要進一步研發(fā)完善相關技術。在水上突發(fā)事件處置方面，無人水面艇具備無需備航時間、航速快等顯著優(yōu)勢。因此，無人水面艇能有效應用于水上安全監(jiān)管，融入海事裝備體系并成為其中重要的一個組成部分。