基于無(wú)人機(jī)的海事監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

閆東 周乃恩 王誠(chéng)

摘? 要： 我國(guó)海事監(jiān)管海域廣闊，海上交通安全監(jiān)管任務(wù)繁重，海事監(jiān)管系統(tǒng)現(xiàn)有VTS、AIS等監(jiān)管手段均為岸基，主要覆蓋內(nèi)河及近海水域，具備遠(yuǎn)洋執(zhí)法能力的船只數(shù)量有限且受到航速限制，有人機(jī)受到天氣以及飛行安全因素的制約，當(dāng)前的海事監(jiān)管手段無(wú)法對(duì)所轄海域?qū)崿F(xiàn)全方位覆蓋、全天候監(jiān)控以及對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)。因此，目前急需大范圍、長(zhǎng)航時(shí)、快速的海上監(jiān)管手段。無(wú)人機(jī)憑借其成本低、機(jī)動(dòng)靈活、風(fēng)險(xiǎn)小、效能高等優(yōu)點(diǎn)，在海事監(jiān)管方面大有可為。基于無(wú)人機(jī)海事監(jiān)管系統(tǒng)可以搭載高清光電、高清相機(jī)、SAR、高光譜相機(jī)、AIS等任務(wù)載荷以巡邏船3-10倍的巡邏速度開(kāi)展大范圍大視野巡航監(jiān)管、在高海況條件下快速抵進(jìn)事故現(xiàn)場(chǎng)以及全天時(shí)全天候不間斷的海事監(jiān)控。因此，基于無(wú)人機(jī)的海事監(jiān)管系統(tǒng)將有助于進(jìn)一步完善我國(guó)海上交通安全監(jiān)管和服務(wù)體系。

關(guān)鍵詞： 中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī);海事監(jiān)管系統(tǒng);巡航監(jiān)管;應(yīng)急響應(yīng);航務(wù)保障

中圖分類號(hào)： V279? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.014

【Abstract】： China's maritime area is vast and the surveillance task of maritime traffic is heavy， however the existing maritime surveillance means have many disadvantages. VTS and AIS are shore-based， which mainly cover inland rivers and coastal waters. Even the aircrafts can perform surveillance missions for long distance， but they will be highly influenced by weather and other safety factors. It is obvious that the existing maritime surveillance means can not achieve the purposes of omni-directional coverage， all-weather monitoring and rapid response to emergencies. Therefore， there is an urgent need for new maritime surveillance mean with large-scale， long voyage and high speed. UAV system has flexible maneuverability， high efficiency， low risk low cost and so on. The maritime surveillance system based on UAV carrying electron optical， CCD camera， SAR， hyperspectral camera and AIS can perform surveillance tasks at speed of 3-10 times of the patrol ship， quickly arrive at the accident site under high sea conditions and achieve all-day and all-weather maritime surveillance tasks. Thus， the maritime surveillance system based on UAV will lay a good foundation and reference for improving China's maritime traffic safety surveillance and service system.

【Key words】： Medium-altitude long-endurance UAV system; Maritime surveillance system; Cruise surveillance; Emergency response; Navigational inspection

0? 引言

黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書記高度重視科技創(chuàng)新，站在全局的戰(zhàn)略高度，對(duì)我國(guó)海洋事業(yè)作出重要論述，要求進(jìn)一步關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋，推動(dòng)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)不斷取得新成就。2013年9月，交通運(yùn)輸部正式印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)全國(guó)海事系統(tǒng)“革命化、正規(guī)化、現(xiàn)代化”建設(shè)的意見(jiàn)》，明確了海事系統(tǒng)“三化”建設(shè)的指導(dǎo)思想、基本原則、總體目標(biāo)和主要任務(wù)。旨在以海事“三化”建設(shè)為綱領(lǐng)，不斷取得新成就，打造海事中國(guó)夢(mèng)[1-3]。

1? 海事監(jiān)管系統(tǒng)現(xiàn)狀

我國(guó)海事監(jiān)管海域廣闊，尤其是東海、南海兩大邊緣海。隨著近年海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海上交通安全監(jiān)管任務(wù)越來(lái)越重;另外周邊海區(qū)形勢(shì)復(fù)雜，海區(qū)糾紛不斷，我國(guó)島礁被侵占、海域被分割、資源遭掠奪的情況嚴(yán)重，海上安全形勢(shì)嚴(yán)峻。為保障我國(guó)海上交通安全，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益，急需加強(qiáng)遠(yuǎn)海，尤其是糾紛海域的巡航力度，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄海域的全覆蓋[4]。

海事監(jiān)管系統(tǒng)現(xiàn)有VTS、AIS等監(jiān)管手段均為岸基，主要覆蓋內(nèi)河及近海水域，具備遠(yuǎn)洋執(zhí)法能力的船只數(shù)量有限且受到航速限制，有人機(jī)受到天氣以及飛行安全因素的制約，故而當(dāng)前的監(jiān)管手段無(wú)法對(duì)所轄海域?qū)崿F(xiàn)全方位覆蓋、全天候監(jiān)控以及對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)。因此，目前急需大范圍、長(zhǎng)航時(shí)、快速的海上監(jiān)管手段[5-6]。

無(wú)人機(jī)憑借其成本低、機(jī)動(dòng)靈活、風(fēng)險(xiǎn)小、效能高等優(yōu)點(diǎn)，在海事監(jiān)管方面大有可為[6]。首先，海難往往發(fā)生在高海況條件下，此時(shí)出動(dòng)有人機(jī)會(huì)面臨很大風(fēng)險(xiǎn)，使用無(wú)人機(jī)不僅可以降低風(fēng)險(xiǎn)，而且能夠快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)任務(wù)載荷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并及時(shí)通知指揮中心，便于決策指揮，大大提高救助成功率;其次，在海區(qū)船舶活動(dòng)遠(yuǎn)離沿海岸線且相對(duì)分散，使用傳統(tǒng)的船艇巡邏，航速低、視野小、巡視時(shí)間間隔長(zhǎng)，無(wú)人機(jī)的飛行速度至少是巡邏船的3-10倍，借助空中俯視位置高、載荷監(jiān)視視野范圍廣的優(yōu)勢(shì)，監(jiān)管范圍相對(duì)船艇呈指數(shù)擴(kuò)大，監(jiān)管能力大大提高;第三，使用無(wú)人機(jī)可以降低飛行使用成本、減少維護(hù)成本，并實(shí)現(xiàn)不間斷的海事監(jiān)控。因此，將基于中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的海事監(jiān)管系統(tǒng)將有助于進(jìn)一步完善我國(guó)海上交通安全監(jiān)管和服務(wù)體系[7-10]。

2? 無(wú)人機(jī)海事監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)

構(gòu)建無(wú)人機(jī)海事監(jiān)管系統(tǒng)，需要充分考慮無(wú)人機(jī)飛行速度、高度、海上氣象、成像質(zhì)量、數(shù)據(jù)傳輸能力、載荷能力等多方面內(nèi)容，因此本文提出如下系統(tǒng)建設(shè)方案。

2.1? 系統(tǒng)組成

海事應(yīng)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)分系統(tǒng)、測(cè)控與通信分系統(tǒng)、任務(wù)載荷分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)及綜合保障分系統(tǒng)五部分組成，各個(gè)分系統(tǒng)相互配合，共同完成巡航監(jiān)管、應(yīng)急響應(yīng)和航海保障等海事監(jiān)管業(yè)務(wù)。根據(jù)不同的任務(wù)需求，可以采用不同的平臺(tái)配置，如圖1所示的是以東海海域江浙附近為例所構(gòu)建的“3機(jī)2常用起降站1備用起降站1指揮中心”的海事監(jiān)管系統(tǒng)，具體如下。

無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)用戶業(yè)務(wù)級(jí)需求，提供滿足飛行高度、飛行速度、任務(wù)載荷重量功耗、飛行操控方式、飛行作業(yè)區(qū)環(huán)境的無(wú)人機(jī)平臺(tái)。飛行平臺(tái)系統(tǒng)是任務(wù)執(zhí)行方式的必要載體，與測(cè)控與通信系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)有直接的交聯(lián)關(guān)系。

測(cè)控與通信系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)起降及任務(wù)飛行過(guò)程中提供微波視距測(cè)控和超視距衛(wèi)星通信的業(yè)務(wù)功能，在起降時(shí)，使用微波視距鏈路進(jìn)行對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的操作控制，而在超出視距范圍后，微波視距鏈路將操控權(quán)交由衛(wèi)星通信鏈路進(jìn)行執(zhí)行，需多點(diǎn)落地的用戶業(yè)務(wù)級(jí)數(shù)據(jù)均全程使用衛(wèi)星通信鏈路進(jìn)行傳輸。

任務(wù)載荷系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人機(jī)海事監(jiān)管應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵。光學(xué)設(shè)備（高清光電、高清相機(jī)、高光譜相機(jī)等）、微波設(shè)備（SAR、搜索雷達(dá)、對(duì)海雷達(dá)等）、激光設(shè)備（激光雷達(dá)等）、通信設(shè)備（AIS船舶識(shí)別設(shè)備、語(yǔ)音電臺(tái)等）、均可作為任務(wù)載荷分系統(tǒng)的一部分。通過(guò)一體化設(shè)計(jì)和管理，各個(gè)任務(wù)載荷之間能夠?qū)崿F(xiàn)功能互聯(lián)和數(shù)據(jù)分享。

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)旨在將光學(xué)設(shè)備、微波設(shè)備、激光設(shè)備和通信設(shè)備等載荷數(shù)據(jù)及控制合理的集成在一起，形成顯控與數(shù)據(jù)處理于一體的分系統(tǒng)，既可以減少操作人員的操作難度，又可以實(shí)現(xiàn)各種載荷數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與融合，為海事監(jiān)管的情報(bào)獲取、事件決策及指揮調(diào)度奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜合保障分系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)海事監(jiān)管系統(tǒng)得以正常使用的基礎(chǔ)保障，包括在無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)、測(cè)控與通信分系統(tǒng)、任務(wù)載荷分系統(tǒng)等再應(yīng)用過(guò)程中的各類保障條件。

2.2? 無(wú)人機(jī)平臺(tái)分系統(tǒng)

據(jù)無(wú)人機(jī)在海事應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求，結(jié)合常規(guī)海事應(yīng)用的特點(diǎn)，可以確定海事應(yīng)用系統(tǒng)中無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要能力，具體如下。

2.3? 任務(wù)載荷分系統(tǒng)

結(jié)合海事監(jiān)管任務(wù)需求，任務(wù)載荷分系統(tǒng)建議主要分為三部分：一是保障無(wú)人機(jī)飛行安全及通信互聯(lián)的應(yīng)答機(jī)、語(yǔ)音電臺(tái)以及AIS船舶系統(tǒng);其中語(yǔ)音電臺(tái)用于話音指控，AIS船舶系統(tǒng)用于船舶定位，非法船舶識(shí)別等;二是用于海事執(zhí)法、調(diào)查取證、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的高清光電、高清相機(jī)、搜索雷達(dá)等設(shè)備，其中高清光電可對(duì)管控范圍內(nèi)海域進(jìn)行日常巡查及監(jiān)視監(jiān)測(cè)，高清相機(jī)可用于違法行為、助航標(biāo)志等拍照取證，搜索雷達(dá)可與AIS船舶系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)提高對(duì)非法船舶的識(shí)別判斷;三是用于溢油監(jiān)測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)的高光譜相機(jī)、SAR、救援包等設(shè)備，其中高光譜相機(jī)和SAR主要用于溢油監(jiān)測(cè)、油污面積估算，救援包主要用于輔助應(yīng)急救援。三部分任務(wù)載荷設(shè)備相輔相成，共同滿足海事監(jiān)管的各類需求[11-13]。

2.4? 測(cè)控與通信分系統(tǒng)

根據(jù)海事監(jiān)管應(yīng)用業(yè)務(wù)需求，數(shù)據(jù)鏈路分為視距數(shù)據(jù)鏈及衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈兩部分。視距數(shù)據(jù)鏈主要完成無(wú)人機(jī)起降測(cè)控及視距內(nèi)的控制及任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸;衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈主要完成無(wú)人機(jī)超視距飛行的控制及任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)落地傳輸能力。測(cè)控與通信分系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)。

（1）遙控、遙測(cè)數(shù)據(jù)、圖像傳輸;

（2）對(duì)無(wú)人機(jī)跟蹤定位;

（3）飛行數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ);

（4）圖像數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)。

2.5? 數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

飛行過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括高清光電中的可見(jiàn)光、紅外實(shí)時(shí)影像、高清相機(jī)的RAW格式圖像數(shù)據(jù)、高光譜相機(jī)的.png格式原始灰度圖像數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)以及飛控、航姿、GPS等機(jī)載設(shè)備遙測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分為三部分：

（1）數(shù)據(jù)管理：需通過(guò)數(shù)據(jù)鏈下傳至地面端的包括高清光電的可見(jiàn)光、紅外實(shí)時(shí)影像、飛行數(shù)據(jù)以及高清相機(jī)的快視圖，其余為需在機(jī)載端實(shí)時(shí)存儲(chǔ)后進(jìn)行降落后處理的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理：原始數(shù)據(jù)必須通過(guò)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、影像解譯等過(guò)程才能夠在海事監(jiān)管體系中應(yīng)用。針對(duì)不同載荷數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)化可采用如下處理模塊。

（3）數(shù)據(jù)后端處理：標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)交由用戶進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的二次處理，高清視頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接傳輸給用戶單位，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由用戶相關(guān)單位進(jìn)行分發(fā)。

2.6? 綜合保障分系統(tǒng)

綜合保障分系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)海事監(jiān)管系統(tǒng)得以正常使用的基礎(chǔ)保障，主要由維修保障、地勤保障、航務(wù)保障三部分組成。

（1）維修保障：保障飛機(jī)正常出勤和定期檢查，完成飛機(jī)日常保養(yǎng)、起落架和發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)，完成相關(guān)設(shè)備拆裝、校準(zhǔn)、更換。

（2）地勤保障：主要包括油料、電氣、機(jī)務(wù)、運(yùn)輸、后勤及通航保險(xiǎn)等。

（3）航務(wù)保障：主要包括氣象保障、應(yīng)急作業(yè)及日常巡航作業(yè)空域保障、機(jī)場(chǎng)機(jī)庫(kù)保障等。

3? 無(wú)人機(jī)海事監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用

3.1? 應(yīng)用配置

為滿足最低頻次的海事監(jiān)管業(yè)務(wù)，構(gòu)建如下表所示的應(yīng)用配置。

3.2? 應(yīng)用模式

無(wú)人機(jī)起飛后按照預(yù)定區(qū)域的航線進(jìn)行例行巡查或應(yīng)急響應(yīng)，海事執(zhí)勤人員在機(jī)場(chǎng)或海事大廳通過(guò)衛(wèi)星鏈路控制高清光電進(jìn)行觀察，根據(jù)不同任務(wù)需求（巡航監(jiān)管/應(yīng)急響應(yīng)/航務(wù)保障）選取不同任務(wù)載荷（SAR/高光譜相機(jī)/AIS船舶系統(tǒng)/語(yǔ)音電臺(tái)）進(jìn)行條帶搜索、數(shù)據(jù)成像、AIS定位、話音指控等，海事執(zhí)勤人員可根據(jù)空域情況及任務(wù)情況在線調(diào)整航跡進(jìn)行盤旋，并通過(guò)高清光電持續(xù)觀察以確認(rèn)具體情況，再通過(guò)衛(wèi)通鏈路將視頻及圖像實(shí)時(shí)返回指揮大廳，專業(yè)人士判斷是否需要調(diào)動(dòng)海監(jiān)船前往，同時(shí)可啟動(dòng)可見(jiàn)光相機(jī)/高光譜相機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行取證采樣，通過(guò)高清光電鎖定目前區(qū)域地理位置，使用AIS船舶系統(tǒng)獲取船只信息，必要時(shí)使用語(yǔ)音電臺(tái)由對(duì)違法船只/事故船只進(jìn)行喊話，直至結(jié)束任務(wù)返航。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)需要完成的主要工作包括：1、發(fā)現(xiàn)異常;2、地理位置確定;3、定位并奔赴事故地點(diǎn);4、盤旋觀察并指揮;5、投放物資;6、取證留存;7、及時(shí)反饋引導(dǎo)海上行動(dòng)。

4? 總結(jié)與展望

基于無(wú)人機(jī)的海事監(jiān)管系統(tǒng)能夠有效豐富海事監(jiān)管手段、降低海事監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)、壓縮海事監(jiān)管成本，有助于進(jìn)一步完善我國(guó)海上交通安全監(jiān)管和服務(wù)體系。此外，為了使監(jiān)管效果更優(yōu)、監(jiān)管效率更高，后續(xù)還應(yīng)重點(diǎn)研究無(wú)人機(jī)海事監(jiān)管的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)融合，充分利用海洋大數(shù)據(jù)，構(gòu)建方位、全方面、多手段的海事監(jiān)管系統(tǒng)。

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