無(wú)人直升機(jī)在海事領(lǐng)域的應(yīng)用研究

王鵬，石磊，巫艷明

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

我國(guó)地處亞歐大陸東部，太平洋西岸，擁有一望無(wú)際的海岸線，海洋國(guó)土面積超過(guò)3×106km2，海上交通密集，險(xiǎn)情多發(fā)，監(jiān)管任務(wù)繁重。無(wú)人直升機(jī)以其機(jī)動(dòng)靈活、可長(zhǎng)時(shí)間飛行、部署快速、無(wú)人員傷亡、效費(fèi)比高等優(yōu)勢(shì)，可在海事監(jiān)管海域監(jiān)管范圍內(nèi)執(zhí)行日常巡航、溢油監(jiān)視監(jiān)測(cè)、違章查處、海上重大事件安保、應(yīng)急搜救、通信中繼、喊話等任務(wù)。

目前海事系統(tǒng)推行的立體化監(jiān)管體系主要采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)監(jiān)管手段相結(jié)合的模式，其中包括船舶交管中心（VTS）、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）和視頻監(jiān)控（CCTV）等電子靜態(tài)監(jiān)管手段；海巡船日常巡邏，海事直升機(jī)和固定翼飛機(jī)不定期巡航，以及海巡車(chē)機(jī)動(dòng)應(yīng)急指揮處置等動(dòng)態(tài)監(jiān)管方式。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有安全監(jiān)管水平已有很大提高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，現(xiàn)有的海事裝備在監(jiān)管范圍、時(shí)效性、運(yùn)行成本等方面仍存在一些問(wèn)題和不足，僅僅依靠現(xiàn)有裝備已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前及未來(lái)海事“陸、海、空”三維立體監(jiān)管的需要。例如日常海事巡航，現(xiàn)有有人駕駛直升機(jī)或固定翼飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本高，且受天氣因素和飛行員生理因素影響，導(dǎo)致空中巡航監(jiān)管無(wú)法實(shí)現(xiàn)常態(tài)化。隨著無(wú)人直升機(jī)載重能力、可靠性和安全性等性能指標(biāo)不斷提升，其在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無(wú)人直升機(jī)的技術(shù)成熟度已經(jīng)能滿(mǎn)足日常海事巡航監(jiān)管的需求，為豐富海事系統(tǒng)的監(jiān)管手段，實(shí)現(xiàn)常態(tài)化空中巡航監(jiān)管提供了新的解決方案。

圖1 海事無(wú)人直升機(jī)。

無(wú)人直升機(jī)優(yōu)勢(shì)

無(wú)人直升機(jī)搭載海事任務(wù)載荷，可在監(jiān)管海域內(nèi)執(zhí)行日常巡航、溢油監(jiān)視監(jiān)測(cè)、違章查處、海上重大事件安保、應(yīng)急搜救、通信中繼、喊話驅(qū)離等任務(wù)。相對(duì)傳統(tǒng)手段，無(wú)人直升機(jī)應(yīng)用于海事系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)。

機(jī)動(dòng)性強(qiáng)適宜應(yīng)急

海上事故和自然災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)，其隨機(jī)性、不可預(yù)知性則要求主管部門(mén)必須快速判明情況，組織指揮救援。小型無(wú)人直升機(jī)具有對(duì)起降地點(diǎn)要求低、自主飛行能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)部署，采用遠(yuǎn)程遙控方式在異地起飛后，快速抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域，而無(wú)需大規(guī)模人員轉(zhuǎn)場(chǎng)，具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，執(zhí)行任務(wù)的方式也更加機(jī)動(dòng)靈活，效率高。

執(zhí)行持久廣域海面巡航任務(wù)

無(wú)人直升機(jī)機(jī)上無(wú)飛行員，不會(huì)發(fā)生人員疲勞問(wèn)題，經(jīng)過(guò)適當(dāng)維修保養(yǎng)后，可連續(xù)執(zhí)行任務(wù)。其滯空時(shí)間僅依賴(lài)于平臺(tái)的性能指標(biāo)，特別適宜執(zhí)行持久、廣域海面搜索和監(jiān)視任務(wù)，實(shí)現(xiàn)常態(tài)化巡航監(jiān)管。

實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信息

無(wú)人直升機(jī)適合在高危環(huán)境中探測(cè)、飛行速度快。相較傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，無(wú)人直升機(jī)可深入事故、災(zāi)害中心區(qū)域，最大限度接近目標(biāo)，收集的情報(bào)信息可信度高，監(jiān)測(cè)效果更佳，為溢油等事故調(diào)查取證提供有效證據(jù)。同時(shí)，無(wú)人直升機(jī)具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸能力，第一時(shí)間為應(yīng)急指揮決策提供數(shù)據(jù)，信息時(shí)效性強(qiáng)。

安全可靠

無(wú)人直升機(jī)操控員與平臺(tái)分離，且位于安全區(qū)域，即使出現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)墜落等情況，也不會(huì)造成人員傷亡，損失大幅降低。

受起降場(chǎng)地限制小

無(wú)人直升機(jī)不需要專(zhuān)用跑道，對(duì)起降環(huán)境要求低，可在沿岸復(fù)雜地形快速起降，執(zhí)行任務(wù)。

效費(fèi)比高

與直升機(jī)相比，無(wú)人直升機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造成本相對(duì)較低，售價(jià)也相應(yīng)更低，用戶(hù)的直接采購(gòu)成本大幅下降。在人員培訓(xùn)方面，培訓(xùn)一個(gè)無(wú)人直升機(jī)機(jī)組與培訓(xùn)一位飛行員相比，無(wú)論是周期還是費(fèi)用都大幅縮減。由此可見(jiàn)，無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)能以相對(duì)較低的成本，實(shí)現(xiàn)更大的作用，效費(fèi)比大幅提升。

使命任務(wù)

無(wú)人直升機(jī)作為海事監(jiān)管系統(tǒng)的重要組成部分，主要在近海、重要港口、航線及錨地等重點(diǎn)區(qū)域執(zhí)行日常巡航監(jiān)管、應(yīng)急支持和通航保障等海事任務(wù)。

日常巡航監(jiān)管

（1） 船舶巡查、監(jiān)督

無(wú)人直升機(jī)巡查、監(jiān)督船舶在航道、港池、錨地等區(qū)域執(zhí)行有關(guān)安全管理規(guī)定的情況，監(jiān)督船舶遵守避碰規(guī)則、船舶定線制等情況；

（2）海域環(huán)境監(jiān)視

無(wú)人直升機(jī)定期巡查航道、錨地等通道密集區(qū)，加強(qiáng)有污染隱患區(qū)域的巡查，對(duì)存在非法排污行為的船舶進(jìn)行及時(shí)追蹤、調(diào)查取證；

（3）港區(qū)作業(yè)巡查

無(wú)人直升機(jī)巡查碼頭、港外系泊點(diǎn)、裝卸站、渡口等設(shè)施的安全狀況，對(duì)影響通航安全的捕撈、海上養(yǎng)殖、挖砂、海上娛樂(lè)活動(dòng)等行為進(jìn)行及時(shí)追蹤、調(diào)查取證，及時(shí)報(bào)告巡航中發(fā)現(xiàn)的海上交通事故，必要時(shí)做應(yīng)急處理；

圖2 典型應(yīng)用場(chǎng)景圖。

圖3 無(wú)人直升機(jī)執(zhí)行日常巡查監(jiān)管任務(wù)。

（4）溢油監(jiān)視監(jiān)測(cè)

無(wú)人直升機(jī)在重要海域巡航，借助機(jī)載任務(wù)設(shè)備監(jiān)控溢油、船舶傾廢情況，對(duì)發(fā)現(xiàn)、控制和清除溢油起到支撐作用。

應(yīng)急支持

（1）應(yīng)急搜尋和定位

接到海上遇險(xiǎn)報(bào)告后，快速啟動(dòng)無(wú)人直升機(jī)在相關(guān)海域開(kāi)展應(yīng)急搜尋，并將遇險(xiǎn)位置實(shí)時(shí)回傳至后方指揮中心；

（2）應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)支持

無(wú)人直升機(jī)快速飛赴應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)低速盤(pán)旋或懸停監(jiān)測(cè)，將現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)回傳給指揮中心，供應(yīng)急輔助決策，或通過(guò)海事對(duì)講系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指揮和協(xié)調(diào)；

（3）搜救物資拋投

無(wú)人直升機(jī)攜帶輕便救生圈、海上應(yīng)急示位標(biāo)至事故地點(diǎn)投放應(yīng)急物資。

通航保障

（1）通航秩序維護(hù)

無(wú)人直升機(jī)可維護(hù)交通管制區(qū)、交通密集區(qū)、捕撈作業(yè)區(qū)、橋區(qū)、油區(qū)、事故多發(fā)區(qū)等海域的通航秩序，保障重點(diǎn)船舶的航行安全；

（2）航海保障

無(wú)人直升機(jī)巡查助航、導(dǎo)航標(biāo)志、水上建筑物安全標(biāo)志的使用狀態(tài)，巡查海域內(nèi)是否存在妨礙航行安全的漂流物、礙航物；

（3）交通密集區(qū)通航環(huán)境調(diào)查

無(wú)人直升機(jī)觀察、拍攝、跟蹤了解船舶在交通密集區(qū)的通過(guò)情況，調(diào)查巡航海域不同季節(jié)漁船、定置漁具、養(yǎng)殖區(qū)分布情況；

（4） 重大活動(dòng)保障

利用無(wú)人直升機(jī)對(duì)中央、地方政府以及軍隊(duì)的一些重大海上活動(dòng)進(jìn)行通航保障，如大型海上運(yùn)動(dòng)會(huì)、軍事演習(xí)、衛(wèi)星發(fā)射海上保障等。

典型任務(wù)剖面

圖4 無(wú)人機(jī)開(kāi)展應(yīng)急支持。

圖5 無(wú)人直升機(jī)執(zhí)行通航保障任務(wù)。

無(wú)人直升機(jī)搭載光電、擴(kuò)音、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、海事對(duì)講系統(tǒng)和拋投等設(shè)備在監(jiān)管海域執(zhí)行日常巡查監(jiān)管、應(yīng)急支持、通航保障等任務(wù)，通過(guò)任務(wù)設(shè)備將監(jiān)管畫(huà)面、船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)信息、語(yǔ)音信息回傳至地面指揮中心，第一時(shí)間提供信息。同時(shí)也可向船只擴(kuò)音喊話或海事對(duì)講系統(tǒng)對(duì)講喊話，向遇險(xiǎn)海域拋投應(yīng)急物資或示位標(biāo)，提供應(yīng)急支持。

日常巡查監(jiān)管及通航保障

（1）無(wú)人直升機(jī)在海事基地展開(kāi)飛行準(zhǔn)備，如掛載任務(wù)設(shè)備、加注燃油等

（2）利用地面控制站，控制無(wú)人直升機(jī)垂直起飛；

（3）無(wú)人直升機(jī)轉(zhuǎn)入斜爬升飛行狀態(tài)；

（4）無(wú)人直升機(jī)進(jìn)入巡航高度后按預(yù)設(shè)航線進(jìn)入監(jiān)管海域；

（5）無(wú)人直升機(jī)對(duì)監(jiān)管航道、港地、錨地等海域開(kāi)展日常巡查和觀測(cè)記錄；如果遇到非法捕撈、養(yǎng)殖、挖砂等違法行為，無(wú)人直升機(jī)進(jìn)入盤(pán)旋飛行狀態(tài)，對(duì)違法船只和行為進(jìn)行船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)收集、喊話、語(yǔ)音通話并拍攝取證，將搜集的信息實(shí)時(shí)回傳至地面指揮中心；

（6）執(zhí)行航海保障任務(wù)時(shí)，無(wú)人直升機(jī)到達(dá)任務(wù)高度后，對(duì)任務(wù)海域進(jìn)行巡航，檢查助航裝置、海上建筑物的使用狀態(tài)，并將拍攝信息實(shí)時(shí)回傳至指揮中心；

（7）執(zhí)行重大活動(dòng)保障時(shí)，無(wú)人直升機(jī)到達(dá)任務(wù)高度后，對(duì)任務(wù)海域進(jìn)行巡航，如遇到影響重大活動(dòng)的船只或障礙物，進(jìn)入盤(pán)旋飛行狀態(tài)，對(duì)障礙物進(jìn)行定位，對(duì)船只進(jìn)行船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)收集、喊話以及語(yǔ)音通話，指導(dǎo)其駛離活動(dòng)區(qū)域；

（8）完成巡查任務(wù)后，無(wú)人直升機(jī)返航。

應(yīng)急支持

（1）接到任務(wù)后，為無(wú)人直升機(jī)掛裝任務(wù)設(shè)備，裝填救生物資，加注燃油等；

（2）利用地面控制站控制無(wú)人直升機(jī)垂直起飛；

（3）無(wú)人直升機(jī)轉(zhuǎn)入斜爬升飛行狀態(tài)；

（4）進(jìn)入巡航高度后，無(wú)人直升機(jī)按預(yù)設(shè)航線進(jìn)入任務(wù)海域；

圖6 日常巡查監(jiān)管及保障任務(wù)執(zhí)行過(guò)程。

圖7 應(yīng)急支持任務(wù)過(guò)程。

（5）執(zhí)行應(yīng)急搜索和定位任務(wù)時(shí)，無(wú)人直升機(jī)對(duì)事故發(fā)生的海域開(kāi)展搜索，當(dāng)搜索到被困船只或人員時(shí)，通過(guò)定位裝置進(jìn)行目標(biāo)定位，并將遇險(xiǎn)位置實(shí)時(shí)傳輸至指揮中心；

（6）開(kāi)展應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)支持時(shí)，無(wú)人直升機(jī)根據(jù)目標(biāo)位置，進(jìn)入盤(pán)旋飛行狀態(tài)，實(shí)時(shí)拍攝事故現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)并回傳至指揮中心，供應(yīng)急輔助決策，并通過(guò)擴(kuò)音設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)喊話和提醒；

（7）需要拋投搜救物資時(shí)，無(wú)人直升機(jī)利用拋投設(shè)備將救生衣等物資投送給被困人員；

（8）完成應(yīng)急支持任務(wù)后，無(wú)人直升機(jī)返航。

關(guān)鍵技術(shù)

復(fù)雜海洋環(huán)境下的通信技術(shù)

在無(wú)人直升機(jī)飛行高度較低時(shí)，無(wú)線通信需在海面環(huán)境下進(jìn)行，無(wú)線電信號(hào)受海水鏡面反射效應(yīng)影響，產(chǎn)生無(wú)線電信號(hào)疊加，多徑傳輸引起信道衰落。鑒于無(wú)線電信號(hào)在復(fù)雜海面上，特別是在有波浪的海面上傳輸時(shí)會(huì)受到各種干擾、吸收和衰減，如果在波浪波谷處發(fā)送無(wú)線電信號(hào)，大部分信號(hào)能量會(huì)被波浪阻擋和吸收，加大了通信的誤碼率。因此，需要對(duì)一種適用于海面無(wú)線通信環(huán)境，具備自愈能力的自適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究，建立高效、可靠的海面無(wú)線通信系統(tǒng)和通信機(jī)制，提高信道利用率。

海上目標(biāo)智能識(shí)別技術(shù)

多光譜、紅外、可見(jiàn)光影像分別用于溢油監(jiān)測(cè)、夜間偵察和日常電視監(jiān)視監(jiān)測(cè)。不同場(chǎng)景中這三種非同元傳感器具有不同目標(biāo)的監(jiān)測(cè)能力。因此，需要以傳感器的成像特性、像素精度、作用距離等多個(gè)角度為突破口開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，建立適用于無(wú)人直升機(jī)機(jī)載平臺(tái)，具有對(duì)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別功能的傳感器決策融合方式，以達(dá)到更高的使用效能。

精準(zhǔn)投放技術(shù)

針對(duì)無(wú)人直升機(jī)的應(yīng)急支持需求，研究多體耦合飛行動(dòng)力學(xué)建模、多體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制等一系列飛行控制技術(shù)，以及復(fù)雜海洋環(huán)境下的救援物資精準(zhǔn)投放技術(shù)，解決投放過(guò)程存在的模型不確定性和旋翼下洗流、海上惡劣氣象條件如強(qiáng)風(fēng)等外部干擾因素對(duì)投放性能的影響，對(duì)失事人員、船只實(shí)施精準(zhǔn)救援。

海面應(yīng)急迫降技術(shù)

無(wú)人直升機(jī)在執(zhí)行海事作業(yè)時(shí)，一旦遭遇飛行安全故障，需進(jìn)行海面應(yīng)急迫降。應(yīng)急漂浮系統(tǒng)可以提高無(wú)人直升機(jī)海上飛行的安全性，確保無(wú)人直升機(jī)在應(yīng)急迫降時(shí)在海面穩(wěn)定漂浮，為救援人員從海面成功撈起無(wú)人直升機(jī)爭(zhēng)取時(shí)間。因此，需針對(duì)無(wú)人直升機(jī)自轉(zhuǎn)下滑特性，開(kāi)展無(wú)人直升機(jī)應(yīng)急漂浮系統(tǒng)技術(shù)研究。

與其它裝備相比，無(wú)人直升機(jī)應(yīng)用于海事領(lǐng)域，具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)如垂直起降、定點(diǎn)懸停、低空飛行、無(wú)需專(zhuān)用跑道、響應(yīng)速度快、搜索范圍廣、使用方式靈活、體積小、重量輕、研制和維護(hù)成本低、無(wú)人員傷亡等特點(diǎn)。無(wú)人直升機(jī)作為一種新的輔助手段應(yīng)用到海事監(jiān)管領(lǐng)域，能夠進(jìn)一步補(bǔ)充完善海事監(jiān)管服務(wù)體系，優(yōu)化海上安全監(jiān)管體系，對(duì)全面推進(jìn)我國(guó)海事現(xiàn)代化發(fā)展具有積極意義?！?/p>