無人直升機在海事領域的應用研究

王鵬，石磊，巫艷明

中國直升機設計研究所

我國地處亞歐大陸東部，太平洋西岸，擁有一望無際的海岸線，海洋國土面積超過3×106km2，海上交通密集，險情多發(fā)，監(jiān)管任務繁重。無人直升機以其機動靈活、可長時間飛行、部署快速、無人員傷亡、效費比高等優(yōu)勢，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、違章查處、海上重大事件安保、應急搜救、通信中繼、喊話等任務。

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）、自動識別系統(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，海事直升機和固定翼飛機不定期巡航，以及海巡車機動應急指揮處置等動態(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，但從長遠來看，現(xiàn)有的海事裝備在監(jiān)管范圍、時效性、運行成本等方面仍存在一些問題和不足，僅僅依靠現(xiàn)有裝備已無法滿足當前及未來海事“陸、海、空”三維立體監(jiān)管的需要。例如日常海事巡航，現(xiàn)有有人駕駛直升機或固定翼飛機的運營和維護成本高，且受天氣因素和飛行員生理因素影響，導致空中巡航監(jiān)管無法實現(xiàn)常態(tài)化。隨著無人直升機載重能力、可靠性和安全性等性能指標不斷提升，其在許多領域得到廣泛應用。無人直升機的技術(shù)成熟度已經(jīng)能滿足日常海事巡航監(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 海事無人直升機。

無人直升機優(yōu)勢

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

機動性強適宜應急

海上事故和自然災害突發(fā)性強，其隨機性、不可預知性則要求主管部門必須快速判明情況，組織指揮救援。小型無人直升機具有對起降地點要求低、自主飛行能力強、操作簡單等特點，當緊急情況發(fā)生時，可在短時間內(nèi)實現(xiàn)機動部署，采用遠程遙控方式在異地起飛后，快速抵達目標區(qū)域，而無需大規(guī)模人員轉(zhuǎn)場，具備較強的環(huán)境適應性，執(zhí)行任務的方式也更加機動靈活，效率高。

執(zhí)行持久廣域海面巡航任務

無人直升機機上無飛行員，不會發(fā)生人員疲勞問題，經(jīng)過適當維修保養(yǎng)后，可連續(xù)執(zhí)行任務。其滯空時間僅依賴于平臺的性能指標，特別適宜執(zhí)行持久、廣域海面搜索和監(jiān)視任務，實現(xiàn)常態(tài)化巡航監(jiān)管。

實時傳輸數(shù)據(jù)信息

無人直升機適合在高危環(huán)境中探測、飛行速度快。相較傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，無人直升機可深入事故、災害中心區(qū)域，最大限度接近目標，收集的情報信息可信度高，監(jiān)測效果更佳，為溢油等事故調(diào)查取證提供有效證據(jù)。同時，無人直升機具備數(shù)據(jù)實時傳輸能力，第一時間為應急指揮決策提供數(shù)據(jù)，信息時效性強。

安全可靠

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

受起降場地限制小

無人直升機不需要專用跑道，對起降環(huán)境要求低，可在沿岸復雜地形快速起降，執(zhí)行任務。

效費比高

與直升機相比，無人直升機結(jié)構(gòu)更簡單，生產(chǎn)制造成本相對較低，售價也相應更低，用戶的直接采購成本大幅下降。在人員培訓方面，培訓一個無人直升機機組與培訓一位飛行員相比，無論是周期還是費用都大幅縮減。由此可見，無人直升機系統(tǒng)能以相對較低的成本，實現(xiàn)更大的作用，效費比大幅提升。

使命任務

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

日常巡航監(jiān)管

（1） 船舶巡查、監(jiān)督

無人直升機巡查、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

無人直升機定期巡查航道、錨地等通道密集區(qū)，加強有污染隱患區(qū)域的巡查，對存在非法排污行為的船舶進行及時追蹤、調(diào)查取證；

（3）港區(qū)作業(yè)巡查

無人直升機巡查碼頭、港外系泊點、裝卸站、渡口等設施的安全狀況，對影響通航安全的捕撈、海上養(yǎng)殖、挖砂、海上娛樂活動等行為進行及時追蹤、調(diào)查取證，及時報告巡航中發(fā)現(xiàn)的海上交通事故，必要時做應急處理；

圖2 典型應用場景圖。

圖3 無人直升機執(zhí)行日常巡查監(jiān)管任務。

（4）溢油監(jiān)視監(jiān)測

無人直升機在重要海域巡航，借助機載任務設備監(jiān)控溢油、船舶傾廢情況，對發(fā)現(xiàn)、控制和清除溢油起到支撐作用。

應急支持

（1）應急搜尋和定位

接到海上遇險報告后，快速啟動無人直升機在相關(guān)海域開展應急搜尋，并將遇險位置實時回傳至后方指揮中心；

（2）應急現(xiàn)場支持

無人直升機快速飛赴應急現(xiàn)場，在現(xiàn)場低速盤旋或懸停監(jiān)測，將現(xiàn)場信息實時回傳給指揮中心，供應急輔助決策，或通過海事對講系統(tǒng)進行現(xiàn)場指揮和協(xié)調(diào)；

（3）搜救物資拋投

無人直升機攜帶輕便救生圈、海上應急示位標至事故地點投放應急物資。

通航保障

（1）通航秩序維護

無人直升機可維護交通管制區(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，保障重點船舶的航行安全；

（2）航海保障

無人直升機巡查助航、導航標志、水上建筑物安全標志的使用狀態(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

無人直升機觀察、拍攝、跟蹤了解船舶在交通密集區(qū)的通過情況，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） 重大活動保障

利用無人直升機對中央、地方政府以及軍隊的一些重大海上活動進行通航保障，如大型海上運動會、軍事演習、衛(wèi)星發(fā)射海上保障等。

典型任務剖面

圖4 無人機開展應急支持。

圖5 無人直升機執(zhí)行通航保障任務。

無人直升機搭載光電、擴音、自動識別系統(tǒng)、海事對講系統(tǒng)和拋投等設備在監(jiān)管海域執(zhí)行日常巡查監(jiān)管、應急支持、通航保障等任務，通過任務設備將監(jiān)管畫面、船載自動識別系統(tǒng)信息、語音信息回傳至地面指揮中心，第一時間提供信息。同時也可向船只擴音喊話或海事對講系統(tǒng)對講喊話，向遇險海域拋投應急物資或示位標，提供應急支持。

日常巡查監(jiān)管及通航保障

（1）無人直升機在海事基地展開飛行準備，如掛載任務設備、加注燃油等

（2）利用地面控制站，控制無人直升機垂直起飛；

（3）無人直升機轉(zhuǎn)入斜爬升飛行狀態(tài)；

（4）無人直升機進入巡航高度后按預設航線進入監(jiān)管海域；

（5）無人直升機對監(jiān)管航道、港地、錨地等海域開展日常巡查和觀測記錄；如果遇到非法捕撈、養(yǎng)殖、挖砂等違法行為，無人直升機進入盤旋飛行狀態(tài)，對違法船只和行為進行船載自動識別系統(tǒng)收集、喊話、語音通話并拍攝取證，將搜集的信息實時回傳至地面指揮中心；

（6）執(zhí)行航海保障任務時，無人直升機到達任務高度后，對任務海域進行巡航，檢查助航裝置、海上建筑物的使用狀態(tài)，并將拍攝信息實時回傳至指揮中心；

（7）執(zhí)行重大活動保障時，無人直升機到達任務高度后，對任務海域進行巡航，如遇到影響重大活動的船只或障礙物，進入盤旋飛行狀態(tài)，對障礙物進行定位，對船只進行船載自動識別系統(tǒng)收集、喊話以及語音通話，指導其駛離活動區(qū)域；

（8）完成巡查任務后，無人直升機返航。

應急支持

（1）接到任務后，為無人直升機掛裝任務設備，裝填救生物資，加注燃油等；

（2）利用地面控制站控制無人直升機垂直起飛；

（3）無人直升機轉(zhuǎn)入斜爬升飛行狀態(tài)；

（4）進入巡航高度后，無人直升機按預設航線進入任務海域；

圖6 日常巡查監(jiān)管及保障任務執(zhí)行過程。

圖7 應急支持任務過程。

（5）執(zhí)行應急搜索和定位任務時，無人直升機對事故發(fā)生的海域開展搜索，當搜索到被困船只或人員時，通過定位裝置進行目標定位，并將遇險位置實時傳輸至指揮中心；

（6）開展應急現(xiàn)場支持時，無人直升機根據(jù)目標位置，進入盤旋飛行狀態(tài)，實時拍攝事故現(xiàn)場狀態(tài)并回傳至指揮中心，供應急輔助決策，并通過擴音設備進行現(xiàn)場喊話和提醒；

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

（8）完成應急支持任務后，無人直升機返航。

關(guān)鍵技術(shù)

復雜海洋環(huán)境下的通信技術(shù)

在無人直升機飛行高度較低時，無線通信需在海面環(huán)境下進行，無線電信號受海水鏡面反射效應影響，產(chǎn)生無線電信號疊加，多徑傳輸引起信道衰落。鑒于無線電信號在復雜海面上，特別是在有波浪的海面上傳輸時會受到各種干擾、吸收和衰減，如果在波浪波谷處發(fā)送無線電信號，大部分信號能量會被波浪阻擋和吸收，加大了通信的誤碼率。因此，需要對一種適用于海面無線通信環(huán)境，具備自愈能力的自適應聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行研究，建立高效、可靠的海面無線通信系統(tǒng)和通信機制，提高信道利用率。

海上目標智能識別技術(shù)

多光譜、紅外、可見光影像分別用于溢油監(jiān)測、夜間偵察和日常電視監(jiān)視監(jiān)測。不同場景中這三種非同元傳感器具有不同目標的監(jiān)測能力。因此，需要以傳感器的成像特性、像素精度、作用距離等多個角度為突破口開展技術(shù)攻關(guān)，建立適用于無人直升機機載平臺，具有對目標自動識別功能的傳感器決策融合方式，以達到更高的使用效能。

精準投放技術(shù)

針對無人直升機的應急支持需求，研究多體耦合飛行動力學建模、多體協(xié)調(diào)運動控制等一系列飛行控制技術(shù)，以及復雜海洋環(huán)境下的救援物資精準投放技術(shù)，解決投放過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風等外部干擾因素對投放性能的影響，對失事人員、船只實施精準救援。

海面應急迫降技術(shù)

無人直升機在執(zhí)行海事作業(yè)時，一旦遭遇飛行安全故障，需進行海面應急迫降。應急漂浮系統(tǒng)可以提高無人直升機海上飛行的安全性，確保無人直升機在應急迫降時在海面穩(wěn)定漂浮，為救援人員從海面成功撈起無人直升機爭取時間。因此，需針對無人直升機自轉(zhuǎn)下滑特性，開展無人直升機應急漂浮系統(tǒng)技術(shù)研究。

與其它裝備相比，無人直升機應用于海事領域，具備獨特優(yōu)勢如垂直起降、定點懸停、低空飛行、無需專用跑道、響應速度快、搜索范圍廣、使用方式靈活、體積小、重量輕、研制和維護成本低、無人員傷亡等特點。無人直升機作為一種新的輔助手段應用到海事監(jiān)管領域，能夠進一步補充完善海事監(jiān)管服務體系，優(yōu)化海上安全監(jiān)管體系，對全面推進我國海事現(xiàn)代化發(fā)展具有積極意義?！?/p>