海事無人機(jī)智能化發(fā)展解析與展望

高學(xué)英　孫迪　劉勝利

【摘 要】 為發(fā)揮海事無人機(jī)的最大效能，從海事系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)、信息綜合利用、運(yùn)行管理和健康管理等多個(gè)角度分析當(dāng)前海事無人機(jī)發(fā)展中存在的問題，分析海事無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃、作業(yè)、信息處理和健康管理等4個(gè)智能化發(fā)展方向，提出智慧海事無人機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)架構(gòu)和海事無人機(jī)智能化發(fā)展建議。

【關(guān)鍵詞】 海事無人機(jī);智能化;故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)

0 引 言

近年來，無人機(jī)在海事監(jiān)管業(yè)務(wù)中的應(yīng)用越來越廣泛。多年實(shí)踐證明，無人機(jī)作為海事空中監(jiān)管力量正發(fā)揮著越來越重要的作用，無人機(jī)已成為海事系統(tǒng)“陸?？仗臁币惑w化水上交通運(yùn)輸安全保障體系設(shè)施裝備中不可或缺的重要組成部分。2021年5月，交通運(yùn)輸部海事局印發(fā)了《海事系統(tǒng)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，提出推進(jìn)輕型、小型無人機(jī)應(yīng)用，加強(qiáng)空海協(xié)同、空海聯(lián)動(dòng)，推進(jìn)海事監(jiān)管精準(zhǔn)化和智能化水平。海事無人機(jī)是一種新型海事監(jiān)管裝備，其數(shù)字化、智能化發(fā)展趨勢(shì)明顯。在無人機(jī)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行體系構(gòu)建中，海事系統(tǒng)應(yīng)貫徹新發(fā)展理念，依托5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)推進(jìn)海事無人機(jī)智能化發(fā)展，發(fā)揮其最大效能。

1 問題分析

（1）協(xié)同作業(yè)優(yōu)勢(shì)有待挖掘。由于無人機(jī)單機(jī)留空時(shí)間短、單次作業(yè)覆蓋范圍有限，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄監(jiān)管水域全面覆蓋或?qū)χ攸c(diǎn)水域全面覆蓋。若根據(jù)轄區(qū)特點(diǎn)和監(jiān)管需求，采用多機(jī)接力、編隊(duì)、分水域作業(yè)，以及監(jiān)測(cè)圖像信息拼接、多信息融合等協(xié)同作業(yè)方式，可在單次作業(yè)中實(shí)現(xiàn)大范圍高效巡航監(jiān)管作業(yè)。另外，現(xiàn)有VTS、AIS、CCTV等岸基監(jiān)管系統(tǒng)可供海事部門獲取包括船舶基本靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)位置信息及水域圖像信息等近岸水域信息。若海事無人機(jī)與岸基監(jiān)管系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)信息交互、監(jiān)測(cè)信息融合等方式進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，可有效提升船舶監(jiān)管效率、執(zhí)法取證能力，擴(kuò)展船舶監(jiān)管范圍等。當(dāng)前海事無人機(jī)以單機(jī)作業(yè)為主，尚未形成多機(jī)協(xié)同及與岸基監(jiān)管系統(tǒng)、海事船舶協(xié)同作業(yè)的模式，有待進(jìn)一步挖掘多系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)優(yōu)勢(shì)。

（2）運(yùn)行智能化水平有待提升。當(dāng)前無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行主要依靠專業(yè)運(yùn)維人員親臨現(xiàn)場(chǎng)操控作業(yè)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)偏遠(yuǎn)海域或內(nèi)河水域常態(tài)化監(jiān)管和快速應(yīng)急處置需求，尤其是大型中遠(yuǎn)程固定無人機(jī)、無人直升機(jī)的運(yùn)行高度依賴素養(yǎng)過硬的專業(yè)人員。對(duì)于大規(guī)模使用的海事監(jiān)管無人機(jī)，若采用當(dāng)前運(yùn)行模式，則需要相當(dāng)規(guī)模且運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的專業(yè)人員隊(duì)伍支撐。這對(duì)海事系統(tǒng)而言，難度較大，嚴(yán)重制約了海事無人機(jī)布局和使用。此外，對(duì)于海事力量薄弱、基礎(chǔ)設(shè)施條件差的偏遠(yuǎn)水域，依靠人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的運(yùn)行模式則難以發(fā)揮海事無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。急需提高無人機(jī)遠(yuǎn)距離操控、異地操控和自主補(bǔ)給等智能化水平，減少對(duì)專業(yè)操控人員的依賴，實(shí)現(xiàn)海事監(jiān)管人員在不親臨現(xiàn)場(chǎng)情況下也可操控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)無人化和智能化，以解決海事偏遠(yuǎn)水域無人機(jī)快速抵達(dá)和常態(tài)化使用的問題。

（3）故障預(yù)測(cè)與健康管理能力有待加強(qiáng)。隨著海事無人機(jī)規(guī)模越來越大、機(jī)型越來越豐富，無人機(jī)運(yùn)行安全和維護(hù)問題更加凸顯。為確保無人機(jī)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，須及時(shí)掌握無人機(jī)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)，避免“帶病”作業(yè)。當(dāng)前海事無人機(jī)運(yùn)行維護(hù)主要依靠使用人員根據(jù)購置機(jī)型保養(yǎng)要求進(jìn)行機(jī)械式管理和保養(yǎng)，沒有考慮到海上復(fù)雜作業(yè)環(huán)境、貯存條件、人員使用和維護(hù)不當(dāng)對(duì)無人機(jī)的損耗影響，加之無法及時(shí)掌握和評(píng)估系統(tǒng)的健康狀態(tài)，缺少對(duì)系統(tǒng)故障的預(yù)測(cè)，導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)不及時(shí)，且缺乏系統(tǒng)性和針對(duì)性，容易造成系統(tǒng)維保不足，影響系統(tǒng)使用壽命和可靠性，威脅系統(tǒng)作業(yè)安全。

（4）信息資源利用效益有待提升。無人機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生作業(yè)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障、環(huán)境等大量信息，但這些信息的利用效益較低。目前海事部門主要是對(duì)無人機(jī)作業(yè)獲取的任務(wù)信息（圖像、位置等）進(jìn)行處理后用于監(jiān)管業(yè)務(wù)，并未很好地利用系統(tǒng)產(chǎn)生的大量重要信息。如歷史作業(yè)任務(wù)信息和作業(yè)環(huán)境信息可用于轄區(qū)船舶交通運(yùn)行規(guī)律、安全風(fēng)險(xiǎn)、船舶違章等態(tài)勢(shì)分析和預(yù)測(cè);作業(yè)狀態(tài)信息、運(yùn)行環(huán)境信息及故障信息可用于無人機(jī)系統(tǒng)安全狀況評(píng)估和故障預(yù)測(cè)分析等。這些信息對(duì)提高海事無人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)效率和系統(tǒng)安全運(yùn)管水平有重要意義，但由于對(duì)信息的重視程度不夠和使用模式問題，大量信息沒有被很好地保存和利用，造成數(shù)據(jù)資源浪費(fèi)。

2 發(fā)展方向

2.1 任務(wù)規(guī)劃的智能化

無人機(jī)系統(tǒng)若要高效發(fā)揮作用，首先要根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行合理任務(wù)規(guī)劃。當(dāng)前，海事系統(tǒng)無人機(jī)以單機(jī)作業(yè)為主，任務(wù)規(guī)劃相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著海事無人機(jī)建設(shè)和應(yīng)用逐步完善、作業(yè)要求的不斷提高，海事無人機(jī)需從作業(yè)任務(wù)多樣性和時(shí)效性、多機(jī)型和多系統(tǒng)等多維度進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃（見圖1），同時(shí)還要考慮天氣、空管、起降條件等諸多外部因素影響，海事無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃工作復(fù)雜性急劇增加，單純依靠人員短時(shí)間內(nèi)規(guī)劃合理、安全、高效的無人機(jī)任務(wù)方案難度極大，通過計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)挖掘等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃的智能化。任務(wù)規(guī)劃的智能化對(duì)安全、高效發(fā)揮海事無人機(jī)系統(tǒng)具有重要意義。

2.2 作業(yè)的智能化

無人機(jī)作業(yè)智能化主要體現(xiàn)在智能化系統(tǒng)操控、智能化貯存補(bǔ)給和智能化信息處理等3個(gè)方面。

（1）智能化系統(tǒng)操控。無人機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控可解決偏遠(yuǎn)水域無人機(jī)響應(yīng)不及時(shí)和專業(yè)運(yùn)維隊(duì)伍建設(shè)困難的問題，即通過高速、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程部署無人機(jī)實(shí)時(shí)操控。若要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程操控，則需要解決現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)和環(huán)境信息精準(zhǔn)檢測(cè)、高速傳輸和精準(zhǔn)判斷等關(guān)鍵問題;另外，還要提高無人機(jī)自適應(yīng)能力，即自主識(shí)別和判斷作業(yè)環(huán)境安全的能力。目前國(guó)內(nèi)已有較為成熟的無人機(jī)遠(yuǎn)程操控技術(shù)。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，無人機(jī)遠(yuǎn)程操控技術(shù)將更精準(zhǔn)和可靠，可以有效支撐海事無人機(jī)遠(yuǎn)距離、智能化作業(yè)需求。

（2）智能化貯存補(bǔ)給。若要真正實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)行，還需解決系統(tǒng)無人收放和供能問題。當(dāng)前在多旋翼無人機(jī)電力巡線作業(yè)中出現(xiàn)的“龍巢”系統(tǒng)是用于無人機(jī)停留和充電的?！褒埑病钡牡撞颗溆袩o線充電系統(tǒng)，當(dāng)與無人機(jī)底部的金屬環(huán)接觸時(shí)，即可對(duì)無人機(jī)進(jìn)行充電。“龍巢”本身架設(shè)于高壓電線塔上，可通過外接電源、感應(yīng)和太陽能等3種方式獲得穩(wěn)定電能?！褒埑病毕到y(tǒng)的艙門支持自動(dòng)開閉可抵御強(qiáng)風(fēng)和暴雨等惡劣天氣?！褒埑病迸溆泄饫w接口，可以使用電力系統(tǒng)的光纖線路來進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳輸。海事無人機(jī)系統(tǒng)，尤其是中小型電動(dòng)旋翼無人機(jī)、垂直起降固定翼無人機(jī)系統(tǒng)的建設(shè)和布局，可借鑒該技術(shù)，結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)，在偏遠(yuǎn)海島、內(nèi)河干線偏遠(yuǎn)水域，依托海事通信基站鐵塔、供電和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施或借助民用供電和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，構(gòu)建海事無人機(jī)智能貯存補(bǔ)給系統(tǒng)，即構(gòu)建海事“龍巢”系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)水域海事無人機(jī)長(zhǎng)期駐守和應(yīng)急需求。[1]2F07AD23-CD7D-41A4-BC7C-F25361D0CF4A

（3）智能化信息處理。海事無人機(jī)系統(tǒng)更多的作用是通過機(jī)載光電、合成孔徑雷達(dá)（SAR）、多光譜、機(jī)載AIS等設(shè)備進(jìn)行識(shí)別、定位和跟蹤采集海上船舶、油污、遇險(xiǎn)人員等目標(biāo)。近年來，圖像信息采集技術(shù)的提高，使得可獲取的水上目標(biāo)信息更加準(zhǔn)確和豐富。僅依靠作業(yè)人員目視識(shí)別監(jiān)測(cè)圖像中的水上目標(biāo)，作業(yè)效率低下且容易遺漏重要信息。近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及高速信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)已十分成熟。根據(jù)不同實(shí)際業(yè)務(wù)需求，海事無人機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行快速識(shí)別、定位、跟蹤等智能化分析處理，并自動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)報(bào)告，有利于降低作業(yè)人員工作強(qiáng)度和對(duì)專業(yè)人員的依賴度、提升海事無人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)效率和使用便捷度。

2.3 健康管理的智能化

無人機(jī)健康狀況的精準(zhǔn)化和智能化管理，可有效提升無人機(jī)的安全性、減少系統(tǒng)維護(hù)成本，對(duì)海事無人機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。海事無人機(jī)智能健康管理主要是通過對(duì)無人機(jī)作業(yè)全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，并結(jié)合無人機(jī)實(shí)時(shí)和歷史作業(yè)遙測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備歷史運(yùn)行和監(jiān)測(cè)維修數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)潛在故障進(jìn)行診斷和系統(tǒng)健康評(píng)估，預(yù)測(cè)系統(tǒng)壽命，并給出系統(tǒng)維護(hù)管理優(yōu)化方案，從而實(shí)現(xiàn)海事無人機(jī)系統(tǒng)精準(zhǔn)維護(hù)管理。實(shí)現(xiàn)智能化精準(zhǔn)健康管理的關(guān)鍵是要做好信息采集與融合、故障分析與診斷、健康評(píng)估等環(huán)節(jié)。借助先進(jìn)可靠的傳感器和信息傳輸設(shè)備獲取無人機(jī)實(shí)時(shí)作業(yè)和狀態(tài)信息，包括顯示無人機(jī)運(yùn)行情況的飛行速度、迎角、軌跡俯仰角等飛行參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件、任務(wù)載荷的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警及故障等信息，顯示地面測(cè)控系統(tǒng)、通信鏈路等運(yùn)行情況的部件運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警及故障等信息，以及影響系統(tǒng)運(yùn)行安全和可靠性的溫度、濕度、風(fēng)況、雨雪等環(huán)境信息。利用故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)（PHM）結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等相關(guān)技術(shù)，對(duì)來自無人機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)維人員、運(yùn)維資源、歷史數(shù)據(jù)等各類信息進(jìn)行融合分析處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的故障判別、預(yù)測(cè)、健康狀況評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)并給出合理維修維護(hù)方案等[2，3]。海事無人機(jī)智能化健康管理技術(shù)框架見圖2。

3 智慧海事無人機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足海事系統(tǒng)各層級(jí)單位對(duì)無人機(jī)安全、高效運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)海事無人機(jī)智能化發(fā)展，可通過構(gòu)建智慧海事無人機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其架構(gòu)主要包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和用戶層，見圖3。

（1）基礎(chǔ)層：可細(xì)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、感知層、通信層?；A(chǔ)設(shè)施層為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)硬件支撐服務(wù)，主要包括無人機(jī)系統(tǒng)、起降場(chǎng)地、維修保障物資，無人機(jī)貯存/補(bǔ)給設(shè)備設(shè)施、協(xié)同船舶等;感知層主要是為系統(tǒng)智能化運(yùn)行提供實(shí)時(shí)信息的前端感知設(shè)備，包括無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)傳感器、光電偵查設(shè)備、機(jī)載雷達(dá)等任務(wù)設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備等;通信層主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分的及時(shí)、高速信息傳輸，主要包括光纖、專網(wǎng)、IP、4G/5G/Wi-Fi、VHF岸臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等。

（2）數(shù)據(jù)層：主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)資源環(huán)境和數(shù)據(jù)服務(wù)，分為系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)和接入數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括無人機(jī)系統(tǒng)、人員機(jī)構(gòu)、維修資源等配套設(shè)備設(shè)施的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息;應(yīng)用數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)維修保養(yǎng)的歷史信息、累計(jì)的大量歷史作業(yè)信息、系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)決策信息，以及國(guó)家相關(guān)的政策、規(guī)范信息等;外接數(shù)據(jù)主要包括VTS/AIS等關(guān)聯(lián)海事監(jiān)管系統(tǒng)和環(huán)境接入數(shù)據(jù)等。

（3）支撐層：主要為系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐，由云平臺(tái)支撐、大數(shù)據(jù)支撐和應(yīng)用系統(tǒng)支撐環(huán)境組成。云平臺(tái)支撐主要包括云計(jì)算管理、數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用中間件等;大數(shù)據(jù)支撐主要包括數(shù)據(jù)交換共享、數(shù)據(jù)服務(wù)組件及智能數(shù)據(jù)分析中間件等;應(yīng)用系統(tǒng)支撐主要包括地理信息服務(wù)、報(bào)表工具、身份管理等。

（4）應(yīng)用層：主要實(shí)現(xiàn)海事無人機(jī)運(yùn)行管理相關(guān)業(yè)務(wù)功能，包括作業(yè)任務(wù)智能規(guī)劃，巡航監(jiān)管、應(yīng)急處置、貯存補(bǔ)給、可視化展示等作業(yè)管理，系統(tǒng)健康管理及系統(tǒng)日常運(yùn)行管理等功能。

應(yīng)在設(shè)備設(shè)施、組織機(jī)構(gòu)和人員隊(duì)伍等完備的安全保障體系基礎(chǔ)上，在國(guó)家無人機(jī)運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與政策法規(guī)允許條件下建設(shè)和運(yùn)行無人機(jī)管理系統(tǒng)。

4 相關(guān)建議

（1）推進(jìn)海事無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)前海事無人機(jī)主要是從市場(chǎng)上采購的滿足要求的產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品往往不能全面契合海事業(yè)務(wù)特點(diǎn)要求，更難以滿足智能化運(yùn)行管理要求。海事系統(tǒng)應(yīng)加快推進(jìn)海事無人機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)編制，根據(jù)不同業(yè)務(wù)需要，確定使用無人機(jī)機(jī)型及功能定位，主要性能、起降/補(bǔ)給要求、數(shù)據(jù)接口、載荷品類性能及配套設(shè)施設(shè)備等，引導(dǎo)市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)，以推進(jìn)海事無人機(jī)系統(tǒng)智能化發(fā)展。

（2）優(yōu)化無人機(jī)系統(tǒng)布局。只有當(dāng)無人機(jī)配置達(dá)到一定規(guī)模后，才會(huì)體現(xiàn)出海事無人機(jī)系統(tǒng)智能化運(yùn)行高效、協(xié)同的優(yōu)勢(shì)。因此，海事無人機(jī)機(jī)型、數(shù)量和空間的合理布局對(duì)海事無人機(jī)系統(tǒng)高效運(yùn)行至關(guān)重要。建議結(jié)合實(shí)際需求，綜合考慮岸基監(jiān)管系統(tǒng)、船舶等系統(tǒng)協(xié)同需求，以及建設(shè)條件和機(jī)構(gòu)設(shè)置情況等各種因素，對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化布局。

（3）強(qiáng)化保障體系建設(shè)。海事無人機(jī)使用頻率高、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，使用機(jī)型多、規(guī)模較大，為保障海事無人機(jī)系統(tǒng)可靠、高效運(yùn)行，須建立完善的海事無人機(jī)保障體系。建議從海事系統(tǒng)層面統(tǒng)籌考慮運(yùn)行維護(hù)保障體系建設(shè)和布局，深入研究與相關(guān)廠商、機(jī)場(chǎng)和運(yùn)維單位等建立多形式合作機(jī)制，構(gòu)建區(qū)域海事無人機(jī)保障中心，解決海事無人機(jī)運(yùn)行后顧之憂。

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