无人机系统在海事执法中的应用

2018-03-23潘杨生

世界海运 2018年10期

潘杨生

一、前言

在人类社会发展进程中，海洋强国与世界强国伴生，互为倚重。真正的世界强国必然需要海权的支持，而无强大的国力则无法形成和维持强大的海权。世界各国均享有海洋权益，开发利用海洋是世界各国不可剥夺的权利。保护海洋的生态环境、维护海洋的和平与稳定也是世界各国不可推卸的共同责任。

中国海洋权益的维护机构很多，其中交通运输部海事局是国家成立的专门管理国家海洋事务的机构。海事局主要职责为“三保一维护”，即保障水上交通安全，保护水上环境清洁，保护船员整体权益，维护国家海上主权。

当前，世界发达国家都在加快海事发展步伐，海事执法队伍已成为保障经济安全、水域清洁、人命安全、反水上恐怖和维护国家海洋领土主权的重要力量，这既为中国海事部门的发展提供了难得的机遇，更提出了严峻的挑战。

二、海事系统的执法力量

1.海事执法的现状

日益成为世界重要政治、军事及经济大国的中国，仍未组建统一的、健全的、与他国类似的海岸警卫力量。虽然近几十年来，中国在海上执法能力建设方面取得了不小的进步，但海上执法力量仍存在着职、权、责不清等问题。中国是世界第一人口大国，陆上资源越来越稀缺，海洋对中国的发展也越来越重要，但现实的情况却是，我国对包括专属经济区在内的近海管控能力还较为薄弱。

在过去很长一段时间内，国内多个部门涉及海上执法业务，对内造成人员、机构和职责的重叠，增加了执法成本和协调难度；对外由于缺乏统一的海上执法部门实体，难以与国外同行展开交流以及加强与周边国家的安全合作，这也造成中国海上执法部门的低效、被动和弱势。直至整合成立了中国海警局，才统一了我国海上维权执法的职责。但我国现役的海上执法船只绝大多数是不足500吨的小艇，舰载直升机数量更少，根本无法满足日常海上巡逻和突发事件处置、海上执法的需要。近几年，国家开始重视大吨位、高性能的海事船艇建造，先后下水了不少大吨位的海巡船艇，为我国海事执法提供了强有力的保障。

2.海事执法装备介绍

上海海事局管理的海巡01号海事巡逻船，是我国迄今规模最大、装备最先进、综合能力最强的大型巡航救助船。

广东海事局管理的海巡31号海事巡逻船，是全国海事系统第一艘拥有直升机起降平台、直升机库和飞行指挥塔等全套船载系统的海巡船，也是我国自行设计建造的第一艘装备直升机库的非军事船舶。

山东海事局管理的海巡11号海事巡逻船，可与岸基海上船舶交通管理系统和船舶自动识别系统联网，也可将本船雷达数据和所监控的海上动态，实时传送到岸基各级指挥中心，实现了船舶助航、海事执法、应急指挥、辅助决策等信息的集成应用。

海南海事局管理的海巡21号海事巡逻船，是中国第一艘千吨级可装备舰载直升机的海事巡逻船，也是中国海事系统最早装备的大吨位海上执法巡逻船。[1]

3.海事执法的制约

由于水上交通的限制，海事执法会遇到各种因素的制约，这些因素对执法造成不小的困难。

（1）恶劣天气安全难保障

海事船舶航速较低，船舶操纵性差，抗风浪能力低。环境条件对现场安全管理效果和救助成功率的影响较大。遇到大风、能见度不良、高海况等恶劣天气，海事艇航行和出动有人飞机的安全系数较难保障。

（2）岸基监视不充分

水面上固定监视设备设置难度大，海事管理的水面监控设备主要依靠码头、桥梁和高空建筑等对临岸水面状况进行实时监控；非临岸的水面情况多采取雷达、AIS等手段进行弥补，但信息量不够充分，不能全面、直观、完整地呈现海事状况。

（3）执法准备时间长

事故现场保存难度较大，因为水流、船舶惯性等原因，事故发生后的第一现场易遭到破坏，造成事故双方对事故责任的确认存在狡辩的空间。

（4）执法出动成本高

危险货物管理的应急和防污染保障不健全。在对辖区内从事危化货物运输的船舶进行监控时，出动海事船艇和执法船效率较低，人力、物力成本过高，取证难度也较大。

三、无人机系统海事应用前景

1.海事行业无人机装备发展

海事船艇行动较慢，在复杂海域的航行和繁忙港口的调度都较为困难，虽然目前国内部分海事执法船搭载了有人直升机，但有人直升机在恶劣海况下为保障人员安全不能出动，同时有人直升机的使用成本较高，无法满足高密度、高强度的执法需求。

近十年来无人机的发展十分迅速，国内在无人机技术和产品上都有了很大的进步。无人机作为一种可以遥控或自主模式在空中飞行，可以通过搭载不同的任务载荷，完成一项或多项任务的小型化、智能化飞行平台，在海事应用中也有很大的潜力。

解决好无人机在海洋环境下的飞行稳定、数据传输、船载电磁兼容和起降方便等问题，就能使无人机在海事应用中发挥更大的作用。

目前适合海事应用的无人机按照飞行原理区分主要有固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机、垂直起降固定翼无人机等，按照动力类型区分主要有油动无人机、电动无人机、混合动力无人机和太阳能无人机等。各类无人机在海事应用中都有自己独特的优势。[2]

（1）固定翼无人机

固定翼无人机是最早发展的一类无人机，早期通过对有人固定翼飞机进行改装使其成为无人机。经过长期发展，固定翼无人机已逐渐摆脱有人固定翼飞机的机舱设计，尤其是电传飞控和无线控制技术的发展，使得固定翼无人机在结构上能有更多的优化，更加提升了任务载荷的搭载能力。[2]

固定翼无人机因为其良好的空气动力学外形，在各类无人机续航时间方面有明显优势，也就扩大了巡航范围，在海事应用中能解决常态化、固定航线、大范围的监视作业。

固定翼无人机需要跑道进行滑跑起飞和降落，为适应海事船艇空间狭小的特点，近些年固定翼也发展出了手抛、弹射等起飞方式和撞网、天钩、开伞等降落方式。但要想将固定翼无人机通过上述方式降落在海事船艇的甲板上还是有一定风险的，轻者损坏船艇设施，重则造成人员伤亡。

为更好地发挥固定翼无人机的优势，可修建岸基海事无人机基地，采用大型油动固定翼无人机，在岸基无人机机场采用跑道完成起飞降落，进行濒海长时的巡航监视；同时，在海事船艇上配置小型电动固定翼无人机，采用手抛起飞、开伞降落的方式作业，主要用于在海事船艇周边的应急巡视取证。这样既能发挥固定翼的长航时优势，又能避免船载固定翼带来的操作风险。[3]

（2）无人直升机

无人直升机的机械机构与有人直升机大体一致，但与有人直升机相比，无人直升机因为无人员伤亡、体积更小、造价更低、生存力强等特点，在许多方面具有有人直升机无法比拟的优越性。与固定翼无人机相比，无人直升机可垂直起降、空中悬停、朝任意方向飞行，对起飞、着陆场地要求少，具备在海事船艇的甲板上起降的能力。[4]

近些年无人直升机飞控技术的发展，使得无人直升机的操作更加简单，在起降阶段也可以实现完全自主化，航线巡视阶段不再需要飞行员过多地介入，确保了任务载荷采集数据的质量。同时，无人直升机采用可变距式桨叶结构，能通过调节桨叶桨距来增加升力，而且这种直接式机械结构调节能让升力响应更快，所以无人直升机可以面对高风速的复杂海况。近些年小型化重油航空发动机的发展，弥补了电动无人直升机的续航短板。

无人直升机是最能兼容目前海事船艇的无人机，部分海事船艇上已有的有人直升机甲板可以直接作为无人直升机的起降场地。海事船艇搭载2～3架无人直升机，可实现对船艇周围80～100千米的监视覆盖。同时，可以在海事局管辖港口部署3～5架无人直升机，可实现对港口船舶的实时不间断监控。

（3）多旋翼无人机

多旋翼无人机是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的旋翼无人机。通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距不变，通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的前后移动过、左右移动、自旋、爬升降落。

多旋翼无人机在国内的发展十分迅速，并且在行业级应用中也推出了不少产品。相较于无人直升机，多旋翼无人机结构更加简单，后期维护方便；相较于固定翼无人机，多旋翼无人机可以像无人直升机一样垂直起降，适用于海事船艇狭小的甲板空间。近几年多旋翼无人机也针对海洋盐雾环境对结构进行了三防设计，延长电子元器件的寿命。同时，为增加续航时间，多旋翼无人机可采用油动发电机的混合动力驱动方式，在尽量不增加结构复杂程度的前提下，使续航时间得到了很大的提升。

多旋翼无人机巡航时间方面较为薄弱，可搭载在海事船艇上用于小范围的空中悬停监视，由于相较固定翼无人机飞行更加灵活，可用于对事故船舶和危物船舶的环绕航拍取证。同时，为弥补多旋翼无人机的续航时间短的不足，近几年还发展出了系留式多旋翼无人机，通过系留绳提供电力可确保多旋翼无人机长航时不间断悬停，对事故救险期间的近距离、长时间监测是很有应用前景的。

（4）垂直起降固定翼无人机

垂直起降固定翼无人机是近几年才出现的复合翼无人机，在结构上整合了固定翼和多旋翼的特点，可以不借助跑道完成起降，还可以在空中悬停。

垂直起降固定翼无人机在起飞阶段，推进动力停止，起降用的旋翼启动产生升力，使无人机能直接垂直起飞；垂直起飞到达一定高度后，推进动力启动，无人机平飞，旋翼动力关闭；到达降落地点上空时，起降用旋翼启动，推进动力停止，无人机缓慢垂直降落。

由于垂直起降固定翼无人机只在起降阶段是旋翼模式工作，巡航阶段是固定翼模式工作，相对无人直升机和多旋翼无人机而言，垂直起降固定翼无人机续航时间更加有优势。同时相对固定翼无人机而言，又具备在海事船舶甲板上的垂直起降能力。

岸基固定翼无人机只适用于濒海巡航监视，但对于远海的巡航监视，尤其是我国南海地区的众多岛礁，大型固定翼无人机的巡航监视无法覆盖。采用海事船艇搭载垂直起降固定翼无人机，可在执法船航行进入南海腹地后，启动2～4架垂直起降固定翼无人机完成对周围海岛、船舶、海工平台等目标的巡航监视。

2.无人机系统海事应用优势

海事局在进行执法中，主要采用的是船艇和搭载的有人直升机，船艇的航行速度较慢，而有人直升机要保障人员安全，也会受到很多限制。无人机相较海事艇和有人飞机在执法过程中主要有如下明显优势：

（1）监控无人化、智能化

无人机最明显的特征就是飞行和任务执行的自主化，为其设定好飞行路线和作业任务后，其可自主飞行，不受海域船舶和礁石的阻隔，到达作业海域上空后可自主或远程遥控方式采集相关海事信息。

在海上救助中可以利用无人机自主飞行快速到达事故现场，并在目标区上空设置巡视航线搭配任务载荷进行低速扫描式搜索，指挥中心能远程看到搜索图像，便于决策指挥，为下一步的救援部署提供帮助，减少了大量的人力投入，从而将救助人员从繁重的、高强度的水上任务中解放出来。

（2）监控范围更广

在海区，船舶活动远离沿海岸线，且相对分散，使用船艇巡逻时，航速低，视野小，巡视间隔时间长，且受自然条件制约程度较大，只能是线性管理，呈带状覆盖。若使用搭载任务设备的无人机进行巡航，巡航速度能达巡逻船的3～10倍；借助空中俯视位置高、设备监控视界范围广的优势，无人机监管范围相对船艇呈级数扩大。尤其是将执法船舶和无人机结合起来，发挥各自优势，可以有效实现对“面”的监视和对“点”的控制，同时也能减少船艇不必要的初期投入和庞大的维护费用。

（3）执法作业更高效、更标准

采用无人机进行执法作业，不仅弥补了高海况下的有人机无法出动的限制，而且弥补了海事船艇速度较慢的缺陷。采用无人机作业，可以省去船艇调度、有人机调度、人员维护等环节，以保证反应的快速性和调查的及时性，防止事故进一步扩大。

以防污染保障为例，海上溢油发生后的最初数小时是最有效的行动时机，否则扩散后很难清除。无人机在监测成本、天气适应性和操作便利性方面具有明显的优势，且石油开发平台通常远离大陆，在一段时间内位置相对稳定，可运用无人机，设定固定巡航线路对石油开发平台区域进行巡航监测，及时发现溢油状况，使执法作业更加标准化。

（4）模块化设计，功能多样

无人机搭载的任务载荷采用模块化设计，可以通过根据不同的执法作业要求更换不同的任务载荷，进一步降低了执法成本。

对溢油应急行为而言，无人机可搭载多个任务载荷对溢油区域进行航拍采集，提供的动态高空图像可为清理人员提供实时漏油扩散信息（漏油范围、厚度及扩散轨迹等）。因此，无人机有效地弥补了航空和卫星遥感监测的诸多不足，是对传统海洋监控系统的良好补充和提升。