無人機(jī)在沿海助航設(shè)施狀態(tài)巡檢的應(yīng)用場景及示范分析

一、引言

近年來，“新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”合作倡議的提出，為我國航運業(yè)發(fā)展帶來了新機(jī)遇;同時，近海通航水域船舶交通流日趨繁忙、助航設(shè)施配布增加，航海安全保障與交通安全監(jiān)管面臨更大挑戰(zhàn)?！逗Ｊ潞胶１Ｕ稀笆濉卑l(fā)展規(guī)劃》提出：到2020 年，我國將基本建成覆蓋全面、管理高效、服務(wù)優(yōu)質(zhì)、保障及時的綜合航海保障體系。為實現(xiàn)上述規(guī)劃目標(biāo)，亟需激發(fā)科技創(chuàng)新活力、構(gòu)建全新的航海保障信息服務(wù)技術(shù)體系。

無人機(jī)具有機(jī)動性好、適應(yīng)能力強、效率高、風(fēng)險低等優(yōu)點，在水上安全監(jiān)管、應(yīng)急保障以及基站巡檢等場景中擁有巨大應(yīng)用潛力。結(jié)合海事巡航船舶、VTS、AIS、CCTV等，可構(gòu)建全方位立體海事保障、監(jiān)管與搜救 體系，提升我國海上執(zhí)法、效能監(jiān)管、助航設(shè)施保障和應(yīng)急處置水平?；跓o人機(jī)的海事航海保障體系主要包含無人機(jī)平臺、業(yè)務(wù)載荷、測控數(shù)據(jù)鏈、地面信息處理系統(tǒng)、綜合保障與維修系統(tǒng)等五大部分。高建豐探討了無人化、智能化系統(tǒng)在航標(biāo)巡檢中的應(yīng)用，并重點對比了無人船與無人機(jī)兩類設(shè)備的技術(shù)特點?；跓o人機(jī)在航海保障業(yè)務(wù)中的應(yīng)用試驗，鄧祝森等深入分析了其工作流程與實際效果，提出了無人機(jī)與傳統(tǒng)方式優(yōu)勢互補的航海保障體系構(gòu)建思路。程鑫提出了基于無人機(jī)遙感技術(shù)的航標(biāo)監(jiān)管控制成套體系，主要內(nèi)容包括無人機(jī)遙感技術(shù)、助航設(shè)施狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫、地理信息管理平臺等;上述體系可克服傳統(tǒng)監(jiān)管技術(shù)存在的時效性差、效率低下等不足。此外，無人機(jī)技術(shù)在水上搜救領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，相關(guān)研究重點集中在目標(biāo)準(zhǔn)確識別與定位、信息傳輸策略優(yōu)化等方面。

本文圍繞沿海助航設(shè)施狀態(tài)巡檢，梳理并分析了無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用場景;在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了基于無人機(jī)的助航設(shè)施狀態(tài)巡檢技術(shù)在東海航海保障中心連云港轄區(qū)應(yīng)用與示范成果。

二、巡檢應(yīng)用場景

（一）航標(biāo)維護(hù)管理

視覺航標(biāo)是在我國近海區(qū)域應(yīng)用廣泛的助航標(biāo)志之一。近年來，隨著數(shù)字航標(biāo)和航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)的應(yīng)用，航標(biāo)維護(hù)管理的科技因素和手段得到加強，逐步實現(xiàn)了航標(biāo)的遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)控制，基于GSM公共通訊網(wǎng)絡(luò)的航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)可遠(yuǎn)程無線監(jiān)控標(biāo)位準(zhǔn)確性、燈質(zhì)工作狀態(tài)等，但無法有效監(jiān)控航標(biāo)涂色、結(jié)構(gòu)功能良好程度等內(nèi)容。目前，航海保障部門主要采用船舶出海巡檢的方法，對航標(biāo)的涂色、結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行巡檢。

傳統(tǒng)的航標(biāo)船定期巡檢方式，易受氣象、海浪等諸多因素影響，工作效率低且存在一定安全風(fēng)險?；跓o人機(jī)的航標(biāo)維護(hù)管理，可實現(xiàn)海上航標(biāo)視頻圖像采集與實時回傳，使得航標(biāo)管理部門及時、全面、準(zhǔn)確地掌握轄區(qū)助航設(shè)施狀態(tài)，減少了船舶出海巡檢次數(shù)，降低航標(biāo)維護(hù)費用，有效提高航標(biāo)管理效率。借助無人機(jī)巡檢技術(shù)，有助于構(gòu)建海（海上巡檢）-陸（陸地遙控）-空（空中監(jiān)測）立體監(jiān)管模式，為“覆蓋全面、管理高效、服務(wù)優(yōu)質(zhì)、保障及時的綜合航海保障體系”規(guī)劃目標(biāo)的實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

（二）海上應(yīng)急設(shè)標(biāo)

當(dāng)船舶通航水域突發(fā)新沉船、沉物、淺灘等危險物時，需要航海保障部門立即派遣航標(biāo)船進(jìn)行應(yīng)急設(shè)標(biāo)。由于無法獲知海上沉船、沉物、淺灘等危險物的準(zhǔn)確位置，傳統(tǒng)的航標(biāo)作業(yè)船舶只能且行且探，既影響了作業(yè)效率與時機(jī)，也存在一定的安全隱患。而采用無人機(jī)技術(shù)， 可有效克服上述困難局面并發(fā)揮重要作用。

（三）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

航海保障無人機(jī)可配置相關(guān)的多媒體采集系統(tǒng)，完成視、音頻數(shù)據(jù)的采集，并通過無線傳輸方式，傳輸?shù)降孛娴慕邮諜C(jī)。其機(jī)載攝像機(jī)可編碼壓縮視頻數(shù)據(jù)，以圖像方式回傳至轄區(qū)航海保障部門的指揮中心。此外，借助無人機(jī)的攝像機(jī)、熱像儀等載荷裝備，配合自動曝光攝影等先進(jìn)技術(shù)，能自動獲取高清晰度數(shù)碼照片。通過后期處理，生成的數(shù)碼影像可為航標(biāo)搜尋、海洋環(huán)境監(jiān)測、海域管理等提供可靠的決策依據(jù)，使反應(yīng)更加迅速，地面指揮、航標(biāo)船和各類人員的協(xié)調(diào)也會更加充分。

由于無人機(jī)機(jī)動性能優(yōu)良、反應(yīng)迅速、續(xù)航能力強大，具備連續(xù)地跟蹤事態(tài)發(fā)展的能力，有助于航海保障部門及時掌握現(xiàn)場情況、科學(xué)決策，較傳統(tǒng)航標(biāo)船、無人智能船等優(yōu)勢更加突出。此外，隨著微光、激光夜視等技術(shù)的發(fā)展，為航海保障無人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)載傳感器性能提升、裝備改進(jìn)提供了新選項。

三、無人機(jī)巡檢示范應(yīng)用

2014年，交通運輸部東海航海保障中心連云港航標(biāo)處承擔(dān)了江蘇省連云港市科技攻關(guān)計劃項目《無人機(jī)及低空遙感航標(biāo)精確控制、快速處理技術(shù)研發(fā)》;2016年5 月，交通運輸部東海航海保障中心連云港航標(biāo)處與德奧無人機(jī)運營服務(wù)有限公司合作，開展了“無人機(jī)在近海助航設(shè)施巡檢中的應(yīng)用研究”，先后在2016年6月和8月在南通市如東縣洋口港區(qū)域，使用S-100型無人直升機(jī)（以下簡稱“S-100”）開展了兩次無人機(jī)巡檢飛行試驗，并取得了良好的效果。

（一）任務(wù)規(guī)劃

飛行前，考慮到港口環(huán)境的特殊性和海上氣象條件的復(fù)雜性，以保證鏈路暢通和飛行安全為前提，飛行團(tuán)隊根據(jù)給定的航標(biāo)坐標(biāo)，對飛行路徑和飛行控制方案進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃和周密設(shè)計（如圖1），獲得了高質(zhì)量的航標(biāo)巡檢視頻資料（如圖2），成功完成了近海水域助航設(shè)施狀態(tài)巡檢任務(wù)。

圖1 無人機(jī)巡檢任務(wù)航線規(guī)劃

（二）設(shè)備改進(jìn)與方案優(yōu)化

在近海助航設(shè)施狀態(tài)巡檢試驗中，研究團(tuán)隊研究并改進(jìn)了無人機(jī)系統(tǒng)的視頻采集裝備，取得了良好的效果。

圖2 S18航標(biāo)巡檢視頻截圖

受飛行高度和氣象條件等因素的制約，吊艙拍攝的視頻需經(jīng)歷一次壓縮，方可經(jīng)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路實時傳回地面站，導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降。為克服上述不足，試驗中采用了加裝專業(yè)視頻記錄設(shè)備Blackmagic Video Assist， 同時將原始視頻記錄下來，無人機(jī)著陸后再對視頻進(jìn)行后處理。經(jīng)測試，采用上述方案所獲得的視頻質(zhì)量遠(yuǎn)高于S-100鏈路直接回傳的視頻，判定能滿足航標(biāo)巡檢的成像精度要求。

此外，經(jīng)過分析計算，進(jìn)一步優(yōu)化了無人機(jī)巡檢航線，在保障安全的前提下，將檢查各個航標(biāo)時的懸停高度降低了23%，有效提高了航標(biāo)巡檢效果。

（三）性能驗證

基于無人機(jī)的巡檢示范研究階段，針對無人直升機(jī)的飛行巡檢性能、光電吊艙的應(yīng)用性能、巡檢效果和效率、巡檢經(jīng)濟(jì)性等內(nèi)容開展了驗證研究。

1. 飛行巡檢性能

根據(jù)各個航標(biāo)的臺賬坐標(biāo)設(shè)定航路點，無人直升機(jī)可自動飛行至航路點、尋找航標(biāo)并進(jìn)行檢查;每個航標(biāo)均可被順利找到，充分驗證了S-100飛行定位的準(zhǔn)確性。巡檢飛行試驗中單架次最長飛行時間為3小時6分鐘， S-100實際續(xù)航時間可達(dá)6個小時，可充分滿足航標(biāo)巡檢要求。

2. 光電吊艙的應(yīng)用性能

S-100 搭載的300LE光電吊艙拍攝的視頻可通過 S-100的數(shù)據(jù)鏈路實時傳送地面站，此類視頻可基本確定航標(biāo)編號、航標(biāo)是否存在局部缺失以及是否處于預(yù)定位置范圍等。經(jīng)設(shè)備改造與升級，未經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路壓縮的1080P視頻存儲在記錄儀里，待飛行結(jié)束后導(dǎo)出分析。各個航標(biāo)臺賬坐標(biāo)、S-100系統(tǒng)航路坐標(biāo)和光電吊艙的坐標(biāo)基準(zhǔn)均為以GPS系統(tǒng)為基礎(chǔ)的WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)。 300L光電吊艙可利用其激光測距功能，結(jié)合內(nèi)置的INS 對目標(biāo)航標(biāo)進(jìn)行定位，得到航標(biāo)的坐標(biāo)信息。坐標(biāo)比對顯示：通過吊艙對航標(biāo)進(jìn)行定位得到的坐標(biāo)和航標(biāo)的臺賬坐標(biāo)誤差很小，驗證了300LE光電吊艙的定位精度能滿足要求。

3. 巡檢效果和效率

由于地面控制站和航標(biāo)的距離比較遠(yuǎn)（最近的S18 號燈浮距地面控制站的直線距離為16.5千米），S-100要保持一定的飛行高度才能保證鏈路通暢。首次飛行時， S-100離航標(biāo)的豎直高度最小為365.8米，最大為609.6米;為提高成像精度，第二次飛行時，最小、最大高度分別降低至289.6米、432.8米。

首次飛行時，最大飛行速度達(dá)到168千米/小時，第二

次飛行時更是達(dá)到了182千米/小時。往返航標(biāo)和控制站時飛行的平均速度為148千米/小時左右，往返航標(biāo)之間的速度為102千米/小時左右;巡檢時以懸停的方式對航標(biāo)進(jìn)行觀測。單架次完成洋口港全部航道航標(biāo)巡檢的總飛行路程約82.4千米，綜合各個架次的飛行時間，完成巡檢耗時約1小時30分鐘。

4. 作業(yè)經(jīng)濟(jì)性分析

使用無人機(jī)進(jìn)行助航設(shè)施狀態(tài)巡檢僅需配備操作人員3~4名，設(shè)備成本主要為設(shè)備折舊，其次為燃油成本， 如設(shè)備發(fā)生故障可能產(chǎn)生備件、耗材成本。相比傳統(tǒng)船只巡檢，無人機(jī)巡檢在人員成本、設(shè)備成本、單次作業(yè)時長上均具有優(yōu)勢。

四、結(jié)語

助航設(shè)施狀態(tài)巡檢，是實現(xiàn)轄區(qū)航海保障的重要工作內(nèi)容之一。本文將無人直升機(jī)與沿海助航設(shè)施狀態(tài)巡檢相結(jié)合，探討了此項技術(shù)的應(yīng)用場景，并進(jìn)一步總結(jié)了基于無人機(jī)的沿海助航設(shè)施巡檢在連云港轄區(qū)的應(yīng)用與示范成果，成果具有顯著的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

研究結(jié)果表明：基于無人機(jī)的助航設(shè)施狀態(tài)巡檢改變了傳統(tǒng)航標(biāo)船現(xiàn)場巡查方式，大幅提升了助航系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)管理科技水平;通過建立航標(biāo)設(shè)備運行信息數(shù)據(jù)庫，提高航標(biāo)可利用率、降低航標(biāo)運行管理費用，促進(jìn)了近海航標(biāo)管理現(xiàn)代化。此外，沿海助航設(shè)施狀態(tài)巡檢過程中所獲取的高分辨率遙感數(shù)據(jù)，還可服務(wù)于海洋環(huán)境監(jiān)測、海域管理、應(yīng)急救援等研究工作。

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