跨域無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)在海洋監(jiān)管工作中的應(yīng)用

徐淑升李雪張保學(xué)

(1.自然資源部南海局 廣州 510300;2.國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心 廣州 510300;3.國(guó)家海洋局南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510300;4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海) 珠海 519000;5.國(guó)家海洋局南海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心 廣州 510300)

0 引言

近年來(lái),無(wú)人船(USV)、無(wú)人機(jī)(UAV)、水下無(wú)人潛水器(UUS)(包括半自主式或預(yù)編程控制無(wú)人無(wú)纜潛水器(UUV)、全自主式或智能控制無(wú)人無(wú)纜潛水器(AUV)以及手操控制遙控式有纜潛水器(ROV)等)及其組成的跨域無(wú)人系統(tǒng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于全球各領(lǐng)域[1-6],相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展,5 G 時(shí)代的來(lái)臨更使無(wú)人技術(shù)獲得重要的發(fā)展契機(jī)。抓住信息化和智能化革命的有利時(shí)機(jī),有助于我國(guó)實(shí)現(xiàn)“彎道超車(chē)”。

隨著海洋開(kāi)發(fā)利用程度的加深,海上人為活動(dòng)的頻次和強(qiáng)度不斷增強(qiáng),如何高效率和低成本地加強(qiáng)海洋監(jiān)管成為新的挑戰(zhàn)。海洋監(jiān)管的涉及面非常廣,在機(jī)構(gòu)改革后的新形勢(shì)下,亟須創(chuàng)新海洋監(jiān)管理念,積極運(yùn)用科技化和現(xiàn)代化的資源和手段,提高海洋監(jiān)管水平。

1 海上無(wú)人裝備

與江河湖泊相比,海洋的面積更大且環(huán)境更復(fù)雜,對(duì)無(wú)人裝備的技術(shù)要求更高。無(wú)人船是無(wú)人機(jī)和水下無(wú)人潛水器等的搭載平臺(tái),是無(wú)人系統(tǒng)在海上應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)。

作為新興和智能的水面無(wú)人平臺(tái),無(wú)人船因其智能化和模塊化程度高以及具有經(jīng)濟(jì)性和安全性等特點(diǎn)被逐漸關(guān)注。以美國(guó)和以色列為首的發(fā)達(dá)國(guó)家率先開(kāi)展對(duì)無(wú)人船的研究,并先后研發(fā)多款功能各異的無(wú)人船系統(tǒng)。2019年英國(guó)研發(fā)世界首款可環(huán)球航行的無(wú)人支持船,其長(zhǎng)約12 m,航速為8 kn,可航行12 000 n mile,自持力超過(guò)200 d,可運(yùn)輸人員和貨物以及攜帶大型測(cè)量設(shè)備,也可作為水下無(wú)人潛水器的部署平臺(tái)。

我國(guó)的無(wú)人船研制起步較晚,但近年來(lái)發(fā)展迅速,眾多高校和科研機(jī)構(gòu)以及一些科技企業(yè)陸續(xù)研發(fā)多款無(wú)人船系統(tǒng)。此外,我國(guó)的無(wú)人機(jī)和水下無(wú)人潛水器等也發(fā)展迅速,其收放能力、自持能力和監(jiān)測(cè)能力等都大幅提升。

無(wú)人裝備具有小型化和高精度化的特征,可獲取更多的監(jiān)管數(shù)據(jù);其不只是海上的移動(dòng)攝像頭,更可承擔(dān)巡航、震懾、監(jiān)視監(jiān)測(cè)、排查核查、測(cè)量甚至送達(dá)等任務(wù)[7],在海洋監(jiān)管中的應(yīng)用前景十分廣闊。同時(shí),我國(guó)對(duì)事中監(jiān)管和事后監(jiān)管日益重視,尤其事中監(jiān)管對(duì)無(wú)人裝備的應(yīng)用具有巨大需求。綜合運(yùn)用跨域無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù),可更大限度地提升無(wú)人系統(tǒng)在海洋監(jiān)管中的價(jià)值。

2 無(wú)人裝備在行政監(jiān)管中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)和無(wú)人船已在國(guó)外的海上巡邏、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航道測(cè)繪和軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-9]。在我國(guó)海事、海上救助、公安和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域,無(wú)論是不直接針對(duì)行政相對(duì)人的監(jiān)測(cè)取證環(huán)節(jié),還是直接針對(duì)行政相對(duì)人的行政執(zhí)法環(huán)節(jié),也已廣泛應(yīng)用無(wú)人系統(tǒng)。

2.1 無(wú)人船技術(shù)的應(yīng)用

江蘇省連云港市海域使用保護(hù)動(dòng)態(tài)管理中心和原國(guó)家海洋局第一海洋研究所共同承擔(dān)的海域監(jiān)管無(wú)人船項(xiàng)目已通過(guò)驗(yàn)收并完成試航[10],可為海域突發(fā)事故的監(jiān)視監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)用海項(xiàng)目的高精度監(jiān)測(cè)等提供新的手段和途徑。

中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院采用無(wú)人船進(jìn)行斷面測(cè)繪,大大提高測(cè)繪的效率和精度。之前的測(cè)繪工作須由人員駕駛小艇完成,耗時(shí)約4 h,而無(wú)人船僅耗時(shí)40 min;測(cè)繪貼線精度由米級(jí)提升到厘米級(jí)。

2.2 無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

山東濟(jì)南、陜西寶雞、廣西南寧和海南等地已將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于城市交通管理。其中,在南寧某交警支隊(duì)的月度違停罰單中,無(wú)人機(jī)查處的超過(guò)400起,約占罰單總數(shù)的40%;濟(jì)南交警使用無(wú)人機(jī)在30 min內(nèi)抓拍5起交通違法行為;寶雞交警使用無(wú)人機(jī)在30 min內(nèi)抓拍4起交通違法行為;海南交警使用無(wú)人機(jī)在1個(gè)月內(nèi)抓拍130起交通違法行為。

2.3 無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)的應(yīng)用

珠海市交通執(zhí)法局港航大隊(duì)采用無(wú)人機(jī)和無(wú)人船相結(jié)合的海、陸、空立體聯(lián)動(dòng)執(zhí)法取證模式,開(kāi)展水上交通執(zhí)法和維護(hù)水上運(yùn)輸秩序,已查處多宗水上違法疏浚拋泥類(lèi)案件和違法運(yùn)輸海砂類(lèi)案件,同時(shí)獲取一批違法作業(yè)線索。

長(zhǎng)江入海排污口排查試點(diǎn)工作綜合運(yùn)用無(wú)人機(jī)的紅外感應(yīng)技術(shù)和無(wú)人船的聲吶掃描技術(shù),探索立體排查模式。其中,無(wú)人機(jī)搭載的紅外感應(yīng)器幫助排查人員準(zhǔn)確和快速地找到排污口;無(wú)人船的聲吶掃描技術(shù)使水下偷排暗管無(wú)處可藏,協(xié)助排查人員高效完成“排查、監(jiān)測(cè)、溯源、整治”的任務(wù)。

廣東采用無(wú)人船和無(wú)人機(jī)等無(wú)人裝備,開(kāi)展對(duì)重點(diǎn)流域的監(jiān)測(cè)和監(jiān)察。深圳也啟動(dòng)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人船的招標(biāo)工作。

北京某科技企業(yè)已實(shí)現(xiàn)“無(wú)人船+無(wú)人機(jī)+無(wú)人水下設(shè)備”的聯(lián)動(dòng)應(yīng)用,從空中、水面和水下3個(gè)維度實(shí)現(xiàn)對(duì)海域的管理,并利用5 G 網(wǎng)絡(luò)將無(wú)人船和無(wú)人水下設(shè)備拍攝的視頻實(shí)時(shí)回傳至后臺(tái),其行動(dòng)軌跡控制和水質(zhì)信息分析也可在后臺(tái)同步進(jìn)行。

3 海洋監(jiān)管工作的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題

無(wú)人裝備在很多監(jiān)管領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,相關(guān)技術(shù)也迅速發(fā)展。海洋監(jiān)管的涉及面較廣,僅海洋資源環(huán)境監(jiān)管就包括海域海島、海上測(cè)繪、海洋資源、涉外科考、海洋生態(tài)修復(fù)、海洋環(huán)境、入海排污口、海上石油平臺(tái)和海洋傾廢等具體內(nèi)容,區(qū)域涵蓋內(nèi)水、領(lǐng)海、毗連區(qū)、專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和大陸架等,在實(shí)際工作中會(huì)遇到各種問(wèn)題,主要表現(xiàn)在5個(gè)方面。

(1)裝備和設(shè)備的投入大和配置不均衡。固定監(jiān)管設(shè)備(如固定攝像頭)的設(shè)置難度大。移動(dòng)監(jiān)管裝備(如公務(wù)船)須耗費(fèi)大量人力和物力,這些資源分散在海軍、海警、海事、自然資源部和生態(tài)環(huán)境部等部門(mén),且在各部門(mén)的配置不均衡,加強(qiáng)傳統(tǒng)裝備和人員力量須投入大量前期購(gòu)置和后期維護(hù)資金。

(2)綜合協(xié)調(diào)機(jī)制不健全。多個(gè)涉海部門(mén)之間的信息共享、指揮協(xié)調(diào)和資源共享機(jī)制不能滿足當(dāng)前海洋監(jiān)管的需求。由于目前監(jiān)管裝備和設(shè)備的技術(shù)限制,對(duì)人力的依賴(lài)度仍很高,而監(jiān)管人員分布在各涉海部門(mén),領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)機(jī)制復(fù)雜,難以統(tǒng)一調(diào)度。

(3)巡查監(jiān)管的頻率較低,導(dǎo)致可能出現(xiàn)“漏網(wǎng)之魚(yú)”。此外,由于監(jiān)管數(shù)據(jù)管理機(jī)制不健全,在危害發(fā)生時(shí)缺乏必要的數(shù)據(jù)支撐。

(4)目前的監(jiān)管多為事前和事后監(jiān)管,而事中監(jiān)管能力較弱。由于缺乏足夠數(shù)量的海上監(jiān)管船,對(duì)于企業(yè)取得海域使用證后從事的活動(dòng)難以發(fā)揮事中監(jiān)管的震懾作用。

4 無(wú)人系統(tǒng)在海洋監(jiān)管中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

(1)有力支撐事中和事后監(jiān)管,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處罰海上違法行為,更重要的是發(fā)揮警示和震懾作用,增強(qiáng)事中監(jiān)管的落實(shí)力度。

(2)可在人員難以到達(dá)的海域執(zhí)行任務(wù),更好地發(fā)揮所搭載儀器設(shè)備的作用。例如：無(wú)人機(jī)可清晰地抓拍違法傾廢行為的過(guò)程,還可實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)并在后臺(tái)進(jìn)行人工辨別,最大限度地減少誤判和爭(zhēng)議的發(fā)生;在地形復(fù)雜、水色較深或存在水下暗管的海域,可利用無(wú)人機(jī)的紅外感應(yīng)技術(shù)盡快找到排污口,并通過(guò)無(wú)人船進(jìn)一步核實(shí)和取證;無(wú)人船可駛往淺水區(qū)和狹窄航道等傳統(tǒng)艦舶無(wú)法到達(dá)的特定水域。

(3)解決人員不足和調(diào)配的問(wèn)題。普通公務(wù)船可搭載人員4～40人,而無(wú)人船無(wú)須人員登船,可在陸地完成相應(yīng)操作。尤其在多部門(mén)協(xié)作監(jiān)管時(shí),人員調(diào)配相對(duì)容易。

(4)無(wú)人船的船體小、速度快,且作業(yè)過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制,執(zhí)行任務(wù)更加準(zhǔn)確和高效,適合大面積的海洋監(jiān)管。無(wú)人機(jī)的紅外感應(yīng)可快速監(jiān)測(cè)水溫異常區(qū)域,并根據(jù)定位顯示排查異常狀況。

(5)可用于危險(xiǎn)、枯燥以及其他不適合人員執(zhí)行的任務(wù),如水質(zhì)采樣監(jiān)測(cè)和核輻射監(jiān)測(cè)等。

(6)安全靈活。海上無(wú)人機(jī)的禁飛限制和高度限制較少;無(wú)人船可借助海浪和島礁等的掩護(hù),遭毀傷的概率較小。

(7)購(gòu)置、維護(hù)和使用成本低。與傳統(tǒng)船舶相比,無(wú)人船的購(gòu)置成本較低,且具有體積小、吃水淺、消耗少、速度快、出海執(zhí)行任務(wù)時(shí)間短和人員費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn),維護(hù)成本也大大降低。此外,無(wú)人船的活動(dòng)不易受天氣影響,可全天候執(zhí)勤,使用成本低。

5 跨域無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)在海洋監(jiān)管中的應(yīng)用探究

以無(wú)人船作為綜合載體平臺(tái),搭載無(wú)人機(jī)和水下無(wú)人潛水器等無(wú)人裝備,搭建空中、海面和水下的跨域無(wú)人系統(tǒng),可最大限度地發(fā)揮各種無(wú)人裝備的優(yōu)勢(shì)。例如：無(wú)人船本身可搭載高清攝像頭和水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行水面巡航,將海上監(jiān)管信息實(shí)時(shí)回傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái);無(wú)人船搭載的無(wú)人機(jī)攜帶高清攝像頭、全景攝像頭、熱成像攝像頭和激光云臺(tái)等,滿足全天候和多場(chǎng)景下的海洋監(jiān)管需求;發(fā)現(xiàn)特殊問(wèn)題須開(kāi)展進(jìn)一步水下查探時(shí),水下無(wú)人潛水器等可深入水下,通過(guò)聲吶準(zhǔn)確探測(cè)水下地形地貌信息,并實(shí)時(shí)拍攝水下實(shí)景視頻。

利用整個(gè)無(wú)人系統(tǒng)實(shí)時(shí)回傳的高清視頻或VR視頻,監(jiān)管人員可在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海域的廣域監(jiān)控和深入探測(cè)。對(duì)發(fā)現(xiàn)的海上違法行為,情況緊急的,可由無(wú)人機(jī)或無(wú)人船搭載的喊話系統(tǒng)進(jìn)行喊話制止或震懾;情況不緊急的,可在后臺(tái)記錄在案,供日后分析和處理。

此外,無(wú)人船可實(shí)現(xiàn)功能設(shè)定和自主航行,通過(guò)裝設(shè)執(zhí)法記錄模塊可自主完成現(xiàn)場(chǎng)信息的記錄和采集,因此可將海域日常巡查、海上測(cè)繪和海洋傾廢監(jiān)管、入海排污口監(jiān)管以及海上石油平臺(tái)的部分登檢工作等交由無(wú)人船或跨域無(wú)人系統(tǒng)自動(dòng)完成。同時(shí),通過(guò)配置高亮照明取證模塊和紅外感應(yīng)設(shè)備,可在無(wú)人現(xiàn)場(chǎng)駐守的情況下開(kāi)展夜間監(jiān)管,及時(shí)發(fā)現(xiàn)違法行為。

隨著5 G 時(shí)代的來(lái)臨,5 G 網(wǎng)絡(luò)所具有的大帶寬和低時(shí)延性為無(wú)人技術(shù)的發(fā)展提供更強(qiáng)大的支撐和更廣闊的空間。

6 結(jié)語(yǔ)

跨域無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)有助于海洋監(jiān)管能力的提升。在我國(guó)鼓勵(lì)發(fā)展5 G 技術(shù)和無(wú)人技術(shù)的新時(shí)代,應(yīng)抓住機(jī)遇實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新,并積極將科技創(chuàng)新成果應(yīng)用于機(jī)構(gòu)改革后的海洋監(jiān)管領(lǐng)域,不斷促進(jìn)海洋監(jiān)管工作再上新臺(tái)階。