無人機在港口引航領域的應用

胡 杰 謝雙魁

一、無人機的發展

1916年9月12日，世界上第一架無線電操縱的無人駕駛飛機在美國誕生并試飛，從此，人類開啟了無人機研究與應用的藍海。無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一種在無人駕駛的條件下，能執行各種空中飛行任務和負載任務的飛行器。無人機從技術角度定義可以分為無人固定翼機、無人垂直起降機、無人飛艇、無人直升機、無人多旋翼飛行器、無人傘翼機等。按應用領域，無人機可分為軍用與民用兩類[1]。軍用無人機分為偵察機、靶機、察打一體機等。在民用方面，目前我國在警務偵察、城市管理、農業植保、電力巡檢、野生動物觀察、搶險救災、傳染病監控、測繪、氣象監測、新聞報道、快遞投送、娛樂自拍、影視拍攝等領域應用突出，已達千億產值。發達國家也在積極擴展行業應用與發展無人機技術。

近年來，隨著無人機技術的不斷進步，無人機的安全性與可靠性逐步提高，加之無人機具有重量輕、尺寸小、費用低、反應快等多項優勢，其應用行業細分越來越多，美、日等發達國家將無人機應用于海事方面的范圍也不斷擴大。隨著我國港口航運的不斷發展，無人機技術的應用已在海事監管、航道測繪、海上搜尋救助[2]等方面逐步形成試點，但還未涉及港口引航領域。

二、無人機在港口引航領域的優勢

從引航工作特性來說，引航員需要在駕駛臺從各個方面獲取充足的信息后，為船方提供安全合理的指導建議，以保障船舶通航和靠離泊安全。但在實際工作中，氣象條件、通信條件、船舶構造等因素的制約都會影響引航員高效獲取信息。若有額外輔助手段對信息進行補充，就能及時提醒應對密集交通流的引航員，在能見度不良的海域“揭開迷障”，給遇險船舶應急處置提供全方位的建議指導。無人機的運用如同給引航員配上了“千里眼”和“順風耳”，將為港口引航工作的安全提供進一步保障。

三、無人機在港口引航中的應用構思

1.輔助瞭望、巡航預警、協調避讓，成為引航員的“第三只眼”

在港口引航工作中，無人機可幫助引航員快捷高效地獲取航行信息，彌補當前助航儀器的不足。特別是在引航過程中突遇能見度不良狀況時，在充分使用駕駛臺各類助航儀器的同時，可通過無人機提前巡航預警做好航路勘測，利用空中巡航和紅外攝像及早發現潛伏威脅船舶航行安全的不利因素，即時反饋給引航員以便采取應對措施。特別是對于在狹水道違章航行的“三無”小船，可通過聲光信號與他船取得有效聯系及時采取避讓措施。在距離相同的情況下，飛機的巡視輻射面積約為船舶的12倍，巡視效果遠高于護航船，同時還能節省人力、燃油、養護等成本。

案例一：某大型重載船進入深圳港銅鼓航道后突遇大霧，能見度低于100米，加上船方雷達老舊，掃描雜波明顯。引航員請求空中無人機護航，引航站迅速派出無人機前往被引船前方1～1.5海里處巡航瞭望。通過無人機安裝的紅外視頻傳感設備，將該水域航道情況實時傳輸至引航員終端并輔助判斷是否有礙航物，供在船引航員及調度指揮中心參考評估是否存在安全風險。同時，針對無人機發現前方航道內有礙航漁船和正在穿越的駁船，岸基人員可控制無人機靠近目標船，盤旋飛行并通過擴音器播報本船動態，告知立即駛離或采取有效避讓措施，保障該操限船在航道內的通航安全。如圖1、圖2所示。

圖1 無人機巡航銅鼓航道平面圖

圖2 無人機巡航銅鼓航道立體圖

2.成為特種船、困難船、超大型船舶的“精準引航助手”

通過無人機助航，引航員用手持終端不僅能實時接收船舶動態信息，還能接收無人機的圖像信息和標繪數據等，并能夠協助引航員結合船舶狀態對風險做出精準判斷。無人機的應用，可以讓引航工作不再局限于某引航員在船上進行船舶操控的單一方式，獲取該船靠離泊數據不再局限于船方設備，發展成為全方位“岸-人-船”的立體式引航模式。特別是特種船、困難船、超大型船舶操縱性能差，盲區大，受限水域廣，通過無人機助航不僅不再局限于引航員單方的現場操作，指揮中心還可以通過無人機現場獲取的信息進行“第三方指導”，如同專家會診。這無疑為困難船的引航操作提供了更安全的保障。

案例二：某日深圳友聯船廠30萬噸空載油船從友聯3#泊位對開錨地引航靠泊友聯8#泊位，需要繞過深圳友聯船廠北角船塢右轉90度角進入航道。該船盲區大，退潮同時因上游降雨影響，流水較急，船速過慢稍不注意隨時有可能壓上浮塢，船速過快又可能在轉向時造成船體首部擱淺。通過無人機巡航值守在幾個關鍵區域，隨時捕獲船位對周邊船舶動態做出預判，并實時傳輸至引航員終端，引航員可實時對該船船位、船速、轉向角速度的調節控制實現多維度的參考，并作為AIS、ECIDS、RADAR等助航設備信息的校對和補充（AIS出錯實例如圖3所示）。在靠泊作業中（見圖4），無人機助航系統可以實現對船舶靠離泊動態的即時實景觀測，引航員可通過手持設備獲取全方位靠泊信息，對拖輪協助轉向過程中施力方向做出較為直觀的判斷和實時調整。同時岸基人員也可輔助指導，無人機成為大型船舶靠離泊作業的“精準引航助手”。

圖3 船舶（KOTA）AIS出錯實例

圖4 無人機助航靠泊作業

3.現場指導和應急支援

目前高海況巡航救助艇普遍最高航速僅為36節，且視野小，受自然條件制約程度大。在距離相同的情況下，無人機的巡視輻射面積約為船舶的12倍，并可根據不同操作需求搭載相應傳感器。一般情況下無人機航速可達100公里/小時，約為54節，能在第一時間抵達事故現場獲取現場信息，對船舶造成的擱淺、碰撞、失控等事故快速進行有效評估，以便救援人員及早做出搶險方案，盡可能減小損失。無人機能夠應對不同工況環境，同時可以協同救助機構對人員實施救助，到達許多人員和船只無法抵達的危險區域，把高清視頻和照片實時傳送至指揮中心，為有關部門快速處置提供信息保障，大大提高救助效率。

案例三：某自引大型集裝箱船航經銅鼓航道口擱淺，為趕在最高潮前脫淺，申請引航員協助。引航站派遣的引航艇和拖輪預計1小時后才能抵達現場，然而無人機從港口出發，僅要8～10分鐘就可抵達事故現場，可獲取該船不同部位吃水數據，了解船舶當前狀態及擱淺情況、水文風流情況等。岸基部門可快速計算出所需要的脫淺外力，及時派出相應數量的增援拖輪，同時遠程指導船長在轉潮前采取有效措施成功脫淺以減小經濟損失。

4.實時監控、遠程培訓、資料采集

在碼頭布設的岸基監控設備成本高，布設密度小，監控區域有限，而無人機可以發揮其成本低、移動靈活的優勢，全方位無死角地監控各船舶系泊狀態，是對岸基監控的良好補充。特別是在惡劣天氣時可規劃飛行路徑，在某些重點船舶斷纜、走錨等險情發生時及時通知各部門做出快速反應。無人機可作為實習引航員崗前培訓和技術考核的得力助手，針對某些鉆井平臺、大型拖帶駁船、特殊搶險作業等無法親臨現場學習的引航任務，實習人員可通過無人機的實況直播觀摩學習，通過音頻端子傳輸的現場操縱口令結合船舶動態逐幀分析。無人機為引航技術的探討和提升提供真實可靠的研究素材。另外，在資料采集方面，可通過無人機飛行采集港口水文、岸基信息。通過拍攝背景、水面，獲取圖像信息，經加工、處理和分析以提取被測對象的空間位置和有關信息。全數字攝影測量方法的應用，使無人機的航空攝影也完全能夠滿足航空測量的要求，引航員通過該方式能夠獲取最新的港口水文數據。該類數據如應用于船舶操縱模擬器，將改變當前模擬器模擬景的缺陷，實現模擬器實景操船的技術革新，讓駕引人員操船模擬時更身臨其境。

四、無人機在港口引航方面應用的展望和局限

無人機助航體系，可以讓我們的引航工作不再局限于某引航員在船上進行船舶操控的單一方式，構建全方位多維度的引航服務模式。在未來的引航工作中引入無人機并建立完善的無人機助航系統，可以分享各港引航專業技術。可以通過全國引航信息云平臺讓引航員們交流困難引航作業案例，集思廣益，進一步確保港航引航的安全（無人機助航云平臺如圖5所示）。基于未來船舶智能航行“航行腦”[3]概念的提出，開啟了對智能引航的多方位構思和探討，可運用無人機在運營的商船上空以伴飛的模式飛行，實時監測航行安全，傳輸視頻數據。構造船舶物聯網，搭建智能引航云平臺，實現智能引航是未來無人機在港口引航服務中的發展方向。

盡管無人機在引航服務中具有突出作用，但實際操作中仍存在亟須解決的問題。首先是海上網絡覆蓋、無人機電池續航里程和海上抗風穩定性問題，隨著5G網絡的推進和行業特色無人機的開發，這三項技術瓶頸將逐步得到解決。其次是妥善解決無人機的海上空域管制問題。無人機與有人機相比面臨著空管限制、限高飛行的問題，現階段國內空域的應用需要專項審批。目前長江海事局、深圳海事局、大連海事局、天津海關、大連海關，均已開展無人機輔助應用試點。港口引航無人機與其相似，其開發和應用均可借鑒和運用。再次是引航領域無人機配置的頂層設計框架。目前無人機應用雖已具備自動起飛、自動懸停、自動避障、伴飛、自主返航充電、激光測距、紅外攝像、氣象傳感等功能，在港口引航應用上可裝載合成孔徑雷達、3D激光雷達、機載AIS、機載VHF、位置識別信號、光電EO、報警呼叫等裝置，滿足港口引航時引航員對數據和信息的多方面需求，但考慮到無人機屬于高科技產品，初步應用港口引航需要慎重，選擇合適機型、配備何種吊艙設備都需要深入探討。最后，因引航員往往是“單兵作戰”，引航操作過程中比較繁忙，無人機操控需要岸基團隊完成。如何做好無人機岸基人員配備及操控培訓？為了滿足無人機引航服務的需求，需要有專業技術人員進行設備的工作原理和技術性能、系統結構及配置、安裝調試、維護操作、系統配置操作及系統運行數據采集和分析等方面的培訓，使受訓人不僅能熟練掌握系統軟硬件的日常操作管理和維護，還能熟悉港口引航操作。

圖5 無人機助航云平臺

五、結語

綜上所述，無人機技術在引航服務中的應用還處于探索階段，本文結合深圳港的引航案例特點，介紹了無人機保障港口引航安全的幾項應用構思。雖暫未投入實際引航應用，但隨著無人機軟硬件技術的不斷完善和優化，應用將會落地。航運各界同仁們可以充分發揮無人機技術獨特優勢，實現更多的功能應用，更好地保障港航安全。