地方海上無人搜救系統(tǒng)框架研究

趙顯峰 王辰 交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院

1.研究背景

雖然我國(guó)整體經(jīng)貿(mào)形勢(shì)受中美貿(mào)易戰(zhàn)影響，但2019年國(guó)內(nèi)港口貨物吞吐量仍保持了5.1%的增速。其中外貿(mào)、內(nèi)貿(mào)吞吐量、沿海港口吞吐量和內(nèi)河港口吞吐量增速分別為4.3%、5.5%、3.7%和8.5%。隨著我國(guó)港口業(yè)務(wù)的發(fā)展和新型涉水業(yè)態(tài)的興起（如游艇、旅游、水上自行車、摩托艇等），發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)隨之增加，每一次海上交通險(xiǎn)情都可能對(duì)海洋環(huán)境和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大傷害。保障地方海上交通運(yùn)輸安全暢通，提升交通安全應(yīng)急處置能力是提升海事應(yīng)急保障能力和服務(wù)水平的迫切需要，也是地方應(yīng)急體系建設(shè)的重要組成部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，地方海上搜救的主力是社會(huì)搜救力量。現(xiàn)階段存在的主要問題和需求如下。

1.1 立體搜索、快速反應(yīng)能力不足

能夠?qū)崿F(xiàn)快速反應(yīng)的專業(yè)救助船舶和救助直升機(jī)均按照民用船舶和民用航空器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建造、持證和運(yùn)行，救助直升機(jī)需經(jīng)過省級(jí)海上搜救中心向相應(yīng)海區(qū)救助局飛行大隊(duì)協(xié)調(diào)，再加上距離事發(fā)海域的飛行距離，空中搜救時(shí)間難以保證。此外，地方海域無法保障水深條件可以讓大型救助船舶實(shí)現(xiàn)全水域通航，救助船舶也難以滿足快速反應(yīng)的要求，導(dǎo)致搜救難以形成空海一體搜救體系。

1.2 全天候、全海域?yàn)?zāi)難場(chǎng)景覆蓋不足

我國(guó)大部分地方海域存在明顯的季節(jié)性變化，風(fēng)暴潮災(zāi)害一年四季均有發(fā)生。這就導(dǎo)致了許多事故發(fā)生在風(fēng)力較大或水深較淺的環(huán)境。在風(fēng)大的海域，救助直升機(jī)無法起飛；在水淺區(qū)和島礁區(qū)大船無法靠近，只能調(diào)用其他救援船只才能完成救援，無法保證全天候、全海域的及時(shí)有效的空海一體救援。

1.3 救援人員安全保障手段不足

海上事故一般發(fā)生在自然環(huán)境比較惡劣的情況下，風(fēng)急浪大，救援操作困難，對(duì)救援人員的生命安全也有很大威脅。在實(shí)際救援過程中，曾多次出現(xiàn)救援船只與遇難船只多次碰撞、拖拽纜繩崩斷、救生索斷裂等情況，救援人員落水受傷情況亦有發(fā)生。這些危險(xiǎn)因素給救援人員帶來了極大危險(xiǎn)和心理負(fù)擔(dān)，影響了救援工作的快速展開。

綜上，為履行地方政府應(yīng)急處置工作職責(zé)，提升地方海上安全應(yīng)急搜救能力，建立地方海上無人搜救系統(tǒng)是必要的。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)要求

（1）在海況等級(jí)不大于5級(jí)條件下，具備遇難目標(biāo)搜索能力：使用救援無人船（蒲氏風(fēng)力不大于10級(jí)情況下）和搜索無人機(jī)（蒲氏風(fēng)力不大于7級(jí)情況下）借助雷達(dá)、光電、紅外和AIS等傳感器在惡劣海況下對(duì)遇難目標(biāo)進(jìn)行索。

（2）在海況等級(jí)不大于5級(jí)，蒲氏風(fēng)力不大于7級(jí)條件下，具備遇難人員救援能力：在遇難人員定位后，使用救援無人船前往遇難人員處借助救生設(shè)備對(duì)其進(jìn)行救援。

（3）具備海上通信保障能力：通過搜索無人機(jī)搭載等通信載荷，對(duì)其所在海域的一定范圍內(nèi)進(jìn)行通信保障。

（4）具備現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳能力：通過衛(wèi)星通信、微波視距通信設(shè)備等通信設(shè)備將救援無人船及搜索無人機(jī)所獲取的各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，為現(xiàn)場(chǎng)決策提供依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組成

海上無人搜救系統(tǒng)由救援無人船子系統(tǒng)、搜索無人機(jī)子系統(tǒng)、移動(dòng)指揮車、指揮中心組成。

救援無人船子系統(tǒng)是海上無人搜救系統(tǒng)的執(zhí)行單元，由船體平臺(tái)子系統(tǒng)、控制通信子系統(tǒng)和救生子系統(tǒng)組成，主要作用是重點(diǎn)海域的日常巡視及應(yīng)急情況下的救援實(shí)施功能。

搜索無人機(jī)子系統(tǒng)是海上無人搜救系統(tǒng)的感知單元和通信保障單元，由機(jī)體平臺(tái)子系統(tǒng)、指揮控制子系統(tǒng)、搜索子系統(tǒng)和通信保障子系統(tǒng)，主要作用是海域的日常巡視及應(yīng)急情況下的遇難目標(biāo)搜索和通信保障功能。

移動(dòng)指揮車的主要功能是將救援無人船子系統(tǒng)和搜救無人機(jī)子系統(tǒng)感知的信息，進(jìn)行綜合分析研判，確定遇難目標(biāo)位置，并將信息發(fā)送至地方海事局指揮中心；同時(shí)對(duì)地方海事局指揮中心發(fā)送的搜救指令進(jìn)行命令分解，根據(jù)救援無人船與搜索無人機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)其進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。

指揮中心是集信息接收、信息展示、命令發(fā)布、日常值班等多種功能于一體的綜合指揮中心。在搜救任務(wù)中能夠?qū)崟r(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)的圖像和數(shù)據(jù)，能快速搜集支持應(yīng)急指揮的各類信息，輔助指揮決策；同時(shí)能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)指揮中心進(jìn)行命令發(fā)布，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)行動(dòng)進(jìn)行指揮，協(xié)調(diào)無人救援力量共同進(jìn)行救援。

2.3 技術(shù)架構(gòu)

從技術(shù)架構(gòu)上來說，海上無人搜救系統(tǒng)可以分為感知層、平臺(tái)層、傳輸層和應(yīng)用層四層。

感知層：由系統(tǒng)內(nèi)所有傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，包括光電、紅外、導(dǎo)航雷達(dá)、激光雷達(dá)、AIS、氣象等傳感器以及救生裝備，用于對(duì)遇難目標(biāo)進(jìn)行搜索、識(shí)別與定位；

平臺(tái)層：系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)主要平臺(tái)是專為高海況海上救援設(shè)計(jì)的救援無人船和搜索無人機(jī)，其搭載感知層的各種設(shè)備與傳感器，并通過傳輸層實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用；

圖1 海上無人搜救系統(tǒng)組成圖

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3 系統(tǒng)通信鏈接圖

傳輸層：根據(jù)海上救援所面臨的各種惡劣環(huán)境，系統(tǒng)配置了中繼通信、微波通信和衛(wèi)星通信等多種海上通信模式，保障感知層數(shù)據(jù)能夠得到實(shí)時(shí)回傳；

應(yīng)用層：應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)與用戶的接口，其將感知層收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)遇難目標(biāo)定位、失事目標(biāo)識(shí)別等功能，輔助用戶的現(xiàn)場(chǎng)決策，并將用戶指令進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)搜救任務(wù)的任務(wù)規(guī)劃。

2.4 信息傳輸

圖4 應(yīng)用流程圖

現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)指揮中心是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和任務(wù)規(guī)劃中心，通過衛(wèi)星通信和微波視距鏈路與救援無人船和搜索無人機(jī)通信，其中搜索無人機(jī)分系統(tǒng)可通過升空中心通信站與救援無人船上終端通信，實(shí)現(xiàn)通信鏈路多重備份。

2.5 應(yīng)用流程

在海上救援中心接收到求助信號(hào)后，能夠及時(shí)地制定出救助方案，并啟動(dòng)海上搜救無人系統(tǒng)。

救援無人船自行出港，進(jìn)入作業(yè)模式。其在高海況下，以每小時(shí)不少于10節(jié)的速度，前往失事海域；同時(shí)搜索無人機(jī)以100km/h的速度，第一時(shí)間趕往失事海域；兩種救援平臺(tái)同時(shí)采用航跡追蹤、縱橫擴(kuò)大、地毯式推進(jìn)等方式進(jìn)行聯(lián)合搜索，通過雷達(dá)、光學(xué)、紅外以及AIS等傳感器對(duì)落水人員進(jìn)行搜索定位，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)信息通過衛(wèi)星通信、視距微波等通信鏈路發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)指揮中心。

確定具體位置后，可以命令無人機(jī)降低飛行高度至500m以下，并在事發(fā)地點(diǎn)上空半徑300m范圍內(nèi)進(jìn)行盤旋，將現(xiàn)場(chǎng)畫面以及定位信息傳回現(xiàn)場(chǎng)指揮中心。

3.面臨問題

（1）無人機(jī)應(yīng)用。無人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，海上飛行幾乎不受地理環(huán)境限制，在海上搜救中擁有較大的優(yōu)勢(shì)。但目前海事無人機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐只處于初級(jí)探索階段，飛行試驗(yàn)尚只在陸地附近。一是海上的天氣環(huán)境變化多端，因而制約了無人機(jī)的海上巡航飛行；二是考慮到成本風(fēng)險(xiǎn)因素，無人機(jī)飛行試驗(yàn)的離岸距離需逐步增加；三是海事無人機(jī)執(zhí)行空巡任務(wù)易受空管制約，存在無法完成既定飛行計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)，海事與軍方的通報(bào)機(jī)制尚需完善。

（2）無人船應(yīng)用。海事救助無人船在某些場(chǎng)合能夠有效實(shí)施水上人命救助任務(wù)，對(duì)提高應(yīng)急救援水平，減少現(xiàn)場(chǎng)救援人員的安全風(fēng)險(xiǎn)能夠發(fā)揮獨(dú)特作用。但無人船的應(yīng)用也存在較大挑戰(zhàn)，主要是保養(yǎng)、培訓(xùn)、實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練成本較高，難度較大，現(xiàn)階段適用場(chǎng)合有限。

4.建議

海上無人搜救系統(tǒng)是未來海事人工智能化發(fā)展的重要方向，筑牢基礎(chǔ)至關(guān)重要。管理規(guī)定是海上無人搜救系統(tǒng)的法律依據(jù)，管理程序是海上無人搜救系統(tǒng)行動(dòng)的指南，管理規(guī)定與程序必須與系統(tǒng)建設(shè)同步出臺(tái)，確保系統(tǒng)充分發(fā)揮效能和作用。