跨域無人系統(tǒng)協(xié)同技術在海洋監(jiān)管工作中的應用

徐淑升李雪張保學

(1.自然資源部南海局 廣州 510300;2.國家海洋局南海調(diào)查技術中心 廣州 510300;3.國家海洋局南海維權技術與應用重點實驗室 廣州 510300;4.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海) 珠海 519000;5.國家海洋局南海標準計量中心 廣州 510300)

0 引言

近年來,無人船(USV)、無人機(UAV)、水下無人潛水器(UUS)(包括半自主式或預編程控制無人無纜潛水器(UUV)、全自主式或智能控制無人無纜潛水器(AUV)以及手操控制遙控式有纜潛水器(ROV)等)及其組成的跨域無人系統(tǒng)被越來越多地應用于全球各領域[1-6],相關技術迅速發(fā)展,5 G 時代的來臨更使無人技術獲得重要的發(fā)展契機。抓住信息化和智能化革命的有利時機,有助于我國實現(xiàn)“彎道超車”。

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

1 海上無人裝備

與江河湖泊相比,海洋的面積更大且環(huán)境更復雜,對無人裝備的技術要求更高。無人船是無人機和水下無人潛水器等的搭載平臺,是無人系統(tǒng)在海上應用的重點技術。

作為新興和智能的水面無人平臺,無人船因其智能化和模塊化程度高以及具有經(jīng)濟性和安全性等特點被逐漸關注。以美國和以色列為首的發(fā)達國家率先開展對無人船的研究,并先后研發(fā)多款功能各異的無人船系統(tǒng)。2019年英國研發(fā)世界首款可環(huán)球航行的無人支持船,其長約12 m,航速為8 kn,可航行12 000 n mile,自持力超過200 d,可運輸人員和貨物以及攜帶大型測量設備,也可作為水下無人潛水器的部署平臺。

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

無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攝像頭,更可承擔巡航、震懾、監(jiān)視監(jiān)測、排查核查、測量甚至送達等任務[7],在海洋監(jiān)管中的應用前景十分廣闊。同時,我國對事中監(jiān)管和事后監(jiān)管日益重視,尤其事中監(jiān)管對無人裝備的應用具有巨大需求。綜合運用跨域無人系統(tǒng)協(xié)同技術,可更大限度地提升無人系統(tǒng)在海洋監(jiān)管中的價值。

2 無人裝備在行政監(jiān)管中的應用

無人機和無人船已在國外的海上巡邏、環(huán)境監(jiān)測、航道測繪和軍事等領域得到廣泛應用[8-9]。在我國海事、海上救助、公安和環(huán)境監(jiān)測等領域,無論是不直接針對行政相對人的監(jiān)測取證環(huán)節(jié),還是直接針對行政相對人的行政執(zhí)法環(huán)節(jié),也已廣泛應用無人系統(tǒng)。

2.1 無人船技術的應用

江蘇省連云港市海域使用保護動態(tài)管理中心和原國家海洋局第一海洋研究所共同承擔的海域監(jiān)管無人船項目已通過驗收并完成試航[10],可為海域突發(fā)事故的監(jiān)視監(jiān)測和重點用海項目的高精度監(jiān)測等提供新的手段和途徑。

中交上海航道勘察設計研究院采用無人船進行斷面測繪,大大提高測繪的效率和精度。之前的測繪工作須由人員駕駛小艇完成,耗時約4 h,而無人船僅耗時40 min;測繪貼線精度由米級提升到厘米級。

2.2 無人機技術的應用

山東濟南、陜西寶雞、廣西南寧和海南等地已將無人機應用于城市交通管理。其中,在南寧某交警支隊的月度違停罰單中,無人機查處的超過400起,約占罰單總數(shù)的40%;濟南交警使用無人機在30 min內(nèi)抓拍5起交通違法行為;寶雞交警使用無人機在30 min內(nèi)抓拍4起交通違法行為;海南交警使用無人機在1個月內(nèi)抓拍130起交通違法行為。

2.3 無人系統(tǒng)協(xié)同技術的應用

珠海市交通執(zhí)法局港航大隊采用無人機和無人船相結合的海、陸、空立體聯(lián)動執(zhí)法取證模式,開展水上交通執(zhí)法和維護水上運輸秩序,已查處多宗水上違法疏浚拋泥類案件和違法運輸海砂類案件,同時獲取一批違法作業(yè)線索。

長江入海排污口排查試點工作綜合運用無人機的紅外感應技術和無人船的聲吶掃描技術,探索立體排查模式。其中,無人機搭載的紅外感應器幫助排查人員準確和快速地找到排污口;無人船的聲吶掃描技術使水下偷排暗管無處可藏,協(xié)助排查人員高效完成“排查、監(jiān)測、溯源、整治”的任務。

廣東采用無人船和無人機等無人裝備,開展對重點流域的監(jiān)測和監(jiān)察。深圳也啟動對環(huán)境監(jiān)測無人船的招標工作。

北京某科技企業(yè)已實現(xiàn)“無人船+無人機+無人水下設備”的聯(lián)動應用,從空中、水面和水下3個維度實現(xiàn)對海域的管理,并利用5 G 網(wǎng)絡將無人船和無人水下設備拍攝的視頻實時回傳至后臺,其行動軌跡控制和水質(zhì)信息分析也可在后臺同步進行。

3 海洋監(jiān)管工作的特點和存在的問題

無人裝備在很多監(jiān)管領域得到廣泛應用,相關技術也迅速發(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、海上測繪、海洋資源、涉外科考、海洋生態(tài)修復、海洋環(huán)境、入海排污口、海上石油平臺和海洋傾廢等具體內(nèi)容,區(qū)域涵蓋內(nèi)水、領海、毗連區(qū)、專屬經(jīng)濟區(qū)和大陸架等,在實際工作中會遇到各種問題,主要表現(xiàn)在5個方面。

(1)裝備和設備的投入大和配置不均衡。固定監(jiān)管設備(如固定攝像頭)的設置難度大。移動監(jiān)管裝備(如公務船)須耗費大量人力和物力,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,且在各部門的配置不均衡,加強傳統(tǒng)裝備和人員力量須投入大量前期購置和后期維護資金。

(2)綜合協(xié)調(diào)機制不健全。多個涉海部門之間的信息共享、指揮協(xié)調(diào)和資源共享機制不能滿足當前海洋監(jiān)管的需求。由于目前監(jiān)管裝備和設備的技術限制,對人力的依賴度仍很高,而監(jiān)管人員分布在各涉海部門,領導協(xié)調(diào)機制復雜,難以統(tǒng)一調(diào)度。

(3)巡查監(jiān)管的頻率較低,導致可能出現(xiàn)“漏網(wǎng)之魚”。此外,由于監(jiān)管數(shù)據(jù)管理機制不健全,在危害發(fā)生時缺乏必要的數(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,對于企業(yè)取得海域使用證后從事的活動難以發(fā)揮事中監(jiān)管的震懾作用。

4 無人系統(tǒng)在海洋監(jiān)管中的應用優(yōu)勢

(1)有力支撐事中和事后監(jiān)管,及時發(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,增強事中監(jiān)管的落實力度。

(2)可在人員難以到達的海域執(zhí)行任務,更好地發(fā)揮所搭載儀器設備的作用。例如：無人機可清晰地抓拍違法傾廢行為的過程,還可實時回傳數(shù)據(jù)并在后臺進行人工辨別,最大限度地減少誤判和爭議的發(fā)生;在地形復雜、水色較深或存在水下暗管的海域,可利用無人機的紅外感應技術盡快找到排污口,并通過無人船進一步核實和取證;無人船可駛往淺水區(qū)和狹窄航道等傳統(tǒng)艦舶無法到達的特定水域。

(3)解決人員不足和調(diào)配的問題。普通公務船可搭載人員4～40人,而無人船無須人員登船,可在陸地完成相應操作。尤其在多部門協(xié)作監(jiān)管時,人員調(diào)配相對容易。

(4)無人船的船體小、速度快,且作業(yè)過程由計算機控制,執(zhí)行任務更加準確和高效,適合大面積的海洋監(jiān)管。無人機的紅外感應可快速監(jiān)測水溫異常區(qū)域,并根據(jù)定位顯示排查異常狀況。

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

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

(7)購置、維護和使用成本低。與傳統(tǒng)船舶相比,無人船的購置成本較低,且具有體積小、吃水淺、消耗少、速度快、出海執(zhí)行任務時間短和人員費用少等優(yōu)點,維護成本也大大降低。此外,無人船的活動不易受天氣影響,可全天候執(zhí)勤,使用成本低。

5 跨域無人系統(tǒng)協(xié)同技術在海洋監(jiān)管中的應用探究

以無人船作為綜合載體平臺,搭載無人機和水下無人潛水器等無人裝備,搭建空中、海面和水下的跨域無人系統(tǒng),可最大限度地發(fā)揮各種無人裝備的優(yōu)勢。例如：無人船本身可搭載高清攝像頭和水質(zhì)監(jiān)測儀進行水面巡航,將海上監(jiān)管信息實時回傳至監(jiān)測平臺;無人船搭載的無人機攜帶高清攝像頭、全景攝像頭、熱成像攝像頭和激光云臺等,滿足全天候和多場景下的海洋監(jiān)管需求;發(fā)現(xiàn)特殊問題須開展進一步水下查探時,水下無人潛水器等可深入水下,通過聲吶準確探測水下地形地貌信息,并實時拍攝水下實景視頻。

利用整個無人系統(tǒng)實時回傳的高清視頻或VR視頻,監(jiān)管人員可在后臺實現(xiàn)對海域的廣域監(jiān)控和深入探測。對發(fā)現(xiàn)的海上違法行為,情況緊急的,可由無人機或無人船搭載的喊話系統(tǒng)進行喊話制止或震懾;情況不緊急的,可在后臺記錄在案,供日后分析和處理。

此外,無人船可實現(xiàn)功能設定和自主航行,通過裝設執(zhí)法記錄模塊可自主完成現(xiàn)場信息的記錄和采集,因此可將海域日常巡查、海上測繪和海洋傾廢監(jiān)管、入海排污口監(jiān)管以及海上石油平臺的部分登檢工作等交由無人船或跨域無人系統(tǒng)自動完成。同時,通過配置高亮照明取證模塊和紅外感應設備,可在無人現(xiàn)場駐守的情況下開展夜間監(jiān)管,及時發(fā)現(xiàn)違法行為。

隨著5 G 時代的來臨,5 G 網(wǎng)絡所具有的大帶寬和低時延性為無人技術的發(fā)展提供更強大的支撐和更廣闊的空間。

6 結語

跨域無人系統(tǒng)協(xié)同技術有助于海洋監(jiān)管能力的提升。在我國鼓勵發(fā)展5 G 技術和無人技術的新時代,應抓住機遇實現(xiàn)科技創(chuàng)新,并積極將科技創(chuàng)新成果應用于機構改革后的海洋監(jiān)管領域,不斷促進海洋監(jiān)管工作再上新臺階。