无人艇应用于海洋环境监测及海洋管理的前景与展望

陈 锋

（海装上海局，上海 200083）

无人艇应用于海洋环境监测及海洋管理的前景与展望

陈 锋

（海装上海局，上海 200083）

无人艇因其优异的性能在军事领域发挥越来越大的作用，针对目前我国海洋环境监测和海洋管理存在的问题，结合无人艇的特点，对无人艇在海洋环境监测以及海洋管理方面的应用前景进行了探索和展望。

无人艇；海洋环境监测；海洋管理

0 引言

随着海洋经济在我国国民经济中的地位日益提高，沿海经济发展对海域空间资源的刚性需求会持续上升，沿海产业结构调整对海洋环境保护和海洋管理已提出更高更新的要求[1]。目前海洋环境保护和海洋管理也存在一些比较严峻的问题，具体如下：

1）海洋环境监测

目前国内针对海洋水质监测主要有两种手段：a）人工采样分析；b）浮标定点监测。但是这两种手段都存在各自的问题。

对于人工采样，像排污口、浅水域等往往是水质监测的重点区域，还有一些水域情况复杂的区域，大船往往不能驶入，目前的做法是监测人员租用小木筏或者小渔船到定点区域采样。这对人员工作构成一定的危险，另外小渔船可能产生油污等，对水质分析结果有较大影响。

对于浮标定点监测，主要存在以下几方面问题：a）多点布置需要多套浮标设备，而浮标设备价格昂贵，多点布置导致费用高；b）浮标设备维护保养难度大且费用高，浮标由于长期安放在海上，需要定期对浮标探头上的附着物进行清洗工作，在大风浪情况下维护人员安全不能得到保障；c）无机动性，不能对污染物进行跟踪，所监测水域范围有限；d）浮标监测的环境因子有限，不能满足海洋监测的要求。

因此，亟需具有机动能力且集监测分析和采水样功能的设备来解决上述问题。

2）处理应急事故

2012年8月18日10时，广西北海市海洋局通报，18日1时许，停泊在北海市区附近外沙锚地的“北油3”输油船因台风“启德”影响，造成抛锚，飘离后碰撞海堤搁浅在岸滩，造成柴油泄漏，约 200平方米浅滩上有油污出现。

这起柴油泄露事故刚好在恶劣天气情况下发生，执法船舶、航空飞机都不能对现场进行很好的摄像、拍照来对事故进展情况进行监视，这就导致无法得到现场的第一手资料，可能导致事故影响进一步扩大。

而目前沿海产业分布主要是一些化工产业，这些沿海的输油输气管道，以及海上作业的海洋石油平台，一旦出现化工原料泄露、溢油污染等情况，都将产生放射性物质，若是安排人员现场侦查，将对侦查人员生命安全造成威胁。

3）监视违法用海行为

针对违法用海行为的执法工作主要面临的问题表现为：a）打击违法行为力量不足，近年来，在利益驱使下，一些违法用海行为，如盗采海砂、倾废、排污等日趋严重，严重破坏了海域海洋环境、海洋生物资源和岸边旅游资源。例如在打击盗采海砂的行动中，由于执法力量有限，一些采砂船依靠熟悉当地海域情况，夜间盗采、白天休息，加之流动性隐蔽极强，给海监执法工作带来了巨大的困难。b）对违法用海行为取证困难，由于没有设备针对违法用海行为造成的污染程度及污染面积进行及时地监测，随着潮水的涨退和洋流活动污染物会迅速扩散，不能及时现场取证容易造成证据消失，也就不能为执法提供依据。

4）海上经济目标保护

有迹象显示，相较于军事目标，恐怖分子和犯罪分子更趋向于袭击经济目标，海上的经济目标主要是指海上石油平台、海底管线、光缆和海上储油设施等[2]。因为海上经济目标最具价值又最易受攻击，如伊拉克与尼日利亚海域的石油设施被袭、非洲合恩岛附近的劫船、印度洋海域日益猖獗的袭击等已造成了巨大的经济损失。

海上经济目标数量多、分布广、防护难度大，有些重要目标距离较近，遭袭后易产生次生灾害和连带毁伤，部分重要经济目标科技含量高、结构复杂、抗毁能力弱，遭袭后及时恢复功能难度较大，尤其是在信息技术应用于军事斗争的情况下，城市重要经济目标的防护工作面临着严峻挑战。而目前国内尚无针对海上经济目标而建设的保障体系。

1 无人艇的优势及发展现状

海洋环境保护及海洋管理工作任务越来越艰巨、复杂，这就对海洋装备技术能力提出了更高的要求。而具备机动能力并且可以搭载不同任务载荷的近海海洋环境监测系统是解决上述问题的首选装备。将海洋环境监测设备集成到无人艇上，是解决这些问题的重要方式。

以无人艇为代表的海上无人航行器是解决上述问题的重要装备。

水面无人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）是一种具有自主规划、自主航行能力，并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台。无人艇根据使命的不同，可采用多种不同的模块，搭载不同的传感器或执行设备，执行任务也呈现多样性[3]。

相较于载人船舶，无人艇无需搭载操作人员，具有如下几个方面的优势：

1）机动能力强，能覆盖整个海域；

2）可长时间工作不需要补给；

3）对恶劣海洋环境的适应能力强；

4）能对海域使用进行 24小时动态监视，避免船只、人员频繁出动而浪费经费；

5）无需人员保障系统，可搭载更多的任务载荷；

6）具备高分辨率影响数据获取能力；

目前，已有多个国家开展了海洋环境监测无人艇开发工作。英国普利茅斯大学的W Naeem[4]等开发了一款名为“Springer”、可用于浅水水域测绘、水文及环境监测以及污染物跟踪的无人艇设备。其被设计成一款4m长、2.3m宽以及0.6t排水量的中等水线面双体船。其装载的YSI环境监测设备可以对温度、电导率、溶解氧、pH值、氯化物、水深、浊度、叶绿素等因子进行监测分析。

美国南佛罗里达大学的 EricT. Steimle[5]等同样开发了一款双体船作为海洋环境监测设备。Volker Bertram[6]则介绍了多种无人艇。Justin E. Manley[7]则介绍了近15年来美国开发的无人艇。

这些无人艇说明其在海洋环境监测及海洋管理方面已经应用成熟，而且应用范围很广。

2 无人艇关键技术研究

为很好的完成任务使命，无人艇需要具备以下几大关键技术。

1）智能水面无人艇系统集成技术

无人艇需要集成海洋环境监测设备、监视设备、信息处理系统等，如何构建可靠性高、容错性强的系统构架将直接决定无人艇能否完成任务[8]。

将基于模块化思想对无人艇进行载体设计和系统、设备集成，使其具备满足快速调试等多种需要的控制系统体系结构，与无人艇功能相适应的信息综合处理系统和与任务需求相适应的组合导航系统。

2）无人艇智能航行及避碰技术

无人艇要实现智能自主航行及有效避碰，就必须具备对海上障碍物的自动识别能力和自主避碰能力。典型的障碍如大面积岸区、船只、浅水障碍，水面障碍物、水中障碍物等。而由于船舶在海上受到波浪影响会产生持续的随机运动，相较于陆上的目标识别更加困难。而无人艇智能化程度主要体现在自主决策和自动控制技术。

将利用雷达、图像、声纳等探测手段，探测静止障碍物的距离、大小，移动障碍物的运动方向和速度的方法，并在此基础上研究了无人艇的障碍规避策略，并通过自航模试验对这一技术进行优化和验证。通过这一技术的实现，无人艇完全可以实现智能自主航行以及对障碍物进行有效避碰。

3）无人艇姿态稳定技术

无人艇主要功能是采集并分析水质，其任务模式决定了其应具备姿态稳定性能。除了设计具备稳定性能的船型外，还应开发相应稳定技术，提高动态稳定性和航行安全性。

除采用具有良好稳定性能的双体船作为无人艇艇型外，针对不同海况条件下基于特定艇型的无人艇平台的操纵性能进行仿真研究及分析，特别是航向稳定性和航行姿态稳定性的研究；对复杂海洋环境下无人艇高速航行的稳定性理论与方法和无人艇的抗倾覆性、浮态自恢复能力进行研究。可以实现无人艇在恶劣海况下良好的姿态稳定性。

4）无线数据通信技术

无线数据远距离传输系统亦是关键技术之一，其为信息的获取与传输提供了一条有效途径，通过模拟或数字的传输方式，将拍摄的图像及视频信息传回地面控制中心。

根据船舶运动的特点，开发适用于船舶的卫星伺服天线。另一方面，利用短波数传电台作为卫星链路补充和备份，以弥补在卫星链路终端时，依然能够实现最低限度的通讯和控制能力。从而实现图像及视频的远距离传输。

5）监测设备保护技术

环境监测设备将布置在双体船连接桥上，在无人艇运行过程中为保护探头避免碰撞水下物体以及微生物附着，在连接桥上增设可升降装置。只待无人艇航行至特定区域时，才通过升降装置放下探头进行采样和分析工作，完成工作后随即升起探头。这样就可以省去大量的维护保养费用。

3 无人艇的应用前景

3.1 海洋环境监测

当下，维护海洋生态环境是时代使命。在无人艇上布置相应的传感器或设备，即可对海洋水质进行分析。具体可以包括：1）海洋气象要素监测，如测定并记录海域的风速、风向、空气湿度、盐度和光合有效辐射等；2）海洋水质要素监测，如水温、水深、电导率、pH值、溶解氧、各元素浓度等；3）海洋生物要素监测，如对Chl-a、蓝藻浓度等。

具体应用如下：1）评定海洋环境质量，为渔业和养殖提供水质信息；2）监测工程用海、倾倒等行为，对其污染环境的程度进行界定，为执法提供依据；3）预报、监测赤潮、海冰、浒苔等自然灾害，把握灾害现状和发展趋势，研究灾害发生的一般规律，为相关部门及时采取有效救灾措施提供及时全面的信息[9]。

3.2 应对紧急事故

随着海洋资源的开发，特别是对海洋石油资源的调查与开发、海底与海岸工程的建设，越来越多地遇到海上突发性事件，如溢油、海上搜救等，对事故的处理、调查、取证等工作需要在最短的时间内得到有效的资料，卫星和飞机等一些调查手段由于受时间、空管、费用等条件的限制，而遇到恶劣气候条件，无人机和载人船舶出海的风险急剧加大，因此，能抗大风浪的无人艇此时是应对紧急事故的首选装备[10]。

3.3 海洋测绘

对特定海域进行海洋测绘工作，一些浅滩、狭窄水域等尚无海洋地理信息的海域，依靠无人艇的特点进行测绘工作，进而提供海洋地理信息、数据和基础图形等。其主要应用包括：1）获取某些海域的具体海洋信息；2）科学研究，如研究地球的形状，海底地质构造的运动等；3）实用工程，如自然资源的勘探与海洋工程、航道工程等。具体涉及到的内容包括海洋重力测量、海洋磁力测量、海水面的测定、大地控制与海底控制、定位、测深、海底地形勘测、制图与MGIS等等[11]。

3.4 海上经济目标保护

采用无人艇对海上经济目标进行巡航保护，主要是根据目标的分布规定无人艇的航线，无人艇以游弋方式进行巡查。

3.5 监控违法行为

给无人艇配置光电侦察设备，使其具备高分辨图像、视频获取能力，进而监控违法行为，具体应用如下：1）对违法行为如盗采海砂、倾倒、排污等进行拍照摄像取证；2）测定海域使用面积，对海域使用进行24小时动态监管。

4 结论

无人艇以其机动性、抗风浪能力强、长时间无人工作等方面的优势，在海洋管理和海洋执法上具有巨大的应用前景，根据文章所提远海、近海无人艇各自不同的任务需求，通过设计船型、系统及设备选型来搭载不同的任务载荷，来解决目前海洋管理和执法存在的问题。因此，海洋管理部门应以需求为牵引，联合研究院所及高校积极开展无人艇各项关键技术的研究，推进无人艇的实用化进程。

[1] 许祝华, 张彦彦, 杨晖, 等. 海域无人机遥感监测三维立体监管系统的建设与研究[J]. 海洋开发与管理, 30(6): 16-18.

[2] 马开泉, 葛强林. 非战争军事行动中重要经济目标防护的战略思考[J]. 海军工程大学学报: 综合版, 2009, 6(1): 46-50.

[3] 李家良. 水面无人艇发展与应用[J]. 火力与指挥控制, 2012, 37(6): 203-207.

[4] Naeem W, Xu T, Sutton R, et al. The design of a navigation, guidance, and control system for an unmanned surface vehicle for environmental monitoring[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2008,222(2): 67-79.

[5] Steimle E T, Hall M L. Unmanned surface vehicles as environmental monitoring and assessment tools[C]//OCEANS 2006. IEEE, 2006: 1-5.

[6] Manley J E. Unmanned surface vehicles, 15 years of development[C]//OCEANS 2008. IEEE, 2008: 1-4.

[7] Bertram V. Unmanned surface vehicles–a survey[J].Skibsteknisk Selskab, Copenhagen, Denmark, 2008.

[8] 王芳, 宋士林, 葛清忠. 无人机在海洋调查中的应用前景展望[J]. 海洋开发与管理, 2013, 30(2):44-45.

[9] 徐玉如, 苏玉民, 庞永杰. 海洋空间智能无人运载器技术发展展望[J]. 中国舰船研究, 2006, 1(03):1-04.

[10] 方书甲. 海洋环境监测是海洋发展和维权的支撑[J]. 舰船科学技术, 2012, 34(2): 3-10.

[11] 方书甲. 支撑海洋发展和维权的海洋环境监测[J].光学与光电技术, 2011, 9(6): 1-8.

The Application Prospects for Unmanned Surface Vehicle in Marine Management and Law Enforcement of Marine Surveillance

CHEN Feng
(Shanghai Military Representative Burner of Navy Equipment Department, Shanghai 200083, China)

Unmanned surface vehicle has been playing an increasingly large role in military field because of its excellent performance. Aiming at the existing problems in marine management and law enforcement, combined with the characteristics of unmanned surface vehicle, the paper explored and prospected the application of unmanned surface vehicle in marine rights guarding, management and law enforcement of marine surveillance.

unmanned surface vehicle; marine management; marine law enforcement

U674.77

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.006

陈锋（1964-），男，高级工程师，工程硕士，主要从事舰船监造及研究。