无人水面和水下航行器在保护港口和海港的应用

康辉

在建设海洋强国的征程中，无人水面航行器、无人水下航行器将起到重要作用。保护港口和海港的巨大商业潜力，将驱动无人水面航行器、无人水下无人航行器和自主式水下潜航器快速发展。

现在，一些无人航行器的制造商和客户，都正在企图将它们用于保护商业或军用港口和海港的运营安全。虽然迄今尚未有正式的应用例子，但包括美国金枪鱼机器人公司、美国液体机器人公司、美国视频射线公司（Video Ray）和萨博公司都表示，已经投入了相当的时间和资源，探索无人航行器的商业潜力，包括无人水面航行器（USV）、无人水下航行器（UUV）和自主式水下潜航器（AUV），并努力改进这些航行器的性能，增加续航时间、任务载荷和数据发送的能力，使它们能沿着预先规划的路线来回巡逻、对水中出现的可疑物和可疑人物保持高度警觉，或绕防波堤监测有否毁坏迹象，或对河床进行监测等，甚至可以用于监测沿海地区和海事边界的非法药物或人口贩卖活动，跟踪高速水面舰船，如巴拿马“独木舟”（Panga）艇和半潜水艇等。

商用航行器

在今年的国际无人机协会（AUVSI）的丹佛无人机系统展上，液体机器人公司表示正在与一家未命名的港口管理机构共同探索，如何发挥SV3的“波浪滑翔机”（Wave Gilder）等作用，包括用多艘“波浪滑翔机”组成一个船对合的方式进行港口的安全保护。

而现在的“波浪滑翔机”的功能已经有很大提高，能携带的任务载荷包括用于水面和水下舰船探测的拖曳式声传感器，以及安装在舰船甲板的船舶自动识别系统（Als）接收器等任务载荷和一个高清摄像头。船舶自动识别系统帮助识别合法和非法船只的活动。高清摄像头用于近距離拍摄。这些任务载荷用于视觉识别，所以很适合用于商业市场，包括港口检查工作和沿岸地区的勘测。

而金枪鱼机器人公司也声称，正在利用多年的经验，使用公司的“金枪鱼”（Bluefin）-21/12D/12S/-9M-9AUV系列悬停自主水下航行器（HAUV）和“沙鲨”（Sandshark）微型自主潜航器（MAUV），用于确保港口安全。

金枪鱼机器人公司声称，虽然所有系统都可以在确保港口方面发挥作用，但“金枪鱼”9M/9更合适与在靠近岸边使用。“金枪鱼”9和“金枪鱼”9M通常能执行的各种任务，包括近海调查、环境保护和监测、反水雷、港口和海港安全；未爆弹药处置、快速环境评估和情报、监视与侦察（ISR）。其中，“金枪鱼"9M长仅为2.5m，能在狭窄的商业或军事港口和海港环境中灵活运作，以速度5.55km/h机动时，一次任务的续航时间可达10h，而最高速度可达到9.25km/h左右。

如果按照续航时间，4.93m长的“金枪鱼”12D/12S处于在金枪鱼系列产品的顶端，一次能够在站位保持长达30h（D型），可以携带多个任务载荷，包括侧扫声纳Edge 2205、多波束回声测深仪、底层断面仪和光电相机，涵盖的任务包括海洋与沿海管理、反水雷（MCM）和水文调查。

此外，现在最小的水下航行器HAUV，很适合于在水中作船体检查，配备了高分辨率成像声纳后，可以绕着一艘船或进入船体找到船上的瑕疵、缺陷或故障。虽然HAUV还需要一名潜水员花费一小部分时间的配合才能完成任务，但是用声纳可以帮助潜水员和运营商更容易地对船体进行评估。HAUV不仅能够自主执行任务，但也可以随时切换到手动控制，以便潜水员和运营商对感兴趣的东西进行更仔细的检查。

挪威的康斯伯格海事公司也通过其子公司海德罗伊德公司也将一系列的“莱姆斯”（REMUS）系列自主式水下潜航器，包括“莱姆斯”100/600/6000，用于港口和海港附近测绘和监测指定区域，提供不同能力级别的航行器，现在已经有超过250艘交付给世界各地的民用和军用客户，任务包括协助海上安全、水文和海洋研究。

康斯伯格海事公司的也专门设计了“福金”（Hugin）和“雾尼”（Munin）便携式监测水文地理学的自主式水下潜航器。公司介绍，“福金”自主式水下潜航器可以携带的任务载荷包括高分辨率干涉合成孔径声纳、EM 2040多光束回波发声器、侧扫声纳、海底断面仪、静图像照相机和混浊度、甲烷传感器等。公司特别声称，“福金”自主式水下潜航器的任务载荷的关键特点之一，是所有传感器可以同时操作，并分别加盖时间戳数据，使得地理参考更容易和更准确。康斯伯格海事公司还表示，如果把多波束回声测深仪安装在航行器的正面，就能扫描附着在船体上的威胁，用以评估潜在风险和通过测绘港口和海港的底床，提高港口安全。

公司还特别介绍了“福金”1000型，能将储存、电池管理、航行器维修、发射和回收（L&R）的功能部件完全集装到一个6m的标准箱体中，而将任务计划、航行器测试、任务执行、任务后期分析（PMA）的功能部件集装到另一个3m长的标准箱体中，完全满足全部行动的需要。

民事应用航行器的优势

在海事行业中有一种看法，使用无人航行器会使相当一批人员失去工作，但金枪鱼机器人公司认为，实际情况并非如此，例如，对于一般要接受游轮的海港来说，在游轮到达港口前，都要派遣不同种类的潜水员，沿码头进行安全检查，但这种检查并不总是100%可靠，而且有一定的危险性。这时如果使用像“金枪鱼”Mk 19 HAUV就可以很好地检查那些码头的墩柱桩，快速高效地提供实时数据，并做出相应的措施（如果有的话）。这样做的结果，并不是要取代潜水员，而只是让这些潜水员们摆脱有危险的工作，转向其他更安全的工作，因为还有其他几十个工作供可以他们选择，还可能赚更多的钱。

液体机器人公司更是认为，对于港口安全而言，同时使用水面和水下无人航行器的重要意义是能提供不同层面的长期检测。例如，采用一组“波浪滑翔者”无人水面航行器船队，部署成一种栅栏形式，可以滞留在海上数月或一年，在整个覆盖区域和整个季节，在站位上静静地听着港口和远离背景的商船交通产生的噪声，以更高密度和更高分辨率的传感器，收集和发送数据，对可疑的船只向管理当局作出实时的早期预警。反之，如果使用有人驾驶资产，如船舶、飞机或潜艇来执行这种长期、持续的广覆盖的监测任务，是非常不经济实用或不安全、甚至是不可行的。

液体机器人公司还说，无人航行器的离岸监视，今后还可以结合卫星数据来识别威胁或可疑活动，并可以在整个时间收集交通数据用于分析，同时综合雷达、通信和其他输入的信息，优化近岸资产的部署，诸如船只、飞机或陆上人员作出响应。这样就可以将沉闷和危险的任务交给无人航行器，从而减少了人员的风险和运营成本，同时增加整个任务的效率。通过用无人航行器进行巡逻，可以昼夜在各种天气倾听、探测是否有可疑目标，并警告海岸警卫队、海军和国土防卫部，需要时派高价值有人驾驶资产进行拦截。因此，使用无人值守的资产实际上改变了海运监视、监测和处理的传统方式。而民用市场的优势是，此前军方已经试验和积累很多航行器平台的使用经验，现在只是将军事应用转化为商业应用就是了。

金枪鱼公司同时认为，无人航行器除了能用于港口安全外，另一个重要应用是还可以用于船体检查。这项工作对于商船公司，一直是一个耗时和昂贵的过程，现在如果能使用一艘自主水下潜航器或遥控潜航器，在水中对一艘船泊进行实时检查，甚至对一艘在港口卸载集装箱的船只，对于船主具有重要意义和价值。

这种检查的好处不仅仅是提供一个船壳现状的外貌图，更有价值的是，船主可以根據检查结果确定，这艘船舶是否只需进行些一般的现场维护，还是要送到陆上的船坞中进行彻底的检查和维护。因为要送到船坞中，不仅费用昂贵，而且意味着，在这段时间内，船舶将无法使用，所以用自主水下潜航器或遥控潜航器检查，可以大大减少船只在船坞的时间。

军事港口安全保护

现在一些军事单位也在考虑将无人航行器用于保护军用港口的安全，包括港口检查、船体检查、水雷定位和处理等，使用的界面不仅领域包括海洋，还包括内陆湖泊等各种水体。相比民用航行器，有更高的性能和任务载荷要求。

新西兰皇家海军（RNZN）就在试用萨博海眼水下系统公司（Saab Seaeye）的脐带缆遥控的“猎鹰”（Falcon）遥控潜航器，用以港口侦察和安全保护任务。

现在“猎鹰”有“猎鹰”和“猎鹰”DR两个型别，它们很轻便，所以很容易携带到需要的地方，如近岸、近海、隧道等，以及也可为深海探测提供一个很好的平台。

标准型“猎鹰”的潜水深度300m，远超过一般港口的使用深度，能携带8.5kg的任务载荷，包括高分辨率彩色相机、可变强度150W照明灯和自动深度和定位仪，脐带缆的最大长度为450m，如采用光缆包可以增加到1100m，而“猎鹰”DR的潜水深度可达1000m的深度，能携带14kg的任务载荷。

自2003年以来，美国海岸警卫队（USCG）和美国国土安全部也开始试用美国视频射线公司的遥控潜航器用于保护军用港口的安全。其中最典型的是用公司的Pro 4遥控潜航器，来应对由水上简易爆炸装置（WBIED）所带来的风险。

Pro 4遥控潜航器的最大耐压深度为305m，最大速度为2.1 0m/s，主要任务载荷包括黑白彩色可切换的前视摄像机、由32个小型LED灯阵组成的超高亮度照明灯、加速度计、MEMS陀螺仪（GYRO）、泄漏指示器、温度以及压力深度传感器等，能在浑水中进行高分辨率声纳扫描和声成像，声纳搜索作用距离达100m、扫描角度达130°，航行路径可保存、重复、取消或临时改变，系统高度智能化、操作极其简单，并具有自身位置保持功能。

美国海岸警卫队计划的下一个阶段是开展“水下威胁识别一中和”（STID-N）计划，目的是发展遥控潜航器的水雷探测和中和能力。根据该计划，美国视频射线公司将在原来的Pro 4的滑翘上，加装一个机械臂，从而能将一个漂浮标记加到可疑目标上，稍后再由潜水队处理。

2015年，金枪鱼机器人公司宣布，已经向美国海军交付了第四和第五套船体检查系统，包括两艘HAUV航行器和相关支持设备，用于加强海港海底搜索和其他水下基础设施的搜索能力。公司介绍，这种船体检查系统称为“金枪鱼”MK19 HAUV，可以快速高效地检查码头支墩，同时将信息提供给海军，公司还声称，正在研究一种整合的方式，不仅仅是合并无人航行器，而且使用高于和低于水面传感器，以提供一个非常强大的信息包。

液体机器人公司同时也承认，虽然使用无人水面航行器和无人水下航行器平台增加了对港口和沿海地区进行有效地分层保护的能力，但是要探测安静的电动潜水器仍然非常困难，特别是在船只高流量地区。