无人水面艇在水上交通安全监管中的应用

李峰，易宏

1 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240

2 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240

3 上海交通大学 海洋智能装备与系统教育部重点实验室，上海 200240

0 引 言

水上货物运输具有运输能力强、综合成本低的特点，是目前重要的货物运输方式，在国际国内贸易中发挥着重要作用。特别是随着我国经济快速发展，我国沿海水上经济活动日趋活跃。然而另一方面，我国海岸线绵长，海区气象复杂，情况多变，水上交通安全情况复杂，水上交通事故时常发生。据统计，2016年全国共发生14起死亡失踪达5人以上的水上交通事故［1］。因此，对水上交通进行安全监管，开展水上搜救、船舶安全监管、水域巡逻、通航秩序维护、航行警（通）告发布等工作，提高水上交通安全水平就显得尤为必要。海事系统作为水上交通安全的监管部门，多年来通过水上巡航、船舶自动识别系统（VTS）服务、船舶安全检查等多种手段，有力地维护了水上安全秩序，保障了人的生命财产安全。然而，随着水上交通密度的日益加大，以及船舶活动范围的日益扩展，海事系统水上安全监管面临越来越多的困难。海事装备，尤其是海事执法船艇的智能化水平、抗风险能力以及综合成本等已经不能适应水上安全监管发展形势，需要智能化程度更高、抗风险能力更强、综合成本更低的高性能船艇。近年来，无人水面艇（USV）由于具备较高的智能化水平、较强的机动能力、较低的造价、活动区域广、用途广泛等特点［2-4］，受到越来越多的关注，在多个方面得到了实际应用。海事部门也在密切关注并不断探索无人水面艇的应用。2013年，海事测量船“海巡166”轮已搭载无人艇开展岛礁测量。但是，目前无人水面艇在水上交通安全监管领域的应用总体上还处于初级探索阶段，需要进一步开展深入研究。本文将基于无人水面艇的发展及功能定位，全面分析水上交通安全监管的使用需要，提出无人水面艇在水上交通安全监管工作的应用场景、关键技术及实施策略。

1 无人水面艇及其功能定位

无人水面艇的起源可追溯到二战时期，当时，无人水面艇被作为火炮和靶船使用。战后，无人水面艇被美军用来在比基尼岛的核弹试验场收集放射水样。同一时期，美军还研制了遥控扫雷艇及导弹练习靶船。自上世纪90年代以来，随着技术的进步以及美军地区战争和反恐任务的需要，无人水面艇的研制进入爆发期。目前，研制应用无人水面艇的国家主要有美国、中国、以色列、欧洲、日本等。美国的“海上猫头鹰”无人水面艇、“斯巴达侦察兵”水面高速无人水面艇、“水虎鱼”无人拖带艇、CAT-Surveyo无人水面艇，以色列的“保护者”号多用途无人水面艇、“黄貂鱼”小型无人水面艇、KATANA新一代无人水面艇，日本的UMV-H和UMV-O无人水面艇，是欧美等发达国家无人水面艇的典型代表［2-9］。国内在无人水面艇的研究方面起步相对较晚，与欧美发达国家有一定的技术差距。但总体而言，我国无人水面艇的研制目前处在快速发展阶段。公开报道的主要有中华造船厂于1972年建造的无人遥控扫雷艇、北方某基地装备部通信修理厂改装的无人遥控靶船、中国航天科工集团公司沈阳新光公司研制的无人驾驶海上气象探测船“天象一号”、上海海事局研制的无人测量艇以及上海交通大学、哈尔滨工程大学、上海海事大学、江苏科技大学等院校研制的无人水面艇［10-16］。

无人水面艇既可应用于军事领域，也可运用于民用领域。军事领域的应用时间最久，应用范围最广。美国海军制定的美国无人水面艇总体规划全面总结了无人艇在军事领域的功能定位，即无人水面艇的7类作战使命，包括反水雷战、反潜作战、海上安全、水面作战、支持特种部队作战、电子战、支持海上拦截作战［6，9］。无人水面艇在民用领域的研究近年来逐步得到推广深化，已应用于海道测量、污染物追踪、环境监测等领域。目前，各个研究机构基于更好地实现无人水面艇功能的目的，在多个领域推进了无人水面艇技术研究，主要集中在控制技术、路径规划、布局优化、目标识别、自动避碰、目标特征图像提取及识别等技术领域［17-24］。

2 水上交通安全监管

水上交通安全监管总体上可以分为水上巡航与水上突发事件处置2个方面。作为水上交通安全监管的主要手段，水上巡航的基本要求为：合理安排巡航船舶、巡航水域、巡航时间和频度，加强对重点水域、重点时段、重点船舶的监管［25］。水上突发事件处置是在发生船舶交通事故及污染事故后采取的保障人民生命财产安全的应急措施。

2.1 水上巡航

水上巡航，按照巡航水域不同，可以分为海区巡航、重要航段巡航和港区巡航。水上巡航过程中，巡航人员按照要求开展水上巡视检查，主要包括巡查水域通航环境，巡视船舶航行、水上水下施工秩序，核查过往船舶等。根据海事系统规定，具体的水上巡航任务包括：

1）监督执行有关水道、航道、港池、锚地等水域有关安全管理规定的情况，维护交通管制区、交通密集区、捕捞作业区、桥区、坝区、油区、事故多发区等水域正常的通航秩序，保障重点船舶的航行安全；

2）监视水域环境，制止和纠正船舶对水域污染的违法行为，对巡航中发现的船舶污染水域事故进行初步调查，并采取必要的应急措施；

3）巡视检查船舶航行、停泊、作业状况；

4）巡视检查码头、港外系泊点、装卸站、船闸及渡口等靠泊设施的安全状况；

5）制止影响通航安全的捕捞、水上养殖、挖砂、水上娱乐活动等；

6）监督船舶遵守船舶定线制、船舶报告制的情况；

7）监督检查水上过驳、水上水下施工、海上平台及其他水上设施的作业情况，核查有关航行警（通）告的执行情况；

8）检查航标、水上建筑物安全标志的使用状态，纠正危害航标安全和损害航标工作效能的行为；

9）巡视水域内是否存在有碍航行安全的漂流物、碍航物，及时上报本局并采取应急措施；

10）对巡航中发现的水上交通事故及时报告，必要时做应急处理；

11）根据协查通告，核查过往船舶；

12）根据上级机关的指示或在巡航中获得遇险信息时，参加抢险、搜救任务，根据搜救中心或分中心的指定，担任搜救现场协调人；

13）按要求观察、记录交通密集区的船舶通过情况，跟踪了解通过该区域船舶的状况，调查巡航水域不同季节渔船、定置渔具、养殖区的分布情况；

14）配合VTS指挥系统在覆盖区内维护船舶航行秩序。

2.2 水上突发事件处置

《中华人民共和国突发事件应对法》明确指出，突发事件是指突然发生的，造成或者可能造成严重水上危害，需要采取应急处置措施予以应对的自然灾害、事故灾难、公共卫生事件或社会安全事件。水上突发事件主要包括水上交通事故和污染事故等，具有突然性，不可预测等特点。这些事件往往会造成巨大的人民生命财产损失和水域环境污染，带来严重的政治经济影响。水上突发事件处置既是对专业人员突发事件处置水平的考验，也在很大程度上检验装备的先进水平。《中国海事工作发展纲要》（2006-2020）［26］提出“渤海湾、长江口、台湾海峡、珠江口、琼州海峡、南中国海等重点水域离岸100 n mile搜救单元的应急到达时间不超过90 min；内河重要航段的应急到达时间不超过45 min；水上人命救助成功率保持在96%以上”的目标，对海事装备提出了更高的技术要求。

3 无人水面艇在水上交通安全监管中的应用分析

海事船艇是海事水上交通安全监管的重要执法装备，在水上交通安全监管中发挥着重大作用，尤其是“海巡01”轮，在搜寻马航MH370、搜救“桑吉”轮等重大水上事件中发挥了重要作用。但是，目前海事船艇面临着平均吨位小、平均船速慢、功能单一、在恶劣天气情况下执行任务能力偏弱等不足。在我国直属海事系统在役执法船艇中，尚未建造与“海巡01”轮同类的海事船艇，严重影响了水上交通安全监管效能的提升。

与海事其他装备相比较，无人水面艇具有智能化程度高、工作效率高、综合成本低、反应速度快、抗风险能力强、可在高海况和高危情况下开展工作等优势，是提升水上安全监管效能的有效手段。

3.1 无人水面艇综合布局

海事现有装备包括巡逻船，以及VTS，船舶交通管理系统（AIS），固定摄像机（CCTV）和飞机等。各类海事装备发挥协同作用，综合组成海事装备体系，在水上交通安全监管中发挥作用。将无人水面艇融入现有海事装备体系，充分发挥无人水面艇的优势，弥补现有海事装备体系的不足（表1），能够进一步提升水上交通安全监管成效。

表1 海事装备与无人水面艇优劣势对比Table 1 Comparison of pros and cons of MSA equipments and USV

按照监管水域不同，水上交通安全监管工作可分为海区、重要航段和港区水上交通安全监管。不同的水域，对无人水面艇的性能指标提出了不同的要求。因此，无人水面艇的配置需要综合考虑不同水域条件下无人水面艇航行方式、承担功能、数据分析技术、实现功能、关键技术、搭载设备、支持系统的不同（表2），根据实际情况，协同现有海事装备，形成海事装备体系综合布局。

3.2 无人水面艇关键技术

无人水面艇具有优异的技术指标，具备多种任务性能，高度贴合水上交通安全监管需要。但是，无人水面艇应用于水上监管领域的部分关键技术发展仍不充分。这些关键技术主要包括：

1）自主技术。在通航水域，特别是港口、重要航段等水域，船舶交通密集，通航环境复杂。无人水面艇在开展水上交通安全监管时，需要性能可靠的路径规划方案，能够实现自主导航、自主避障，从而确保自身安全以及通航水域安全。路径规划方案设计既要符合1972年国际海上避碰规则、水上通航法律法规等要求，也要航行路径优，综合成本低。

2）智能识别。对水上物体的识别是开展水上巡航和搜救工作的基础。水上物体包括：各种类型的船舶等移动结构物；桥梁、堤坝等固定建筑物；航标、浮标等助航设施；渔网、废弃物等漂浮物。无人水面艇智能识别技术要能正确识别水上各种物体，正确收集船舶的静态信息，正确判断船舶的动态信息，正确判别船舶作业违章行为，以及准确寻找、正确识别落水人员。

3）释放与回收方法。远海执行任务场景下，无人水面艇需要搭载在飞机、海事船艇等大型海事装备上。因此，需要设计可靠的释放与回收装置，提高无人水面艇的安全性和可用率。

4）无线通信。无人水面艇需要不间断地传输图像、视频、语音等信息，以便后台专业人员能够实时判断水上安全形势。需要设计性能可靠、成本节约的无线通信技术，保障无人水面艇能够及时、有效地与后方通信。

5）良好的船舶性能。水上气象水文条件复杂，海况多变，特别是水上搜救多在恶劣天气时进行，需要无人水面艇船舶具备良好的稳性、耐波性及可靠性。

3.3 水上巡航应用研究

对照2.1节介绍的14种水上巡航详细任务，结合无人水面艇目前的技术进展，部分水上巡航任务可在现有技术条件下实现，如巡视检查船舶航行、停泊、作业状况，监督船舶遵守船舶定线制、船舶报告制的情况等；部分水上巡航任务需进一步优化技术方案，提高设计水平，如监督执行有关水道、航道、港池、锚地等水域有关安全管理规定的情况，维护交通管制区、交通密集区、捕捞作业区、桥区、坝区、油区、事故多发区等水域正常的通航秩序等。另有部分水上巡航任务目前还较难实现，需要等待技术成熟，如配合VTS指挥系统在覆盖区内维护船舶航行秩序。具体应用如表3所示，其中，实现等级Ⅰ表示最有可能应用；Ⅱ表示较Ⅰ次之；Ⅲ表示附加较多条件的应用；Ⅳ表示暂时较难应用。

表3 无人水面艇在海事水上巡航应用一览表Table 3 List of possible functions of USV in maritime patrol

3.4 水上突发事件处置应用研究

水上突发事件的突发性、不可预测的特点对海事部门的应急反应能力提出了高要求。无人水面艇具备高航速、综合性能强等显著特点，更加契合水上突发事件处置要求。以航速为30 kn的无人水面艇为例，以事故距离25 n mile的航程计算，其达到事故现场的时间仅需50 min，是现有海事装备中最快的（表4）。

不同的水上突发事件类型、突发事件离岸距离及自然条件，会应用不同的水上突发事件应急措施。总体上，水上突发事件分为水上交通事故和水上污染事故，自然条件分为尚可、恶劣两种类型，离岸距离可分为适中和较远。根据目前的水上突发事件应急处置水平，适中和较远以距离基地25 n mile为界。根据无人水面艇的现有功能，目前海事装备配备情况、无人水面艇在水上突发事件处置中的应用如表5所示。

表4 各种海事装备快速反应能力一览表［27］Table 4 List of response capability of various maritime equipments

表5 无人水面艇在水上突发事件处置中的应用一览表Table 5 List of possible functions of USV in maritime emergency disposal

4 结 语

无人水面艇经过短短几十年的发展，已在多个领域得到应用。无人水面艇具备的综合成本低、抗风险能力强、智能化程度高、反应速度快等特点，契合水上交通安全监管需求，在水上交通安全监管工作中具有广泛的应用前景。目前，海事系统已经进行了无人水面艇应用的良好探索。

经过任务分析，无人水面艇在水上巡航中，部分可替代目前传统的巡航工作，部分可与现有海事监管手段形成补充，部分需要进一步研发完善相关技术。在水上突发事件处置方面，无人水面艇具备无需备航时间、航速快等显著优势。因此，无人水面艇能有效应用于水上安全监管，融入海事装备体系并成为其中重要的一个组成部分。