无人机在港口引航领域的应用

胡 杰 谢双魁

一、无人机的发展

1916年9月12日，世界上第一架无线电操纵的无人驾驶飞机在美国诞生并试飞，从此，人类开启了无人机研究与应用的蓝海。无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种在无人驾驶的条件下，能执行各种空中飞行任务和负载任务的飞行器。无人机从技术角度定义可以分为无人固定翼机、无人垂直起降机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。按应用领域，无人机可分为军用与民用两类[1]。军用无人机分为侦察机、靶机、察打一体机等。在民用方面，目前我国在警务侦察、城市管理、农业植保、电力巡检、野生动物观察、抢险救灾、传染病监控、测绘、气象监测、新闻报道、快递投送、娱乐自拍、影视拍摄等领域应用突出，已达千亿产值。发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。

近年来，随着无人机技术的不断进步，无人机的安全性与可靠性逐步提高，加之无人机具有重量轻、尺寸小、费用低、反应快等多项优势，其应用行业细分越来越多，美、日等发达国家将无人机应用于海事方面的范围也不断扩大。随着我国港口航运的不断发展，无人机技术的应用已在海事监管、航道测绘、海上搜寻救助[2]等方面逐步形成试点，但还未涉及港口引航领域。

二、无人机在港口引航领域的优势

从引航工作特性来说，引航员需要在驾驶台从各个方面获取充足的信息后，为船方提供安全合理的指导建议，以保障船舶通航和靠离泊安全。但在实际工作中，气象条件、通信条件、船舶构造等因素的制约都会影响引航员高效获取信息。若有额外辅助手段对信息进行补充，就能及时提醒应对密集交通流的引航员，在能见度不良的海域“揭开迷障”，给遇险船舶应急处置提供全方位的建议指导。无人机的运用如同给引航员配上了“千里眼”和“顺风耳”，将为港口引航工作的安全提供进一步保障。

三、无人机在港口引航中的应用构思

1.辅助瞭望、巡航预警、协调避让，成为引航员的“第三只眼”

在港口引航工作中，无人机可帮助引航员快捷高效地获取航行信息，弥补当前助航仪器的不足。特别是在引航过程中突遇能见度不良状况时，在充分使用驾驶台各类助航仪器的同时，可通过无人机提前巡航预警做好航路勘测，利用空中巡航和红外摄像及早发现潜伏威胁船舶航行安全的不利因素，即时反馈给引航员以便采取应对措施。特别是对于在狭水道违章航行的“三无”小船，可通过声光信号与他船取得有效联系及时采取避让措施。在距离相同的情况下，飞机的巡视辐射面积约为船舶的12倍，巡视效果远高于护航船，同时还能节省人力、燃油、养护等成本。

案例一：某大型重载船进入深圳港铜鼓航道后突遇大雾，能见度低于100米，加上船方雷达老旧，扫描杂波明显。引航员请求空中无人机护航，引航站迅速派出无人机前往被引船前方1～1.5海里处巡航瞭望。通过无人机安装的红外视频传感设备，将该水域航道情况实时传输至引航员终端并辅助判断是否有碍航物，供在船引航员及调度指挥中心参考评估是否存在安全风险。同时，针对无人机发现前方航道内有碍航渔船和正在穿越的驳船，岸基人员可控制无人机靠近目标船，盘旋飞行并通过扩音器播报本船动态，告知立即驶离或采取有效避让措施，保障该操限船在航道内的通航安全。如图1、图2所示。

图1 无人机巡航铜鼓航道平面图

图2 无人机巡航铜鼓航道立体图

2.成为特种船、困难船、超大型船舶的“精准引航助手”

通过无人机助航，引航员用手持终端不仅能实时接收船舶动态信息，还能接收无人机的图像信息和标绘数据等，并能够协助引航员结合船舶状态对风险做出精准判断。无人机的应用，可以让引航工作不再局限于某引航员在船上进行船舶操控的单一方式，获取该船靠离泊数据不再局限于船方设备，发展成为全方位“岸-人-船”的立体式引航模式。特别是特种船、困难船、超大型船舶操纵性能差，盲区大，受限水域广，通过无人机助航不仅不再局限于引航员单方的现场操作，指挥中心还可以通过无人机现场获取的信息进行“第三方指导”，如同专家会诊。这无疑为困难船的引航操作提供了更安全的保障。

案例二：某日深圳友联船厂30万吨空载油船从友联3#泊位对开锚地引航靠泊友联8#泊位，需要绕过深圳友联船厂北角船坞右转90度角进入航道。该船盲区大，退潮同时因上游降雨影响，流水较急，船速过慢稍不注意随时有可能压上浮坞，船速过快又可能在转向时造成船体首部搁浅。通过无人机巡航值守在几个关键区域，随时捕获船位对周边船舶动态做出预判，并实时传输至引航员终端，引航员可实时对该船船位、船速、转向角速度的调节控制实现多维度的参考，并作为AIS、ECIDS、RADAR等助航设备信息的校对和补充（AIS出错实例如图3所示）。在靠泊作业中（见图4），无人机助航系统可以实现对船舶靠离泊动态的即时实景观测，引航员可通过手持设备获取全方位靠泊信息，对拖轮协助转向过程中施力方向做出较为直观的判断和实时调整。同时岸基人员也可辅助指导，无人机成为大型船舶靠离泊作业的“精准引航助手”。

图3 船舶（KOTA）AIS出错实例

图4 无人机助航靠泊作业

3.现场指导和应急支援

目前高海况巡航救助艇普遍最高航速仅为36节，且视野小，受自然条件制约程度大。在距离相同的情况下，无人机的巡视辐射面积约为船舶的12倍，并可根据不同操作需求搭载相应传感器。一般情况下无人机航速可达100公里/小时，约为54节，能在第一时间抵达事故现场获取现场信息，对船舶造成的搁浅、碰撞、失控等事故快速进行有效评估，以便救援人员及早做出抢险方案，尽可能减小损失。无人机能够应对不同工况环境，同时可以协同救助机构对人员实施救助，到达许多人员和船只无法抵达的危险区域，把高清视频和照片实时传送至指挥中心，为有关部门快速处置提供信息保障，大大提高救助效率。

案例三：某自引大型集装箱船航经铜鼓航道口搁浅，为赶在最高潮前脱浅，申请引航员协助。引航站派遣的引航艇和拖轮预计1小时后才能抵达现场，然而无人机从港口出发，仅要8～10分钟就可抵达事故现场，可获取该船不同部位吃水数据，了解船舶当前状态及搁浅情况、水文风流情况等。岸基部门可快速计算出所需要的脱浅外力，及时派出相应数量的增援拖轮，同时远程指导船长在转潮前采取有效措施成功脱浅以减小经济损失。

4.实时监控、远程培训、资料采集

在码头布设的岸基监控设备成本高，布设密度小，监控区域有限，而无人机可以发挥其成本低、移动灵活的优势，全方位无死角地监控各船舶系泊状态，是对岸基监控的良好补充。特别是在恶劣天气时可规划飞行路径，在某些重点船舶断缆、走锚等险情发生时及时通知各部门做出快速反应。无人机可作为实习引航员岗前培训和技术考核的得力助手，针对某些钻井平台、大型拖带驳船、特殊抢险作业等无法亲临现场学习的引航任务，实习人员可通过无人机的实况直播观摩学习，通过音频端子传输的现场操纵口令结合船舶动态逐帧分析。无人机为引航技术的探讨和提升提供真实可靠的研究素材。另外，在资料采集方面，可通过无人机飞行采集港口水文、岸基信息。通过拍摄背景、水面，获取图像信息，经加工、处理和分析以提取被测对象的空间位置和有关信息。全数字摄影测量方法的应用，使无人机的航空摄影也完全能够满足航空测量的要求，引航员通过该方式能够获取最新的港口水文数据。该类数据如应用于船舶操纵模拟器，将改变当前模拟器模拟景的缺陷，实现模拟器实景操船的技术革新，让驾引人员操船模拟时更身临其境。

四、无人机在港口引航方面应用的展望和局限

无人机助航体系，可以让我们的引航工作不再局限于某引航员在船上进行船舶操控的单一方式，构建全方位多维度的引航服务模式。在未来的引航工作中引入无人机并建立完善的无人机助航系统，可以分享各港引航专业技术。可以通过全国引航信息云平台让引航员们交流困难引航作业案例，集思广益，进一步确保港航引航的安全（无人机助航云平台如图5所示）。基于未来船舶智能航行“航行脑”[3]概念的提出，开启了对智能引航的多方位构思和探讨，可运用无人机在运营的商船上空以伴飞的模式飞行，实时监测航行安全，传输视频数据。构造船舶物联网，搭建智能引航云平台，实现智能引航是未来无人机在港口引航服务中的发展方向。

尽管无人机在引航服务中具有突出作用，但实际操作中仍存在亟须解决的问题。首先是海上网络覆盖、无人机电池续航里程和海上抗风稳定性问题，随着5G网络的推进和行业特色无人机的开发，这三项技术瓶颈将逐步得到解决。其次是妥善解决无人机的海上空域管制问题。无人机与有人机相比面临着空管限制、限高飞行的问题，现阶段国内空域的应用需要专项审批。目前长江海事局、深圳海事局、大连海事局、天津海关、大连海关，均已开展无人机辅助应用试点。港口引航无人机与其相似，其开发和应用均可借鉴和运用。再次是引航领域无人机配置的顶层设计框架。目前无人机应用虽已具备自动起飞、自动悬停、自动避障、伴飞、自主返航充电、激光测距、红外摄像、气象传感等功能，在港口引航应用上可装载合成孔径雷达、3D激光雷达、机载AIS、机载VHF、位置识别信号、光电EO、报警呼叫等装置，满足港口引航时引航员对数据和信息的多方面需求，但考虑到无人机属于高科技产品，初步应用港口引航需要慎重，选择合适机型、配备何种吊舱设备都需要深入探讨。最后，因引航员往往是“单兵作战”，引航操作过程中比较繁忙，无人机操控需要岸基团队完成。如何做好无人机岸基人员配备及操控培训？为了满足无人机引航服务的需求，需要有专业技术人员进行设备的工作原理和技术性能、系统结构及配置、安装调试、维护操作、系统配置操作及系统运行数据采集和分析等方面的培训，使受训人不仅能熟练掌握系统软硬件的日常操作管理和维护，还能熟悉港口引航操作。

图5 无人机助航云平台

五、结语

综上所述，无人机技术在引航服务中的应用还处于探索阶段，本文结合深圳港的引航案例特点，介绍了无人机保障港口引航安全的几项应用构思。虽暂未投入实际引航应用，但随着无人机软硬件技术的不断完善和优化，应用将会落地。航运各界同仁们可以充分发挥无人机技术独特优势，实现更多的功能应用，更好地保障港航安全。