無人水面和水下航行器在保護港口和海港的應用

康輝

在建設海洋強國的征程中，無人水面航行器、無人水下航行器將起到重要作用。保護港口和海港的巨大商業潛力，將驅動無人水面航行器、無人水下無人航行器和自主式水下潛航器快速發展。

現在，一些無人航行器的制造商和客戶，都正在企圖將它們用于保護商業或軍用港口和海港的運營安全。雖然迄今尚未有正式的應用例子，但包括美國金槍魚機器人公司、美國液體機器人公司、美國視頻射線公司（Video Ray）和薩博公司都表示，已經投入了相當的時間和資源，探索無人航行器的商業潛力，包括無人水面航行器（USV）、無人水下航行器（UUV）和自主式水下潛航器（AUV），并努力改進這些航行器的性能，增加續航時間、任務載荷和數據發送的能力，使它們能沿著預先規劃的路線來回巡邏、對水中出現的可疑物和可疑人物保持高度警覺，或繞防波堤監測有否毀壞跡象，或對河床進行監測等，甚至可以用于監測沿海地區和海事邊界的非法藥物或人口販賣活動，跟蹤高速水面艦船，如巴拿馬“獨木舟”（Panga）艇和半潛水艇等。

商用航行器

在今年的國際無人機協會（AUVSI）的丹佛無人機系統展上，液體機器人公司表示正在與一家未命名的港口管理機構共同探索，如何發揮SV3的“波浪滑翔機”（Wave Gilder）等作用，包括用多艘“波浪滑翔機”組成一個船對合的方式進行港口的安全保護。

而現在的“波浪滑翔機”的功能已經有很大提高，能攜帶的任務載荷包括用于水面和水下艦船探測的拖曳式聲傳感器，以及安裝在艦船甲板的船舶自動識別系統（Als）接收器等任務載荷和一個高清攝像頭。船舶自動識別系統幫助識別合法和非法船只的活動。高清攝像頭用于近距離拍攝。這些任務載荷用于視覺識別，所以很適合用于商業市場，包括港口檢查工作和沿岸地區的勘測。

而金槍魚機器人公司也聲稱，正在利用多年的經驗，使用公司的“金槍魚”（Bluefin）-21/12D/12S/-9M-9AUV系列懸停自主水下航行器（HAUV）和“沙鯊”（Sandshark）微型自主潛航器（MAUV），用于確保港口安全。

金槍魚機器人公司聲稱，雖然所有系統都可以在確保港口方面發揮作用，但“金槍魚”9M/9更合適與在靠近岸邊使用。“金槍魚”9和“金槍魚”9M通常能執行的各種任務，包括近海調查、環境保護和監測、反水雷、港口和海港安全；未爆彈藥處置、快速環境評估和情報、監視與偵察（ISR）。其中，“金槍魚"9M長僅為2.5m，能在狹窄的商業或軍事港口和海港環境中靈活運作，以速度5.55km/h機動時，一次任務的續航時間可達10h，而最高速度可達到9.25km/h左右。

如果按照續航時間，4.93m長的“金槍魚”12D/12S處于在金槍魚系列產品的頂端，一次能夠在站位保持長達30h（D型），可以攜帶多個任務載荷，包括側掃聲納Edge 2205、多波束回聲測深儀、底層斷面儀和光電相機，涵蓋的任務包括海洋與沿海管理、反水雷（MCM）和水文調查。

此外，現在最小的水下航行器HAUV，很適合于在水中作船體檢查，配備了高分辨率成像聲納后，可以繞著一艘船或進入船體找到船上的瑕疵、缺陷或故障。雖然HAUV還需要一名潛水員花費一小部分時間的配合才能完成任務，但是用聲納可以幫助潛水員和運營商更容易地對船體進行評估。HAUV不僅能夠自主執行任務，但也可以隨時切換到手動控制，以便潛水員和運營商對感興趣的東西進行更仔細的檢查。

挪威的康斯伯格海事公司也通過其子公司海德羅伊德公司也將一系列的“萊姆斯”（REMUS）系列自主式水下潛航器，包括“萊姆斯”100/600/6000，用于港口和海港附近測繪和監測指定區域，提供不同能力級別的航行器，現在已經有超過250艘交付給世界各地的民用和軍用客戶，任務包括協助海上安全、水文和海洋研究。

康斯伯格海事公司的也專門設計了“福金”（Hugin）和“霧尼”（Munin）便攜式監測水文地理學的自主式水下潛航器。公司介紹，“福金”自主式水下潛航器可以攜帶的任務載荷包括高分辨率干涉合成孔徑聲納、EM 2040多光束回波發聲器、側掃聲納、海底斷面儀、靜圖像照相機和混濁度、甲烷傳感器等。公司特別聲稱，“福金”自主式水下潛航器的任務載荷的關鍵特點之一，是所有傳感器可以同時操作，并分別加蓋時間戳數據，使得地理參考更容易和更準確。康斯伯格海事公司還表示，如果把多波束回聲測深儀安裝在航行器的正面，就能掃描附著在船體上的威脅，用以評估潛在風險和通過測繪港口和海港的底床，提高港口安全。

公司還特別介紹了“福金”1000型，能將儲存、電池管理、航行器維修、發射和回收（L&R）的功能部件完全集裝到一個6m的標準箱體中，而將任務計劃、航行器測試、任務執行、任務后期分析（PMA）的功能部件集裝到另一個3m長的標準箱體中，完全滿足全部行動的需要。

民事應用航行器的優勢

在海事行業中有一種看法，使用無人航行器會使相當一批人員失去工作，但金槍魚機器人公司認為，實際情況并非如此，例如，對于一般要接受游輪的海港來說，在游輪到達港口前，都要派遣不同種類的潛水員，沿碼頭進行安全檢查，但這種檢查并不總是100%可靠，而且有一定的危險性。這時如果使用像“金槍魚”Mk 19 HAUV就可以很好地檢查那些碼頭的墩柱樁，快速高效地提供實時數據，并做出相應的措施（如果有的話）。這樣做的結果，并不是要取代潛水員，而只是讓這些潛水員們擺脫有危險的工作，轉向其他更安全的工作，因為還有其他幾十個工作供可以他們選擇，還可能賺更多的錢。

液體機器人公司更是認為，對于港口安全而言，同時使用水面和水下無人航行器的重要意義是能提供不同層面的長期檢測。例如，采用一組“波浪滑翔者”無人水面航行器船隊，部署成一種柵欄形式，可以滯留在海上數月或一年，在整個覆蓋區域和整個季節，在站位上靜靜地聽著港口和遠離背景的商船交通產生的噪聲，以更高密度和更高分辨率的傳感器，收集和發送數據，對可疑的船只向管理當局作出實時的早期預警。反之，如果使用有人駕駛資產，如船舶、飛機或潛艇來執行這種長期、持續的廣覆蓋的監測任務，是非常不經濟實用或不安全、甚至是不可行的。

液體機器人公司還說，無人航行器的離岸監視，今后還可以結合衛星數據來識別威脅或可疑活動，并可以在整個時間收集交通數據用于分析，同時綜合雷達、通信和其他輸入的信息，優化近岸資產的部署，諸如船只、飛機或陸上人員作出響應。這樣就可以將沉悶和危險的任務交給無人航行器，從而減少了人員的風險和運營成本，同時增加整個任務的效率。通過用無人航行器進行巡邏，可以晝夜在各種天氣傾聽、探測是否有可疑目標，并警告海岸警衛隊、海軍和國土防衛部，需要時派高價值有人駕駛資產進行攔截。因此，使用無人值守的資產實際上改變了海運監視、監測和處理的傳統方式。而民用市場的優勢是，此前軍方已經試驗和積累很多航行器平臺的使用經驗，現在只是將軍事應用轉化為商業應用就是了。

金槍魚公司同時認為，無人航行器除了能用于港口安全外，另一個重要應用是還可以用于船體檢查。這項工作對于商船公司，一直是一個耗時和昂貴的過程，現在如果能使用一艘自主水下潛航器或遙控潛航器，在水中對一艘船泊進行實時檢查，甚至對一艘在港口卸載集裝箱的船只，對于船主具有重要意義和價值。

這種檢查的好處不僅僅是提供一個船殼現狀的外貌圖，更有價值的是，船主可以根據檢查結果確定，這艘船舶是否只需進行些一般的現場維護，還是要送到陸上的船塢中進行徹底的檢查和維護。因為要送到船塢中，不僅費用昂貴，而且意味著，在這段時間內，船舶將無法使用，所以用自主水下潛航器或遙控潛航器檢查，可以大大減少船只在船塢的時間。

軍事港口安全保護

現在一些軍事單位也在考慮將無人航行器用于保護軍用港口的安全，包括港口檢查、船體檢查、水雷定位和處理等，使用的界面不僅領域包括海洋，還包括內陸湖泊等各種水體。相比民用航行器，有更高的性能和任務載荷要求。

新西蘭皇家海軍（RNZN）就在試用薩博海眼水下系統公司（Saab Seaeye）的臍帶纜遙控的“獵鷹”（Falcon）遙控潛航器，用以港口偵察和安全保護任務。

現在“獵鷹”有“獵鷹”和“獵鷹”DR兩個型別，它們很輕便，所以很容易攜帶到需要的地方，如近岸、近海、隧道等，以及也可為深海探測提供一個很好的平臺。

標準型“獵鷹”的潛水深度300m，遠超過一般港口的使用深度，能攜帶8.5kg的任務載荷，包括高分辨率彩色相機、可變強度150W照明燈和自動深度和定位儀，臍帶纜的最大長度為450m，如采用光纜包可以增加到1100m，而“獵鷹”DR的潛水深度可達1000m的深度，能攜帶14kg的任務載荷。

自2003年以來，美國海岸警衛隊（USCG）和美國國土安全部也開始試用美國視頻射線公司的遙控潛航器用于保護軍用港口的安全。其中最典型的是用公司的Pro 4遙控潛航器，來應對由水上簡易爆炸裝置（WBIED）所帶來的風險。

Pro 4遙控潛航器的最大耐壓深度為305m，最大速度為2.1 0m/s，主要任務載荷包括黑白彩色可切換的前視攝像機、由32個小型LED燈陣組成的超高亮度照明燈、加速度計、MEMS陀螺儀（GYRO）、泄漏指示器、溫度以及壓力深度傳感器等，能在渾水中進行高分辨率聲納掃描和聲成像，聲納搜索作用距離達100m、掃描角度達130°，航行路徑可保存、重復、取消或臨時改變，系統高度智能化、操作極其簡單，并具有自身位置保持功能。

美國海岸警衛隊計劃的下一個階段是開展“水下威脅識別一中和”（STID-N）計劃，目的是發展遙控潛航器的水雷探測和中和能力。根據該計劃，美國視頻射線公司將在原來的Pro 4的滑翹上，加裝一個機械臂，從而能將一個漂浮標記加到可疑目標上，稍后再由潛水隊處理。

2015年，金槍魚機器人公司宣布，已經向美國海軍交付了第四和第五套船體檢查系統，包括兩艘HAUV航行器和相關支持設備，用于加強海港海底搜索和其他水下基礎設施的搜索能力。公司介紹，這種船體檢查系統稱為“金槍魚”MK19 HAUV，可以快速高效地檢查碼頭支墩，同時將信息提供給海軍，公司還聲稱，正在研究一種整合的方式，不僅僅是合并無人航行器，而且使用高于和低于水面傳感器，以提供一個非常強大的信息包。

液體機器人公司同時也承認，雖然使用無人水面航行器和無人水下航行器平臺增加了對港口和沿海地區進行有效地分層保護的能力，但是要探測安靜的電動潛水器仍然非常困難，特別是在船只高流量地區。