海事無人機智能化發(fā)展解析與展望

高學(xué)英　孫迪　劉勝利

【摘 要】 為發(fā)揮海事無人機的最大效能，從海事系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)、信息綜合利用、運行管理和健康管理等多個角度分析當前海事無人機發(fā)展中存在的問題，分析海事無人機任務(wù)規(guī)劃、作業(yè)、信息處理和健康管理等4個智能化發(fā)展方向，提出智慧海事無人機運行管理系統(tǒng)架構(gòu)和海事無人機智能化發(fā)展建議。

【關(guān)鍵詞】 海事無人機;智能化;故障預(yù)測與健康管理技術(shù)

0 引 言

近年來，無人機在海事監(jiān)管業(yè)務(wù)中的應(yīng)用越來越廣泛。多年實踐證明，無人機作為海事空中監(jiān)管力量正發(fā)揮著越來越重要的作用，無人機已成為海事系統(tǒng)“陸?？仗臁币惑w化水上交通運輸安全保障體系設(shè)施裝備中不可或缺的重要組成部分。2021年5月，交通運輸部海事局印發(fā)了《海事系統(tǒng)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，提出推進輕型、小型無人機應(yīng)用，加強空海協(xié)同、空海聯(lián)動，推進海事監(jiān)管精準化和智能化水平。海事無人機是一種新型海事監(jiān)管裝備，其數(shù)字化、智能化發(fā)展趨勢明顯。在無人機系統(tǒng)建設(shè)和運行體系構(gòu)建中，海事系統(tǒng)應(yīng)貫徹新發(fā)展理念，依托5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)推進海事無人機智能化發(fā)展，發(fā)揮其最大效能。

1 問題分析

（1）協(xié)同作業(yè)優(yōu)勢有待挖掘。由于無人機單機留空時間短、單次作業(yè)覆蓋范圍有限，難以實現(xiàn)對所轄監(jiān)管水域全面覆蓋或?qū)χ攸c水域全面覆蓋。若根據(jù)轄區(qū)特點和監(jiān)管需求，采用多機接力、編隊、分水域作業(yè)，以及監(jiān)測圖像信息拼接、多信息融合等協(xié)同作業(yè)方式，可在單次作業(yè)中實現(xiàn)大范圍高效巡航監(jiān)管作業(yè)。另外，現(xiàn)有VTS、AIS、CCTV等岸基監(jiān)管系統(tǒng)可供海事部門獲取包括船舶基本靜態(tài)信息、動態(tài)位置信息及水域圖像信息等近岸水域信息。若海事無人機與岸基監(jiān)管系統(tǒng)通過實時信息交互、監(jiān)測信息融合等方式進行協(xié)同作業(yè)，可有效提升船舶監(jiān)管效率、執(zhí)法取證能力，擴展船舶監(jiān)管范圍等。當前海事無人機以單機作業(yè)為主，尚未形成多機協(xié)同及與岸基監(jiān)管系統(tǒng)、海事船舶協(xié)同作業(yè)的模式，有待進一步挖掘多系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)優(yōu)勢。

（2）運行智能化水平有待提升。當前無人機系統(tǒng)的運行主要依靠專業(yè)運維人員親臨現(xiàn)場操控作業(yè)，難以實現(xiàn)對偏遠海域或內(nèi)河水域常態(tài)化監(jiān)管和快速應(yīng)急處置需求，尤其是大型中遠程固定無人機、無人直升機的運行高度依賴素養(yǎng)過硬的專業(yè)人員。對于大規(guī)模使用的海事監(jiān)管無人機，若采用當前運行模式，則需要相當規(guī)模且運轉(zhuǎn)穩(wěn)定的專業(yè)人員隊伍支撐。這對海事系統(tǒng)而言，難度較大，嚴重制約了海事無人機布局和使用。此外，對于海事力量薄弱、基礎(chǔ)設(shè)施條件差的偏遠水域，依靠人員現(xiàn)場作業(yè)的運行模式則難以發(fā)揮海事無人機機動靈活、時效性強的優(yōu)勢。急需提高無人機遠距離操控、異地操控和自主補給等智能化水平，減少對專業(yè)操控人員的依賴，實現(xiàn)海事監(jiān)管人員在不親臨現(xiàn)場情況下也可操控?zé)o人機系統(tǒng)進行監(jiān)管作業(yè)，真正實現(xiàn)無人化和智能化，以解決海事偏遠水域無人機快速抵達和常態(tài)化使用的問題。

（3）故障預(yù)測與健康管理能力有待加強。隨著海事無人機規(guī)模越來越大、機型越來越豐富，無人機運行安全和維護問題更加凸顯。為確保無人機系統(tǒng)安全可靠運行、降低作業(yè)風(fēng)險，須及時掌握無人機系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并及時對系統(tǒng)進行保養(yǎng)，避免“帶病”作業(yè)。當前海事無人機運行維護主要依靠使用人員根據(jù)購置機型保養(yǎng)要求進行機械式管理和保養(yǎng)，沒有考慮到海上復(fù)雜作業(yè)環(huán)境、貯存條件、人員使用和維護不當對無人機的損耗影響，加之無法及時掌握和評估系統(tǒng)的健康狀態(tài)，缺少對系統(tǒng)故障的預(yù)測，導(dǎo)致系統(tǒng)維護不及時，且缺乏系統(tǒng)性和針對性，容易造成系統(tǒng)維保不足，影響系統(tǒng)使用壽命和可靠性，威脅系統(tǒng)作業(yè)安全。

（4）信息資源利用效益有待提升。無人機運行產(chǎn)生作業(yè)監(jiān)測、系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障、環(huán)境等大量信息，但這些信息的利用效益較低。目前海事部門主要是對無人機作業(yè)獲取的任務(wù)信息（圖像、位置等）進行處理后用于監(jiān)管業(yè)務(wù)，并未很好地利用系統(tǒng)產(chǎn)生的大量重要信息。如歷史作業(yè)任務(wù)信息和作業(yè)環(huán)境信息可用于轄區(qū)船舶交通運行規(guī)律、安全風(fēng)險、船舶違章等態(tài)勢分析和預(yù)測;作業(yè)狀態(tài)信息、運行環(huán)境信息及故障信息可用于無人機系統(tǒng)安全狀況評估和故障預(yù)測分析等。這些信息對提高海事無人機系統(tǒng)作業(yè)效率和系統(tǒng)安全運管水平有重要意義，但由于對信息的重視程度不夠和使用模式問題，大量信息沒有被很好地保存和利用，造成數(shù)據(jù)資源浪費。

2 發(fā)展方向

2.1 任務(wù)規(guī)劃的智能化

無人機系統(tǒng)若要高效發(fā)揮作用，首先要根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行合理任務(wù)規(guī)劃。當前，海事系統(tǒng)無人機以單機作業(yè)為主，任務(wù)規(guī)劃相對簡單。隨著海事無人機建設(shè)和應(yīng)用逐步完善、作業(yè)要求的不斷提高，海事無人機需從作業(yè)任務(wù)多樣性和時效性、多機型和多系統(tǒng)等多維度進行任務(wù)規(guī)劃（見圖1），同時還要考慮天氣、空管、起降條件等諸多外部因素影響，海事無人機任務(wù)規(guī)劃工作復(fù)雜性急劇增加，單純依靠人員短時間內(nèi)規(guī)劃合理、安全、高效的無人機任務(wù)方案難度極大，通過計算機、大數(shù)據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)挖掘等先進技術(shù)實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃的智能化。任務(wù)規(guī)劃的智能化對安全、高效發(fā)揮海事無人機系統(tǒng)具有重要意義。

2.2 作業(yè)的智能化

無人機作業(yè)智能化主要體現(xiàn)在智能化系統(tǒng)操控、智能化貯存補給和智能化信息處理等3個方面。

（1）智能化系統(tǒng)操控。無人機的遠程實時操控可解決偏遠水域無人機響應(yīng)不及時和專業(yè)運維隊伍建設(shè)困難的問題，即通過高速、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程部署無人機實時操控。若要實現(xiàn)無人機遠程操控，則需要解決現(xiàn)場系統(tǒng)和環(huán)境信息精準檢測、高速傳輸和精準判斷等關(guān)鍵問題;另外，還要提高無人機自適應(yīng)能力，即自主識別和判斷作業(yè)環(huán)境安全的能力。目前國內(nèi)已有較為成熟的無人機遠程操控技術(shù)。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，無人機遠程操控技術(shù)將更精準和可靠，可以有效支撐海事無人機遠距離、智能化作業(yè)需求。

（2）智能化貯存補給。若要真正實現(xiàn)無人機遠程運行，還需解決系統(tǒng)無人收放和供能問題。當前在多旋翼無人機電力巡線作業(yè)中出現(xiàn)的“龍巢”系統(tǒng)是用于無人機停留和充電的。“龍巢”的底部配有無線充電系統(tǒng)，當與無人機底部的金屬環(huán)接觸時，即可對無人機進行充電?！褒埑病北旧砑茉O(shè)于高壓電線塔上，可通過外接電源、感應(yīng)和太陽能等3種方式獲得穩(wěn)定電能?！褒埑病毕到y(tǒng)的艙門支持自動開閉可抵御強風(fēng)和暴雨等惡劣天氣。“龍巢”配有光纖接口，可以使用電力系統(tǒng)的光纖線路來進行大量數(shù)據(jù)的傳輸。海事無人機系統(tǒng)，尤其是中小型電動旋翼無人機、垂直起降固定翼無人機系統(tǒng)的建設(shè)和布局，可借鑒該技術(shù)，結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等技術(shù)，在偏遠海島、內(nèi)河干線偏遠水域，依托海事通信基站鐵塔、供電和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施或借助民用供電和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，構(gòu)建海事無人機智能貯存補給系統(tǒng)，即構(gòu)建海事“龍巢”系統(tǒng)，從而實現(xiàn)偏遠水域海事無人機長期駐守和應(yīng)急需求。[1]2F07AD23-CD7D-41A4-BC7C-F25361D0CF4A

（3）智能化信息處理。海事無人機系統(tǒng)更多的作用是通過機載光電、合成孔徑雷達（SAR）、多光譜、機載AIS等設(shè)備進行識別、定位和跟蹤采集海上船舶、油污、遇險人員等目標。近年來，圖像信息采集技術(shù)的提高，使得可獲取的水上目標信息更加準確和豐富。僅依靠作業(yè)人員目視識別監(jiān)測圖像中的水上目標，作業(yè)效率低下且容易遺漏重要信息。近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算以及高速信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，無人機圖像識別技術(shù)已十分成熟。根據(jù)不同實際業(yè)務(wù)需求，海事無人機對監(jiān)測信息進行快速識別、定位、跟蹤等智能化分析處理，并自動生產(chǎn)作業(yè)報告，有利于降低作業(yè)人員工作強度和對專業(yè)人員的依賴度、提升海事無人機系統(tǒng)作業(yè)效率和使用便捷度。

2.3 健康管理的智能化

無人機健康狀況的精準化和智能化管理，可有效提升無人機的安全性、減少系統(tǒng)維護成本，對海事無人機長期穩(wěn)定運行具有重要意義。海事無人機智能健康管理主要是通過對無人機作業(yè)全過程進行實時安全監(jiān)控，并結(jié)合無人機實時和歷史作業(yè)遙測數(shù)據(jù)、設(shè)備歷史運行和監(jiān)測維修數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)潛在故障進行診斷和系統(tǒng)健康評估，預(yù)測系統(tǒng)壽命，并給出系統(tǒng)維護管理優(yōu)化方案，從而實現(xiàn)海事無人機系統(tǒng)精準維護管理。實現(xiàn)智能化精準健康管理的關(guān)鍵是要做好信息采集與融合、故障分析與診斷、健康評估等環(huán)節(jié)。借助先進可靠的傳感器和信息傳輸設(shè)備獲取無人機實時作業(yè)和狀態(tài)信息，包括顯示無人機運行情況的飛行速度、迎角、軌跡俯仰角等飛行參數(shù)，發(fā)動機等零部件、任務(wù)載荷的運行狀態(tài)、報警及故障等信息，顯示地面測控系統(tǒng)、通信鏈路等運行情況的部件運行狀態(tài)、報警及故障等信息，以及影響系統(tǒng)運行安全和可靠性的溫度、濕度、風(fēng)況、雨雪等環(huán)境信息。利用故障預(yù)測與健康管理技術(shù)（PHM）結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等相關(guān)技術(shù)，對來自無人機系統(tǒng)、運維人員、運維資源、歷史數(shù)據(jù)等各類信息進行融合分析處理，最終實現(xiàn)對無人機系統(tǒng)的故障判別、預(yù)測、健康狀況評估、壽命預(yù)測并給出合理維修維護方案等[2，3]。海事無人機智能化健康管理技術(shù)框架見圖2。

3 智慧海事無人機運行管理系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足海事系統(tǒng)各層級單位對無人機安全、高效運行管理，實現(xiàn)海事無人機智能化發(fā)展，可通過構(gòu)建智慧海事無人機運行管理系統(tǒng)來實現(xiàn)，其架構(gòu)主要包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和用戶層，見圖3。

（1）基礎(chǔ)層：可細分為基礎(chǔ)設(shè)施層、感知層、通信層。基礎(chǔ)設(shè)施層為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)硬件支撐服務(wù)，主要包括無人機系統(tǒng)、起降場地、維修保障物資，無人機貯存/補給設(shè)備設(shè)施、協(xié)同船舶等;感知層主要是為系統(tǒng)智能化運行提供實時信息的前端感知設(shè)備，包括無人機系統(tǒng)運行安全監(jiān)測傳感器、光電偵查設(shè)備、機載雷達等任務(wù)設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備等;通信層主要實現(xiàn)系統(tǒng)各部分的及時、高速信息傳輸，主要包括光纖、專網(wǎng)、IP、4G/5G/Wi-Fi、VHF岸臺、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等。

（2）數(shù)據(jù)層：主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)資源環(huán)境和數(shù)據(jù)服務(wù)，分為系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)和接入數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括無人機系統(tǒng)、人員機構(gòu)、維修資源等配套設(shè)備設(shè)施的靜態(tài)、動態(tài)信息;應(yīng)用數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)維修保養(yǎng)的歷史信息、累計的大量歷史作業(yè)信息、系統(tǒng)運行的相關(guān)決策信息，以及國家相關(guān)的政策、規(guī)范信息等;外接數(shù)據(jù)主要包括VTS/AIS等關(guān)聯(lián)海事監(jiān)管系統(tǒng)和環(huán)境接入數(shù)據(jù)等。

（3）支撐層：主要為系統(tǒng)各項應(yīng)用業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐，由云平臺支撐、大數(shù)據(jù)支撐和應(yīng)用系統(tǒng)支撐環(huán)境組成。云平臺支撐主要包括云計算管理、數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用中間件等;大數(shù)據(jù)支撐主要包括數(shù)據(jù)交換共享、數(shù)據(jù)服務(wù)組件及智能數(shù)據(jù)分析中間件等;應(yīng)用系統(tǒng)支撐主要包括地理信息服務(wù)、報表工具、身份管理等。

（4）應(yīng)用層：主要實現(xiàn)海事無人機運行管理相關(guān)業(yè)務(wù)功能，包括作業(yè)任務(wù)智能規(guī)劃，巡航監(jiān)管、應(yīng)急處置、貯存補給、可視化展示等作業(yè)管理，系統(tǒng)健康管理及系統(tǒng)日常運行管理等功能。

應(yīng)在設(shè)備設(shè)施、組織機構(gòu)和人員隊伍等完備的安全保障體系基礎(chǔ)上，在國家無人機運行管理標準規(guī)范與政策法規(guī)允許條件下建設(shè)和運行無人機管理系統(tǒng)。

4 相關(guān)建議

（1）推進海事無人機標準化。當前海事無人機主要是從市場上采購的滿足要求的產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品往往不能全面契合海事業(yè)務(wù)特點要求，更難以滿足智能化運行管理要求。海事系統(tǒng)應(yīng)加快推進海事無人機系統(tǒng)標準編制，根據(jù)不同業(yè)務(wù)需要，確定使用無人機機型及功能定位，主要性能、起降/補給要求、數(shù)據(jù)接口、載荷品類性能及配套設(shè)施設(shè)備等，引導(dǎo)市場相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)，以推進海事無人機系統(tǒng)智能化發(fā)展。

（2）優(yōu)化無人機系統(tǒng)布局。只有當無人機配置達到一定規(guī)模后，才會體現(xiàn)出海事無人機系統(tǒng)智能化運行高效、協(xié)同的優(yōu)勢。因此，海事無人機機型、數(shù)量和空間的合理布局對海事無人機系統(tǒng)高效運行至關(guān)重要。建議結(jié)合實際需求，綜合考慮岸基監(jiān)管系統(tǒng)、船舶等系統(tǒng)協(xié)同需求，以及建設(shè)條件和機構(gòu)設(shè)置情況等各種因素，對無人機系統(tǒng)進行統(tǒng)籌優(yōu)化布局。

（3）強化保障體系建設(shè)。海事無人機使用頻率高、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，使用機型多、規(guī)模較大，為保障海事無人機系統(tǒng)可靠、高效運行，須建立完善的海事無人機保障體系。建議從海事系統(tǒng)層面統(tǒng)籌考慮運行維護保障體系建設(shè)和布局，深入研究與相關(guān)廠商、機場和運維單位等建立多形式合作機制，構(gòu)建區(qū)域海事無人機保障中心，解決海事無人機運行后顧之憂。

參考文獻：

[1] 周春輝，張軒誠，黃弘遜，等. 一種基于智能航標的風(fēng)光互補供能平臺[J]. 中國航海，2018（1）：13-18.

[2] 羅華，戎皓，彭樂林. 無人機故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)[J]. 飛機設(shè)計，2009（4）：52-55.

[3] 趙洋，馬颯颯，陳國順，等. 無人機裝備自主式保障系統(tǒng)研究[J]. 信息技術(shù)，2012（8）：181-184.2F07AD23-CD7D-41A4-BC7C-F25361D0CF4A