穿浪式無人救助艇在海上救助中的應(yīng)用及技術(shù)展望

摘 要：本文以救助船舶配備的穿浪式無人救助艇為基礎(chǔ)，研究無人救助艇的組成結(jié)構(gòu)、操作規(guī)程以及在救助中的應(yīng)用，分析其在海上救助中的優(yōu)勢與不足，并提出技術(shù)展望，旨在提升優(yōu)勢、優(yōu)化不足，進(jìn)一步提升海上救助的能力。

關(guān)鍵詞：無人救助艇；海上救助；應(yīng)用；技術(shù)展望

0 引 言

隨著我國海上事業(yè)的蓬勃發(fā)展，海上交通安全形勢日趨復(fù)雜，導(dǎo)致海上應(yīng)急救助搶險任務(wù)復(fù)雜程度高、難度系數(shù)大，對我國海上救助力量的要求越來越高。近年來，救助局不斷加強救助能力建設(shè)，引進(jìn)了多艘不同型號的小型無人艇，主要有無人救生員[1]、智能救生圈[2]、水面救助機器人[3]等小型無人救助設(shè)備，用于提升救助能力和救助成效。本文以救助船舶配備的穿浪式無人救助艇為研究對象，并結(jié)合海上救助的實際應(yīng)用和需求，提出技術(shù)展望，為無人船艇在海上救助領(lǐng)域的深度開發(fā)提供參考。

1" 穿浪式無人救助艇簡介

穿浪式無人救助艇是中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的一款針對海上救助的產(chǎn)品，該產(chǎn)品也被稱為“水面救助機器人”，主要用于水面落水人員的應(yīng)急救助，同時也可拖帶繩索進(jìn)行水面船只的輔助救助，其具體功能是在規(guī)定的作業(yè)條件下拖帶救生器材（救生圈、救生筏等）到水面落水人員身邊，使遇險人員獲得救助，并將人員拖帶到安全水域。

1.1" 組成結(jié)構(gòu)

穿浪式無人救助艇主要由機器人載體及控制臺兩部分組成，具體性能參數(shù)見表1。無人救助艇由上浮筒（控制艙）、下浮筒（電池艙）、連接箭橋、推進(jìn)器、穩(wěn)定翼、天線等主要部件組成（如圖1所示），其中控制艙內(nèi)搭載主控模塊、通信模塊、定位模塊等，負(fù)責(zé)與控制臺的通信、推進(jìn)器的調(diào)速、接收 GPS 位置信號等，是機器人載體的通信、控制核心。控制臺是一個由無線通訊、數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊等構(gòu)建的控制系統(tǒng)，利用操控桿及開關(guān)實現(xiàn)了載體推進(jìn)器的開關(guān)，載體前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操縱的控制，并可對電池信息、GPS 信息、串口通訊狀況以及電池狀態(tài)的進(jìn)行監(jiān)視。

1.2" 基本操作規(guī)程

（1）操作前準(zhǔn)備與檢查。一是載體檢查。載體各個部分不應(yīng)有損壞、螺絲松動、脫落及漏油等現(xiàn)象出現(xiàn)；螺旋槳槳面、軸部不得有任何物品纏繞及潛在的纏繞風(fēng)險；外掛繩索、救生圈等不得有破損；一切正常后，方可進(jìn)行下一步的操作。二是控制臺單元檢查。檢查控制臺，各部件不得有損壞；確認(rèn)各開關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)；一切正常后，方可進(jìn)行下一步的操作。

（2）上電及功能檢測。一是機器人載體上電。打開機器人載體上電開關(guān)，載體上電開關(guān)位于機身前部控制艙的下方，為旋鈕式接觸開關(guān)，將旋鈕開關(guān)擰緊約 5 s后載體開始上電，上電后位于艙體的上部的頻閃燈會亮起。二是控制臺上電。控制臺的開關(guān)為撥動式開關(guān)，按照操作臺上黏貼的指示方向撥動即可打開控制臺開關(guān)為控制臺上電。三是通信測試。檢查控制臺顯示器數(shù)據(jù)顯示情況，通信成功的顯示內(nèi)容為 COM：OK（COM為載體與控制盒通訊狀態(tài)）。同時其他的顯示內(nèi)容 U（載體電壓）、I（載體電流）、S（載體剩余電量）、T（載體內(nèi)部溫度）、Battery STA（電池狀態(tài)參數(shù)）、GPS State（GPS 狀態(tài)）等均有示數(shù)。四是系統(tǒng)功能檢查。操縱控制單桿前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向，檢查螺旋槳旋轉(zhuǎn)功能及旋向。移動機器人載體，檢查 GPS 數(shù)據(jù)是否更新。

（3）釋放。一是確認(rèn)完成了前述所有檢查項目且系統(tǒng)完好。二是確認(rèn)救生圈、救生筏、引纜等輔助工具已與載體上下浮筒尾連接環(huán)綁扎牢固。三是釋放入水。可利用提手或繩套將機器人載體平穩(wěn)釋放到水面。若甲板距水面較高時，應(yīng)借助舷梯或救生艇、吊機等近水面釋放，不得拋擲。機器人載體頂部有起吊鉤，可借助起吊鉤完成釋放與回收。

（4）回收。一是操作單桿，將機器人移動到舷外適合回收位置。二是根據(jù)甲板到水面距離及海況要求，選擇具體回收方式。三是回收到甲板后，對載體及控制臺下電（上電反向操作）并確認(rèn)。四是使用淡水對機器人載體全面沖洗，進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)、推進(jìn)器轉(zhuǎn)軸檢查，并清除雜物留存。

（5）充電。一是載體充電。機器人充電前，保證載體各部分水分充分擦干。用配套專用工具逆時針緩慢打開充電絲堵，將載體充電機充電接頭插入充電口（充電接口為航空插座結(jié)構(gòu)，插入后順時針旋轉(zhuǎn)卡扣即可固定），并將載體上電，此時充電機顯示電壓、電流均有輸出，表明充電狀態(tài)正常，開始充電。機器人載體充電模式為先恒流后恒壓，充電過程有過流保護(hù)，充電機檢測到電池已充滿后自動斷電停止輸出，充電機顯示輸出電壓、電流均為 0。此時將載體斷電，斷開充電接頭，順時針緩慢旋緊充電絲堵，完成機器人載體充電操作。二是控制臺充電。在給控制臺進(jìn)行充電時，無需打開控制臺開關(guān)只需要將打開充電口防塵帽打開插上充電器即可。連接機器人控制臺充電器，充電器指示燈為紅色時表示正在充電。待充電器指示燈變?yōu)榫G色，表示充電完成，此時斷開充電器，扣好防塵蓋，完成機器人控制臺充電操作。

（6）注意事項。以下事項在操作過程中應(yīng)特別注意，否則將引起操作失效、設(shè)備故障或損壞。一是控制臺為非防水結(jié)構(gòu)，使用時必須注意防護(hù)。二是載體及控制臺的電池組必須按照保養(yǎng)日程開展日常維護(hù)工作，未按要求進(jìn)行電池組保養(yǎng)極易導(dǎo)致電池組的損傷（不可修復(fù)）。建議每次作業(yè)完畢及時載體及控制臺進(jìn)行充電，無作業(yè)情況至少每 3 個月進(jìn)行一次充電維護(hù)。三是控制臺顯示屏上的顯示電量低于5%或電量耗盡，此時將無法對電池進(jìn)行直接充電，請及時利用專用充電器（24 V充電接頭）對半潛機身進(jìn)行充電。待機器人載體恢復(fù)部分電量后，再進(jìn)行正常充電即可。

2" 應(yīng)用情況

2.1" 救助落水人員

穿浪式無人救助艇是一款主要用于落水人員救助的無人救助設(shè)備，特別是在島礁、養(yǎng)殖區(qū)等水深受限水域，大型救助船艇不能實施有效救助時，該設(shè)備可以充分發(fā)揮吃水淺、啟動速度快、可操縱性強等優(yōu)點，并具有穿浪航行的技術(shù)優(yōu)勢，可大大減少海浪對其的影響，快速抵達(dá)落水人員的位置，為落水人員提升高效的水面救助。同時，還可拖帶救生圈、救生筏，為落水人員提供救生設(shè)備，進(jìn)一步提升救助成效。

2.2" 海上帶纜

救助船舶在海上救助失控船舶時，常采用海上拖帶的救助方式，即可有效控制失控船舶，又可將失控船舶拖帶至安全水域，確保人員和財產(chǎn)安全。拖帶作業(yè)時，首先需將纜繩帶至遇險船上，然后才能進(jìn)行主拖纜的連接，完成接拖作業(yè)。由于人工打撇纜的距離有限，需借助救助器材完成帶纜作業(yè)。穿浪式無人救助艇在上下浮筒尾部，均設(shè)有專用連接環(huán)，供繩索系固。只需操縱穿浪式無人救助艇駛近遇險船舶，即可將引纜送至遇險船舶附近，進(jìn)而完成帶纜作業(yè)。

2.3" 拖帶圍油欄

穿浪式無人救助艇其系柱拖力不小于35 kg，除了可拖帶救生圈、救生筏等救生設(shè)備外，還可拖帶圍油欄，用于海上溢油回收和應(yīng)急處置。通過穿浪式無人救助艇拖帶圍油欄，可充分發(fā)揮穿浪式無人救助艇收放速度快、可操縱性強的特點，大幅度縮短布防時間，有效阻止海上溢油的進(jìn)一步擴散，為高效應(yīng)急處置海上溢油和減少海上污染提供支撐。

3" 存在不足

3.1 信號傳輸易受干擾，操控出現(xiàn)遲緩的現(xiàn)象

穿浪式無人救助艇的載體是類似于潛水艇的外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計，航行時僅有少部分載體露出水面，大部分載體位于水下，像潛水艇一樣穿浪航行，可有效減少興波阻力，克服惡劣海況下海浪和海流的影響，進(jìn)而提升航速和抗海浪能力，為海上救助落水人員爭取寶貴時間。但在實操訓(xùn)練中發(fā)現(xiàn)，由于穿浪式無人救助艇通訊天線設(shè)計較短，并且采用穿浪航行的方式，當(dāng)被海浪覆蓋時通訊信號減弱，出現(xiàn)操控延遲、卡頓的現(xiàn)象。

3.2 以人為遙控操控為主，輔助航向功能有所欠缺

穿浪式無人救助艇采用的控制方式是人工手動遙控操縱，操控人員在經(jīng)過操縱面板熟悉后，即可進(jìn)行水面操縱，具有操縱簡單、上手快等優(yōu)勢。但其救助成效的高低與操作人員的技術(shù)水平、抗壓能力等人為因素密切相關(guān)，在智能輔助航向方面存在短板。

3.3 受視野范圍影響大，智能控制功能有待加強

在為海上溢油船舶拖帶圍油欄時發(fā)現(xiàn)，穿浪式無人救助艇受視野范圍影響大，存在視野盲區(qū)。當(dāng)操縱穿浪式無人救助艇至視野盲區(qū)時，需在遇險船人員的指揮下操縱，在一定程度上降低了實用性。同時，載體尾部連接環(huán)為固定結(jié)構(gòu)，不具備自主解拖功能，需回收至船舷邊人工解拖。

3.4 海上救助實際應(yīng)用不多，不具備海上搜尋能力

穿浪式無人救助艇在海上人命救助、海上帶纜、海上溢油回收和應(yīng)急處置等方面中有很好的應(yīng)用空間。但在海上實際救助的應(yīng)用頻次并不高，救助功能還有待完善，特別是不具備海上搜尋能力。無人船艇的一個重要應(yīng)用方向就是海上搜尋，通過多艘無人船艇的聯(lián)合搜尋，豐富海上搜尋技術(shù)，進(jìn)一步提升海上搜救成效。

4" 技術(shù)展望

4.1" 建議增強信號傳輸能力

通訊技術(shù)是無人船艇的關(guān)鍵技術(shù)之一，是所有智能控制的基礎(chǔ)[4]。信號傳輸能力的強弱，直接影響無人船艇在海上航行以及救助。穿浪式無人救助艇的操縱主要依靠人工操控控制臺發(fā)出指令信號，通過信號傳輸至載體的控制系統(tǒng)，從而控制推進(jìn)器完成指令。若信號傳輸受到干擾，特別是在穿浪航行時，其信號傳輸受海浪的影響較大，輕者出現(xiàn)延遲、卡頓的現(xiàn)象，重者可能無法航行和實施有效救助。在此方面，建議增加鞭狀天線，并可為鞭狀天線上配旗幟。這樣既可有效提升穿浪式無人救助艇信號傳輸功率和抗干擾能力，又能提升其可見度。

4.2" 建議增加路徑規(guī)劃能力

路徑規(guī)劃是無人船艇自主導(dǎo)航系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，動態(tài)調(diào)整路徑規(guī)劃策略，高效完成航行任務(wù)[5]。穿浪式無人救助艇以人工遙控操控為主，在自動化、智能化方面存在欠缺。在此方面，建議增加路勁規(guī)劃能力。穿浪式無人救助艇將根據(jù)當(dāng)前環(huán)境狀況和任務(wù)需求生成最優(yōu)航路，并根據(jù)該路徑快速、精準(zhǔn)抵達(dá)施救位置，從而有效減少不可控的人為因素影響，進(jìn)一步提升救助成效。同時，在其需返航時，也可增加一鍵返航功能。只需按下返回鍵，穿浪式無人救助艇即可根據(jù)操控臺的位置坐標(biāo)自主返回，將有效提升穿浪式無人救助艇的自動化、智能化水平。

4.3" 建議增加一鍵解拖能力

穿浪式無人救助艇在上下浮筒尾部均設(shè)有連接環(huán)，用于系固浮漂和纜繩，可有效提升浮力和保障設(shè)備回收，但該連接環(huán)為固定結(jié)構(gòu)，不具備開關(guān)功能。在救助翻扣漁船時，遇險位置附近多漁網(wǎng)等礙航物，若纜繩與海中的礙航物發(fā)生纏繞時，穿浪式無人救助艇將被束縛在該水域，不僅不能完成救助任務(wù)，而且也無法自主脫困。在此方面，建議增加一鍵解拖功能，通過控制臺控制連接環(huán)的開關(guān)，從而實現(xiàn)自主解拖，有效防止因纜繩纏繞被困的問題，進(jìn)一步提升穿浪式無人救助艇的實用性。

4.4" 建議增加海上搜尋能力

海上搜尋與救助是海上救助力量在獲得海上遇險信息后所采取的搜尋與救援行動，它是由海上搜尋與海上救助兩部分組成[6]。所以，搜尋能力應(yīng)是救助設(shè)備必備的能力。在此方面，建議增加計算機視覺搜尋能力。同時，結(jié)合海上救助的實際，僅有水面的搜尋能力還不夠，水下搜尋能力也是重要的需求，特別是在救助翻扣船舶時，應(yīng)用該能力可快速搜尋水下情況，為潛水員水下探摸救生提供技術(shù)支持。

5" 結(jié)束語

無人船艇在海上救助領(lǐng)域的應(yīng)用是現(xiàn)實的需求，更是時代所需。本文以救助船舶配備的穿浪式無人救助艇為例，結(jié)合海上救助工作的實際需求，分析其在海上救助中的優(yōu)勢與不足，并在信號傳輸、智能控制、實用功能等方面提出了技術(shù)展望。隨著無人船艇技術(shù)的不斷發(fā)展，其實用性能將更加完善，智能化水平也將逐步提升，必將成為海上救助中不可或缺的重要力量，在未來海上搜救任務(wù)中發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉姿芝，朱錚.海上落水人員撈救裝備發(fā)展探討[J].中國個體防護(hù)裝備，2021（06）：11-18.

[2] 趙云龍.遙控智能救生圈在海上救助中的應(yīng)用[J].航海技術(shù)，2023（03）：72-74.

[3] 朱海濤.水面救助機器人的設(shè)計與應(yīng)用前景[J].中國水運，2019（11）：64-66.

[4] 聶玲，張玲玲.無人船艇關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展趨勢[J].船舶物資與市場，202230（07）：12-14.

[5] 王寧.“無人船艇自主性技術(shù)”專輯·編者按[J].中國艦船研究，2024，19（01）：1-2.

[6] 吳健，張振興，張千偉.搜索救助多功能無人艇系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2020（05）：139-142.

作者簡介：

趙云龍，二副，（E-mail）753111438qq@.com