无人机在航海保障中的应用研究

第17卷 第1期 中 国 水 运 Vol.17 No.1 2017年 1月 China Water Transport January 2017
收稿日期：2016-12-12
作者简介：邓祝森（1970-），男，河南睢县人，交通运输部北海航海保障中心天津航标处天津航标处处长、党委副书记，
高级工程师，大连海事大学航海学院航标管理专业工学学士，研究方向为国际航标标准法规体系研究，航标信息科技化管理。

无人机在航海保障中的应用研究
邓祝森，石洪英，程胜利
（交通运输部 北海航海保障中心 天津航标处，天津 300450）
摘 要：针对当前航海保障领域存在的响应速度慢、费用高、受气象条件限制大以及作业能力有限等问题，本文以三种型号无人机在航标、测绘、通信三大航海保障业务中的应用试验为依据，深入研究了无人机在航海保障领域的应用空间以及开展航海保障工作的方式、流程及实际效果，探索了无人机在此领域应用中的技术优势，提出了利用无人机与传统方式互补的优势，构建更加高效的航海保障体系。

关键词：无人机；航海保障；航标巡检；海事测绘；海上通信
中图分类号：U692 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）01-0053-02
引言
当前，我国开展航海保障工作主要利用船舶巡航、卫星遥感、载人航空遥感，以及近岸的监视监测等技术手段，存在响应速度慢、费用高、受气象条件限制大以及作业能力有限等问题[1]。

将无人机应用于航海保障领域，可充分发挥其成本低、运输方便、易操作、反应迅速、高度灵活及可自主飞行等优势，弥补目前技术手段的不足，为航海保障提供很好的技术支持，全面提高航海保障服务水平。

本文针对航标、测绘、通信三大航海保障业务板块，使用无人直升机、固定翼无人机，在天津南港区域实地开展了一系列飞行试验，深入研究了各型无人机在航海保障领域的应用空间以及开展航海保障工作的方式、流程及实际效果。

一、试验成果 1．航标巡检
航标巡检是保障航标正常技术状态，维持海上运输畅通，保障船舶安全、经济航行的重要工作。

本文使用Camcopter S-100型无人直升机就航标日常巡检、夜间巡检开展飞行试验，测试无人机开展航标巡检的具体效果及替代船只巡检的可能性。

（1）航标日常巡检
本科目使用无人直升机搭载双光光电吊舱，对天津南港航道两侧的灯浮标进行日常巡检，巡检内容包括检查航标外形情况及是否移位等。

主要流程如下：1）无人机先飞至航道上方，按照航标台账坐标以102km/h 的速度沿航道由内向外飞行。

2）飞至标斜上方约45°的方位时悬停，使用光电吊舱对航标进行外形结构检查，并用激光测距仪测量出航标的实时坐标，以判断航标是否移位。

3）完成一组标检查后，将飞行速度提升回102km/h，继续飞往下一组航标。

完成所有航标检查后以148km/h 的速度返航。

使用无人直升机开展航标日常巡检可以清晰地辨识航标编号以及航标外形结构是否有变形、损坏，激光测距仪测得的航标坐标与台账坐标相比，误差在3~5m，精度可判定航标是否移位。

当无人机与地面站距离逐步增加时，无人机飞行高度也需相应提高，如使用定焦相机，航标成像将越来越小，无法满足巡检要求。

本科目使用30倍光学变焦的光电吊舱，确保无人机沿航道飞远飞高后，依然可以清晰辨识南港航道全部灯浮标的编号及外形结构，充分满足航标巡检的需求。

巡检效率方面，完成南港航道两侧共计26个灯浮标巡检实际飞行距离50.6km，最远灯浮标距离控制站25km，用时65min，与使用传统船只巡检相比，效率提高了80%。

（2）航标夜间巡检
本科目使用无人直升机搭载双光光电吊舱，对南港航道两侧的灯浮标进行夜间巡检，巡检内容主要为检查灯浮标的顶灯是否正常闪亮。

主要流程如下：1）无人机以102km/h 的速度按照各个航标的台账坐标沿航道中轴线由内向外飞行，光电吊舱方位角与机头方向保持一致，俯仰角保持为-45°。

2）调节吊舱焦距，使航道两侧的两个航标均出现在视场中。

3）距离航标水平距离约600m 时，逐渐降低飞行速度至56km/h，并监测实时传回地面站的画面，检查飞越航标的过程中，航标顶灯是否正常闪亮。

4）飞越航标后，将飞行速度提升回102km/h，继续飞往下一组航标。

完成所有航标检查后以148km/h 的速度返航。

使用无人直升机开展航标夜间巡检可顺利监测到各个灯浮标的闪亮情况。

采用同时监测航道两侧航标，且减速不悬停的方式完成南港共26个灯浮标的夜间巡检，仅用时33min，大大提高了航标夜间巡检的效率。

借助光电吊舱的红外镜头，在夜间也可清晰监测航标的外形结构；激光测距仪同样可以通过定位功能判断航标的移位情况，从而可以达到近似白天巡检的效果，充分拓展了航标夜间巡检的工作范
畴。

图1 航标巡检效果图（日间/夜间/红外） 2．海事测绘
传统海事测绘的工作以使用声呐、多波束设备进行水下测绘为主，此类设备需在水中工作，不适合机载，而可机载且可进行水下测绘的激光扫描仪等设备对水下能见度要求很高，故当前无人机主要适用于海事陆域测绘。

本文使用某型固定翼无人机搭载佳能5DS 全画幅相机，就港区、海岸线的两类海事陆域要素测绘开展飞行试验，对无人机在海事测绘中的应用空间进行探索。

本科目主要流程为：（1）按照要求的测绘比例尺计算出合适的飞行高度，并根据港区面积大小和所需的图像重叠率规划好飞行航线。

（2）使用固定翼无人机搭载测绘相机起飞后，爬升到安全高度，切换到自主飞行模式。

（3）无人机按照设定的航线开始测绘飞行，相机按照一定的拍照间隔自动进行正射影像的采集，地面站操作人员实时监控飞行状态和航迹。

（4）着陆后，人工查验影像清晰度、相片数量和POS 数量，使用随机数据检查软件对航向重叠度和旁向重叠度进行快速检查。

对于数据不满足要求的区域进行重飞。

（5）返回后通过数据检查软件详细检查航区的丢片情况、覆盖情况和匹配点情况，及分辨率、成像位置点平差、中误差、像片旋角、像片倾角等，并进行数据后处理，生成DOM。

本科目航线总长147km，飞行高度为380m，航带12条，航间距200m，航向重叠率为70%左右，旁向重叠率为50%左右，使用35mm 定焦镜头，曝光时间1/1,000s。

最后处理得到1：500比例尺的DOM，其中码头、货物堆场、仓库、吊机等陆上要素，海岸带、道路、滩涂等海岸线要素均清晰可辨，满足相关港口测绘的要求。

3．海上通信
船只在海上遇险时，如果处于甚高频和单边带信号盲区，且船只无卫星电话，将严重影响搜救工作的开展。

本科目使用无人直升机挂载中继台开展了自组网海上应急通信中继飞行试验，探索了使用无人直升机开展应急通信中继的可行性及实际效果。

本科目的主要试验流程为：（1）两名试验人员先携带手台距离5km 以上（手台的标称通信距离），确保双方接收不到对方信号。

（2）打开机载中继台电源并使用无人直升机搭载中继台升空，实现手台、中继台的自组网。

（3）两名试验人员以升空后的无人机为中心，进行拉距测试，直到通信中断。

从实际效果来看，两个手台距离达到38.6km 时，虽然
有杂音，但仍能基本正常通话。

可见通过无人机搭载的中继台，可实现应急通讯区域的自组网通讯，且经由中继台的折线通信，绕过了地形起伏和地面建筑物的遮挡，实现了通信距离的大幅提高，对于海上应急通信有重要意义。

如使用无人机搭载海岸电台，则可实现对海上通信盲区的信号覆盖，保障遇险船只与岸上搜救中心的正常交流。

三、结论
本文通过实地飞行试验和细致的结果分析，充分测试了无人机在航标巡检、海事测绘、海上通信三大航海保障领域的实际应用效果，并探索了具体应用方式和流程。

与传统航海保障手段相比，无人机展现出了多方面的优势。

受当前技术水平的制约，无人机尚不能完全替代传统航海保障工作模式，但无人机的优势可为航海保障工作提供技术支持，与传统方式实现优势互补，构建更加高效的航海保障体系。

1．利用无人机可提高航标管理效率
传统的海上航标维护管理主要采用航标船定期进行海上巡检，受海况影响较大，且效率低、存在一定风险。

使用无人机对海上航标进行视频图像采集并实时回传，能够使航标管理部门全面、准确地掌握辖区水域航标状况，为情况分析提供定量和直观的判断依据。

与现有航标管理手段相结合，可以构成海上巡检、陆地遥控、空中监测的立体航标维护保障体系，大大提高航标管理效率，同时满足应对海上突发事件的需求[2]。

2．利用无人机可提高海事测绘质量
由于技术方面的限制，目前从空中进行水下测量的技术水平尚不成熟，仍需使用多波束和声呐进行水下测量。

但无人机测绘系统机动灵活、高效便捷和作业成本低的特点对海洋测绘部门实现海岸带、海岛礁地形自主按需测绘具有重要意义。

使用无人机搭载高分辨率光电设备进行海事测绘操作更加简单，速度比较快，可以按照待测区域面积、分辨率要求、飞行空域以及制图比例和具体相片精度等编制作业方案
[3]。

充分发挥传统方式与无人机技术在水下与水上的测量优势，可以更高效率、更高质量的完成各类海事测绘任务。

3．利用无人机可扩大海上通信范围
海事通信中心一般使用甚高频和单边带通信手段进行安
全通信、船位报告、船岸联络通信等业务。

对于超出覆盖范围的通信业务，可采用无人机搭载与甚高频频段相匹配的通信中继设备，以扩大甚高频的覆盖范围，与岸上基站共同开展通信中心的遇险通信值守、安全信息播发和公共岸船通信业务。

紧急情况下，可利用无人机搭载相应设备直接参与控制和应急行动，为海上活动提供保障[4]。

若设备条件满足，亦可利用无人机实现应急情况下3G/4G 移动信号的空中中继。

四、展望
除了航标巡检、海事测绘、海上通信，无人机在溢油监测、海冰监测、岛礁测绘等航海保障工作中也能发挥显著作用。

通过将无人机与传统航海保障方式相结合，可构建更加高效的航海保障体系。

无人机技术同样可应用到整个海事系统中，充分拓宽海事工作体系的空间 （下转第178页）
时所对应的孔隙水压力值分别为53.4cm、52.2cm以及45.57cm。

可见，水位落差越大，空隙水压力变化就会越剧烈，造成的边坡土体流动性就越强，对边坡稳定性的冲击也就越大。

另外，就中砂土质边坡、粉质粘土边坡的对比而言，后者的渗透系数更小，在相同水位落差水平下，其内孔隙水压力持续曲线越长；渗流场对边坡造成的冲击持续时间也越长，相应地，对边坡稳定性可能造成的破坏性也会持续更长时间。

3．坡形
为研究坡形对边坡稳定性的影响，本文选择工况s-1与工况s-4作对比分析。

随着时间推进，坡前水位、坡内水头均呈现逐渐降低的趋势。

对比140cm以及240cm水位线可知，水位降落过程中，坡前与坡后水位存在滞后现象，随着降落过程持续，二者之间的滞后差距越来越小，直至第82min时二者达到均衡。

水位降落前后的坡头前后水头滞后值存在差距。

水头滞后值从水位降落开始就显著存在，且位于区间[0.0cm，13，65cm]上。

在水位降落10min至50min时间段内，水头滞后值偏大；当水位降落时间持续至82min时，水头滞后值为0，此时坡前与坡后水头达到均衡状态坡比增加至1：1.5。

坡前与坡后水头不存在显著滞后值。

之所以会出现这种现象，是因为坡比增加导致坡内渗流路径缩短；进一步地，更短的渗流路径会提升坡内水头的对水位降落的相应速度。

可见，坡比越大，坡内与坡前水压力更加趋于一致，边坡内部孔隙水压力对边坡稳定性的破坏作用也就越小。

4．基质吸力
基质吸力与边坡土体抗剪强度存在相关性，从而对边坡稳定性也可能造成影响。

本文中，对4类景点滑坡试验引入基质吸力因素，对该因素的存在是否影响边坡稳定性进行分析，计算结果如表3所示。

表3 基质吸力对边坡安全系数影响对比计算 v（cm/s）
Bishop Janbu Ordinay Morgenstern-price 有 无 有 无 有 无 有 无
0.5 1.571 1.569 1.446 1.442 1.463 1.460 1.569 1.566
0.05 1.622 1.610 1.500 1.473 1.508 1.484 1.620 1.608
0.001 1.780 1.730 1.671 1.575 1.677 1.613 1.779 1.728
注：表中“有”指考虑基质吸力影响计算结果，“无”指不考虑基质吸力影响计算结果
由表3可知，在同一实验中，坡前水位降落速度越小，边坡安全系数就越大，边坡稳定性就越可靠。

在相同落水速度条件下，引入基质吸力因素后，边坡安全系数上升。

比如，在Janbu试验中，当水位降落速度v=0.05cm/s时，若不考虑基质吸力，边坡安全系数为1.473；若考虑基质吸力因素，则边坡安全系数为1.500。

是否考虑基质吸力的边坡安全系数计算结果存在差值，它会随着坡前水位降落速度的变化而发生变化。

通过对比表3中的4组实验数据，坡前水位降落速度越大，计算差值就越小，基质吸力对边坡稳定性的影响力也就越小。

可见，为提升边坡治理科学性，需要将基质吸力纳入方案设计中，尽量降低计算结果误差。

四、结论
影响边坡稳定性因素主要包括水位降落速度、水位落差、坡形以及基质吸力。

降落速度越小所形成的坡肩就越短，渗流路径也就平缓，对边坡稳定性造成的消极冲击也越小；水位落差越大，空隙水压力变化就会越剧烈，造成的边坡土体流动性就越强，对边坡稳定性的冲击也就越大；坡比越大，坡内与坡前水压力更加趋于一致，边坡内部孔隙水压力对边坡稳定性的破坏作用也就越小；在相同落水速度条件下，引入基质吸力因素后，边坡安全系数上升。

参考文献
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（上接第54页） 维度和时间维度，推动现有海事巡航监管模式的转型升级，促进立体海事监管系统的全面建设，大力提升我国海上执法能力、监管效能和应急处置水平[5]。

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