徐淑升李雪張保學(xué)

(1.自然資源部南海局 廣州 510300;2.國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心 廣州 510300;3.國家海洋局南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室 廣州 510300;4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海) 珠海 519000;5.國家海洋局南海標(biāo)準(zhǔn)計量中心 廣州 510300)

0 引言

近年來,無人船(USV)、無人機(jī)(UAV)、水下無人潛水器(UUS)(包括半自主式或預(yù)編程控制無人無纜潛水器(UUV)、全自主式或智能控制無人無纜潛水器(AUV)以及手操控制遙控式有纜潛水器(ROV)等)及其組成的跨域無人系統(tǒng)被越來越多地應(yīng)用于全球各領(lǐng)域[1-6],相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展,5 G 時代的來臨更使無人技術(shù)獲得重要的發(fā)展契機(jī)。抓住信息化和智能化革命的有利時機(jī),有助于我國實現(xiàn)“彎道超車”。

隨著海洋開發(fā)利用程度的加深,海上人為活動的頻次和強(qiáng)度不斷增強(qiáng),如何高效率和低成本地加強(qiáng)海洋監(jiān)管成為新的挑戰(zhàn)。海洋監(jiān)管的涉及面非常廣,在機(jī)構(gòu)改革后的新形勢下,亟須創(chuàng)新海洋監(jiān)管理念,積極運用科技化和現(xiàn)代化的資源和手段,提高海洋監(jiān)管水平。

1 海上無人裝備

與江河湖泊相比,海洋的面積更大且環(huán)境更復(fù)雜,對無人裝備的技術(shù)要求更高。無人船是無人機(jī)和水下無人潛水器等的搭載平臺,是無人系統(tǒng)在海上應(yīng)用的重點技術(shù)。

作為新興和智能的水面無人平臺,無人船因其智能化和模塊化程度高以及具有經(jīng)濟(jì)性和安全性等特點被逐漸關(guān)注。以美國和以色列為首的發(fā)達(dá)國家率先開展對無人船的研究,并先后研發(fā)多款功能各異的無人船系統(tǒng)。2019年英國研發(fā)世界首款可環(huán)球航行的無人支持船,其長約12 m,航速為8 kn,可航行12 000 n mile,自持力超過200 d,可運輸人員和貨物以及攜帶大型測量設(shè)備,也可作為水下無人潛水器的部署平臺。

我國的無人船研制起步較晚,但近年來發(fā)展迅速,眾多高校和科研機(jī)構(gòu)以及一些科技企業(yè)陸續(xù)研發(fā)多款無人船系統(tǒng)。此外,我國的無人機(jī)和水下無人潛水器等也發(fā)展迅速,其收放能力、自持能力和監(jiān)測能力等都大幅提升。

無人裝備具有小型化和高精度化的特征,可獲取更多的監(jiān)管數(shù)據(jù);其不只是海上的移動攝像頭,更可承擔(dān)巡航、震懾、監(jiān)視監(jiān)測、排查核查、測量甚至送達(dá)等任務(wù)[7],在海洋監(jiān)管中的應(yīng)用前景十分廣闊。同時,我國對事中監(jiān)管和事后監(jiān)管日益重視,尤其事中監(jiān)管對無人裝備的應(yīng)用具有巨大需求。綜合運用跨域無人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù),可更大限度地提升無人系統(tǒng)在海洋監(jiān)管中的價值。

2 無人裝備在行政監(jiān)管中的應(yīng)用

無人機(jī)和無人船已在國外的海上巡邏、環(huán)境監(jiān)測、航道測繪和軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-9]。在我國海事、海上救助、公安和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域,無論是不直接針對行政相對人的監(jiān)測取證環(huán)節(jié),還是直接針對行政相對人的行政執(zhí)法環(huán)節(jié),也已廣泛應(yīng)用無人系統(tǒng)。

2.1 無人船技術(shù)的應(yīng)用

江蘇省連云港市海域使用保護(hù)動態(tài)管理中心和原國家海洋局第一海洋研究所共同承擔(dān)的海域監(jiān)管無人船項目已通過驗收并完成試航[10],可為海域突發(fā)事故的監(jiān)視監(jiān)測和重點用海項目的高精度監(jiān)測等提供新的手段和途徑。

中交上海航道勘察設(shè)計研究院采用無人船進(jìn)行斷面測繪,大大提高測繪的效率和精度。之前的測繪工作須由人員駕駛小艇完成,耗時約4 h,而無人船僅耗時40 min;測繪貼線精度由米級提升到厘米級。

2.2 無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

山東濟(jì)南、陜西寶雞、廣西南寧和海南等地已將無人機(jī)應(yīng)用于城市交通管理。其中,在南寧某交警支隊的月度違停罰單中,無人機(jī)查處的超過400起,約占罰單總數(shù)的40%;濟(jì)南交警使用無人機(jī)在30 min內(nèi)抓拍5起交通違法行為;寶雞交警使用無人機(jī)在30 min內(nèi)抓拍4起交通違法行為;海南交警使用無人機(jī)在1個月內(nèi)抓拍130起交通違法行為。

2.3 無人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)的應(yīng)用

珠海市交通執(zhí)法局港航大隊采用無人機(jī)和無人船相結(jié)合的海、陸、空立體聯(lián)動執(zhí)法取證模式,開展水上交通執(zhí)法和維護(hù)水上運輸秩序,已查處多宗水上違法疏浚拋泥類案件和違法運輸海砂類案件,同時獲取一批違法作業(yè)線索。

長江入海排污口排查試點工作綜合運用無人機(jī)的紅外感應(yīng)技術(shù)和無人船的聲吶掃描技術(shù),探索立體排查模式。其中,無人機(jī)搭載的紅外感應(yīng)器幫助排查人員準(zhǔn)確和快速地找到排污口;無人船的聲吶掃描技術(shù)使水下偷排暗管無處可藏,協(xié)助排查人員高效完成“排查、監(jiān)測、溯源、整治”的任務(wù)。

廣東采用無人船和無人機(jī)等無人裝備,開展對重點流域的監(jiān)測和監(jiān)察。深圳也啟動對環(huán)境監(jiān)測無人船的招標(biāo)工作。

北京某科技企業(yè)已實現(xiàn)“無人船+無人機(jī)+無人水下設(shè)備”的聯(lián)動應(yīng)用,從空中、水面和水下3個維度實現(xiàn)對海域的管理,并利用5 G 網(wǎng)絡(luò)將無人船和無人水下設(shè)備拍攝的視頻實時回傳至后臺,其行動軌跡控制和水質(zhì)信息分析也可在后臺同步進(jìn)行。

3 海洋監(jiān)管工作的特點和存在的問題

無人裝備在很多監(jiān)管領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,相關(guān)技術(shù)也迅速發(fā)展。海洋監(jiān)管的涉及面較廣,僅海洋資源環(huán)境監(jiān)管就包括海域海島、海上測繪、海洋資源、涉外科考、海洋生態(tài)修復(fù)、海洋環(huán)境、入海排污口、海上石油平臺和海洋傾廢等具體內(nèi)容,區(qū)域涵蓋內(nèi)水、領(lǐng)海、毗連區(qū)、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和大陸架等,在實際工作中會遇到各種問題,主要表現(xiàn)在5個方面。

(1)裝備和設(shè)備的投入大和配置不均衡。固定監(jiān)管設(shè)備(如固定攝像頭)的設(shè)置難度大。移動監(jiān)管裝備(如公務(wù)船)須耗費大量人力和物力,這些資源分散在海軍、海警、海事、自然資源部和生態(tài)環(huán)境部等部門,且在各部門的配置不均衡,加強(qiáng)傳統(tǒng)裝備和人員力量須投入大量前期購置和后期維護(hù)資金。

(2)綜合協(xié)調(diào)機(jī)制不健全。多個涉海部門之間的信息共享、指揮協(xié)調(diào)和資源共享機(jī)制不能滿足當(dāng)前海洋監(jiān)管的需求。由于目前監(jiān)管裝備和設(shè)備的技術(shù)限制,對人力的依賴度仍很高,而監(jiān)管人員分布在各涉海部門,領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)機(jī)制復(fù)雜,難以統(tǒng)一調(diào)度。

(3)巡查監(jiān)管的頻率較低,導(dǎo)致可能出現(xiàn)“漏網(wǎng)之魚”。此外,由于監(jiān)管數(shù)據(jù)管理機(jī)制不健全,在危害發(fā)生時缺乏必要的數(shù)據(jù)支撐。

(4)目前的監(jiān)管多為事前和事后監(jiān)管,而事中監(jiān)管能力較弱。由于缺乏足夠數(shù)量的海上監(jiān)管船,對于企業(yè)取得海域使用證后從事的活動難以發(fā)揮事中監(jiān)管的震懾作用。

4 無人系統(tǒng)在海洋監(jiān)管中的應(yīng)用優(yōu)勢

(1)有力支撐事中和事后監(jiān)管,及時發(fā)現(xiàn)和處罰海上違法行為,更重要的是發(fā)揮警示和震懾作用,增強(qiáng)事中監(jiān)管的落實力度。

(2)可在人員難以到達(dá)的海域執(zhí)行任務(wù),更好地發(fā)揮所搭載儀器設(shè)備的作用。例如：無人機(jī)可清晰地抓拍違法傾廢行為的過程,還可實時回傳數(shù)據(jù)并在后臺進(jìn)行人工辨別,最大限度地減少誤判和爭議的發(fā)生;在地形復(fù)雜、水色較深或存在水下暗管的海域,可利用無人機(jī)的紅外感應(yīng)技術(shù)盡快找到排污口,并通過無人船進(jìn)一步核實和取證;無人船可駛往淺水區(qū)和狹窄航道等傳統(tǒng)艦舶無法到達(dá)的特定水域。

(3)解決人員不足和調(diào)配的問題。普通公務(wù)船可搭載人員4～40人,而無人船無須人員登船,可在陸地完成相應(yīng)操作。尤其在多部門協(xié)作監(jiān)管時,人員調(diào)配相對容易。

(4)無人船的船體小、速度快,且作業(yè)過程由計算機(jī)控制,執(zhí)行任務(wù)更加準(zhǔn)確和高效,適合大面積的海洋監(jiān)管。無人機(jī)的紅外感應(yīng)可快速監(jiān)測水溫異常區(qū)域,并根據(jù)定位顯示排查異常狀況。

(5)可用于危險、枯燥以及其他不適合人員執(zhí)行的任務(wù),如水質(zhì)采樣監(jiān)測和核輻射監(jiān)測等。

(6)安全靈活。海上無人機(jī)的禁飛限制和高度限制較少;無人船可借助海浪和島礁等的掩護(hù),遭毀傷的概率較小。

(7)購置、維護(hù)和使用成本低。與傳統(tǒng)船舶相比,無人船的購置成本較低,且具有體積小、吃水淺、消耗少、速度快、出海執(zhí)行任務(wù)時間短和人員費用少等優(yōu)點,維護(hù)成本也大大降低。此外,無人船的活動不易受天氣影響,可全天候執(zhí)勤,使用成本低。

5 跨域無人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)在海洋監(jiān)管中的應(yīng)用探究

以無人船作為綜合載體平臺,搭載無人機(jī)和水下無人潛水器等無人裝備,搭建空中、海面和水下的跨域無人系統(tǒng),可最大限度地發(fā)揮各種無人裝備的優(yōu)勢。例如：無人船本身可搭載高清攝像頭和水質(zhì)監(jiān)測儀進(jìn)行水面巡航,將海上監(jiān)管信息實時回傳至監(jiān)測平臺;無人船搭載的無人機(jī)攜帶高清攝像頭、全景攝像頭、熱成像攝像頭和激光云臺等,滿足全天候和多場景下的海洋監(jiān)管需求;發(fā)現(xiàn)特殊問題須開展進(jìn)一步水下查探時,水下無人潛水器等可深入水下,通過聲吶準(zhǔn)確探測水下地形地貌信息,并實時拍攝水下實景視頻。

利用整個無人系統(tǒng)實時回傳的高清視頻或VR視頻,監(jiān)管人員可在后臺實現(xiàn)對海域的廣域監(jiān)控和深入探測。對發(fā)現(xiàn)的海上違法行為,情況緊急的,可由無人機(jī)或無人船搭載的喊話系統(tǒng)進(jìn)行喊話制止或震懾;情況不緊急的,可在后臺記錄在案,供日后分析和處理。

此外,無人船可實現(xiàn)功能設(shè)定和自主航行,通過裝設(shè)執(zhí)法記錄模塊可自主完成現(xiàn)場信息的記錄和采集,因此可將海域日常巡查、海上測繪和海洋傾廢監(jiān)管、入海排污口監(jiān)管以及海上石油平臺的部分登檢工作等交由無人船或跨域無人系統(tǒng)自動完成。同時,通過配置高亮照明取證模塊和紅外感應(yīng)設(shè)備,可在無人現(xiàn)場駐守的情況下開展夜間監(jiān)管,及時發(fā)現(xiàn)違法行為。

隨著5 G 時代的來臨,5 G 網(wǎng)絡(luò)所具有的大帶寬和低時延性為無人技術(shù)的發(fā)展提供更強(qiáng)大的支撐和更廣闊的空間。

6 結(jié)語

跨域無人系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)有助于海洋監(jiān)管能力的提升。在我國鼓勵發(fā)展5 G 技術(shù)和無人技術(shù)的新時代,應(yīng)抓住機(jī)遇實現(xiàn)科技創(chuàng)新,并積極將科技創(chuàng)新成果應(yīng)用于機(jī)構(gòu)改革后的海洋監(jiān)管領(lǐng)域,不斷促進(jìn)海洋監(jiān)管工作再上新臺階。