一、引言

近年來，“新絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”合作倡議的提出，為我國航運業發展帶來了新機遇;同時，近海通航水域船舶交通流日趨繁忙、助航設施配布增加，航海安全保障與交通安全監管面臨更大挑戰。《海事航海保障“十三五”發展規劃》提出：到2020 年，我國將基本建成覆蓋全面、管理高效、服務優質、保障及時的綜合航海保障體系。為實現上述規劃目標，亟需激發科技創新活力、構建全新的航海保障信息服務技術體系。

無人機具有機動性好、適應能力強、效率高、風險低等優點，在水上安全監管、應急保障以及基站巡檢等場景中擁有巨大應用潛力。結合海事巡航船舶、VTS、AIS、CCTV等，可構建全方位立體海事保障、監管與搜救 體系，提升我國海上執法、效能監管、助航設施保障和應急處置水平。基于無人機的海事航海保障體系主要包含無人機平臺、業務載荷、測控數據鏈、地面信息處理系統、綜合保障與維修系統等五大部分。高建豐探討了無人化、智能化系統在航標巡檢中的應用，并重點對比了無人船與無人機兩類設備的技術特點。基于無人機在航海保障業務中的應用試驗，鄧祝森等深入分析了其工作流程與實際效果，提出了無人機與傳統方式優勢互補的航海保障體系構建思路。程鑫提出了基于無人機遙感技術的航標監管控制成套體系，主要內容包括無人機遙感技術、助航設施狀態信息數據庫、地理信息管理平臺等;上述體系可克服傳統監管技術存在的時效性差、效率低下等不足。此外，無人機技術在水上搜救領域也得到了廣泛的應用，相關研究重點集中在目標準確識別與定位、信息傳輸策略優化等方面。

本文圍繞沿海助航設施狀態巡檢，梳理并分析了無人機技術的應用場景;在此基礎上，系統總結了基于無人機的助航設施狀態巡檢技術在東海航海保障中心連云港轄區應用與示范成果。

二、巡檢應用場景

（一）航標維護管理

視覺航標是在我國近海區域應用廣泛的助航標志之一。近年來，隨著數字航標和航標遙測遙控系統的應用，航標維護管理的科技因素和手段得到加強，逐步實現了航標的遠程動態監測和狀態控制，基于GSM公共通訊網絡的航標遙測遙控系統可遠程無線監控標位準確性、燈質工作狀態等，但無法有效監控航標涂色、結構功能良好程度等內容。目前，航海保障部門主要采用船舶出海巡檢的方法，對航標的涂色、結構完整性進行巡檢。

傳統的航標船定期巡檢方式，易受氣象、海浪等諸多因素影響，工作效率低且存在一定安全風險。基于無人機的航標維護管理，可實現海上航標視頻圖像采集與實時回傳，使得航標管理部門及時、全面、準確地掌握轄區助航設施狀態，減少了船舶出海巡檢次數，降低航標維護費用，有效提高航標管理效率。借助無人機巡檢技術，有助于構建海（海上巡檢）-陸（陸地遙控）-空（空中監測）立體監管模式，為“覆蓋全面、管理高效、服務優質、保障及時的綜合航海保障體系”規劃目標的實現提供技術支撐。

（二）海上應急設標

當船舶通航水域突發新沉船、沉物、淺灘等危險物時，需要航海保障部門立即派遣航標船進行應急設標。由于無法獲知海上沉船、沉物、淺灘等危險物的準確位置，傳統的航標作業船舶只能且行且探，既影響了作業效率與時機，也存在一定的安全隱患。而采用無人機技術， 可有效克服上述困難局面并發揮重要作用。

（三）現場數據采集

航海保障無人機可配置相關的多媒體采集系統，完成視、音頻數據的采集，并通過無線傳輸方式，傳輸到地面的接收機。其機載攝像機可編碼壓縮視頻數據，以圖像方式回傳至轄區航海保障部門的指揮中心。此外，借助無人機的攝像機、熱像儀等載荷裝備，配合自動曝光攝影等先進技術，能自動獲取高清晰度數碼照片。通過后期處理，生成的數碼影像可為航標搜尋、海洋環境監測、海域管理等提供可靠的決策依據，使反應更加迅速，地面指揮、航標船和各類人員的協調也會更加充分。

由于無人機機動性能優良、反應迅速、續航能力強大，具備連續地跟蹤事態發展的能力，有助于航海保障部門及時掌握現場情況、科學決策，較傳統航標船、無人智能船等優勢更加突出。此外，隨著微光、激光夜視等技術的發展，為航海保障無人機系統的機載傳感器性能提升、裝備改進提供了新選項。

三、無人機巡檢示范應用

2014年，交通運輸部東海航海保障中心連云港航標處承擔了江蘇省連云港市科技攻關計劃項目《無人機及低空遙感航標精確控制、快速處理技術研發》;2016年5 月，交通運輸部東海航海保障中心連云港航標處與德奧無人機運營服務有限公司合作，開展了“無人機在近海助航設施巡檢中的應用研究”，先后在2016年6月和8月在南通市如東縣洋口港區域，使用S-100型無人直升機（以下簡稱“S-100”）開展了兩次無人機巡檢飛行試驗，并取得了良好的效果。

（一）任務規劃

飛行前，考慮到港口環境的特殊性和海上氣象條件的復雜性，以保證鏈路暢通和飛行安全為前提，飛行團隊根據給定的航標坐標，對飛行路徑和飛行控制方案進行詳細規劃和周密設計（如圖1），獲得了高質量的航標巡檢視頻資料（如圖2），成功完成了近海水域助航設施狀態巡檢任務。

圖1 無人機巡檢任務航線規劃

（二）設備改進與方案優化

在近海助航設施狀態巡檢試驗中，研究團隊研究并改進了無人機系統的視頻采集裝備，取得了良好的效果。

圖2 S18航標巡檢視頻截圖

受飛行高度和氣象條件等因素的制約，吊艙拍攝的視頻需經歷一次壓縮，方可經無人機數據鏈路實時傳回地面站，導致視頻質量下降。為克服上述不足，試驗中采用了加裝專業視頻記錄設備Blackmagic Video Assist， 同時將原始視頻記錄下來，無人機著陸后再對視頻進行后處理。經測試，采用上述方案所獲得的視頻質量遠高于S-100鏈路直接回傳的視頻，判定能滿足航標巡檢的成像精度要求。

此外，經過分析計算，進一步優化了無人機巡檢航線，在保障安全的前提下，將檢查各個航標時的懸停高度降低了23%，有效提高了航標巡檢效果。

（三）性能驗證

基于無人機的巡檢示范研究階段，針對無人直升機的飛行巡檢性能、光電吊艙的應用性能、巡檢效果和效率、巡檢經濟性等內容開展了驗證研究。

1. 飛行巡檢性能

根據各個航標的臺賬坐標設定航路點，無人直升機可自動飛行至航路點、尋找航標并進行檢查;每個航標均可被順利找到，充分驗證了S-100飛行定位的準確性。巡檢飛行試驗中單架次最長飛行時間為3小時6分鐘， S-100實際續航時間可達6個小時，可充分滿足航標巡檢要求。

2. 光電吊艙的應用性能

S-100 搭載的300LE光電吊艙拍攝的視頻可通過 S-100的數據鏈路實時傳送地面站，此類視頻可基本確定航標編號、航標是否存在局部缺失以及是否處于預定位置范圍等。經設備改造與升級，未經數據鏈路壓縮的1080P視頻存儲在記錄儀里，待飛行結束后導出分析。各個航標臺賬坐標、S-100系統航路坐標和光電吊艙的坐標基準均為以GPS系統為基礎的WGS-84坐標系統。 300L光電吊艙可利用其激光測距功能，結合內置的INS 對目標航標進行定位，得到航標的坐標信息。坐標比對顯示：通過吊艙對航標進行定位得到的坐標和航標的臺賬坐標誤差很小，驗證了300LE光電吊艙的定位精度能滿足要求。

3. 巡檢效果和效率

由于地面控制站和航標的距離比較遠（最近的S18 號燈浮距地面控制站的直線距離為16.5千米），S-100要保持一定的飛行高度才能保證鏈路通暢。首次飛行時， S-100離航標的豎直高度最小為365.8米，最大為609.6米;為提高成像精度，第二次飛行時，最小、最大高度分別降低至289.6米、432.8米。

首次飛行時，最大飛行速度達到168千米/小時，第二

次飛行時更是達到了182千米/小時。往返航標和控制站時飛行的平均速度為148千米/小時左右，往返航標之間的速度為102千米/小時左右;巡檢時以懸停的方式對航標進行觀測。單架次完成洋口港全部航道航標巡檢的總飛行路程約82.4千米，綜合各個架次的飛行時間，完成巡檢耗時約1小時30分鐘。

4. 作業經濟性分析

使用無人機進行助航設施狀態巡檢僅需配備操作人員3~4名，設備成本主要為設備折舊，其次為燃油成本， 如設備發生故障可能產生備件、耗材成本。相比傳統船只巡檢，無人機巡檢在人員成本、設備成本、單次作業時長上均具有優勢。

四、結語

助航設施狀態巡檢，是實現轄區航海保障的重要工作內容之一。本文將無人直升機與沿海助航設施狀態巡檢相結合，探討了此項技術的應用場景，并進一步總結了基于無人機的沿海助航設施巡檢在連云港轄區的應用與示范成果，成果具有顯著的經濟及社會效益。

研究結果表明：基于無人機的助航設施狀態巡檢改變了傳統航標船現場巡查方式，大幅提升了助航系統基礎設施維護管理科技水平;通過建立航標設備運行信息數據庫，提高航標可利用率、降低航標運行管理費用，促進了近海航標管理現代化。此外，沿海助航設施狀態巡檢過程中所獲取的高分辨率遙感數據，還可服務于海洋環境監測、海域管理、應急救援等研究工作。

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