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无人机在沿海助航设施状态巡检的应用场景及示范分析

无人机在沿海助航设施状态巡检的应用场景及示范分析

一、引言
近年来,“新丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”合作倡议的提出,为我国航运业发展带来了新机遇;同时,近海通航水域船舶交通流日趋繁忙、助航设施配布增加,航海安全保障与交通安全监管面临更大挑战。《海事航海保障“十三五”发展规划》提出:到2020 年,我国将基本建成覆盖全面、管理高效、服务优质、保障及时的综合航海保障体系。为实现上述规划目标,亟需激发科技创新活力、构建全新的航海保障信息服务技术体系。
无人机具有机动性好、适应能力强、效率高、风险低等优点,在水上安全监管、应急保障以及基站巡检等场景中拥有巨大应用潜力。结合海事巡航船舶、VTS、AIS、CCTV等,可构建全方位立体海事保障、监管与搜救 体系,提升我国海上执法、效能监管、助航设施保障和应急处置水平。基于无人机的海事航海保障体系主要包含无人机平台、业务载荷、测控数据链、地面信息处理系统、综合保障与维修系统等五大部分。高建丰探讨了无人化、智能化系统在航标巡检中的应用,并重点对比了无人船与无人机两类设备的技术特点。基于无人机在航海保障业务中的应用试验,邓祝森等深入分析了其工作流程与实际效果,提出了无人机与传统方式优势互补的航海保障体系构建思路。程鑫提出了基于无人机遥感技术的航标监管控制成套体系,主要内容包括无人机遥感技术、助航设施状态信息数据库、地理信息管理平台等;上述体系可克服传统监管技术存在的时效性差、效率低下等不足。此外,无人机技术在水上搜救领域也得到了广泛的应用,相关研究重点集中在目标准确识别与定位、信息传输策略优化等方面。
本文围绕沿海助航设施状态巡检,梳理并分析了无人机技术的应用场景;在此基础上,系统总结了基于无人机的助航设施状态巡检技术在东海航海保障中心连云港辖区应用与示范成果。
二、巡检应用场景
(一)航标维护管理
视觉航标是在我国近海区域应用广泛的助航标志之一。近年来,随着数字航标和航标遥测遥控系统的应用,航标维护管理的科技因素和手段得到加强,逐步实现了航标的远程动态监测和状态控制,基于GSM公共通讯网络的航标遥测遥控系统可远程无线监控标位准确性、灯质工作状态等,但无法有效监控航标涂色、结构功能良好程度等内容。目前,航海保障部门主要采用船舶出海巡检的方法,对航标的涂色、结构完整性进行巡检。
传统的航标船定期巡检方式,易受气象、海浪等诸多因素影响,工作效率低且存在一定安全风险。基于无人机的航标维护管理,可实现海上航标视频图像采集与实时回传,使得航标管理部门及时、全面、准确地掌握辖区助航设施状态,减少了船舶出海巡检次数,降低航标维护费用,有效提高航标管理效率。借助无人机巡检技术,有助于构建海(海上巡检)-陆(陆地遥控)-空(空中监测)立体监管模式,为“覆盖全面、管理高效、服务优质、保障及时的综合航海保障体系”规划目标的实现提供技术支撑。
(二)海上应急设标
当船舶通航水域突发新沉船、沉物、浅滩等危险物时,需要航海保障部门立即派遣航标船进行应急设标。由于无法获知海上沉船、沉物、浅滩等危险物的准确位置,传统的航标作业船舶只能且行且探,既影响了作业效率与时机,也存在一定的安全隐患。而采用无人机技术, 可有效克服上述困难局面并发挥重要作用。
(三)现场数据采集
航海保障无人机可配置相关的多媒体采集系统,完成视、音频数据的采集,并通过无线传输方式,传输到地面的接收机。其机载摄像机可编码压缩视频数据,以图像方式回传至辖区航海保障部门的指挥中心。此外,借助无人机的摄像机、热像仪等载荷装备,配合自动曝光摄影等先进技术,能自动获取高清晰度数码照片。通过后期处理,生成的数码影像可为航标搜寻、海洋环境监测、海域管理等提供可靠的决策依据,使反应更加迅速,地面指挥、航标船和各类人员的协调也会更加充分。
由于无人机机动性能优良、反应迅速、续航能力强大,具备连续地跟踪事态发展的能力,有助于航海保障部门及时掌握现场情况、科学决策,较传统航标船、无人智能船等优势更加突出。此外,随着微光、激光夜视等技术的发展,为航海保障无人机系统的机载传感器性能提升、装备改进提供了新选项。
三、无人机巡检示范应用
2014年,交通运输部东海航海保障中心连云港航标处承担了江苏省连云港市科技攻关计划项目《无人机及低空遥感航标精确控制、快速处理技术研发》;2016年5 月,交通运输部东海航海保障中心连云港航标处与德奥无人机运营服务有限公司合作,开展了“无人机在近海助航设施巡检中的应用研究”,先后在2016年6月和8月在南通市如东县洋口港区域,使用S-100型无人直升机(以下简称“S-100”)开展了两次无人机巡检飞行试验,并取得了良好的效果。
(一)任务规划
飞行前,考虑到港口环境的特殊性和海上气象条件的复杂性,以保证链路畅通和飞行安全为前提,飞行团队根据给定的航标坐标,对飞行路径和飞行控制方案进行详细规划和周密设计(如图1),获得了高质量的航标巡检视频资料(如图2),成功完成了近海水域助航设施状态巡检任务。

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图1 无人机巡检任务航线规划

(二)设备改进与方案优化
在近海助航设施状态巡检试验中,研究团队研究并改进了无人机系统的视频采集装备,取得了良好的效果。

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图2 S18航标巡检视频截图

受飞行高度和气象条件等因素的制约,吊舱拍摄的视频需经历一次压缩,方可经无人机数据链路实时传回地面站,导致视频质量下降。为克服上述不足,试验中采用了加装专业视频记录设备Blackmagic Video Assist, 同时将原始视频记录下来,无人机着陆后再对视频进行后处理。经测试,采用上述方案所获得的视频质量远高于S-100链路直接回传的视频,判定能满足航标巡检的成像精度要求。
此外,经过分析计算,进一步优化了无人机巡检航线,在保障安全的前提下,将检查各个航标时的悬停高度降低了23%,有效提高了航标巡检效果。
(三)性能验证
基于无人机的巡检示范研究阶段,针对无人直升机的飞行巡检性能、光电吊舱的应用性能、巡检效果和效率、巡检经济性等内容开展了验证研究。
1. 飞行巡检性能
根据各个航标的台账坐标设定航路点,无人直升机可自动飞行至航路点、寻找航标并进行检查;每个航标均可被顺利找到,充分验证了S-100飞行定位的准确性。巡检飞行试验中单架次最长飞行时间为3小时6分钟, S-100实际续航时间可达6个小时,可充分满足航标巡检要求。
2. 光电吊舱的应用性能
S-100 搭载的300LE光电吊舱拍摄的视频可通过 S-100的数据链路实时传送地面站,此类视频可基本确定航标编号、航标是否存在局部缺失以及是否处于预定位置范围等。经设备改造与升级,未经数据链路压缩的1080P视频存储在记录仪里,待飞行结束后导出分析。各个航标台账坐标、S-100系统航路坐标和光电吊舱的坐标基准均为以GPS系统为基础的WGS-84坐标系统。300L光电吊舱可利用其激光测距功能,结合内置的INS 对目标航标进行定位,得到航标的坐标信息。坐标比对显示:通过吊舱对航标进行定位得到的坐标和航标的台账坐标误差很小,验证了300LE光电吊舱的定位精度能满足要求。
3. 巡检效果和效率
由于地面控制站和航标的距离比较远(最近的S18 号灯浮距地面控制站的直线距离为16.5千米),S-100要保持一定的飞行高度才能保证链路通畅。首次飞行时, S-100离航标的竖直高度最小为365.8米,最大为609.6米;为提高成像精度,第二次飞行时,最小、最大高度分别降低至289.6米、432.8米。
首次飞行时,最大飞行速度达到168千米/小时,第二次飞行时更是达到了182千米/小时。
往返航标和控制站时飞行的平均速度为148千米/小时左右,往返航标之间的速度为102千米/小时左右;巡检时以悬停的方式对航标进行观测。单架次完成洋口港全部航道航标巡检的总飞行路程约82.4千米,综合各个架次的飞行时间,完成巡检耗时约1小时30分钟。
4. 作业经济性分析
使用无人机进行助航设施状态巡检仅需配备操作人员3~4名,设备成本主要为设备折旧,其次为燃油成本, 如设备发生故障可能产生备件、耗材成本。相比传统船只巡检,无人机巡检在人员成本、设备成本、单次作业时长上均具有优势。

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四、结语
助航设施状态巡检,是实现辖区航海保障的重要工作内容之一。本文将无人直升机与沿海助航设施状态巡检相结合,探讨了此项技术的应用场景,并进一步总结了基于无人机的沿海助航设施巡检在连云港辖区的应用与示范成果,成果具有显著的经济及社会效益。
研究结果表明:基于无人机的助航设施状态巡检改变了传统航标船现场巡查方式,大幅提升了助航系统基础设施维护管理科技水平;通过建立航标设备运行信息数据库,提高航标可利用率、降低航标运行管理费用,促进了近海航标管理现代化。此外,沿海助航设施状态巡检过程中所获取的高分辨率遥感数据,还可服务于海洋环境监测、海域管理、应急救援等研究工作。
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