《交通運輸科學技術新成果推廣目錄》（２０２０）—第四部分裝備《海事無人機應用研究和安全管理成套設備及系統(tǒng)研發(fā)》

本期項目簡介

完成單位: 中交通信大數據 (上海) 科技有限公司、 中國交通通信信息中心、 中華人民共和國福建海事局、 星際 (江蘇) 航空科技有限公司、 上海天賜北斗通信科技有限公司

主要完成人: 周元峰、 黃濤、 從偉、 宋亮、馬軍、 王烽、 王林、 楊煌財

項目簡介

　　近年來,隨著船舶交通流量保持高位運行,傳統(tǒng)的巡邏船、VTS、AIS等監(jiān)管巡航模式已不能完全滿足海事管理的需要,迫切需要利用無人機等經濟、高效和便捷的新手段,進一步提高我國水上安全管理和救助的能力。與傳統(tǒng)海巡艇方式相比,無人機具有機動靈活、有效降低人命風險等優(yōu)勢,在海上監(jiān)管和應急搜救領域日益受到管理部門的關注。一些地方海事和交通管理部門已經嘗試利用無人機在天氣良好情況下進行陸地和近海岸巡檢,但由于海上復雜的氣象和環(huán)境制約,海上無人機應用經驗和案例非常稀缺,如何選擇技術可靠、成本經濟的無人機進行海上業(yè)務監(jiān)管作業(yè),是困擾交通部門的主要問題。本項目在系統(tǒng)梳理國內外無人機技術和應用現狀的基礎上,基于海事業(yè)務需求和海上環(huán)境特征分析,對無人機平臺選型、功能荷載、部署規(guī)劃建模方法進行了研究,研發(fā)了海上無人機落水自浮設計和北斗報警定位成套設備,并通過海上實測驗證了成套設備和?？找惑w化安全管理系統(tǒng)的可用性。研究從海上遠程通信、設備研發(fā)、系統(tǒng)應用多個角度出發(fā),解決了制約海上無人機應用的關鍵性難點問題,無人機平臺海上遇險可漂浮、追蹤打撈,無人機落水搜尋和打撈時間壓縮至30~60分鐘,契合海上管理部門應用需求。研究成果對福建海事局“十四五冶業(yè)務、裝備和信息化規(guī)劃起到了重要的指導作用,成套設備及安全管理系統(tǒng)經過多次海上實戰(zhàn)環(huán)境下多場景測試和驗證,在福建海事局、吳淞海事局、長江流域等應用均取得了良好的效果,提高了海事監(jiān)管效率,降低了財產損失風險。成果將極大地推動無人機在海事搜救領域的應用,助力打造“陸海空天冶立體監(jiān)管體系,對于邊防巡檢、海工等相關領域業(yè)態(tài)升級也具有重要的影響。本項目還獲得2020年度中國交通運輸協(xié)會科學技術獎三等獎。

項目創(chuàng)新點

　　(1)基于最優(yōu)化理論,綜合作業(yè)范圍、航道長度、錨地距離、船載航行距離等變量條件,構建無人機多機型搭配及總量配置優(yōu)化模型,實現海上無人機綜合應用效率最大化以及建設和運維成本最小化。

　　(2)開展基于5G技術的無人機?？崭邘捦ㄐ偶夹g測試和集成應用,測試了小型海上寬帶的連通性及傳輸速率,研究了基于無人機的海上5G寬帶通信關鍵因素關系,填補了國內海上小型無人機和5G寬帶應用的空白。

　　(3)海上專用自浮式無人機整機氣動設計、落水報警及成套設備研發(fā)。研究提出一種海上自浮式無人機整機設計方案,及北斗落水報警定位成套設備,實現海上無人機實時態(tài)勢感知和定位,確保無人機遇險后可漂浮、可追蹤打撈。

　　(4)完成海上無人機落水漂浮及打撈建模。研究提出結合無人機落水位置、風向、洋流、周邊船舶AIS位置信息、船舶速度等信息的無人機漂浮路徑和打撈輔助決策模型,通過迭代計算選定適合執(zhí)行打撈的船舶。

　　(5)研發(fā)基于海況、北斗定位及AIS信息融合的海空一體化無人機安全管理系統(tǒng)。無人機遇險落水后,通過北斗短報文信道實時上報位置,指揮中心通過無人機漂浮和打撈建模分析,定向指令過往船舶進行打撈回收,提高無人機搜尋和打撈效率,降低打撈成本和資產滅失風險。

同類項目比較

　　(1)目前,在無人機配置數量建模方面的研究主要為:無人機集群的軟件多智能體建模,針對面向隊形保持的領航-跟隨者編隊無故障時的信息交互拓撲優(yōu)化算法,無人機機載任務載荷配置方案和功能定位。相關研究的研究目的、領域、角度、方法與本項目研究不同,相關研究均未提出基于最優(yōu)化理論的無人機配置優(yōu)化建模及應用,國內外尚未見文獻報道。

　　(2)在本項目開展的基于5G技術的無人機?？崭邘捦ㄐ偶夹g測試和集成應用方面,現有研究主要在基于5G的新信道編碼技術和無人機安全控制,滿足5G應用需求的通信體系結構,相關研究的研究目的、通信策略、應用領域與本項目研究不同,均未提出基于5G的無人機?？崭邘捦ㄐ偶夹g集成應用,國內外尚未見文獻報道。

　　(3)本項目研究提出一種海上自浮式無人機整機設計方案,及北斗RDSS技術和ADS-B技術相融合的落水報警定位成套設備集成研發(fā)。此前的研究主要在以下方面:基于北斗RDSS和ADSB的無人機空管系統(tǒng)的體系結構,無人機機翼平面形狀優(yōu)化算法。相關研究的研究目的、氣動設計與本項目研究不同,均未提出海上專用自浮式無人機整機氣動設計、落水報警及成套設備研發(fā)。

　　(4)在無人機安全管理方面,目前國內外研究主要關注基于移動網絡的機載控制端和地面的遠程監(jiān)控與控制端,實現對無人機結構平臺的控制,能及時提醒操作人員清楚掌控無人機狀態(tài)。尚未有針對海上通信條件匱乏情況下的無人機安全預警、落水報警、定位,以及基于海況、北斗定位及AIS信息融合的?？找惑w化無人機落水安全管理系統(tǒng)研發(fā)和應用。

　　綜上所述,國內外尚未見與本項目綜合技術特點相同的研究報道。

應用案例

　　海上無人機應用的抗風性能、自主飛行控制要求高等特點,研究團隊在2018—2020年期間,選擇多類型無人機,包括多旋翼無人機、純電垂直起降固定翼無人機、拋投式電動固定翼無人機、鋼制油動彈射式固定翼無人機、油動無人直升機等四種機型,在福建、上海等海事轄區(qū)范圍內多次組織海上試飛、技術驗證和水上救援模擬協(xié)助等活動,為地方海事廳、交通指揮中心、消防救援部門提供了多次海陸空綜合飛行和監(jiān)測服務?；跓o人機的海上業(yè)務監(jiān)管見圖2。

　　若自浮式無人機發(fā)生意外落水,指揮中心根據落水無人機的北斗定位信息,以落水無人機所在位置為中心,篩選AIS系統(tǒng)內相鄰范圍內船舶的經緯度信息,結合風向、洋流、船舶速度等信息進行分析建模后,選定距離海上無人機預計漂浮位置最近的船舶,發(fā)送打撈指令,使得落水的無人機被就近的船舶打撈。

社會效益與經濟效益

　　全套系統(tǒng)在海上作業(yè)推廣具有顯著的經濟效益和社會效益。項目成果的推廣應用,對于降低無人機海上運行風險、減少損失具有重要意義,將極大地保障和推動無人機在海事監(jiān)管、海上搜尋救助方面的應用,大幅提升執(zhí)法取證效率。應急狀態(tài)下提高大面積搜尋救助效率,顯著提高救生成功率,對于海洋測繪、邊防巡檢等海上相關領域未來業(yè)態(tài)的升級換代也具有重要的影響作用,本身對無人機應用相關產業(yè)的推廣市場經濟效益可達10億~20億元,由此帶來的海事、搜救領域的環(huán)保和能耗降低不可估量,具有非常巨大的環(huán)保效益,助力打造“陸?？仗煲焙Ｊ铝Ⅲw監(jiān)管模式,建設安全、便捷、高效、綠色、經濟的現代化綜合交通運輸體系。