《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第四部分装备《海事无人机应用研究和安全管理成套设备及系统研发》

本期项目简介

完成单位: 中交通信大数据 (上海) 科技有限公司、 中国交通通信信息中心、 中华人民共和国福建海事局、 星际 (江苏) 航空科技有限公司、 上海天赐北斗通信科技有限公司

主要完成人: 周元峰、 黄涛、 从伟、 宋亮、马军、 王烽、 王林、 杨煌财

项目简介

　　近年来,随着船舶交通流量保持高位运行,传统的巡逻船、VTS、AIS等监管巡航模式已不能完全满足海事管理的需要,迫切需要利用无人机等经济、高效和便捷的新手段,进一步提高我国水上安全管理和救助的能力。与传统海巡艇方式相比,无人机具有机动灵活、有效降低人命风险等优势,在海上监管和应急搜救领域日益受到管理部门的关注。一些地方海事和交通管理部门已经尝试利用无人机在天气良好情况下进行陆地和近海岸巡检,但由于海上复杂的气象和环境制约,海上无人机应用经验和案例非常稀缺,如何选择技术可靠、成本经济的无人机进行海上业务监管作业,是困扰交通部门的主要问题。本项目在系统梳理国内外无人机技术和应用现状的基础上,基于海事业务需求和海上环境特征分析,对无人机平台选型、功能荷载、部署规划建模方法进行了研究,研发了海上无人机落水自浮设计和北斗报警定位成套设备,并通过海上实测验证了成套设备和海空一体化安全管理系统的可用性。研究从海上远程通信、设备研发、系统应用多个角度出发,解决了制约海上无人机应用的关键性难点问题,无人机平台海上遇险可漂浮、追踪打捞,无人机落水搜寻和打捞时间压缩至30~60分钟,契合海上管理部门应用需求。研究成果对福建海事局“十四五冶业务、装备和信息化规划起到了重要的指导作用,成套设备及安全管理系统经过多次海上实战环境下多场景测试和验证,在福建海事局、吴淞海事局、长江流域等应用均取得了良好的效果,提高了海事监管效率,降低了财产损失风险。成果将极大地推动无人机在海事搜救领域的应用,助力打造“陆海空天冶立体监管体系,对于边防巡检、海工等相关领域业态升级也具有重要的影响。本项目还获得2020年度中国交通运输协会科学技术奖三等奖。

项目创新点

　　(1)基于最优化理论,综合作业范围、航道长度、锚地距离、船载航行距离等变量条件,构建无人机多机型搭配及总量配置优化模型,实现海上无人机综合应用效率最大化以及建设和运维成本最小化。

　　(2)开展基于5G技术的无人机海空高带宽通信技术测试和集成应用,测试了小型海上宽带的连通性及传输速率,研究了基于无人机的海上5G宽带通信关键因素关系,填补了国内海上小型无人机和5G宽带应用的空白。

　　(3)海上专用自浮式无人机整机气动设计、落水报警及成套设备研发。研究提出一种海上自浮式无人机整机设计方案,及北斗落水报警定位成套设备,实现海上无人机实时态势感知和定位,确保无人机遇险后可漂浮、可追踪打捞。

　　(4)完成海上无人机落水漂浮及打捞建模。研究提出结合无人机落水位置、风向、洋流、周边船舶AIS位置信息、船舶速度等信息的无人机漂浮路径和打捞辅助决策模型,通过迭代计算选定适合执行打捞的船舶。

　　(5)研发基于海况、北斗定位及AIS信息融合的海空一体化无人机安全管理系统。无人机遇险落水后,通过北斗短报文信道实时上报位置,指挥中心通过无人机漂浮和打捞建模分析,定向指令过往船舶进行打捞回收,提高无人机搜寻和打捞效率,降低打捞成本和资产灭失风险。

同类项目比较

　　(1)目前,在无人机配置数量建模方面的研究主要为:无人机集群的软件多智能体建模,针对面向队形保持的领航-跟随者编队无故障时的信息交互拓扑优化算法,无人机机载任务载荷配置方案和功能定位。相关研究的研究目的、领域、角度、方法与本项目研究不同,相关研究均未提出基于最优化理论的无人机配置优化建模及应用,国内外尚未见文献报道。

　　(2)在本项目开展的基于5G技术的无人机海空高带宽通信技术测试和集成应用方面,现有研究主要在基于5G的新信道编码技术和无人机安全控制,满足5G应用需求的通信体系结构,相关研究的研究目的、通信策略、应用领域与本项目研究不同,均未提出基于5G的无人机海空高带宽通信技术集成应用,国内外尚未见文献报道。

　　(3)本项目研究提出一种海上自浮式无人机整机设计方案,及北斗RDSS技术和ADS-B技术相融合的落水报警定位成套设备集成研发。此前的研究主要在以下方面:基于北斗RDSS和ADSB的无人机空管系统的体系结构,无人机机翼平面形状优化算法。相关研究的研究目的、气动设计与本项目研究不同,均未提出海上专用自浮式无人机整机气动设计、落水报警及成套设备研发。

　　(4)在无人机安全管理方面,目前国内外研究主要关注基于移动网络的机载控制端和地面的远程监控与控制端,实现对无人机结构平台的控制,能及时提醒操作人员清楚掌控无人机状态。尚未有针对海上通信条件匮乏情况下的无人机安全预警、落水报警、定位,以及基于海况、北斗定位及AIS信息融合的海空一体化无人机落水安全管理系统研发和应用。

　　综上所述,国内外尚未见与本项目综合技术特点相同的研究报道。

应用案例

　　海上无人机应用的抗风性能、自主飞行控制要求高等特点,研究团队在2018—2020年期间,选择多类型无人机,包括多旋翼无人机、纯电垂直起降固定翼无人机、抛投式电动固定翼无人机、钢制油动弹射式固定翼无人机、油动无人直升机等四种机型,在福建、上海等海事辖区范围内多次组织海上试飞、技术验证和水上救援模拟协助等活动,为地方海事厅、交通指挥中心、消防救援部门提供了多次海陆空综合飞行和监测服务。基于无人机的海上业务监管见图2。

　　若自浮式无人机发生意外落水,指挥中心根据落水无人机的北斗定位信息,以落水无人机所在位置为中心,筛选AIS系统内相邻范围内船舶的经纬度信息,结合风向、洋流、船舶速度等信息进行分析建模后,选定距离海上无人机预计漂浮位置最近的船舶,发送打捞指令,使得落水的无人机被就近的船舶打捞。

社会效益与经济效益

　　全套系统在海上作业推广具有显著的经济效益和社会效益。项目成果的推广应用,对于降低无人机海上运行风险、减少损失具有重要意义,将极大地保障和推动无人机在海事监管、海上搜寻救助方面的应用,大幅提升执法取证效率。应急状态下提高大面积搜寻救助效率,显著提高救生成功率,对于海洋测绘、边防巡检等海上相关领域未来业态的升级换代也具有重要的影响作用,本身对无人机应用相关产业的推广市场经济效益可达10亿~20亿元,由此带来的海事、搜救领域的环保和能耗降低不可估量,具有非常巨大的环保效益,助力打造“陆海空天冶海事立体监管模式,建设安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通运输体系。