浅谈无人设备在航标巡检中的应用和展望
摘要：本文主要介绍目前无人设备在航标巡检中的应用效果，以及未来无人船在航标巡检中的应用。通过两种设备优缺点的对比，提出未来航标巡检工作应向无人化、智能化方向发展。
关键词：无人 航标 巡检 发展
0引言
随着航运经济的发展，为取得最大的经济效益，船舶不断向大型化、高速化发展，同事也给船舶航行安全带来了挑战。为了给船舶提供更好的助航服务，保障船舶在港口水域安全行驶，近几年来航标配布日益增加，而航标能否发挥良好的助航效能，航标巡检无疑是其中重要的一环。现有的航标巡检维护手段需要耗费大量的人力、物力、经费。随着新技术、新设备的推广和应用，能够极大的降低航标管理维护成本，提高航标管理水平和航保服务质量。
1航标巡检的定义及现状
1.1航标巡检定义
航标巡检，是指对航标进行全面、细致的现场检查和保养，预防性地发现并排除故障隐患，使航标始终处于正常工作状态。航标巡检工作是航标管理工作的重要部分，是持续保持航标特性，发挥助航效能的重要手段之一。
1.2航标巡检现状
目前，北方海区航标巡检主要有遥控遥测巡检、现场巡检及夜航巡检三种方式。巡检内容主要包括记录航标位置、擦拭透镜和太阳能电池板、测量电路工作电压和电流、校对灯质、查看锚链磨损情况、检查主体结构（标身、标顶）是否完整、标身涂色和标号是否鲜明等。借助于移动通讯信号和北斗导航系统的沿海覆盖，北方海区已经基本建成以智能化的航标检测报警系统为核心功能的航标遥测遥控系统。但是，该系统只能检测航标的电压、电流、位置以及灯质等情况，对于航标的主体结构以及标识的情况无法查看，而且由于目前航标遥控遥测控制系统尚不成熟，对于一些偏远海域，信号不稳定，很难实现对所有航标的全覆盖和实施监控，依旧需要人工现场巡检，耗费大量的人力、物力。
一直以来，航标现场巡检都是依靠船舶靠近航标，然后由航标工爬上灯塔或浮标，检查航标的灯器有无损坏、灯质是否正常、航标性能是否适航等内容，平均巡检一座航标需要2小时左右。有时因浮标摇摆和体力原因，仍无法发现连接松动和配件脱落等故障，遇上礁石海域或狂风大浪等恶劣天气，根本无法巡检，造成巡检延误修复不及时等问题。随着科技的不断发展，无人设备也被广泛的应用在非军事领域，无人机和无人船的出现和应用，极大的解决了上述问题。
2 无人机巡检
2.1 无人机航标巡检应用
随着E航海战略推进，无人机遥感监测技术在构建三维可视航标监管保障体系中的作用逐渐崭露头角。它是一种高机动性、低成本、小型化、专用化遥感监测系统。它以无人驾驶飞行器为飞行平台、以高分辨率遥感设备为机载传感器、以获取低空高分辨率遥感数据为应用目标，具有对地快速实时调查监测能力。无人机遥感监测系统能够提供实时、高清的遥感影像，包括数字航空像片和视频影像，通过结合航标的物联终端数据和计算机网络技术实现数据实时和准实时传输，最大限度地提高日常管理和应急响应效率，从而提高管理效率和经济效益。早在2015年3月份，天津航标处就首次利用无人机參加海上航标应急反应演习，开创了我国使用无人机参与航海保障工作的先河，并取得了很好的效果，为无人机在航标巡检的进一步应用提供了借鉴。后来其他航标处也相继开始应用无人机开展航标巡检工作。
现以目前在航标巡检中应用较广的“S-100”型无人直升机为例。该机型具有自主飞行能力，能完全自主起飞，航点导航以及降落，可智能判断环境状态以及在断路丢失时可以自主执行任务和原路返回等特点。巡检前对无人机飞行路径和控制方式进行规划和设计。无人机在完 成系统调试后按照规划飞往各航标点，通过人工操作方式控制无人机在航标附近悬停，利用搭载的吊舱对航标进行拍摄，并通过链路将拍摄画面实时传回地面控制站，巡检画面基本可以确定航标主体机构、标识等基本情况，可以对航标的总体状况进行准确的了解。另外，吊舱的激光测距仪可以对航标进行精确定位，通过与给定航标坐标比对，可以判断航标是否漂移。
2.2 无人机巡检的优点
（1）巡检效率高、成本低
以往开展航标夜航工作需要动用海巡船艇和十余人的巡检队伍，全部巡检过程约用时5个小时，船舶油耗在1.5吨左右。而利用无人机开展夜间巡航，执行同样任务仅用时45分钟，并且不需要船舶跟随以及人员众多的巡检队伍，此举能够大幅提升航标巡检效率，降低船舶运行成本。
（2）受条件影响小
海浪对无人机飞行影响较小，即使在大风条件下，仍能完成巡检作业。而且无人机的吊舱搭载的红外摄头在夜间巡航中也能清晰看到航标的总体情况，相比传统船艇更安全，更有优势。
2.3 无人机巡检所面临的问题
（1）受到空中交通管制
无人机在飞行前要事先向航空管制处提交空域申请，并组织召开航空管制保障协调会，从而确定飞行时间、空域、高度、飞行时间、飞行架次等内容。如果出现航标异常应急情况，进行无人机巡检在时间上可能得不到保障。
（2）能见度对巡检效果有影响
北方海区在进入9、10月份后经常会出现雾霾天气，当无人机与地面距离越来越远时，飞行高度也会响应提高，此时雾霾天气会使拍摄的效果大大折扣，对巡航造成不利影响。
（3）巡检方式的选择
在飞行巡检过程中，飞机飞行速度越慢越有利于拍摄，飞行高度越低拍摄质量越好。一般在巡检过程中，可采取减速不悬停的方式对航标进行观察。但是，如果需要对航标细节进行观察时就要采取悬停的方式。普通天气，无人机可以长时间悬停，如遇到高温天气，长时间悬停会造成飞机发动机过热。
3 无人船现状及未来在巡检中的应用
3.1 无人船定义
无人船学名叫“水面机器人”，是一种不需要人来操控，可以完全独立自主执行任务的船只，比较适合执行危险或者枯燥、重复的军用、民用任务，例如运用在军事打击、安防巡逻、水上救助、地貌测绘、环境监测等领域。
3.2 无人船的发展和应用
其实，早在几十年前就有使用无人船的先例，据说是在诺曼底登陆的时候第一次使用了无人船施放烟雾弹。目前无人船技术主要应用于军事，民用的历史还比较短。2008年，我国自主研发的第一艘无人驾驶的海上探测船“气象一号”为北京奥运会青岛帆船赛提供海上气象保障服务，开创了中国利用无人船进行海上流动气象探测的先例。
3.3 无人船发展面临的问题
在技术上，无人船相对于无人机的难度更大：
（1）海况比空中更复杂。空中主要考虑空气动力学，而无人船面对的则是水，流体不仅要面对推力，更要面对各种涌动。因此，流体的建模非常复杂，而且现在一直做的都不是特别好，这是目前行业性的难题。
（2）海上的障碍物更多。无人机空中飞行的障碍物是相对较少的，而水面行驶则要面临包括岛礁以及其他船只等各种障碍物。
（3）无人船的避障比无人机会难。无人机一般风过大时便不能起降了，但无人船则要求承受更大的风浪，无人船除了生命保障系统外，其他系统跟有人船的要求都是一样的。
3.4 无人船在航标巡检工作中的可操作性
目前，民用无人船按照功能的不同，其规模从小到一米几十千克到十米排水量数吨，造价从几万到几十万不等。无人船系统由两部分组成：一是海上无人探测平台，即无人船本体；二是地面控制系统。无人船在船体设计上有一种自稳定功能，满足高海况下工作能力生存海况可达到4～5级，还配备有可靠的动力系统，航程可达数百公里，能够满足辖区内绝大多数航标的巡检工作。
无人船驾驶有两种方式，一种是人工遥控，另一种为自动驾驶——可按预定航线行驶，如途中遇到障碍物可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行。它可以按照预先设定好的路线自动巡航，船上的360°摄像头会将途中所见发回操作台，在大屏幕上显示出来。工作人员用遥控器对航标进行检查，查看航标主体结构、标识等方面是否合格。无人船搭载的船舶定位系统同样可以检查航标的位置是否发生漂移。所以无人船在航标巡检中有极高的可操作性，如果今后将无人船技术应用在航标巡检和应急处置中，将会极大的提高我们的航标管理水平，提高航保服务质量。
3.5 无人船的优势
随着科技的发展，无人船技术现在主要应用在环境检测、水样采集、地质测绘等方面。
无人船在航标巡检中的应用也很快就会实现。它具有以下几个特点
（1）成本相對较低
无人船在使用时只需要三四个人操作人员，减少大量的人力物力。目前研制无人船的航速可以达到30节，续航能力可达几百千米，能够满足辖区绝大多数航标的巡检要求，具有很好的高效性和经济性。
（2）使用条件更宽泛
无人船可以在雾霾天气使用，无人船不同于无人机，可以近距离靠近航标对航标进行检查，雾霾天气对于航标巡检的效果影响更小，观察更准确。应为无人船的体积不大，目前最大的不超过10米，所以在使用时不用担心通航限制，使用更灵活。
（3）功能更丰富
随着技术的成熟，未来无人船可以搭载机器人对航标进行简单的维护保养工作，比如擦拭灯器、太阳能板，对航标本体进行除锈喷漆等工作。同时，也可搭载水下机器人对航标锚链进行检测。另外，无人船的载荷比无人机大很多，如有航标漂失时，可用无人船对漂失航标进行追踪，并把航标拖拽回基地，能够节约大量人力物力。
4 结束语
未来很多危险或者重复的工作都会向无人化、智能化、标准化的方向发展，机器人不一定是去做很多高大上的事情，也可以做很多实实在在、能帮助到日常工作、生活的事情。相信通过无人设备在发展，一定可以很大程度的提高航标管理水平。通过无人机与无人船的相互协作，我们可以足不出户就能实时掌握航标的动态情况，节约大量的人力物力，降低能源消耗，具有很好的经济效益，对于实现“三化”建设有重要的推动意义。
参考文献：
[1]邓祝森，石洪英，程胜利.无人机在航海保障中的应用研究[J].中国水运，2017.01.
[2]王永涛，李佩璋，张海波.无人机在航标巡检领域的应用分析[C].中国航海学会航标专业学术论文集，2016年度.
[3]郑秀亮.无人船，环保领域新利器[J].环境，2016（08）.
高建丰 1973年9月23日 男 汉族
北海航海保障中心航标导航处（值班室）高级船长 研究方向为船舶管理与无人船应用
地址：天津市滨海新区响螺湾中心商务区汇津街62号 燕赵大厦
邮编：300459
电话：18920280295
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关键词：无人 航标 巡检 发展
0引言
随着航运经济的发展，为取得最大的经济效益，船舶不断向大型化、高速化发展，同事也给船舶航行安全带来了挑战。为了给船舶提供更好的助航服务，保障船舶在港口水域安全行驶，近几年来航标配布日益增加，而航标能否发挥良好的助航效能，航标巡检无疑是其中重要的一环。现有的航标巡检维护手段需要耗费大量的人力、物力、经费。随着新技术、新设备的推广和应用，能够极大的降低航标管理维护成本，提高航标管理水平和航保服务质量。
1航标巡检的定义及现状
1.1航标巡检定义
航标巡检，是指对航标进行全面、细致的现场检查和保养，预防性地发现并排除故障隐患，使航标始终处于正常工作状态。航标巡检工作是航标管理工作的重要部分，是持续保持航标特性，发挥助航效能的重要手段之一。
1.2航标巡检现状
目前，北方海区航标巡检主要有遥控遥测巡检、现场巡检及夜航巡检三种方式。巡检内容主要包括记录航标位置、擦拭透镜和太阳能电池板、测量电路工作电压和电流、校对灯质、查看锚链磨损情况、检查主体结构（标身、标顶）是否完整、标身涂色和标号是否鲜明等。借助于移动通讯信号和北斗导航系统的沿海覆盖，北方海区已经基本建成以智能化的航标检测报警系统为核心功能的航标遥测遥控系统。但是，该系统只能检测航标的电压、电流、位置以及灯质等情况，对于航标的主体结构以及标识的情况无法查看，而且由于目前航标遥控遥测控制系统尚不成熟，对于一些偏远海域，信号不稳定，很难实现对所有航标的全覆盖和实施监控，依旧需要人工现场巡检，耗费大量的人力、物力。
一直以来，航标现场巡检都是依靠船舶靠近航标，然后由航标工爬上灯塔或浮标，检查航标的灯器有无损坏、灯质是否正常、航标性能是否适航等内容，平均巡检一座航标需要2小时左右。有时因浮标摇摆和体力原因，仍无法发现连接松动和配件脱落等故障，遇上礁石海域或狂风大浪等恶劣天气，根本无法巡检，造成巡检延误修复不及时等问题。随着科技的不断发展，无人设备也被广泛的应用在非军事领域，无人机和无人船的出现和应用，极大的解决了上述问题。
2 无人机巡检
2.1 无人机航标巡检应用
随着E航海战略推进，无人机遥感监测技术在构建三维可视航标监管保障体系中的作用逐渐崭露头角。它是一种高机动性、低成本、小型化、专用化遥感监测系统。它以无人驾驶飞行器为飞行平台、以高分辨率遥感设备为机载传感器、以获取低空高分辨率遥感数据为应用目标，具有对地快速实时调查监测能力。无人机遥感监测系统能够提供实时、高清的遥感影像，包括数字航空像片和视频影像，通过结合航标的物联终端数据和计算机网络技术实现数据实时和准实时传输，最大限度地提高日常管理和应急响应效率，从而提高管理效率和经济效益。早在2015年3月份，天津航标处就首次利用无人机參加海上航标应急反应演习，开创了我国使用无人机参与航海保障工作的先河，并取得了很好的效果，为无人机在航标巡检的进一步应用提供了借鉴。后来其他航标处也相继开始应用无人机开展航标巡检工作。
现以目前在航标巡检中应用较广的“S-100”型无人直升机为例。该机型具有自主飞行能力，能完全自主起飞，航点导航以及降落，可智能判断环境状态以及在断路丢失时可以自主执行任务和原路返回等特点。巡检前对无人机飞行路径和控制方式进行规划和设计。无人机在完 成系统调试后按照规划飞往各航标点，通过人工操作方式控制无人机在航标附近悬停，利用搭载的吊舱对航标进行拍摄，并通过链路将拍摄画面实时传回地面控制站，巡检画面基本可以确定航标主体机构、标识等基本情况，可以对航标的总体状况进行准确的了解。另外，吊舱的激光测距仪可以对航标进行精确定位，通过与给定航标坐标比对，可以判断航标是否漂移。
2.2 无人机巡检的优点
（1）巡检效率高、成本低
以往开展航标夜航工作需要动用海巡船艇和十余人的巡检队伍，全部巡检过程约用时5个小时，船舶油耗在1.5吨左右。而利用无人机开展夜间巡航，执行同样任务仅用时45分钟，并且不需要船舶跟随以及人员众多的巡检队伍，此举能够大幅提升航标巡检效率，降低船舶运行成本。
（2）受条件影响小
海浪对无人机飞行影响较小，即使在大风条件下，仍能完成巡检作业。而且无人机的吊舱搭载的红外摄头在夜间巡航中也能清晰看到航标的总体情况，相比传统船艇更安全，更有优势。
2.3 无人机巡检所面临的问题
（1）受到空中交通管制
无人机在飞行前要事先向航空管制处提交空域申请，并组织召开航空管制保障协调会，从而确定飞行时间、空域、高度、飞行时间、飞行架次等内容。如果出现航标异常应急情况，进行无人机巡检在时间上可能得不到保障。
（2）能见度对巡检效果有影响
北方海区在进入9、10月份后经常会出现雾霾天气，当无人机与地面距离越来越远时，飞行高度也会响应提高，此时雾霾天气会使拍摄的效果大大折扣，对巡航造成不利影响。
（3）巡检方式的选择
在飞行巡检过程中，飞机飞行速度越慢越有利于拍摄，飞行高度越低拍摄质量越好。一般在巡检过程中，可采取减速不悬停的方式对航标进行观察。但是，如果需要对航标细节进行观察时就要采取悬停的方式。普通天气，无人机可以长时间悬停，如遇到高温天气，长时间悬停会造成飞机发动机过热。
3 无人船现状及未来在巡检中的应用
3.1 无人船定义
无人船学名叫“水面机器人”，是一种不需要人来操控，可以完全独立自主执行任务的船只，比较适合执行危险或者枯燥、重复的军用、民用任务，例如运用在军事打击、安防巡逻、水上救助、地貌测绘、环境监测等领域。
3.2 无人船的发展和应用
其实，早在几十年前就有使用无人船的先例，据说是在诺曼底登陆的时候第一次使用了无人船施放烟雾弹。目前无人船技术主要应用于军事，民用的历史还比较短。2008年，我国自主研发的第一艘无人驾驶的海上探测船“气象一号”为北京奥运会青岛帆船赛提供海上气象保障服务，开创了中国利用无人船进行海上流动气象探测的先例。
3.3 无人船发展面临的问题
在技术上，无人船相对于无人机的难度更大：
（1）海况比空中更复杂。空中主要考虑空气动力学，而无人船面对的则是水，流体不仅要面对推力，更要面对各种涌动。因此，流体的建模非常复杂，而且现在一直做的都不是特别好，这是目前行业性的难题。
（2）海上的障碍物更多。无人机空中飞行的障碍物是相对较少的，而水面行驶则要面临包括岛礁以及其他船只等各种障碍物。
（3）无人船的避障比无人机会难。无人机一般风过大时便不能起降了，但无人船则要求承受更大的风浪，无人船除了生命保障系统外，其他系统跟有人船的要求都是一样的。
3.4 无人船在航标巡检工作中的可操作性
目前，民用无人船按照功能的不同，其规模从小到一米几十千克到十米排水量数吨，造价从几万到几十万不等。无人船系统由两部分组成：一是海上无人探测平台，即无人船本体；二是地面控制系统。无人船在船体设计上有一种自稳定功能，满足高海况下工作能力生存海况可达到4～5级，还配备有可靠的动力系统，航程可达数百公里，能够满足辖区内绝大多数航标的巡检工作。
无人船驾驶有两种方式，一种是人工遥控，另一种为自动驾驶——可按预定航线行驶，如途中遇到障碍物可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行。它可以按照预先设定好的路线自动巡航，船上的360°摄像头会将途中所见发回操作台，在大屏幕上显示出来。工作人员用遥控器对航标进行检查，查看航标主体结构、标识等方面是否合格。无人船搭载的船舶定位系统同样可以检查航标的位置是否发生漂移。所以无人船在航标巡检中有极高的可操作性，如果今后将无人船技术应用在航标巡检和应急处置中，将会极大的提高我们的航标管理水平，提高航保服务质量。
3.5 无人船的优势
随着科技的发展，无人船技术现在主要应用在环境检测、水样采集、地质测绘等方面。
无人船在航标巡检中的应用也很快就会实现。它具有以下几个特点
（1）成本相對较低
无人船在使用时只需要三四个人操作人员，减少大量的人力物力。目前研制无人船的航速可以达到30节，续航能力可达几百千米，能够满足辖区绝大多数航标的巡检要求，具有很好的高效性和经济性。
（2）使用条件更宽泛
无人船可以在雾霾天气使用，无人船不同于无人机，可以近距离靠近航标对航标进行检查，雾霾天气对于航标巡检的效果影响更小，观察更准确。应为无人船的体积不大，目前最大的不超过10米，所以在使用时不用担心通航限制，使用更灵活。
（3）功能更丰富
随着技术的成熟，未来无人船可以搭载机器人对航标进行简单的维护保养工作，比如擦拭灯器、太阳能板，对航标本体进行除锈喷漆等工作。同时，也可搭载水下机器人对航标锚链进行检测。另外，无人船的载荷比无人机大很多，如有航标漂失时，可用无人船对漂失航标进行追踪，并把航标拖拽回基地，能够节约大量人力物力。
4 结束语
未来很多危险或者重复的工作都会向无人化、智能化、标准化的方向发展，机器人不一定是去做很多高大上的事情，也可以做很多实实在在、能帮助到日常工作、生活的事情。相信通过无人设备在发展，一定可以很大程度的提高航标管理水平。通过无人机与无人船的相互协作，我们可以足不出户就能实时掌握航标的动态情况，节约大量的人力物力，降低能源消耗，具有很好的经济效益，对于实现“三化”建设有重要的推动意义。
参考文献：
[1]邓祝森，石洪英，程胜利.无人机在航海保障中的应用研究[J].中国水运，2017.01.
[2]王永涛，李佩璋，张海波.无人机在航标巡检领域的应用分析[C].中国航海学会航标专业学术论文集，2016年度.
[3]郑秀亮.无人船，环保领域新利器[J].环境，2016（08）.
高建丰 1973年9月23日 男 汉族
北海航海保障中心航标导航处（值班室）高级船长 研究方向为船舶管理与无人船应用
地址：天津市滨海新区响螺湾中心商务区汇津街62号 燕赵大厦
邮编：300459
电话：18920280295
E-mail：gaojianfeng6789@163.com
