无人机应用于海事监管的可行性研究报告(2010.10)

无人飞机应用于海事监管的可行性研究上海海事局2010年10月研究部门：技术装备处部门负责人：唐月才项目负责人：唐月才主要参加人：周国良（高级工程师）吴胜飞（工程师）涂劲松（工程师）目录第一章概述1.1项目背景1.2研究依据1.3研究范围及内容1.4主要结论第二章无人机简要介绍2.1无人机概念和系统组成2.2无人机的分类2.3无人机的发展历程2.4无人机的优势第三章无人飞机应用海事监管的可行性分析3.1海事监管业务的需求3.2国内外无人机发展现状和趋势3.3无人飞机应用于海事监管的可行性第四章上海海事局现状分析4.1上海海事局管理辖区范围4.2上海海事局管辖海域特点4.3上海海事局主要管理手段、管理方法4.4上海海事局空中巡航试点工作情况4.5上海海事局管理能力现状综合评价第五章上海海事局配置无人机应用海事监管的必要性5.1实现海事系统监管目标的要求5.2增强履职能力、提高管理效率的需要5.3推行现代化管理、适应水上交通安全监督管理发展的需要5.4东海海区划界争端，维护东海海区海洋权益的需要第六章总体方案6.1系统组成和工作原理6.2飞行平台的对比与选型6.3系统主要技术性能6.4地面信息处理分系统6.5任务载荷分系统6.6系统使用第七章投资估算和效益分析7.1投资估算7.2效益分析第八章问题和建议第一章概述1.1项目背景我国是海洋和航运大国，是国际海事组织A类理事国，加入或接受的有关水上安全和救助国际公约或议定书有34个，加强水上交通安全监管，为水上航行的国际国内船舶提供良好的通航环境和保护海洋环境是一个负责任大国应尽的职责和义务。贯彻落实“海洋更清洁、航运更安全”的宗旨是国家赋予海事机构的职责。上海是我国的国际航运中心，加强东海海区和上海港水域的水上交通安全监管，为进出该水域的船舶提供良好的通航环境和优质的服务是上海海事局的责任所在。近年来随着国际国内航运事业的快速发展，船舶交通流量大幅度增长，尤其是上海国际航运中心的建设和发展，对上海海事巡航监管工作提出了新的要求，并赋予了新的内涵，促使我们海事监管从近岸向海区延伸，从静态监管为主逐步走向动静结合的监管模式转变。而海事巡航是海事管理部门实施水上动态监管的重要手段、其担负着依照有关国际公约及我国有关法律、法规、规章等对所管辖水域进行航行安全和污染的监视、行政执法、抢险救助、维护国家利益、维护通航秩序、保护通航环境、以及保障船舶、设施和生命财产安全等任务。目前我国通航水域大部分采用巡逻船和VTS、AIS、CCTV等监管系统配合的模式进行巡航监管，受巡逻船客观条件的限制，利用巡逻船开展巡航存在视程短，反应慢，难以把握整体态势，对违法船舶无法进行持续的跟踪，对一些违章行为无法进行取证和处理；VTS是通过雷达波的形式工作，具有对大型船舶的监管能力，但对小型船舶的监测能力和监管能力有限，而且对港口、码头等现场难以涉及，并且获得的信息不是直观图像，因此VTS也存在一定的局限性；AIS系统是将GPS接收提供的精确位置数据和船舶导航数据通过VHF自动播发的新系统，但AIS目前在300总吨以下的船舶上没有强制安装，但是小型船舶是事故多发的源头，AIS仍然存在一定的盲区；CCTV只能是定点区域的监视，延伸性不够，以上这些手段一定程度上弱化了海事管理的能力。近年来，海事系统包括上海海事局通过采购海事专用直升机和租用固定翼飞机等方式进行空中巡航与其他手段结合的立体巡航监管模式的尝试。我们发现，空中巡航具有“站得高，看得远”的优势，容易把握整体态势，在船舶的动态管理、防污染监视以及控制船舶密度等方面具有其他方式不可比拟的优势，应当逐步成为海事现场监管与救助指挥的一种重要手段。直升机和固定翼飞机巡航虽然具有诸多的优点，但是在实际的应用中成本过高，空中巡航耗资巨大，且受到空中航路管制限制等因素影响。先进、长效、集约的水上安全立体监管模式尚没有建立，水上安全管理装备与实际需求和发达国家相比还有较大差距，特别是在新形势下，进一步提高我国水上安全和救助能力，促进水上安全状况的根本好转，显得非常必要，十分迫切。近年来，国内外无人机应用于军事和民用的领域越来越广阔，美日等发达国家将无人机应用于海事监管的力度也在不断加大，同时国内无人机设计、制造技术的逐步成熟，以及无人机具有成本低、机动灵活、安全风险小、效能高等优点。我局2010年第次局长办公会议，提出了无人机是我局今后一段时间空中巡航的发展方向，要求对此开展研究。1.2研究依据（1）《国家水上交通安全监管和救助系统布局规划》。（2）《中国海事工作发展纲要》：在“十一五”期间沿海重点建设海巡飞机、千吨级及60米级巡视船、综合应急保障基地，建成AIS系统，更新完善VTS系统及沿海通信系统。提高快速反应能力，形成立体海空搜寻救助体系。到2020年，建立全方位覆盖、全天候运行、具备快速反应能力的现代化水上安全管理系统。（3）《海事系统“十一五”发展规划》。（4）《上海海事局“十一五”发展规划》。（5）上海海事局空中巡航总体规划和发展思路。（6）2010年局长办公会议纪要1.3研究范围及内容本报告旨在通过对当前无人机发展及应用情况进行研究，结合海事业务特点，提出无人机应用于海事监管的可行性，并根据上海海事局辖区范围的水域特点、辖区管理现状、需求，总结了上海海事局开展海上空中巡航的实践经验，对无人机应用于海事监管和应急反应工作的必要性进行研究，并提出在上海海事局配置无人飞机用于海上立体监管的建设方案。1.4主要结论（1）98年水监体制改革后，上海海事局的水上安全监督管理得到了较大的发展和提高，建立了比较完整的水上交通安全监督管理体系。但仍存在水上监管能力，尤其是应急反应能力还比较弱，特别缺乏空中监管手段等不足，与我局率先达到中等发达国家水上安全监管水平的发展的目标不相适应。（2）无人飞机应用于海上巡逻执法、调查取证和应急反应、海上搜寻和救助，海上船舶溢油、排污监视、航标巡检等动态监管业务方面是可行的。（3）尽快在上海海事局配置无人直升机用于海事动态监管，并建立一个由VTS、巡逻船艇和航空器相结合的陆海空立体监管系统，对于提高海事系统的管理效率，全面覆盖所辖海区，增强海上快速反应，更好地维护国家的权益，是十分必要和迫切的。。（4）综合考虑海事动态监管业务需求，分析无人机的特点，提出了选用U8无人直升机的建设方案，项目总投资约为300万元。第二章无人机简要介绍2.1无人机概念和系统组成所谓无人机，它是动力驱动，能够无线电地面遥控飞行和（或）自主飞行，可重复使用，无人驾驶的航空飞行器。它与有人机的区别，首先是无人驾驶，通过遥控或者事先规划的航线来进行飞行，而有人机是驾驶员驾驶飞行；相对有人机而言，无人机的性能比较简单，不需要复杂的人员的支持系统和生命保障系统；无人机小，而且轻，重量最小的只有十几克如日本研制的“μＦＲ－II”(图2-1)。该机采用二重反转式螺旋桨，可以按照程序设计路线自主飞行，携带微型摄像机并可以将拍摄到的画像情报迅速传送回基地。该机直径136毫米、高85毫米、自重12.3克，可持续飞行3分钟。当然也有诸如美国全球鹰（图2-2）之类的战略无人机重达10几吨。图2-1日本μＦＲ－II型微型无人机图2-2美国全球鹰无人侦察机小型无人机某种程度上看似乎与航模很相像，航模也是无人驾驶，但是它们两者是截然不同的概念。首先无人机是自主驾驶，自主飞行，而航模，虽然飞机上没有人，但是遥控操纵，对于无人机来讲可以超视距、程序控制，而航模是视距范围内进行遥控。从系统上来讲，无人机系统复杂，而航模相对来讲要简单得多。另外对无人机来讲，它有高速、中速和低速飞行无人机，而航模只能是低速飞行。无人机系统是由飞行器平台、主控站（无线电遥控、遥测装置）、发射、回收系统和任务设备五大部分组成。通过主控站可以对无人机的航线进行规划，对无人机的整个飞行姿态进行遥控、遥测，随时掌握飞机在空中的姿态和飞行状况，还可以来执行相应的任务。因为无人机要回收重复使用，所以它有与之相适应的发射系统和回收系统。任务设备是无人机执行相应任务时搭载的设备，比方说海上巡逻、电网巡视、军事应用等等，那么也就要带相应的任务设备。2.2无人机的分类和用途无人机从用途上可以分为军用和民用两大类，从形式上分为固定翼和直升机两大类。军用无人机又可以分为无人侦察机、无人战斗机、靶机、微型无人机和无人直升机。除了军事上大量应用外，民用方面就更广了，森林防火，边防的缉私，航空拍照，地面的勘探、电网巡逻、管道巡逻、交通管理、城市安防等等。2.3无人机的发展历程无人机的发展历史可以追溯到２０世纪初，英国于1917年研制成功了世界上第一架无人机,由于当时技术条件限制，无人机发展并不顺利，在相当一段时间里几乎停滞不前。近３０年来，随着微电子、通信、材料及推进系统等技术的迅猛发展，无人机得到了长足的进步，加上无人机在20世纪90年代以来几场局部战争中的成功战例，世界各国开始重视无人机的研究与发展。据不完全统计，目前，世界上30余个国家和地区已研制出了50多种无人机，无人机型号超过300余种，有55个国家装备了无人机，但发展最快、水平最高的主要是美国和以色列。二次大战期间德国研究可控火箭用于军事目的时提出了无人战斗机的概念，1942年底是由冯布劳恩主持研制的V-1无人轰炸机实现首飞。二次大战之后，他到了美国，主持了美国的阿波罗空间计划，再后来进一步的发展，就形成了V-2无人机，V-2无人机的产生，在无人机技术方面是一个里程碑。同时无人机的发展使得航空器中间的另一个装备——导弹诞生。第一架无人机诞生以后，无人机的发展，大致分了三个阶段：第一个阶段就是在上世纪五、六十年代，形成了一个无人靶机的研制时期，简称靶机时代。这个时期是冷战时代，各国都研制高性能的飞机和导弹，为了对这些武器装备进行鉴定，靶机就在这个时候诞生形成和发展起来的。第一架靶机是美国的“火峰1型”靶机，它是涡轮喷气发动机推进，高亚音速，全金属机体结构。机长6.98米，翼展3.93米，起飞重量1134公斤，最大的平飞速度是1112公里/每小时。中国的第一架靶机——长空靶机，机长是8.4米，起飞重量2060公斤，最大的平飞速度是每小时920公里，高度范围是在相对地面50米到18000米。此型无人机是目前世界上生产数量最多的机型。第二个阶段是无人侦察机的诞生。越南战争期间，有人军用侦察机得到了广泛地应用，特别是像美国的U-2侦察机，SR-71等等，但是在这个期间，U-2侦察机在越南、前苏联和我国的上空接连被击落下来，损失惨重，于是美国人就提出来了，要研制无人侦察机。美国人首先把火蜂靶机改装成无人驾驶侦察机，把它称为Ryan147，它的机长是8.8米，翼展3.93米，起飞重量1430公斤，最大的平飞速度612米/秒，高度达到18000米。中国的第一架无人侦察机是长虹无人机。它的机长8.97米，翼展9.76米，起飞重量1085公斤。第三个阶段是无人机飞速发展阶段。也就是上世纪九十年代以后，在这个时期的特点是：一是现代战争中间无人机在广泛地应用。无人机从辅助、支援作战转为主战，这是一个飞跃性的变化。二是小型无人机崭露头角，尤其是在中东战争，贝卡谷地战役中间以色列利用了小型的无人飞机，来诱导(叙利亚)的防空、堤防雷达的开机。第三是无人机发展系列化，出现了三大发展热点，分别是长航时无人机、无人战斗机和微型无人机。在这个时候美国的“全球鹰”也诞生了。2.4无人机的优势无人机与有人驾驶飞机相比在满足任务需求的前提下具有以下优势：一、建造、使用成本低。因为无人机体积比较小，重量也比较轻，造价成本很低，有的是降低三分之一，有的降低好几倍；由于重量轻，油耗也低，与有人机相比，运行成本大大降低；无人机不仅比有人机简单的多，同时体积小，可以长期保存在仓库里面，使用维护费用大大减少，据估计可以减少80％；在飞行方面，无人机的训练它跟有人机不一样。有人机，飞行员必须到空中去飞，飞一次要耗掉大量费用，而无人机可以在虚拟的坐舱里面通过操控键盘进行训练，虚拟的训练系统费用大大减少；同时无人机，一个人可以同时控制几架甚