无人执法艇核心技术全解析

一、引言

在科技飞速发展的当下，无人执法艇作为水上执法领域的新兴力量，正逐渐崭露头角。其凭借独特优势，如可在复杂危险水域作业、降低人力成本、提升执法效率与覆盖面等，有效弥补了传统执法方式的不足。无人执法艇能够深入传统执法难以触及的区域，无论是狭窄的内河航道，还是恶劣海况下的近海区域，都能执行任务。在执法效率方面，它可实现 24 小时不间断巡逻，快速响应突发事件，极大提升了执法效能。无人执法艇的广泛应用，为水上执法带来了全新变革，有力推动了执法工作向智能化、高效化方向迈进。这一切成就，都离不开背后一系列先进核心技术的强力支撑。

二、动力系统技术

（一）推进方式的多样选择

螺旋桨推进：这是最为常见的推进方式，结构设计相对简单，技术成熟度高。通过发动机驱动螺旋桨高速旋转，推动水流产生反作用力，从而驱动艇体前行。在各类无人执法艇中，螺旋桨推进广泛应用，像部分内河执法艇，其作业环境水流相对平缓，对机动性要求不是特别高，螺旋桨推进就能很好地满足需求。它的优势在于成本较低，易于维护，在平静水面可稳定提供推进动力。但在复杂水域，如水流湍急、障碍物较多的区域，螺旋桨容易受到缠绕，影响推进效率，甚至造成损坏。

喷水推进：该推进方式利用艇内水泵将水高速喷出，产生强大反推力推动艇体前进。喷水推进在性能上有诸多优势，比如具备出色的加速性能，能使无人执法艇迅速达到较高航速，在需要快速响应执法任务时表现突出。同时，其转向灵活，可在狭窄水域轻松实现转向操作，这对于在港口、内河等狭窄复杂水域执行执法任务的无人艇来说至关重要。像一些用于港口巡逻的无人执法艇，频繁需要在众多船只间穿梭、灵活转向，喷水推进就充分发挥了其优势。不过，喷水推进系统结构复杂，成本较高，对维护保养的技术要求也更为严格。

电力推进：随着电池技术的不断进步，电力推进在无人执法艇领域的应用日益广泛。它以电动机作为动力源，通过电池供电驱动艇体运行。电力推进具有显著的环保特性，运行过程中几乎零排放，不会对水体造成污染，非常适合在对环境要求高的水域，如湖泊、景区水域执行执法任务。而且，其运行时噪音极低，能够悄无声息地靠近目标，有利于在执行秘密侦查等执法任务时不被察觉。但目前电力推进受限于电池续航能力，在长距离、长时间执法任务中，可能需要频繁充电或更换电池，影响执法的持续性。

（二）动力系统的关键性能指标

功率匹配：动力系统功率需与无人执法艇的设计用途、艇体大小及航行环境精准匹配。若功率过小，艇体航速低、动力不足，在应对复杂水流或需要快速追击目标时力不从心，无法有效完成执法任务。相反，功率过大则会造成能源浪费，增加运行成本，还可能对艇体结构造成不必要的压力。例如，一艘用于内河短途巡逻、执行常规执法任务的小型无人执法艇，其动力系统功率可能只需几十千瓦；而用于远海执法，需长时间航行、应对恶劣海况的大型无人执法艇，功率则可能要达到数百千瓦甚至更高。

续航能力：续航能力直接决定了无人执法艇的活动范围与持续执法时间。为提升续航，一方面可选用高能量密度电池，如近年来发展迅速的锂电池，其能量密度不断提升，能够在有限空间内储存更多电能，为无人艇提供更持久动力。另一方面，优化动力系统设计，降低能耗，通过改进推进器效率、减少艇体航行阻力等方式，使能源得到更高效利用。一些无人执法艇还配备了太阳能充电板，在航行过程中利用太阳能为电池充电，进一步延长续航时间。

可靠性与稳定性：在复杂多变的水上环境中，无人执法艇的动力系统必须具备极高的可靠性与稳定性。从硬件角度，选用质量可靠、性能稳定的发动机、推进器等关键部件，并对其进行严格质量检测与耐久性测试。在软件方面，设计完善的动力系统监测与控制系统，实时监测动力系统各项参数，如发动机温度、转速、燃油液位等，一旦出现异常，能及时报警并采取相应措施，确保动力系统持续稳定运行，保障执法任务顺利进行。

三、感知系统技术

（一）雷达技术的应用

导航雷达：导航雷达就如同无人执法艇的 “眼睛”，能在复杂气象与海况条件下发挥重要作用。通过发射电磁波并接收反射波，导航雷达可精确测量周围物体与无人艇的距离、方位和相对速度等信息。在雾天、黑夜等能见度极低的情况下，传统视觉传感器无法有效工作，导航雷达却能清晰探测到周边障碍物、其他船只等目标，为无人艇的安全航行提供可靠保障。它能绘制出周围环境的轮廓，让无人艇准确感知自身所处位置与周边态势，从而规划安全合理的航行路径，避免碰撞事故发生。

激光雷达：激光雷达利用激光束对周围环境进行扫描，具有高精度、高分辨率的显著特点。它能够快速构建出周边环境的三维点云模型，精确获取目标物体的形状、位置等详细信息。在无人执法艇靠近目标船只进行执法检查时，激光雷达可清晰识别目标船只的轮廓、结构，甚至能检测到船只表面的细微异常，如船体破损、非法加装设备等，为执法人员提供精准详细的目标信息，助力执法工作高效开展。同时，在复杂水域环境中，激光雷达能精准探测到水下礁石、浅滩等潜在危险，帮助无人艇提前规划避障路线。

（二）视觉传感器技术

光学摄像头：光学摄像头是无人执法艇获取视觉信息的基础设备。高清光学摄像头可实时拍摄艇身周围环境画面，为操作人员提供直观清晰的现场图像。在日常巡逻执法中，通过光学摄像头拍摄的画面，执法人员可及时发现水面漂浮垃圾、非法排污行为、违规航行船只等情况。而且，借助先进的图像识别算法，光学摄像头还能对拍摄到的目标进行自动识别与分类，大大提高执法效率。例如，通过图像识别技术，可快速判断船只是否悬挂有效牌照、是否存在超载迹象等。

热成像摄像头：热成像摄像头利用物体发出的红外辐射成像，不受光线条件限制，在夜间或恶劣天气下优势明显。在夜间执法时，热成像摄像头能够清晰捕捉到人体、发热机器设备等目标的热信号，即使目标试图隐藏，也难以逃过其 “法眼”。在搜寻失踪人员、排查非法捕捞作业等执法场景中，热成像摄像头发挥着重要作用，可快速定位目标，为执法行动提供关键线索。同时，在监测船只是否存在火灾隐患方面，热成像摄像头能通过检测船体表面温度异常，提前预警火灾风险。

（三）其他感知技术

超声波传感器：超声波传感器主要用于近距离探测，在无人执法艇靠泊、避障等操作中发挥重要作用。它通过发射超声波并接收反射波，测量与周围物体的距离。当无人艇靠近码头准备靠泊时，超声波传感器可实时监测与码头的距离，辅助无人艇精准控制靠泊速度与位置，避免碰撞码头设施。在复杂水域航行时，超声波传感器能及时发现近距离的小型障碍物，如漂浮的树枝、杂物等，与其他感知设备协同工作，为无人艇提供全方位的安全防护。

AIS（船舶自动识别系统）：AIS 系统通过船舶间相互交换信息，实现对船舶的实时跟踪与识别。无人执法艇搭载 AIS 设备后，可接收周围船舶发送的身份、位置、航向、航速等信息，快速了解周边船舶动态。这有助于无人执法艇在繁忙水域合理规划航行路径，避免与其他船舶发生碰撞。同时，在执法过程中，通过 AIS 系统获取的信息，执法人员可快速筛选出重点关注目标，如未按规定航线航行、未开启航行信号灯的船舶，提高执法针对性与效率。

四、控制系统技术

（一）自主航行控制技术

路径规划算法：路径规划算法是无人执法艇自主航行的核心技术之一。在执行执法任务前，无人艇需根据任务目标、起始位置、目的地以及周边环境信息，规划出一条安全、高效的航行路径。常用的路径规划算法包括 A算法、Dijkstra 算法等。A算法通过综合考虑当前位置到目标位置的距离以及已走过的路径长度，快速搜索出从起点到终点的最优路径。在实际应用中，无人执法艇会结合自身搭载的感知设备实时获取的环境信息，如障碍物位置、水流速度与方向等，对规划好的路径进行动态调整，确保在复杂多变的水上环境中始终能找到最佳航行路线。

航迹跟踪控制：航迹跟踪控制旨在确保无人执法艇精确沿着规划好的路径航行。通过控制艇体的推进器、舵机等执行机构，调整艇体的航向、速度，使无人艇尽可能接近理想航迹。为实现高精度航迹跟踪，常采用先进的控制策略，如 PID 控制、自适应控制等。PID 控制根据无人艇当前位置与目标航迹的偏差，通过比例、积分、微分运算，输出控制信号调整艇体运动状态。自适应控制则能根据航行过程中环境变化、艇体参数变化等情况，自动调整控制参数，保证航迹跟踪的稳定性与准确性。在实际航行中，即使受到水流、风浪等外界干扰，航迹跟踪控制系统也能确保无人执法艇稳定在预定航迹上，高效完成执法任务。

（二）避障控制技术

障碍物检测与识别：无人执法艇依靠多种感知设备，如雷达、视觉传感器、超声波传感器等，对周围环境中的障碍物进行全方位检测与识别。雷达可远距离探测到大型障碍物，如其他船只、岛屿等；视觉传感器通过图像识别技术，能识别出各种形状、材质的障碍物，包括漂浮物、岸边建筑物等；超声波传感器则负责近距离小型障碍物的检测。通过多传感器数据融合技术，将不同传感器获取的信息进行综合分析处理，可提高障碍物检测的准确性与可靠性，避免单一传感器因环境因素出现漏检或误检情况。

避障策略与算法：当检测到障碍物后，无人执法艇需迅速制定合理避障策略。常见避障算法有动态窗口法、人工势场法等。动态窗口法根据无人艇当前速度、加速度以及周围障碍物分布情况，在可行的速度和转向范围内搜索出一条安全避障路径。人工势场法则将无人艇视为在一个虚拟力场中运动的质点，障碍物对其产生斥力，目标点产生引力，通过合力作用引导无人艇避开障碍物驶向目标。在实际应用中，无人执法艇会根据障碍物的类型、距离、运动状态以及自身航行状态等因素，灵活选择避障算法，确保在复杂环境中安全高效避障，保障执法任务顺利进行。

（三）远程控制技术

控制模式：无人执法艇的远程控制模式主要包括遥控操作和半自主控制两种。遥控操作模式下，操作人员通过岸基控制站或手持遥控器，实时向无人艇发送控制指令，如前进、后退、转向、加速、减速等，直接操控无人艇的运动。这种模式适用于一些复杂、特殊的执法场景，需要操作人员凭借经验灵活控制无人艇。半自主控制模式则是操作人员设定任务目标和大致行动框架，无人艇在执行过程中，根据自身搭载的感知设备获取的环境信息，自主完成部分航行控制任务，如路径规划、避障等。这种模式结合了操作人员的决策与无人艇的自主能力，提高了执法效率与灵活性。

控制信号传输：稳定可靠的控制信号传输是远程控制无人执法艇的关键。通常采用无线通信技术，如 4G/5G 网络、卫星通信等。4G/5G 网络具有带宽高、传输速度快的优势，可实时传输高清视频图像、大量传感器数据以及控制指令，使操作人员能直观了解无人艇现场情况并及时准确控制。但在一些偏远水域或信号覆盖不佳区域，4G/5G 网络可能无法正常工作。此时，卫星通信发挥重要作用，其覆盖范围广，不受地理条件限制，能确保在全球任何海域都能实现控制信号传输，保障无人执法艇在复杂环境下仍可接受远程控制。为提高通信可靠性，还常采用冗余通信链路设计，即同时使用多种通信方式，当一种通信方式出现故障时，自动切换到其他通信方式，确保控制信号不间断。

五、通信系统技术

（一）通信方式的分类

无线通信：

4G/5G 通信：4G/5G 通信凭借高速率、低延迟的显著优势，在无人执法艇通信中得到广泛应用。它能够实时传输高清视频流，使执法人员在岸基控制中心就能清晰看到无人艇现场执法画面，准确掌握目标船只及周边环境情况。同时，可快速传输大量传感器数据，如雷达、视觉传感器采集的信息，为无人艇的智能决策提供数据支持。此外，4G/5G 通信还能保障控制指令的及时准确下达，确保操作人员对无人艇的远程操控响应迅速。但 4G/5G 通信受基站覆盖范围限制，在远离陆地、基站信号薄弱的远海区域，通信质量会受到严重影响，甚至无法正常通信。

卫星通信：卫星通信的最大优势在于其全球覆盖特性，无论无人执法艇处于世界任何角落，只要能 “看到” 卫星，就能实现通信。它不受地理条件、距离远近限制，可稳定传输语音、数据和图像信息。在远海执法、跨洋执法等场景中，卫星通信是保障无人执法艇与岸基控制中心通信的关键手段。不过，卫星通信成本较高，设备安装与维护复杂，且信号传输存在一定延迟，在对实时性要求极高的执法场景中，可能会对控制效果产生一定影响。

有线通信：有线通信主要应用于无人执法艇靠泊基地时的数据传输与充电场景。通过连接电缆，可实现高速、稳定的数据传输，将无人艇在执法过程中采集的大量数据快速下载到岸基服务器进行存储与分析。同时，利用电缆为无人艇充电，确保其电池电量充足，为下一次执法任务做好准备。有线通信具有传输速率高、稳定性强、抗干扰能力好等优点，但受限于电缆长度，使用场景较为受限，仅适用于无人艇在基地附近的特定操作。

（二）通信系统的可靠性保障

冗余设计：为确保通信系统在复杂环境下始终可靠运行，无人执法艇通信系统常采用冗余设计。即同时配备多种通信方式，如 4G/5G 通信与卫星通信相结合，当 4G/5G 信号不佳时，自动切换至卫星通信；或采用多条通信链路，如多个 4G/5G 模块并行工作，其中一条链路出现故障，其他链路可继续维持通信。此外，在硬件设备方面，对关键通信部件进行冗余配置，如备用通信天线、通信模块等，一旦主设备故障，备用设备能立即投入使用，保障通信不间断。

抗干扰技术：水上环境存在各种干扰源，如电磁干扰、海浪干扰等，可能影响通信质量。为应对这些干扰，无人执法艇通信系统采用多种抗干扰技术。在硬件上，选用屏蔽性能好的通信线缆与设备，减少外界电磁干扰影响；在软件上，采用先进的编码、调制和解调技术，如纠错编码、扩频通信技术等，增强信号抗干扰能力。通过这些抗干扰措施，确保通信信号在复杂环境下仍能准确、稳定传输，保障无人执法艇与岸基控制中心的有效通信。

六、结语

无人执法艇的核心技术是一个复杂且精密的体系，动力系统赋予其行动能力，感知系统使其具备敏锐的 “感官”，控制系统如同大脑指挥其行动，通信系统则搭建起与外界沟通的桥梁。随着科技的不断进步，这些核心技术将持续创新发展，推动无人执法艇在水上执法领域发挥更大作用。未来，无人执法艇有望在执法精度、效率、智能化程度等方面实现质的飞跃，为维护水上秩序、保护水域环境、打击违法犯罪等提供更强大的支持。