丁寶喜

雖然海上自主水面船的發(fā)展，引起了航運界的極大的關注，很多自主船項目也都在進行中，許多小型的無人艇也已經初步應用在安防、航測、環(huán)保等領域。但是，在真正的海上自主船的發(fā)展方面，仍然存在著諸多技術壁壘，阻礙著這一新興科技真正服務航運界的步伐。

人工智能技術壁壘

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學。根據中科院自動化研究所研究員王金橋的解釋，“人工智能的發(fā)展分為弱人工智能、強人工智能、超人工智能三個階段。其中，弱人工智能階段是指機器看起來智能，但并不真正擁有智能；只有在強人工智能階段，機器才能真正推理和解決問題，甚至具有自我意識；超人工智能階段的機器則在所有領域都比最聰明的人類更強”。

當今時代，世界上主流科研集中在弱人工智能上，并且一般認為這一研究領域已經取得可觀的成就，例如智能機器人、無人機、智能家居、人臉識別系統(tǒng)等。強人工智能方面，雖然Alpha Go運用最新的深度學習算法，可視為人工智能領域的重大突破，但以推理和決策能力為特征的技術仍處在瓶頸期，有待業(yè)界突破。而超人工智能則是強人工智能的下一發(fā)展階段，更是遙遙無期。

根據中國船級社發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》，自主船舶的智能具有以下特點：一是具有感知能力；二是具有記憶和思維能力，即能夠存儲感知到的外部信息及由思維產生的知識，同時能夠利用已有的知識對信息進行分析、計算、比較、判斷、聯(lián)想、決策；三是具有學習能力和自適應能力，即通過與環(huán)境的相互作用，不斷學習積累知識，使自己能夠適應環(huán)境變化 ；四是具有行為決策能力，即對外界的刺激做出反應，形成決策并傳達相應的信息。顯然，真正的海上水面自主船對人工智能技術的需求大部分屬于強人工智能的范疇。結合具體實例，現(xiàn)階段人工智能技術無法有效解決海上自主水面船發(fā)展的困境：

1、難以實現(xiàn)智能危險識別和避碰決策。人工智能難以識別無人駕駛船舶與不按避碰規(guī)則顯示號燈號型和不配備AIS船載設備（或雖然配備AIS船載設備但不開啟AIS）的船舶的真實動態(tài)和與之形成的碰撞危險。

2、人工智能難以解決遵守《避碰規(guī)則》的無人駕駛船舶與不遵守《避碰規(guī)則》的船舶之間的避碰問題，正所謂“秀才遇到兵，有理講不清”。

圖1: 2011-2016事故原因分布圖

3、人工智能難以識別《避碰規(guī)則》第二條第2款所述的多船會遇等“特殊情況”形成的碰撞危險，并按照“海員通常做法”進行智能避碰決策和采取“最有助于避碰”的行動。

4、人工智能難以“深入學習”《避碰規(guī)則》第二條第2款所述的有豐富航海經驗和避碰專家學者難以解釋清楚的“良好的船藝”。

綜上，人工智能技術的發(fā)展，是橫亙在海上自主水面船發(fā)展道路上的第一個技術壁壘。未來，海上自主水面船的能否發(fā)展成功，將很大程度上取決于強人工智能技術能否取得突破。

動力裝置穩(wěn)定性

1、海上自主水面船對動力裝置穩(wěn)定性要求高

機艙被稱為船舶的心臟，在傳統(tǒng)的船舶機艙中，燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、控制空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)和主動力裝置系統(tǒng)是必不可少的。而主推進動力裝置的穩(wěn)定運行，依賴于其他系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，對船舶安全有著至關重要的影響。除了客船和部分小型船舶外，大部分的遠洋貨船只有一套主推進裝置。由于燃油質量、部件自然磨損、機械應力、振動以及材料疲勞強度的原因，主推進裝置和輔助機械需要進行定期維修。同時，系統(tǒng)的冗余增加了主推進動力裝置及各輔助系統(tǒng)的故障率。雖然，近年來，隨著材料工藝、造船工藝、計算機技術和自動化技術的進步，船舶越來越先進，船舶機械故障率有了大幅度的下降。但是，機械故障仍是導致海上事故的重要原因之一。根據圖2．1歐洲海事局的事故調查年鑒數(shù)據，從2011～2016年期間，機器故障導致的事故，占到了25%。

如果說把強人工智能機器人當作海上自主水面船的大腦，動力裝置則可視為其心臟。海上自主水面船的發(fā)展，除了需要解決大腦問題外，還需要解決心臟問題。傳統(tǒng)的船舶上，由于有專門的輪機部技術人員，除了可以通過日常巡檢解決發(fā)現(xiàn)小的機械故障，還可以通過吊缸、封缸等措施解決重大機械故障。與之相比，在海上自主水面船時代，船上由于幾乎或者沒有配備船員，機器設備的維修保養(yǎng)將是個難題。動力裝置的穩(wěn)定性，是海上自主水面船發(fā)展路上的又一技術壁壘。

2、解決路徑

智能機艙：船舶智能機艙相關技術涉及眾多學科，如傳感器技術、人工智能技術、計算機軟件技術等。根據中國船級社發(fā)布的《船舶智能機艙檢驗指南》，智能機艙由機械設備狀態(tài)監(jiān)測與健康評估系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)和視情維護系統(tǒng)組成。未來海上自主面船，機艙智能化是個必然選擇。智能機艙，利用大數(shù)據分析技術、智能診斷技術，做到盡早發(fā)現(xiàn)、及時處理潛在故障，保證船舶在航行過程中的安全可靠以“大智”號為例，該船采用了WINGD的全球首臺W5X52型機。該型機是首臺滿足中國船級社CCS智能機艙入級符號要求的智能應用機，能根據不同氣候、不同品質燃油進行自動優(yōu)化，自動平衡各缸壓力和輸出功率，延長維修間隔。

純電池推進技術：機艙系統(tǒng)的冗余，是導致船舶機械事故的重要原因。除了加裝各種傳感器和控制系統(tǒng)外，通過改變傳統(tǒng)動力裝置的形式也是一種提高安全性的方法。

圖2 國際海事衛(wèi)星通訊示意圖

純電池推進技術，通過免除燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及相關輔助機械的配備，直接將電能轉化為機械能，使得機艙較電力推進船舶更為簡潔高效。傳統(tǒng)的鉛酸電池，能量密度低，十分笨重，對環(huán)境腐蝕性強，循環(huán)使用壽命短，自放電大，顯然不滿足未來海上自主水面船的技術要求；超級電容技術，雖然具有高電流容量、使用壽命長的特點，但低能量密度和高昂的價格，也限制了其廣泛應用；而融合鉛酸蓄電池技術和超級電容技術于一體的超級蓄電池技術，仍舊不能解決低能量密度的缺點，應用仍舊限于新能源汽車領域。針對上述情況，鋰電池技術，尤其引起業(yè)界極大關注的石墨烯電池，是未來海上自主水面船可靠電池推進裝置的希望。

據介紹，石墨烯電池，利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。石墨烯具有高電導率、超大比表面積、高化學穩(wěn)定性等優(yōu)異的物理和化學特性．不僅可以直接用作鋰離子電池負極材料，還可以與其它儲鋰材料復合，以提高電極材料的綜合性能。但是，現(xiàn)階段技術，仍未突破具有高比容量、高工作電壓、大比功率以及長循環(huán)壽命的石墨烯復合電極材料。

遠程操縱可靠性

1、遠程操縱存在延時性問題

根據Rolls-Royce 的AAWA項目展示，岸基控制中心在未來的海上自主水面船時代有著至關重要的作用。未來，海上自主水面船的控制、監(jiān)視以及遠程診斷服務，依賴于岸基控制中心與身處大洋身處的海上自主水面船的順暢通訊。

現(xiàn)階段，遠洋船舶與岸基總部的聯(lián)系，依靠的是國際海事衛(wèi)星的船舶C面站。圖2展示的是國際海事衛(wèi)星通訊環(huán)節(jié)。

船舶通過海事衛(wèi)星與岸基進行通訊的基本流程是：首先，船載衛(wèi)星終端先海事衛(wèi)星發(fā)送通訊請求。等到衛(wèi)星通訊信道后，船舶C站將通訊數(shù)據上傳至海事衛(wèi)星。隨后，海事衛(wèi)星將接收到的數(shù)據轉至陸地中繼站，中繼站通過處理后，再轉至岸基辦公室。反之，岸基通訊中心與船舶通訊亦是如此。船載設備產生的數(shù)據大小和上載速率不盡相同，以表1為例。

表1 船載設備數(shù)據大小及上載、壓縮速率

國際海事通訊衛(wèi)星的信道數(shù)量與寬度都有限制，綜合考慮數(shù)據上載、傳輸、下載、回傳、接收、信道排隊等環(huán)節(jié)，從船舶發(fā)出信號，到岸上控制中心給出指令，再到船舶接到指令采取行動，整個過程至少需要150秒時間。海上自主水面船，集成各種先進傳感器，隨之會產生海量數(shù)據。同時，由于免除了海員的配備，在惡劣海況下或者遭遇緊急情況需要做出緊急決策時，海上自主水面船與岸基控制中心的實時通訊顯得至關重要。綜上，如何破解緊通訊的延時問題，使得可靠控制海上自主水面船成為一個挑戰(zhàn)。

2、“大數(shù)據”對衛(wèi)星帶寬和可靠性是個考驗

每一代海事衛(wèi)星系統(tǒng)都有帶寬限制，以第四代海事衛(wèi)星系統(tǒng)和第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)的技術指標為例：

第四代海事衛(wèi)星，每一顆衛(wèi)星支持1個全球波束、19個寬帶波束，193個窄點波束，每一個窄點波束一般含6～8個信道，最多25個信道；每個信道頻寬200kHz、支持492kbps傳輸寬帶，信道總數(shù)630個；

第五代衛(wèi)星系統(tǒng)使用Ka頻段，寬帶5GHz，采用多點波束和頻率復用技術，上下行傳輸速率達到5Mbps和50Mbps，能適用高清視頻傳輸?shù)男枰?/p>

海上自主水面船，不同的系統(tǒng)集成了不同數(shù)量的先進傳感器，大量傳感器的使用會產生大量的數(shù)據。雖然，不重要的數(shù)據可通過滾動記憶的方式定期擦除，以解決數(shù)據冗余問題。但是，如圖3所示，跟船舶航行安全、動力裝置監(jiān)控、應急救生、自動避碰、遠程監(jiān)控、遠程控制、安全通信和遠程維修等有關的數(shù)據，需要通過海事衛(wèi)星進行通訊交互。

在海上自主水面船的初級階段，現(xiàn)階段的海事通訊衛(wèi)星系統(tǒng)或許能滿足信道和帶寬需求。但是，在未來大規(guī)模的海上自主水面船時代，海事衛(wèi)星通訊的數(shù)據堵塞的問題將不可避免。數(shù)據的堵塞，將會降低海上自主水面船的遠程操縱的可靠性。如何突破海事衛(wèi)星系統(tǒng)的帶寬限制問題，是需要解決的另外一個技術問題。

圖3 未來海上自主水面船數(shù)據產生及交互示意圖

表2 常見的海事網絡攻擊形式

表3 容易遭受網絡攻擊的船載系統(tǒng)

信息傳輸安全性

隨著船舶智能化水平的提升，船舶的控制系統(tǒng)、通訊導航系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)及設備逐漸通過網絡實現(xiàn)互通互聯(lián)，船舶與外界聯(lián)系也日益頻繁。在通過互聯(lián)網與外界交換信息和數(shù)據的過程中，黑客利用船載設備軟件薄弱性這一特點，對船舶關鍵系統(tǒng)或者航運公司進行攻擊。根據英國勞氏船級社《2017年網絡完全簡報》，網絡黑客攻擊對航運界的影響越來越大。報告列舉了以下具有代表性的事例：2010年，一海上石油平臺被工業(yè)控制惡意軟件關閉；2011年，伊朗國家航運公司(IRISL)成為網絡攻擊的受害者，造成了巨大的損失，與運費、裝載時間表和貨物細節(jié)相關的數(shù)據被毀損，導致了財務損失近年來；2012年，惡意的虛假GPS信號影響了超過100艘遠洋船舶；2014年，因GPS數(shù)據堵塞，美國一些港口不得不關閉；2017年，名為NotPetya的勒索軟件襲擊了馬士基航運，導致其多處辦事機構及部分業(yè)務板塊的計算機網絡系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在線預訂等服務中斷，部分碼頭業(yè)務一度被迫關閉，造成了2．5億～3億美元的經濟損失。

為評估航運業(yè)網絡攻擊的性質，評估哪些船舶和系統(tǒng)容易遭受攻擊，波羅的海航運公會（BIMCO）和HIS Fairplay 網站聯(lián)合發(fā)起了海事網絡安全匿名調查。調查結果顯示，航運業(yè)遭受的網絡攻擊形式主要有網絡釣魚、魚叉式網絡釣魚（針對特定人士或者機構）、惡意軟件、應用程序攻擊、暴力破解（窮舉密碼空間）、拒絕服務、協(xié)議攻擊、中間人攻擊、信息盜竊、已知漏洞和其他形式，每種攻擊形式在所占的具體比例詳見表4．2。

其中，惡意軟件、網絡釣魚（包括魚叉式）、信息盜竊和拒絕服務較為常見。至于哪些船舶系統(tǒng)容易遭受攻擊，報告指出，電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）、航行數(shù)據記錄儀(VDR) 、綜合駕駛臺系統(tǒng)(IBS) 、定位系統(tǒng)(GPS)、 駕駛臺航行值班報警系統(tǒng)(BNWAS)、全球海上與安全系統(tǒng)(GMDSS)、貨物控制系統(tǒng)機艙監(jiān)視和控制系統(tǒng)比較容易遭受網絡攻擊，詳情見表3。

根據上文的分析，未來海上自主航行船會產生大量數(shù)據，其中關鍵數(shù)據會通過海事通訊衛(wèi)星傳輸?shù)桨渡峡刂浦行?，岸上控制中心再通過海事衛(wèi)星回傳至船舶端。黑客可能選擇在通訊期通訊環(huán)節(jié)中的任何一環(huán)對船舶或者岸基控制中心進行多種形式的網絡攻擊。為確保未來海上自主水面船的安全，網絡安全問題必須得到解決。

1、傳統(tǒng)方法應對挑戰(zhàn)

為有效的解決網絡安全問題，遵循傳統(tǒng)對抗黑客的技術的思路，對船載設備、岸基控制設備進行網路安全認證，對日常運行操作進行風險評估和管理，是航運界正在開展的工作。中國船級社（CCS）、英國勞氏船級社（LR）、美國船級社（ABS）、挪威-德國勞氏船級社（DNV-GL）等各大船級社，相繼頒布了各自的網絡安全規(guī)則和信息技術安全控制規(guī)范。以中國船級社為例，其頒布的《船舶網絡系統(tǒng)要求及安全評估指南》已于2017年7月20日開始生效。該指南針對船舶網絡建設、船舶網絡系統(tǒng)產品安全評估過程的提出相關要求。此外，在2018年的3月26日，三星重工的智能船舶解決方案獲得美國船級社（ABS）網絡安全認證，成為全球首家智能船舶網絡安全技術供應商。三星重工的這一技術通過了美國船級社建議的16項測試項目的嚴格審查，包括物理安全（防盜、防火和防止其他外部威脅）、操作系統(tǒng)安全、訪問控制、安全控制和滲透測試，滿足美國船級社船舶和海洋工業(yè)網絡安全規(guī)則和ISO27000系列信息技術安全控制實踐規(guī)范要求。獲得ABS的認可意味著智能船舶運營商目前可以使用三星重工的解決方案來保護船舶數(shù)據、數(shù)據網絡和儲存，免受內部和部網絡攻擊，幫助下一代船舶全面應對。

在IMO層面，2017年7月份召開的海上安全委員會（MSC）第98次會議以技術通函的形式通過了《海事網路安全管理導則》（MSC-FAL．1/Circ．3），導則鼓勵各國政府確保不遲于2021年1月1日之后的首次年度符合證明審核時，在安全管理系統(tǒng)應反映網絡風險管理相關內容。

2、量子衛(wèi)星通訊技術

傳統(tǒng)的對抗網絡黑客攻擊的方法，是目前比較行之有效的。但會陷入一種困境，黑客技術與反黑客技術交互超越。為解決這一困境，量子衛(wèi)星通訊技術可以為海上自主水面船信息傳輸安全提供一種新方案。

在經典世界， 存儲源只能處于0 或1 狀態(tài)。而傳統(tǒng)的信息傳輸，是數(shù)據0和1編碼和解碼的過程。而黑客技術，也是根據這種原理開展。在傳統(tǒng)光通信中，一個光脈沖表達一比特信息，在這個一比特光脈沖中可能含有成千上萬個光子，把一路信號從其中分離出，而又做到不對光脈沖產生嚴重的影響，原則上是完全可行的，由此可達到竊取信號用于竊聽的目的。但在量子世界，某一個存儲源可以處于兩個狀態(tài)的相關疊加。量子的不確定性，使密鑰完全隨機產生，保證了加密內容不可破譯。在分發(fā)量子密鑰時，為了利用光子的量子性質，一個比特的信息只由“一個”光子攜帶，而由于量子具有不可分割性，因此“分割”這一個光子是不可行的，也就是說分割這一個比特的信息也是不可行的，由此也就阻止了分流信號的竊聽方法。除了光量子的不可分割性的保證，編碼方式的事先約定，及在傳輸比特串中選取子串作為密鑰都降低了被竊聽的可能性，所以量子密碼通訊的保密度要比傳統(tǒng)的優(yōu)越。所以，量子通訊技術是解決未來信息傳輸安全的一項新技術。

但是，量子通訊技術的發(fā)展，也存在一些難題。首先，在量子通信的傳輸中，因為信號無法放大，遠距離傳輸損耗過大、與環(huán)境的耦合會使糾纏品質下降，所以距離受限。目前量子通信在傳輸速率和傳輸距離方面都存在一定的局限性，現(xiàn)有的技術條件下量子通信很難超過傳統(tǒng)通信方式的通信速率和通信距離，其百公里傳輸距離、Mb級別傳輸速率的通信效能還遠不及光纖通信的效能。至2008年，歐盟正式開通了涵蓋8個用戶的量子密碼網絡體系，邁出了密鑰分配方案的重大一步。當下，國外科學家已經將光纖量子密鑰分配的通信距離擴展到了300km 以上，最高傳輸速率超過1Mb。其次，在現(xiàn)有技術條件下，理論上的理想的量子通信協(xié)議還難以實現(xiàn)，其中單光子的生成以及量子控制等核心技術仍然不完善，因此其保密性還難以達到理論效果。

綜上，量子通訊技術未來能否取得突破，對海上自主水面船的信息傳輸安全有著重要的意義。

人工智能可靠性、動力裝置穩(wěn)定性、遠程操作可靠性和信息傳輸安全性是橫亙在海上自主水面船前的四大技術壁壘。在這些技術壁壘未能安全破除前，真正意義上的海上自主水面船時代無從談起。