嚴(yán)新平，王樹武，馬楓

1 武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063

2 武漢理工大學(xué) 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063

0 引 言

水路運(yùn)輸具有運(yùn)量大、成本低、污染小及單位能耗低的特點，在貨物運(yùn)輸方面具有較大優(yōu)勢[1]。水路貨運(yùn)量在全球貿(mào)易貨運(yùn)量中占據(jù)絕大部分，是綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分。

近年來，基于航運(yùn)企業(yè)對減員增效、節(jié)能減排、提高航行安全的多重需求[2]，智能貨運(yùn)船舶的發(fā)展受到極大的關(guān)注。船舶智能化的研究始于20 世紀(jì)70 年代，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)[3]（integrated navigation system, INS）和綜合船橋系統(tǒng)[4]（integrated bridge system, IBS）通過應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)了船舶自身定位、雷達(dá)目標(biāo)識別、自動舵等系統(tǒng)的集成，使得船舶能夠在開闊無障礙水域自動航行。然而，在船舶密度較大的繁忙水域、船舶駕駛難度較大的復(fù)雜航道以及船舶進(jìn)出港時，船舶自動航行尚有許多技術(shù)難點有待攻克。隨著傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能等學(xué)科的發(fā)展，新一代智能貨運(yùn)船舶有望實現(xiàn)在大多數(shù)航行環(huán)境下的智能駕駛[5-6]，并最終實現(xiàn)復(fù)雜水域、進(jìn)出港由遠(yuǎn)程駕駛操縱或船舶自主航行，最終達(dá)到減少船舶配員、節(jié)能減排、提高船舶安全性的目的。因此，發(fā)展智能貨運(yùn)船舶對推動全球航運(yùn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和實現(xiàn)智能、綠色航運(yùn)具有重要意義。

1 貨運(yùn)船舶的特點

目前已投入實用的“無人艇”，即具備一定自主航行智能的小型水面艇，在測繪、偵查、搜救、水文勘察等領(lǐng)域有較好的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)[7]，其實現(xiàn)方法與無人機(jī)、無人車類似，具備“小、快、靈”的特點。

然而，無人艇的自主航行智能無法直接向貨運(yùn)船舶移植。其主要原因在于，貨運(yùn)船舶具有噸位大、速度慢、操縱性弱、慣性大等特點，是典型的欠驅(qū)動體。因此，貨運(yùn)船舶的自主航行需要適應(yīng)巨大的慣性與規(guī)則約束，其智能航行的難度遠(yuǎn)高于小型無人艇，主要體現(xiàn)在以下2 個方面。

1） 貨運(yùn)船舶航行狀態(tài)操控復(fù)雜。

當(dāng)前，貨運(yùn)船舶普遍采用柴油機(jī)動力系統(tǒng)，這一動力系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜、傳動響應(yīng)慢；用倒車代替制動手段，無法直接剎車。航行過程中的風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素會對船舶的運(yùn)動產(chǎn)生干擾[8-9]，導(dǎo)致簡單的“避讓”、“最短”原則規(guī)劃出的航行路徑往往無法實用。因此，盡管已經(jīng)有了“自動舵”這樣的產(chǎn)品可以幫助船舶駕駛員鎖定航向，但船舶駕駛員還是需要通過多年的實踐，才能理解和掌握貨運(yùn)船舶的“操控特性”。

2） 影響貨運(yùn)船舶自主航行決策的因素多。

除避碰需求外，貨運(yùn)船舶還需關(guān)注較大范圍內(nèi)臨近船舶的動態(tài)，通過甚高頻語音等方式的溝通，了解其他船舶的航行意圖與變化，為會遇做準(zhǔn)備。此外，“路徑規(guī)劃”的選擇還要受到航行規(guī)則、操作難度、經(jīng)濟(jì)性的約束[10]。例如，貨運(yùn)船舶傾向于勻速直線行駛，大幅度轉(zhuǎn)彎和變速均會影響航行的經(jīng)濟(jì)性，顯著增加油耗。船舶的航行規(guī)則與慣例，也會偶爾自相矛盾，例如“小船讓大船”、“空載船讓重載船”這2 條慣例有時候就會產(chǎn)生沖突。因此，貨運(yùn)船舶的“路徑規(guī)劃”決策更多時候是“利害”的風(fēng)險權(quán)衡問題。船舶駕駛員需經(jīng)過多年的實踐，才能在安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性中做出正確選擇。

2 智能貨運(yùn)船舶發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

早在20 世紀(jì)60 年代，IBS 就被發(fā)明出來了，該系統(tǒng)作為船舶的重要設(shè)備之一，被沿用并不斷得到發(fā)展[11]。IBS[12]可以幫助船上及岸上人員監(jiān)控、操縱船舶，處理和分析船舶各個設(shè)備傳來的信息，對船舶具有重要意義，可以認(rèn)為IBS 就是智能航行系統(tǒng)的雛形。

2005 年，英國交通部首次提出了“電子航?！保╡-Navigation）這一名詞；2006 年5 月，在國際海事組織（IMO）海上安全委員會第81 次會議上，通過了日本等7 國提出的有關(guān)e-Navigation 的新項目。e-Navigation 的構(gòu)想是：通過整合船岸信息，提高船舶航行安全和效率[13]。從設(shè)計理念上看，船舶本身的智能化程度并沒有得到顯著提高，但其構(gòu)建的船?岸航運(yùn)系統(tǒng)可以為貨運(yùn)船舶的航行提供更多的服務(wù)支撐。

2012 年，歐洲Fraunhofer CML 公司等8 家單位合作開展了“基于網(wǎng)絡(luò)智能的無人航海”（maritime unmanned navigation through intelligence in networks, MUNIN）項目[14-15]。該項目借助雷達(dá)、船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system, AIS）感知航行環(huán)境，遵循國際海上避碰規(guī)則（convention on the international regulations for preventing collisions at sea, COLREGs）避讓過往船舶，同時通過衛(wèi)星等通信鏈路回傳船舶狀態(tài)信息至岸端控制中心。

2010～2013 年，韓國現(xiàn)代重工分別制定了“智能船1.0”和“智能船2.0”計劃[16]。其設(shè)計理念是：借助信息通信技術(shù)，實現(xiàn)船端與岸端的信息融合，以提高船舶安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性，同時衍生船舶附加服務(wù)[17]。

日本于2014 啟動了“智能船舶應(yīng)用平臺”（smart ship application platform, SSAP）項目，該項目由27 家單位共同參與，旨在建立船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法，不斷提高船舶的安全性和環(huán)保性。基于該項目，日本提出了《船載海上工況數(shù)據(jù)服務(wù)器》和《船載機(jī)械和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)》這2 項國際標(biāo)準(zhǔn)，并獲得了通過[18-19]（圖1）。

英國的羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）公司在2014 年就開始研發(fā)名為“未來操作體驗概念”(future operator experience concept)的岸基遙控系統(tǒng)。2016 年3 月，該公司又與芬蘭阿爾托大學(xué)等單位合作啟動了“高級自主海上應(yīng)用”（advanced autonomous waterborne applications, AAWA）項目，擬于2020 年前推出無人近海貨輪產(chǎn)品[20-22]。圖2所示為AAWA 項目概念圖。

圖1 日本提出的國際標(biāo)準(zhǔn)[19]Fig. 1 Two international standards proposed by Japan[19]

圖2 AAWA 項目概念圖[22]Fig. 2 The conceptual design of AAWA project[22]

2017 年3 月，羅爾斯·羅伊斯公司與瑞典Stena Line 渡船公司 簽署協(xié)議[23]，合作研發(fā)用于渡船的船舶智能感知系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)傳感器信息融合與分析，提高環(huán)境感知度，以使船舶的操作運(yùn)行更加簡便、安全、高效。

2018 年12 月3 日，羅爾斯·羅伊斯公司聯(lián)合芬蘭Finferries 公司成功完成了Falco 號汽渡船的自動航行試驗[24]。該渡船按設(shè)定的路線（圖3）從Parainen 出發(fā)，途經(jīng)WP1～WP9，航行到Nauvo，并通過遠(yuǎn)程駕駛返航。該試驗主要展示了羅爾斯·羅伊斯公司在遠(yuǎn)程駕駛、自動避碰、自動靠泊等方面的研究成果。

圖3 Falco 號汽渡船的試驗路線[25]Fig. 3 Testing scenario of the car ferry Falco[25]

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2013 年，原中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司系統(tǒng)工程研究院與美國國家科學(xué)基金會智能維護(hù)中心（intelligent maintenance systems, IMS）聯(lián)合成立了“海洋裝備信息智能管理與應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心”[26]，用以推動智能船舶相關(guān)核心技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)。2015 年9 月，該研究院與招商局能源運(yùn)輸股份有限公司簽訂了開展“船舶智能化、航運(yùn)智能化”的戰(zhàn)略合作協(xié)議，擬在新造船舶上開展智能化技術(shù)的試點應(yīng)用，探索大數(shù)據(jù)時代航運(yùn)信息化之路。2015 年12 月1 日，原中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司發(fā)布了名為i-DOLPHIN 的智能示范船，這是我國首艘進(jìn)入建造階段的智能貨運(yùn)船舶。

2015 年12 月，中國船級社頒布了《智能船舶規(guī)范》[27]，該規(guī)范對智能船舶的有關(guān)功能，即智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺進(jìn)行了概念描述，達(dá)到相應(yīng)規(guī)定的船舶可申請相應(yīng)的智能船舶附加標(biāo)志。

2017 年6 月，武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心啟動了船舶安全輔助駕駛系統(tǒng)項目。該項目針對汽渡船舶穿越航道、在不良天氣下運(yùn)行等航行特點，以及汽渡船舶對自身狀態(tài)感知、周圍航行環(huán)境感知、碰撞風(fēng)險預(yù)警等需求，研制了一套汽渡安全輔助駕駛系統(tǒng)，并于2018 年7 月在南京板橋汽渡船上安裝運(yùn)行[28]。圖4 為南京板橋汽渡船的安全輔助駕駛系統(tǒng)運(yùn)行界面。

圖4 南京板橋汽渡船的安全輔助駕駛系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig. 4 The user interface of safety driving assistant system for ferry boat in Nanjing

2018 年2 月10 日，珠海市政府、中國船級社、武漢理工大學(xué)和云洲智能科技有限公司共同啟動了珠海萬山無人船海上測試場建設(shè)項目[29]。該項目擬建設(shè)數(shù)值仿真測試場、模型船測試場和實際航運(yùn)環(huán)境測試場，實現(xiàn)無人船智能航行等多方面的測試，同時，可以對不同噸位船舶的智能等級進(jìn)行有針對性的測試。

2018 年4 月，武漢理工大學(xué)聯(lián)合船舶設(shè)計與制造、航運(yùn)、新能源等研究機(jī)構(gòu)和企事業(yè)單位，成立了“智能新能源船舶技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。該聯(lián)盟旨在推進(jìn)我國智能新能源船舶的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)聯(lián)盟成員的技術(shù)合作、項目合作和信息共享，建設(shè)成為智能新能源船舶技術(shù)的“產(chǎn)、學(xué)、研、用”合作平臺和軍民融合創(chuàng)新群體。

2018 年12 月，工信部、交通運(yùn)輸部和國防科工局聯(lián)合發(fā)布了《智能船舶發(fā)展行動計劃（2019～2021 年）》，該行動計劃對加快產(chǎn)業(yè)布局，加強(qiáng)跨界融合，增添發(fā)展新動能，促進(jìn)我國船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

2019 年5 月，交通運(yùn)輸部等七部門聯(lián)合發(fā)布了《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》，明確了未來30 年我國智能航運(yùn)發(fā)展遠(yuǎn)景、主要任務(wù)和保障措施，有利于進(jìn)一步加快高新技術(shù)與航運(yùn)要素的深度融合，培養(yǎng)和發(fā)展智能航運(yùn)新業(yè)務(wù)。

3 智能貨運(yùn)船舶技術(shù)展望

普遍認(rèn)為，智能貨運(yùn)船舶的發(fā)展必將經(jīng)歷增強(qiáng)駕駛、遠(yuǎn)程駕駛、自主駕駛等發(fā)展階段[30-31]。與此同時，需要相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)支持其發(fā)展階段的實現(xiàn)。下面，將從智能航行、智能機(jī)艙和遠(yuǎn)程駕駛等技術(shù)方面展望智能貨運(yùn)船舶的發(fā)展。

3.1 智能航行技術(shù)

1) 自主航行。

船舶自主航行技術(shù)并非一蹴而就。要實現(xiàn)自主航行，首先需要感知船舶外在環(huán)境和船舶運(yùn)動信息，建立類人理解模型，解釋航行要素，分析風(fēng)險級別；其次，需要規(guī)劃航線，制定航行策略；最后，設(shè)計航行控制器以實現(xiàn)對船舶的航行控制。因此，自主航行的功能發(fā)展應(yīng)分為6 個等級：0 級，常規(guī)駕駛，無任何智能功能；1 級，增強(qiáng)駕駛，利用傳感器融合技術(shù)，提高感知信息獲取能力及效率；2 級，輔助駕駛，能夠提供駕駛決策供參考；3 級，船端人船協(xié)同，船上人員協(xié)同自主駕駛的智能船舶；4 級，岸端人船協(xié)同，岸端人員協(xié)同自主駕駛的智能船舶；5 級：自主駕駛，由智能船舶自主駕駛。

目前，船舶處于搭載大量駕駛輔助系統(tǒng)的增強(qiáng)駕駛階段。智能船舶發(fā)展的最終目標(biāo)是自主駕駛，然而，在此之前的一段時間內(nèi)，智能船舶將處于遠(yuǎn)程駕駛階段，即船舶主要運(yùn)行于自主駕駛狀態(tài)，復(fù)雜工況下，遠(yuǎn)程駕駛中心將接管船舶。船舶自主駕駛問題復(fù)雜，涉及信息感知、態(tài)勢認(rèn)知、航行決策多個維度，需要逐一深入研究解決。

2) 靠離泊與錨泊。

靠離泊和錨泊屬于船舶航行中的典型復(fù)雜工況，長期來看，靠離泊和錨泊可以實現(xiàn)無人化。無人靠離泊可以借助碼頭真空吸力設(shè)備以及擁有動力定位的無人船實現(xiàn)，而錨泊則需要借助自動錨泊機(jī)替代人工錨泊。但在此之前，無論是靠離泊還是錨泊，都將經(jīng)歷由遠(yuǎn)程操作實現(xiàn)的階段。

3.2 智能機(jī)艙技術(shù)

1) 船舶動力。

當(dāng)前貨運(yùn)船舶大多采用柴油機(jī)作為原動力，經(jīng)過齒輪箱、軸系等裝置，帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動船舶前進(jìn)，部分船舶的柴油機(jī)還擔(dān)負(fù)全船發(fā)電的任務(wù)。然而，基于柴油機(jī)、齒輪箱、軸系的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)自動控制的難度大，監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜。

為了實現(xiàn)船舶自主駕駛甚至是無人駕駛，需要為智能船舶設(shè)計新的動力形式。電力推進(jìn)可控性好，可以實現(xiàn)無級調(diào)速，符合智能船舶的要求，預(yù)計電力推進(jìn)將會逐漸取代貨運(yùn)船舶現(xiàn)有的動力形式。然而，電力推進(jìn)仍然存在一些技術(shù)難題需要攻克，包括大功率電動機(jī)技術(shù)、大容量電池/電容技術(shù)、電力驅(qū)動下的船舶電網(wǎng)技術(shù)以及無軸輪緣驅(qū)動技術(shù)等。

2) 機(jī)艙監(jiān)控。

船舶機(jī)艙監(jiān)控的內(nèi)涵與船舶機(jī)艙設(shè)備類型密切相關(guān)，當(dāng)前船舶機(jī)艙監(jiān)控對象包括：主機(jī)、輔機(jī)、軸系以及其他機(jī)艙設(shè)備。電力推進(jìn)的機(jī)艙監(jiān)控的主要任務(wù)是監(jiān)控驅(qū)動電機(jī)、電池/電容、船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上評估、預(yù)測系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)智能運(yùn)維。

另外，機(jī)艙監(jiān)控中數(shù)據(jù)采集多采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）設(shè)備作為核心，雖然其具有穩(wěn)定可靠的性能，然而PLC技術(shù)主要被國外企業(yè)掌握。智能船舶作為全球爭相發(fā)展的前沿技術(shù)，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)意義重大。嵌入式技術(shù)具有可靠、廉價、易編程等特點，將有可能成為智能機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的另一個選擇。

3.3 遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)

1) 岸基控制中心。

岸基控制中心既是遠(yuǎn)程駕駛過程中的駕控中心，也是自主駕駛過程中的監(jiān)管中心。遠(yuǎn)程駕駛監(jiān)管的核心是環(huán)境再現(xiàn)，包括船舶自身狀態(tài)以及航行態(tài)勢可視化。環(huán)境再現(xiàn)服務(wù)于岸基駕控和監(jiān)管，可以借助虛擬現(xiàn)實（virtual reality, VR）技術(shù)實現(xiàn)。而智能貨運(yùn)船舶的信息感知與認(rèn)知技術(shù)是環(huán)境再現(xiàn)的關(guān)鍵。另外，由于遠(yuǎn)程駕駛不同于傳統(tǒng)船舶駕駛，其運(yùn)行機(jī)制、培訓(xùn)方法和職業(yè)資格認(rèn)定等均有待研究。

2) 網(wǎng)絡(luò)可靠性與安全。

智能船舶網(wǎng)絡(luò)可靠性與安全研究的目標(biāo)是通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的識別、保護(hù)、探測、響應(yīng)和恢復(fù)，使船舶的網(wǎng)絡(luò)威脅降到最低程度。智能船舶與岸基控制中心通信頻繁，并且船舶受岸基中心控制，若通信網(wǎng)絡(luò)受到黑客的攻擊挾持，其損失和后果將不堪設(shè)想。鑒于智能船舶通信的特點，其網(wǎng)絡(luò)安全主要涉及到3 個問題：信息加密與解密、網(wǎng)絡(luò)承受攻擊能力分析提升、權(quán)限管理與授權(quán)等。

4 智能貨運(yùn)船舶的發(fā)展思考

智能貨運(yùn)船舶的發(fā)展不僅涉及技術(shù)層面的問題，而且還涉及市場接受度、社會適應(yīng)性以及法律法規(guī)等問題。基于多方面的因素，對智能貨運(yùn)船舶的發(fā)展提出以下幾點思考：

1) 智能貨運(yùn)船舶的技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)該按照“先內(nèi)河運(yùn)輸，再沿海運(yùn)輸，最終遠(yuǎn)洋運(yùn)輸”的方向逐步開展。其原因在于，在現(xiàn)階段，船岸協(xié)同技術(shù)支撐下的內(nèi)河運(yùn)輸船舶智能航行更加具有可行性。另外，在內(nèi)河船舶自主航行過程中，一旦發(fā)生故障，可實施有效救助。

2) 智能貨運(yùn)船舶的技術(shù)內(nèi)涵包括感知、決策和控制。就目前而言，大力推動貨運(yùn)船舶感知增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)適用于不同航行環(huán)境條件的提升船舶通航能力和安全性的保障技術(shù)，是當(dāng)前航運(yùn)業(yè)的迫切需求。

3) 大力開展智能貨運(yùn)船舶的市場接受度、社會適應(yīng)性以及法律法規(guī)等研究，十分重要。調(diào)研航運(yùn)業(yè)當(dāng)前需求，積極推廣智能貨運(yùn)船舶的概念，并根據(jù)行業(yè)需求調(diào)整智能貨運(yùn)船舶功能模塊，才能研發(fā)出市場接受度高、社會適應(yīng)性強(qiáng)的智能貨運(yùn)船舶產(chǎn)品。

4) 選擇相對固定的航線和特定的運(yùn)輸任務(wù)進(jìn)行研究更為可行。例如研究渡輪、島嶼間點對點的運(yùn)輸，其航行環(huán)境相對固定，易于工程實現(xiàn)，同時，建立的智能貨運(yùn)船舶平臺可以積累大量有價值的數(shù)據(jù)。

5) 貨運(yùn)船舶的智能航行是涉及船舶設(shè)計、動力組成、狀態(tài)感知、信息處理、通信控制、風(fēng)險辨識、人工智能等多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，需要多學(xué)科的技術(shù)攻關(guān)，貨運(yùn)船舶的智能航行才能真正實現(xiàn)。