張寶晨， 于巧嬋，2， 徐加慶， 佟寶琳， 魏長庚

(1．交通運輸部水運科學(xué)研究所， 北京 100088； 2.天津大學(xué)， 天津 300354； 3.中國海事服務(wù)中心， 北京 100029)

智能航運作為交通強國的重要支撐，是航運業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢[1]。船舶智能航行技術(shù)是智能航運發(fā)展的先導(dǎo)技術(shù)，也是國際智能航運技術(shù)競爭的焦點。研究智能航行各種駕駛模式下的信息交互與協(xié)同，不僅有利于認(rèn)識智能航行的船船、船岸協(xié)同關(guān)系，而且對于發(fā)展智能航行技術(shù)和構(gòu)建基于船岸協(xié)同的智能航行與控制系統(tǒng)具有重要意義。

本文對智能航行駕駛模式和不同駕駛模式在其發(fā)展初級階段的綜合運用與轉(zhuǎn)換進(jìn)行深入分析和預(yù)測，進(jìn)而揭示智能航行不同駕駛模式下船船、船岸之間信息交互內(nèi)容和方式的變化與特點，為優(yōu)化船船、船岸信息交互效率，提升船舶智能航行的安全水平提供技術(shù)理論支撐。

1 船舶航行駕駛模式分析

2018年5月，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)海上安全委員會第99次會議提出了海上自主水面船舶(Maritime Autonomous Surface Ships, MASS)自主程度四個等級劃分的概念，為智能航行技術(shù)及其駕駛模式的研發(fā)和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)性國際通用依據(jù)。

根據(jù)國內(nèi)外的案例調(diào)查，無人駕駛是現(xiàn)行國際公約和國家立法所不允許的，目前安裝智能航行系統(tǒng)的船舶主要有三種形式：一是符合現(xiàn)行公約與法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)船舶(以下簡稱“常規(guī)船舶”)加載輔助駕駛系統(tǒng)，二是常規(guī)船舶加載遙控駕駛系統(tǒng)，三是常規(guī)船舶加載同時具有遙控駕駛和自主駕駛功能的智能航行系統(tǒng)。國家重點研發(fā)計劃項目“基于船岸協(xié)同的船舶智能航行與控制關(guān)鍵技術(shù)”(2018YFB1601500)的預(yù)研試驗平臺“智騰”輪和成果集成平臺“智飛”輪同時具有人工、遙控和自主三種駕駛模式，三個模式之間可以互相轉(zhuǎn)換。基于調(diào)查研究和項目開展的試驗，我們越來越深刻地認(rèn)識到：第一，輔助駕駛的船舶控制與操作始終是由船上的駕引人員完成的，本質(zhì)上依然是人工駕駛；第二，在智能航行技術(shù)高度成熟可靠之前，即使國際國內(nèi)立法允許無人駕駛，為了保證安全，智能航行船舶仍可能選擇保留人工駕駛模式，以便在需要時讓在船船員接管船舶的控制與操作;第三，是否保留船舶的多種駕駛模式，除了取決于智能航行技術(shù)的成熟度和可靠性，還會受到其他因素的影響，比如從行業(yè)治理角度出發(fā)的安全冗余考量、岸基支持完善性的考量、市場成熟度的考量、以及船東偏好等。[3]因此，從長遠(yuǎn)來看，不僅無人船和有人船將長期共存[2]，而且智能航行的各種駕駛模式也可能長期共存。

基于上述調(diào)研與分析，近些年船舶應(yīng)用智能航行技術(shù)的方式主要有三種：① 人工駕駛模式+輔助駕駛功能；② 人工駕駛模式+遙控駕駛模式，兩個模式之間可以相互轉(zhuǎn)換；③ 人工駕駛模式+遙控駕駛模式+自主駕駛模式，三個模式之間可以相互轉(zhuǎn)換。兩種或三種駕駛模式之間相互轉(zhuǎn)換，是智能航行技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用初期的必經(jīng)階段。

在駕駛模式轉(zhuǎn)換的情況下，在船船員發(fā)揮的作用決定了駕駛模式轉(zhuǎn)換后船舶所處的本質(zhì)狀態(tài)。對于遙控駕駛有兩種情形：一是對遙控操作員提供支持，如瞭望、觀察環(huán)境與交通動態(tài)等；二是在需要時接管船舶的控制與操作。第一種情形下，船舶的控制與操作仍然掌握在遙控操作員手中，本質(zhì)上仍然是遙控駕駛；第二種情形下，船舶的控制與操作掌握在在船船員手中，實際是回到了人工駕駛模式。對于自主航行模式有兩種情形：一是發(fā)揮觀察驗證作用；二是在需要時接管船舶的控制與操作。情形一依然處在自主航行狀態(tài)之下，本質(zhì)依然是自主駕駛；情形二是回到人工駕駛模式，本質(zhì)上不再是智能航行或機器駕駛[4]。

基于“智騰”和“智飛”兩艘船舶的案例，參考其他交通方式無人駕駛發(fā)展過程與趨勢[5]，綜合考慮不同駕駛模式轉(zhuǎn)換情況下在船船員應(yīng)該和可能發(fā)揮的作用，我們將人工駕駛模式和智能航行駕駛模式的8種具體情形梳理見表1。

表1 不同船舶駕駛模式下具體情形與編碼

2 船舶航行活動、行為及相關(guān)方分析

一艘船舶駛離一個港口泊位到駛?cè)胂乱粋€港口泊位的全過程即一次完整的船舶航行，包括離泊、出港、港外航行、進(jìn)港、靠泊五個環(huán)節(jié)。由于所處環(huán)境不同，船舶受外部干擾和對外部條件依賴的程度明顯不同，業(yè)界通常把港外航行、進(jìn)出港航行、靠離泊作為劃分一次完整航行不同階段的基本方法。這三個階段具體的航行活動和行為有一致的方面，但其差異是明顯的。經(jīng)過深入的調(diào)研和咨詢航行經(jīng)驗豐富的船長，我們將這三個階段的各種航行活動與行為詳細(xì)梳理為23項，并給出每項活動與行為的相關(guān)方，見表2。

表2 船舶航行活動、行為及相關(guān)方

3 智能航行的船船協(xié)同關(guān)系分析

3.1 兩船、多船協(xié)同行為

從表2可見，可構(gòu)成船船關(guān)系的活動與行為一共有19項，其中惡劣海況操船、過橋、過閘等活動其本質(zhì)都是船船間的避碰行為。因此，通過梳理，把港外航行、進(jìn)出港航行、靠離泊三個階段的船船交互(包括兩船交互和多船交互)內(nèi)容歸納為避碰、救助，特殊的是港外航行階段增加多船之間的編隊航行[7]、進(jìn)出港航行和靠離泊階段的拖船協(xié)助,見表3。

表3 兩船、多船交互內(nèi)容

3.2 船船協(xié)同關(guān)系分析

3.2.1遙控駕駛船舶與他船的協(xié)同關(guān)系

非完全遙控駕駛模式下本船與他船的關(guān)系取決于本船船員發(fā)揮的作用，在RM模式下船員接管船舶控制與操作，該船處于人工駕駛模式，與他船之間的關(guān)系和人工駕駛模式下的船船關(guān)系一樣。如果在船船員只發(fā)揮監(jiān)視、輔助瞭望等作用，即不接管船舶的控制與操作(R1)，該船總體上仍處于遙控駕駛模式之下，其與他船之間的關(guān)系與完全遙控駕駛模式下(R2)的船船關(guān)系基本一樣。

圖1 RM駕駛模式下的船船協(xié)同關(guān)系

遙控駕駛模式R1、R2下本船與他船之間的協(xié)同行為、協(xié)同時機、協(xié)同信息、協(xié)同方式如圖2所示。

圖2 R1、R2駕駛模式下的船船協(xié)同關(guān)系

3.2.2自主駕駛船舶與他船的協(xié)同關(guān)系

完全自主駕駛模式A的協(xié)同關(guān)系，其與他船間的協(xié)同行為、協(xié)同時機、協(xié)同信息、協(xié)同方式如圖3所示。

圖3 A駕駛模式下的船船協(xié)同關(guān)系

非完全自主駕駛船舶的船船關(guān)系取決于在船船員發(fā)揮的作用。當(dāng)在AM模式下船員接管船舶控制與操作后，該船進(jìn)入人工駕駛模式，與他船之間的關(guān)系和人工駕駛模式下的船船關(guān)系一樣。當(dāng)在AR模式下遙控操作員接管船舶控制與操作后，該船處于完全遙控駕駛模式，與他船之間的關(guān)系和完全遙控駕駛模式下的船船關(guān)系一樣。

4 智能航行的船岸協(xié)同關(guān)系分析

4.1 岸端信息交互對象

人工駕駛模式下，船舶在航行過程中會與岸上多個部門和機構(gòu)交互信息，交互對象包括船舶經(jīng)營或管理公司、航海保障或航行安全信息提供機構(gòu)、海事監(jiān)管機構(gòu)、港口調(diào)度中心、船舶代理或港口服務(wù)機構(gòu)等。

智能航行駕駛模式下，船舶能否直接與上述機構(gòu)交互信息取決于人工駕駛船舶的交互手段和方式是否還適用?；凇爸秋w”號的案例分析，船舶轉(zhuǎn)換為遙控駕駛模式后，無論船上是否有人，原來人工駕駛模式下的交互手段和方式都可以照常使用并滿足使用需求；轉(zhuǎn)換為自主駕駛模式后，原來人工駕駛模式下的交互手段和方式不能適應(yīng)船上沒有船員這一現(xiàn)實情況，與港口調(diào)度中心、船舶代理或港口服務(wù)機構(gòu)之間有關(guān)本船的信息交互可能要由船舶經(jīng)營或管理公司直接承擔(dān)，與航行有關(guān)的信息再由公司以結(jié)構(gòu)化的數(shù)字方式與船上交互。

4.2 自主駕駛模式下船舶與船舶經(jīng)營或管理公司的信息交互與協(xié)同

船舶與船舶經(jīng)營或管理公司的信息交互與協(xié)同涉及船舶運行的方方面面，如航行計劃、運輸任務(wù)、能源補給、故障處理等，其中也涉及與航行安全相關(guān)的非緊急信息。這些信息在有人駕駛時，可以通過電話、電報、郵件等多種便捷方式傳遞。在自主駕駛模式下，這些信息需要以結(jié)構(gòu)化的數(shù)字方式實現(xiàn)船岸交互。來自港口調(diào)度中心、船舶代理與港口服務(wù)機構(gòu)的與自主駕駛船舶相關(guān)的非緊急信息，也可以由船舶經(jīng)營或管理公司處理后以結(jié)構(gòu)化的數(shù)字方式進(jìn)行船岸交互后實現(xiàn)協(xié)同。

4.3 自主駕駛模式下船舶與海事監(jiān)管機構(gòu)、航海保障或航行安全信息提供機構(gòu)的信息交互與協(xié)同

海事監(jiān)管機構(gòu)根據(jù)監(jiān)管和治理需要，會對進(jìn)出港和通過特定水域的情況實施報告制度和交通組織管理[8]，也會對緊急情況采取其他必要的監(jiān)管措施，這些活動的信息交互即時性和行動協(xié)同性都很強，不宜通過船舶經(jīng)營或管理公司中轉(zhuǎn)信息。無論處在自主駕駛模式的船舶上是否有人，因為決策是由智能航行系統(tǒng)做出的，信息交互方式只能是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)交換。與航海保障或航行安全信息提供機構(gòu)的信息交互，包括海圖信息、三維立體空間地理信息、導(dǎo)助航信息、航行安全動態(tài)信息(如岸基感知的環(huán)境與動態(tài)信息、航路氣象水文信息等)的實時交互[9]，貫穿于整個航行過程，且交互時機因信息的作用和性質(zhì)而異。以往的聲光交互方式需要轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)化的數(shù)字交互，具體交互和協(xié)同情況如表4所示。

表4 自主駕駛船舶與海事監(jiān)管機構(gòu)、航海保障或航行安全信息提供機構(gòu)的信息交互與協(xié)同

由于很多信息是航行過程中自主決策的輸入，準(zhǔn)確性、即時性、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范數(shù)據(jù)采集都至關(guān)重要。

5 結(jié)束語

船舶智能航行有輔助駕駛、遙控、自主三種駕駛模式，其中的部分或全部與人工駕駛模式同船配置可能是智能航行技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用初期的必經(jīng)階段。船舶智能航行過程中有23項活動、行為與船船、船岸協(xié)同有關(guān)。遙控駕駛模式下船舶對外船船、船岸信息交互與有人船的對外信息交互類似。自主駕駛模式下船舶對外信息交互和協(xié)同受到交互方式的影響而發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)性數(shù)字交換成為基本的交互方式，人工駕駛模式下船舶與港口調(diào)度中心、船舶代理或港口服務(wù)機構(gòu)的信息交互轉(zhuǎn)由船舶經(jīng)營或管理公司實施。自主駕駛模式下船舶與海事監(jiān)管機構(gòu)、航海保障或航海安全信息提供機構(gòu)之間的直接信息交互必不可少，但交互方式等有明顯變化。