陳宇航， 朱 宇， 韓 冰， 王炳德， 劉 佳

(1.閩江學院 物理與電子信息工程學院，福州 350108；2.上海船舶運輸科學研究所有限公司，上海 200135；3.船舶運輸控制系統(tǒng)國家工程研究中心，上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著航運碳中和目標的提出,以及航運業(yè)的市場競爭日益激烈，航運企業(yè)對海上自主航行船舶(Maritime Autonomous Surface Ships，MASS)的航行、機艙、貨物運輸和溫室氣體排放等關鍵業(yè)務流程或指標的安全性和合規(guī)性的要求不斷提高，以有效降低船舶的燃料消耗及運營和維護成本。遠程遙控作為MASS的一種重要操縱模式，近年來得到了很多航運國家[1-3]的關注。2017年9月，瓦錫蘭公司在美國加州通過衛(wèi)星遠程控制位于8 000 km以外的歐洲北海海域的船舶“Highland Chieftain”輪，實現(xiàn)了遠程操作動力定位。2019年12月，韓國三星重工對位于250 km以外的一艘模型船進行遠程駕駛演示，驗證了基于海上避碰規(guī)則的航行和航線優(yōu)化技術的可行性。2022年4月，歐洲船企聯(lián)手打造的全球首艘零排放“無人”集裝箱船“Yara Birkeland”號的命名儀式在挪威舉行，該船由康士伯海事與威爾森(Wilhelmsen)聯(lián)合成立的全球首家無人船公司Massterly設置在挪威霍爾滕(Horten)的監(jiān)控和操作中心運營。

近年來，我國在遠程駕駛實踐方面也取得了一些進展[4-6]。2019年5月，智慧航海(青島)科技有限公司在青島測試了“智騰”號船舶的遠程駕駛功能。2019年10月，武漢理工大學在荷蘭瓦赫寧根成功遠程控制了8 500 km以外位于我國武漢市的7 m長的模型船。2022年4月，由交通運輸部水運科學研究院作為技術牽頭單位，智慧航海(青島)科技有限公司投資建造的我國首艘自主航行集裝箱船“智飛”號在青島港交付運營，該船具有人工駕駛、遠程遙控駕駛和無人自主航行等3種駕駛模式，能實現(xiàn)航行環(huán)境智能感知認知、自主循跡、航線自主規(guī)劃、智能避碰、自動靠離泊和遠程遙控駕駛等功能。

從以上典型案例中可看出，當前基于遠程遙控模式的MASS已投入運營測試，航運業(yè)的MASS時代即將到來，因此航運公司迫切需要面向MASS，對其管理需求進行分析，設計相應的信息管理系統(tǒng)解決方案。本文從國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)對MASS的分級定義出發(fā)，前瞻性地分析遠程遙控模式下的MASS管理主體和管理任務，梳理航運公司的信息管理需求，在此基礎上設計面向船舶遠程遙控的信息管理系統(tǒng)方案。

1 遠程遙控模式下的MASS管理主體與管理任務

根據(jù)IMO海上安全委員會(Maritime Safety Committee，MSC)對管制范圍的界定，MASS主要分為4個等級，即：海員在船且具有自動化流程和決策支持(等級1)；海員在船且能實現(xiàn)遠程遙控(等級2)；海員不在船，能實現(xiàn)遠程遙控(等級3)；完全自主(等級4)。本文重點對通過岸基船長室對船舶進行控制的遠程遙控模式進行分析，船舶駕駛任務由遠程操控人員承擔，采用該模式的船舶屬于等級3的MASS。

該遠程遙控模式下的MASS相關主體任務示意圖見圖1。MASS通過傳感器等設備或手段完成航行態(tài)勢感知和設備狀態(tài)信息監(jiān)測等，收集、融合全船的信息之后，對其進行存儲，并將其發(fā)送給遠程控制中心，結合遠程控制中心提供的政府治理和船舶所有人管理信息在船上生成輔助決策建議，同時解析執(zhí)行遠程控制中心的控制指令。

圖1 遠程遙控模式下的MASS相關主體任務示意圖

在岸端，遠程遙控模式主要涉及遠程操控人員、航運公司和航海保障組織等3個主體。為保障MASS控制的安全性和優(yōu)先性，這3個主體中僅遠程操控人員直接參與控制MASS，航海保障組織和航運公司均通過遠程操作人員所在的遠程控制中心與MASS進行數(shù)據(jù)交互，遠程控制中心在岸端存儲數(shù)據(jù)并為遠程操控人員提供岸上船長室。對比海商法中規(guī)定的傳統(tǒng)船員的主要任務為船舶管理和駕駛、命令發(fā)布、船舶和在船人員安全維護，遠程操控人員作為負責MASS運營的重要人員，只負責船舶的航行和管理，同時在貨物處理方面或許只承擔監(jiān)督責任[7-8]。但是，應注意目前遠程駕駛技術的應用尚不成熟，遠程操控人員相比船上的船長，實際應具有更高的技術水平,除了需具備必要的航海經驗和良好的判斷、溝通、決策能力以外，還需熟悉信息通信技術和遠程控制系統(tǒng)的使用，掌握遠程操控船舶的方法，從而達到在船舶航行過程中確保船舶和貨物安全的目標。

對于航海保障部門而言，面對MASS，視覺航標、紙質海圖和甚高頻(Very High Frequency，VHF)語音發(fā)布助航信息等傳統(tǒng)航海保障手段的作用將被削弱。由此，采用數(shù)字化航標、提高海上通信服務的質量和構建統(tǒng)一調配的信息共享智能航保平臺是面向MASS提供海事服務和促進航保未來發(fā)展的有效途徑[9-10]。在該途徑下，在可靠的船岸通信鏈路的基礎上，航保部門主要向遠程操控人員播發(fā)港口調度、航行警告、航區(qū)氣象水文預報和電子海圖更新信息等航海保障信息，對MASS進行港口國監(jiān)督，協(xié)調MASS參與海上應急救助。

航運公司對MASS的管理目標可概括為確保船舶和貨物安全及提升船舶的運營效率，在該目標下其船舶管理形式與傳統(tǒng)的船舶管理形式不完全一致。為提高船舶運營效率，航運公司希望通過建立統(tǒng)一的智能信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)跨業(yè)務的全數(shù)字化船舶能效管理，航次、航線和航程管理，船舶設備與貨物安全監(jiān)測和船舶塢修與備件管理等，并優(yōu)化海事和商務事務流程。為保障MASS的安全，除了建立機艙、航行和貨物安全等監(jiān)測系統(tǒng)以外，航運公司或船舶管理公司還需雇用能熟練控制MASS的人員，監(jiān)督其履職情況，為其提供相關培訓。此外，船舶所有人應配合系統(tǒng)供應商對MASS和遠程控制系統(tǒng)進行定期的檢查、維修、保養(yǎng)和升級，當系統(tǒng)存在可預見的故障時對其進行干預，當船舶發(fā)生事故時及時采取應對措施，避免事故影響擴大[11]。

2 航運公司的信息管理需求

通過調研得到遠程遙控模式下航運公司的信息管理需求分布見圖2。

圖2 遠程遙控模式下航運公司的信息管理需求分布

根據(jù)管理類別對上述信息管理需求進行梳理，結果見表1。

表1 航運公司的信息管理需求匯總

3 遠程遙控模式下的信息管理系統(tǒng)設計

航運公司的船舶信息管理系統(tǒng)除了具有上述管理類別以外，還應滿足航運公司對信息的合規(guī)性、服務的連續(xù)性、數(shù)據(jù)的完整性和安全性、管理系統(tǒng)的可擴展性和模塊化等方面的一般設計需求。據(jù)此，設計的MASS信息管理系統(tǒng)設計圖見圖3。

圖3 MASS信息管理系統(tǒng)設計圖

MASS信息管理系統(tǒng)基于混合云架構，通過衛(wèi)星、4G/5G等船岸通信手段收集MASS的數(shù)據(jù)，通過局域網(Local Area Network，LAN)、互聯(lián)網等收集航運公司、航保組織和設備供應商的數(shù)據(jù)，并按用途、安全性和成本要求將其存儲在本地服務器、私有云和公有云中。該系統(tǒng)建立有數(shù)據(jù)中臺，采用標準化、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎框架降低風險，提高網絡、存儲和計算的可用性，支持服務的連續(xù)性。業(yè)務服務層從航運公司的信息管理需求出發(fā)，在數(shù)據(jù)中臺數(shù)據(jù)業(yè)務化的基礎上，按可擴展、靈活和模塊化的原則，通過微服務引擎構建智能船舶信息應用管理、系統(tǒng)管理、船舶電子信息管理和數(shù)據(jù)安全管理等4個功能模塊，并通過開發(fā)運維一體化層支持系統(tǒng)運維和應用優(yōu)化提升。門戶為不同用戶接入終端提供安全統(tǒng)一的接入點，提供服務目錄、搜索和通知等服務索引功能，引導用戶使用系統(tǒng)。下面對該船舶信息管理系統(tǒng)的部分重要功能進行介紹。

1)船舶狀態(tài)遠程監(jiān)控。

由于在遠程遙控模式下，MASS的駕駛任務是由遠程操控人員承擔的，船舶信息管理系統(tǒng)的首要任務是為遠程操控人員提供直觀的船舶狀態(tài)信息監(jiān)控界面，協(xié)助其監(jiān)控船舶的安全狀態(tài)。系統(tǒng)從收集的MASS數(shù)據(jù)出發(fā)，融合交通組織和航運公司提供的信息，對數(shù)據(jù)進行清洗、轉換、存儲和分析，并用符合遠程操控人員操作習慣的界面展示，實現(xiàn)對船舶狀態(tài)的遠程監(jiān)控。該船舶信息管理系統(tǒng)可提供船舶航行方面的信息和船舶重要動力設備的信息，協(xié)助遠程操控人員管理目標船舶。圖4和圖5分別為航行狀態(tài)監(jiān)測CONNING界面和機艙軸系狀態(tài)監(jiān)測界面。

圖4 航行狀態(tài)監(jiān)測CONNING界面

圖5 機艙軸系狀態(tài)監(jiān)測界面

2)服務擴展。

為應對MASS運營過程中遠程遙控等技術升級換代帶來的風險，該船舶信息管理系統(tǒng)設計采用基于混合云的架構，支持以數(shù)字服務的形式進行應用擴展，從而保證實現(xiàn)基于統(tǒng)一架構的長期可持續(xù)發(fā)展，避免在船舶運營過程中因技術發(fā)展而對系統(tǒng)的可用性產生影響。同時，服務擴展利于充分發(fā)揮船舶信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，例如支持航運企業(yè)進行跨部門的數(shù)字化業(yè)務案例探索，在進行船舶能效分析的基礎上，結合船舶航行、航線信息和來自于航運公司其他部門的船舶港口業(yè)務信息等，優(yōu)化船舶管理流程，開展新的業(yè)務模式探索，進一步提升管理效能。圖6為航行能效分析界面。

圖6 航行能效分析界面

4 結 語

當前，航運公司迫切需要對正在投入運營的MASS進行信息管理，本文簡要介紹了近年來MASS的發(fā)展情況，前瞻性地分析了MASS在遠程遙控模式下運營管理的主體和面臨的管理任務，梳理了航運公司對營運船舶的信息管理需求，設計了MASS的信息管理系統(tǒng)解決方案，可供航運業(yè)相關領域的研究實踐參考，對于航運企業(yè)提升包括MASS在內的船隊的管理能力和服務水平而言具有重要的現(xiàn)實意義。