步曉婷，趙名揚，吳煒煌，沈榮成

（1.天津（濱海）人工智能創(chuàng)新中心，天津 300457；2.武漢理工大學(xué)余家頭校區(qū)，湖北 武漢 430063）

航運是利用船舶作為運載工具，通過海上運輸?shù)姆绞絹磉\送貨物。目前，全球貿(mào)易中80%-90%的商品比例仰賴海上運輸，海上運輸在全球貿(mào)易中發(fā)揮著無可替代的作用。進入21世紀，計算機技術(shù)、軟件工程、計算機硬件取得飛速的發(fā)展，在各領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。人工智能技術(shù)的本質(zhì)是一種基于計算機科學(xué)的機器化智能，它是一種可以讓計算機做出類似人類智能反應(yīng)的技術(shù)探索。海運領(lǐng)域伴隨著與新型人工智能技術(shù)的深度結(jié)合，全自動碼頭、船只智能配載、智能調(diào)度等技術(shù)的已經(jīng)開始實際應(yīng)用，未來可能朝著船只無人駕駛、智能解決方案設(shè)計等方向，不斷從自動化到智能化演化發(fā)展。

圖1 智能航運發(fā)展趨勢

1 船舶無人駕駛技術(shù)

無人駕駛船舶是指只需少數(shù)位于船上或者遠程控制站的船員即可實現(xiàn)自主功能的船舶，不僅能夠準確接收到來自陸地提供的信息和海上航行中的各類船只的各類信息，還能把船長的高素質(zhì)駕駛技術(shù)智能化，能夠讓整條智能船能夠在沒有船長的狀態(tài)下，實現(xiàn)安全駕駛[1]。

1.1 無人駕駛發(fā)展特點

隨著無人駕駛汽車領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，無人駕駛技術(shù)在水運領(lǐng)域也在不斷探索和嘗試。我國正在加速對散貨及集裝箱無人駕駛船舶開展研究。無人駕駛技術(shù)指的是利用智能化以及遠程控制等高科技手段，實現(xiàn)對無人船舶的駕駛與操控，是在“智能船舶技術(shù)”的基礎(chǔ)上的進一步突破。無人駕駛系統(tǒng)使用各類傳感器如雷達、激光雷達、攝像機和衛(wèi)星定位以及電腦視覺等技術(shù)來感知船舶周圍環(huán)境。智能控制系統(tǒng)能把傳感器感測的資料轉(zhuǎn)化成導(dǎo)航信息，障礙物相關(guān)標志。通過內(nèi)部算法，自動駕駛系統(tǒng)能透過感測的環(huán)境信息，更新其地圖資訊，讓交通工具連續(xù)追蹤自身位置和感知周圍環(huán)境實現(xiàn)無人駕駛。

目前，在船舶的設(shè)計與制造過程中，對船舶無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用還停留在自動導(dǎo)航和自動駕駛階段。無人駕駛應(yīng)當具備的主要功能有：具備航路路徑規(guī)劃以及航路優(yōu)化的能力，能夠根據(jù)船舶自身技術(shù)條件和性能，考慮船舶航行任務(wù)、裝載貨物、船舶航行計劃、天氣等因素對船舶的航行路線和航速進行合理的規(guī)劃，達到減少能耗的目的并且能夠在航行途中不斷優(yōu)化。具有岸基支持系統(tǒng)、自主航行系統(tǒng)、應(yīng)急處理、自動防碰系統(tǒng)和航跡監(jiān)視等系統(tǒng)。

1.2 無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)

無人駕駛船舶系統(tǒng)通過使用在自動駕駛汽車和自動駕駛儀中類似的技術(shù)來實現(xiàn)自主航行。利用雷達、聲納、激光雷達、紅外和視覺頻譜攝像機提供數(shù)據(jù)，這些相機將能夠提供導(dǎo)航使用的數(shù)據(jù)，同時使用GPS 和AIS數(shù)據(jù)作為補充。其他數(shù)據(jù)，例如氣象數(shù)據(jù)，深海導(dǎo)航以及來自陸上位置的交通系統(tǒng)將有助于船只繪制安全的路線。然后，數(shù)據(jù)將由船舶本身或陸上位置上的人工智能系統(tǒng)處理，提出最佳路線和決策模式。

綜合船橋系統(tǒng)（IBS）為將來的智能船舶提供了相關(guān)的理論和必要的技術(shù)支持。集成駕駛臺系統(tǒng)在集成更多設(shè)備的基礎(chǔ)上更加強調(diào)認知集成，集成駕駛臺系統(tǒng)中將會集成更多不同類型的傳感器，同時使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)來綜合處理來自眾多傳感器的數(shù)據(jù)。專家系統(tǒng)的引入為船舶自主航行和自動避碰提供重要支撐。各種不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法以及模糊控制理論的不斷發(fā)展和成熟，也將為其提供更多的理論工具和控制算法。集成駕駛臺系統(tǒng)充分發(fā)揮計算機的高速計算和快速推理能力，處理深層次的信息，起到態(tài)勢感知、風險評估、決策分析，智慧型導(dǎo)航，自動駕駛的作用。

2 智能航運系統(tǒng)構(gòu)成

智能航運系統(tǒng)由多個部分組成，包括智能航道、智能港口、智能船舶等[2]。

2.1 智能航道

智能航道指的是利用各類傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)在數(shù)字航道的基礎(chǔ)上，自動獲取航道系統(tǒng)相關(guān)信息，通過數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)科學(xué)規(guī)劃航道，保障船舶航行安全。

全息動態(tài)航道圖構(gòu)建，利用實景建模、混合實現(xiàn)、數(shù)字孿生、GIS 時空分析等搭建全息航行數(shù)字化技術(shù)平臺以實現(xiàn)對全息場景圖基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、智能化管理。運用面向航行場景基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的工程大數(shù)據(jù)采集、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、處理分析、存儲管理與優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析挖掘、可視化分析與決策等關(guān)鍵技術(shù)。以三維可視化圖形引擎技術(shù)為基礎(chǔ)，使用基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、模型化和可視化的通用底層處理技術(shù)，建設(shè)區(qū)域航道、船舶航行監(jiān)測和決策分析及控制計算資源池，依托分布式計算技術(shù)和安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)全息航行過程監(jiān)測及控制智能化。

利用實景建模、混合實現(xiàn)、數(shù)字孿生、GIS 時空分析等，搭建全息航行數(shù)字化技術(shù)平臺和全息場景圖。運用數(shù)字航道感知技術(shù)，基于船岸協(xié)同下無線自組網(wǎng)、4G/5G、北斗、AIS、VTS、CCTV 等技術(shù)融合，利用衛(wèi)星/5G/NAVDAT/物聯(lián)網(wǎng)的多層次、高冗余的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)長江干線航道通航環(huán)境動態(tài)信息和水上交通狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)的實時采集和低延時、高速率船岸數(shù)據(jù)交互。

2.2 智能船舶

智能船舶技術(shù)可以定義成一種可以通過有效利用傳感器和互聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)手段和設(shè)備來實現(xiàn)自動收集有關(guān)船舶自身和船舶周圍海洋環(huán)境、港口、物流等方面數(shù)據(jù)和信息。因此，基于計算機系統(tǒng)、自動控制和大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，最終實現(xiàn)全智能化的船舶航行、維護、管理、貨物運輸，保障船舶安全、經(jīng)濟、環(huán)保和提升船舶可靠性[3]。

智能船舶體現(xiàn)在其信息分析、決策能力上，即能在海量數(shù)據(jù)信息中，提取關(guān)鍵并融合數(shù)據(jù)，然后結(jié)合船舶自身條件綜合評估分析，實現(xiàn)該功能離不開高性能的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的支持下做出最合適的決策，控制船上推進、導(dǎo)航及其他系統(tǒng)，獲取數(shù)據(jù)的增多，也會進一步增強系統(tǒng)功能。智能船舶不僅需要實現(xiàn)自身智能，船岸一體也是關(guān)鍵性的一點，岸上的支援體系建設(shè)也十分重要，沒有岸基支援系統(tǒng)也就無法提供信息支持和遠程操縱。隨著信息技術(shù)、傳感技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等先進技術(shù)的深入發(fā)展與廣泛應(yīng)用，智能船舶的發(fā)展進程定將進一步加快。與此同時，各大海運強國將進一步提升對智能船舶發(fā)展的投入力度，全方位促進智能船舶技術(shù)的發(fā)展。在全球脫碳與智能工業(yè)等時代背景下，智能船舶在國際航運領(lǐng)域的重要性將獲得進一步提升。

2.3 智能港口

智能港口基本特征表現(xiàn)為港航設(shè)施和技術(shù)裝備的現(xiàn)代化、計算機技術(shù)和港航經(jīng)營的深度集成性、港航管理經(jīng)營的智能自動化技術(shù)、港航經(jīng)營管理的協(xié)同一體化、港航管理業(yè)務(wù)的靈活柔性化、港航管理決策的客觀現(xiàn)代化[4]。

智能港口通過全自動碼頭，自動運輸設(shè)備和智能控制系統(tǒng)的有機結(jié)合，實現(xiàn)無需人工介入的協(xié)同高效作業(yè)。在全智能港口中，AGV 發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，這是一種具備電磁、光學(xué)或者視覺的自動導(dǎo)引裝置，它能夠按照規(guī)劃好的引導(dǎo)路線行駛，具備安全防護和移栽功能，不但能夠自行躲避障礙物，在遭遇各種突發(fā)狀況時可以做出減速、剎車或繞行各種決策并重新規(guī)劃出最優(yōu)駕駛線路。要想實現(xiàn)全自動碼頭這樣一個龐大系統(tǒng)的高效率協(xié)同工作，自然離不開中央控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要人工智能、運籌學(xué)決策等理論支持，以解決傳統(tǒng)碼頭工作中的各類難題，提高了自動化效率。智能港口仍然在進一步的發(fā)展并積極引入前沿的高科技技術(shù)，更好地優(yōu)化自動化碼頭的作業(yè)流程，并積極探索5G 在港口陸地和海域等特殊場景的覆蓋和應(yīng)用，利用5G 技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)港口險情快速報警，通航船只航行輔助，港口貨物智能化[5]。

3 智能航運發(fā)展趨勢與展望

通過對無人駕駛技術(shù)和智能航運系統(tǒng)的分析可知，現(xiàn)階段，智能船舶技術(shù)發(fā)展迅速，在技術(shù)標準化、信息和數(shù)字化、自主航行等方面均取得了一系列重要突破，但距離真正的“無人船”時代還有一定距離。根據(jù)主流的國際標準，智能船舶的發(fā)展分為四個階段，即互聯(lián)互通、系統(tǒng)整合、遠程操控和自主航行。其中，船舶的互聯(lián)互通，各種系統(tǒng)整合相對比較成熟，只是應(yīng)用程度深淺不同，而遠程控制與自主操作對于船舶上搭載的智能控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性有較高的要求，目前還未能真正實現(xiàn)完全自主操作。

隨著行業(yè)向新能源和船舶自主操作方式的邁進，新一代船舶將實現(xiàn)電力化、數(shù)字化和聯(lián)網(wǎng)化。最終，船上任務(wù)會發(fā)生變化，但船員和船長仍不可或缺，他們將借助新技術(shù)繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。面向未來的船舶將在數(shù)字化基礎(chǔ)上構(gòu)建，有效地使行業(yè)轉(zhuǎn)向真正的協(xié)作和自動化?？傊?，未來的智能船舶系統(tǒng)將成為集導(dǎo)航（定位、避碰）、控制、監(jiān)視、通信、貨物管理于一體的船舶綜合管理系統(tǒng)，更加強調(diào)信息集成和數(shù)據(jù)融合，并逐步朝著自動駕駛、自動避碰以及自動靠泊的智慧型化和全自動化的方向發(fā)展。

當前航運業(yè)同樣也正處于由自動化、信息化向智能化時代邁進的階段。在信息化浪潮的大背景下，船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也隨著計算機技術(shù)的進步在不斷進行升級，船聯(lián)網(wǎng)和岸基支援系統(tǒng)的建設(shè)工作也在不斷完善，大數(shù)據(jù)、云計算在水運行業(yè)中的運用越來越廣泛。接下來，智能船舶控制系統(tǒng)不斷進步，海洋環(huán)境、氣象條件、水文數(shù)據(jù)等智能識別技術(shù)的完善，相關(guān)法律法規(guī)不斷健全，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、VR 等技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，無人駕駛船舶將會成為可能。當無人駕駛船舶成功地開始商業(yè)運行后，必將重新定義整個航運行業(yè)。

4 結(jié)語

在當下全球碳中和的背景下，航運系統(tǒng)智能化是優(yōu)化航運效率、提高安全以及節(jié)能減排的必然選擇。本文簡要概括了無人駕駛技術(shù)以及無人駕駛技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，分析智能航運系統(tǒng)的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，展望了新一代航運系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。在當前各行業(yè)都在往智能化發(fā)展的大浪潮下，人工智能技術(shù)也將不斷推動航運業(yè)從自動化走向信息化、智能化，航運業(yè)不久之后進入智能化新階段，航運互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的搭建會開啟智慧航運的新時代。