船舶智能航行技術發(fā)展與展望

李亞斌，王玉

（1．交通運輸部水運科學研究院，北京 100088；2．青島航運發(fā)展研究院，山東 青島 266200；3．西南林業(yè)大學，云南 昆明 650224）

近年來，智能船舶日益成為全球航運業(yè)關注的熱點，而船舶智能航行技術作為智能船舶的核心關鍵技術，是船舶智能化程度的最重要表征，也吸引航運發(fā)達國家投入大量人力、物力開展持續(xù)的研發(fā)。本文針對大型商船的智能航行技術研發(fā)、測試與應用等方面最新進展，搜集全球相關領域的發(fā)展動態(tài)，梳理、分析典型案例，總結(jié)技術發(fā)展規(guī)律，展望未來技術發(fā)展方向。

1 船舶智能航行的概念

“船舶智能航行”衍生于船舶智能化過程，目前并未形成業(yè)界統(tǒng)一的準確定義。

2012年，由Fraunhofer CML 等8 家機構(gòu)合作的（Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks）項目，首次提出了“海上無人航行”概念。

2017年MSC 98 屆會議正式使用了“海上水面自主船舶”（Maritime Autonomous Surface Ships，MASS）一詞，此后丹麥在向國際海事組織遞交的報告中將自主船舶定義為“通過自動化程序或系統(tǒng)提供決策支持，取代部分或全部船員操控及駕駛船舶工作，并能實現(xiàn)對船舶的遠程遙控”。

在2018年，國際海事組織將MASS 的自主等級分為4 級，分別為配備自動系統(tǒng)和輔助決策的船舶、有船員在船的遠程遙控船舶、無船員在船的遠程遙控船舶和完全自主船舶，并強調(diào)一個航次可由“一個或多個自主等級”完成。

2019年12月3日，中國船級社發(fā)布《智能船舶規(guī)范》（2020），提出智能航行的基本功能為航路與航速設計和優(yōu)化，以及有條件的自主航行。

2021年12月，中國航海學會發(fā)布了團體標準《船舶智能航行系統(tǒng)等級劃分與技術水平評定》，明確提出“智能航行是由航行環(huán)境態(tài)勢感知、船舶操縱算法和信息處理等技術裝備或系統(tǒng)全部或部分代替人工實現(xiàn)船舶駕駛操作的航行狀態(tài)，包括輔助駕駛、遙控駕駛和自主駕駛?cè)N主要形式”。該定義遵循國際海事組織的MASS 等級劃定原則的基礎上，對智能航行系統(tǒng)的技術水平等級進行了進一步的細分，并給出了基本的評定方法。

2 智能航行技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 歐盟國家

2017年5月起，康斯博格海事集團（Kongsberg Gruppen）和雅苒（Yara）集團聯(lián)合建造世界上第一艘全電力推進零排放、自主航行的集裝箱船“Yara Birkeland”號，2021年11月，該船建成并進入兩年的載人運行測試期，計劃之后開啟無人自主航行。該船長79.5 米，寬14.8 米，最大航速13 節(jié)，120 TEU，3200載重噸，8 個電池艙總?cè)萘窟_6.8 MWh。該輪計劃航行于挪威南部沿岸12 海里以內(nèi)水域，往返于37 海里內(nèi)的三個港口，替代40000 輛燃油卡車。該輪除智能航行功能外，還將聯(lián)合自動跨運車和自動門式起重機，實現(xiàn)貨物自動裝卸。運行初期，當?shù)卮敖煌ü芾碇行膶⒙?lián)合船東開展該船舶運行與環(huán)境監(jiān)測及緊急情況處理等。

2017年，拖輪運營商Svitzer A/S 與羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司合作，在28 米長的Svitzer Hermod”號拖船開展了遠程操控駕駛測試。船長在遠程作業(yè)中心遙控船舶進行離泊、360°旋轉(zhuǎn)、航行后靠泊等。2021年初，雙方與美國船級社合作，共同研發(fā)世界上第一艘滿足當?shù)睾Ｊ孪嚓P標準，能夠在岸遠程遙控開展商業(yè)運營的拖輪。

2018年12月，芬蘭渡輪經(jīng)營商FinFerries 與羅爾斯·羅伊斯聯(lián)合在帕爾加斯和瑙沃之間開展“FALCO”號汽車渡輪的自主航行測試。該船長53.8 米，配備兩臺全回轉(zhuǎn)推進器。測試完成了全程無人工干預的自主航行，并實現(xiàn)自動靠離泊。回程船舶由船長在庫爾圖遠控中心遙控駕駛。該船裝配高精度感知系統(tǒng)，實時感知船舶周邊環(huán)境并回傳至遠程控制中心，實時監(jiān)控船舶運行，必要時切換人工遙控駕駛。

2018年4月，瓦錫蘭科技集團在83 米渡輪“Folgefonn”上進行成功完成自動靠離泊系統(tǒng)測試，該系統(tǒng)在離泊位約2000 米處被激活，船舶隨后逐步減速，并啟動全自動船位控制和靠泊操作，直到完全?？坎次?。離泊出港時操作順序相反。自動靠離泊過程中，隨時可切換成手動干預或控制。同年11月份，該船又通過預定義航線和航路控制點，實現(xiàn)了碼頭到碼頭的自主航行測試。在挪威海事局的見證下，全程不間斷地自主航行，訪問該船服務的三個港口。

2018年12月，基于現(xiàn)有船舶操控系統(tǒng)改造，配備了艾波比集團（ABB）的動力定位、環(huán)境態(tài)勢感知和電力推進等系統(tǒng)的Suomenlinna II 號冰級客渡輪，在無人狀態(tài)下通過控制中心遠程遙控駕駛，由碼頭起航，到達指定無船舶海域并返航，完成了遙控駕駛測試。

2.2 日本

2019年7月，日本三井造船等單位，利用“Shioji Maru”號訓練船在開闊水域構(gòu)建的虛擬碼頭，完成了共54 次自動靠離泊試驗，獲取了較為豐富的測試數(shù)據(jù)。

2020年2月日本財團發(fā)起，40 余家日本企業(yè)參加的MEGURI 2040 項目啟動，旨在開展船舶智能航行技術研發(fā)與實踐，力爭到2040年50%的日本國內(nèi)航線船舶實現(xiàn)無人駕駛。2022年1～3月開展了6 型船舶的智能航行測試驗證，包括：

（1）一艘小型旅游船在橫須賀市周圍海域航行1.7km，演示從出發(fā)到?？康淖灾骱叫?，包括自主避碰和自動靠離泊。該船依靠光學攝像機、GPS 和AIS 組成的感知系統(tǒng)感知環(huán)境信息，并自動連續(xù)控制車舵實現(xiàn)自主航行。

（2）222 米長、15500 總噸的“Ro-Pax”號渡輪，從九州Shinmoji 到Iyonada 間240 公里長的航線上開展了全自主航行測試，包括了約7 個小時、最大速度為26 節(jié)的航行測試，以及包含轉(zhuǎn)向、倒車功能的自動靠離泊。

（3）“Mikage”號集裝箱船從福井縣的敦賀至鳥取縣的坂見門，完全自主航行了270 公里，靠泊時還開展了無人機輔助帶纜系泊作業(yè)測試。該船智能感知系統(tǒng)由AIS、導航雷達、可見光及紅外相機等，以便夜間使用。

（4）大型汽車渡輪“Sunflower Shiretoko”號從北海道的苫小牧到茨城縣的大來，在大約18 個小時內(nèi)自主航行了750 公里。該自主航行系統(tǒng)還支持自動靠離泊和陸基遠程遙控航行等功能。

（5）集裝箱船“朱雀”號（95 米，749 總噸）應用自主航行系統(tǒng)，在東京灣和伊瑟灣之間完成了790 公里的往返自主航行測試。該系統(tǒng)包括船端導航系統(tǒng)、岸基監(jiān)視與遙控系統(tǒng)、船岸通信系統(tǒng)等組成。船隊運行中心對其進行遠程監(jiān)控與應急操作。東京灣日均交通流量約500 艘次，驗證了繁忙水域船舶智能航行的可行性。

（6）長11.83 米的兩棲船在群馬縣吾妻湖上自主航行約2 公里。除激光雷達、可見光相機、GPS、光纖陀螺儀等感知、導航設備外，該船還配備了水下聲吶，以滿足不同水位的水下避障需求。

2.3 韓國

韓國海洋與漁業(yè)部和貿(mào)易工業(yè)與能源部2020年啟動自主水面船研發(fā)項目（Korean Autonomous Surface Ship Project,KASS），計劃用5年時間突破智能航行等船舶核心技術。

2020年10月，韓國三星重工基于38 米長拖船“SAMSUNG T-8”號，對遠程自主航行系統(tǒng)開展自主航行測試。該船裝有雷達、AIS、GPS 及360 度全景影像系統(tǒng)，并通過LTE/5G 移動通信技術，將船舶周邊影像回傳至陸上控制中心實施對船舶的監(jiān)控。該船在無船員接入下航行至約10 公里外的目的地后安全返航，途中自行躲避1 公里半徑內(nèi)的他船及障礙物。

2021年9月，該自主船舶航行系統(tǒng)首次完成自主船舶對向航行避碰測試。9200 噸級教學實習船“世界路”號和“SAMSUNG T-8”號，以14 節(jié)的航速對遇航行，在最近會遇距離1 海里避讓通過，完成避碰過程。

2.4 俄羅斯

2019年3月起，俄羅斯Sitronics KT 公司牽頭，聯(lián)合多個機構(gòu)，開發(fā)了船舶智能航行系統(tǒng)和相關支持系統(tǒng)。在大量虛擬測試的基礎上，2021年5月起智能航行系統(tǒng)安裝于“Robochaya”號挖泥船、“Pola Anfisa”號雜貨船、“Mikhail Ulyanov”號破冰油輪開展了海上自主航行試驗測試。

值得關注的是，2020年12月，俄羅斯政府批準了懸掛該國國旗的船舶，在規(guī)定的水域、為期5年多時間，允許開展智能航行試驗的法案。此外，俄羅斯司法部也在推進關于自主船舶運營的國家法案審議工作，該法案規(guī)定了自主、半自主船舶的運營規(guī)則，船員和岸基操控人員、船東的權(quán)責，還明確了“自主船舶可由專門的組織運營”。

2.5 中國

2019年，智慧航海（青島）科技有限公司、珠海云州智能科技有限公司等，分別完成了“智騰”號、“筋斗云0”號小型智能航行實驗測試船艇研發(fā)，開展了遙控駕駛、循跡航行、航線自主規(guī)劃和自主避碰等實驗驗證。

2019年，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鍵技術”啟動，該項目重點研究通航環(huán)境動態(tài)重構(gòu)、航線智能優(yōu)化、船舶遠程駕駛等關鍵技術，開發(fā)了船舶智能感知、遠程駕駛、自主航行、網(wǎng)絡安全風險實時監(jiān)測等系統(tǒng)和平臺；成果分別在長江干線、長湖申運河及青島沿海開展了測試與應用示范，“智飛”號智能航行集裝箱船就是該項目的成果應用示范船。該船總長約117 米，寬17 米，設計航速12 節(jié)，排水量8000 噸，316TEU，具有人工、遠程遙控駕駛和無人自主航行等駕駛模式，可實現(xiàn)航行環(huán)境智能感知、航線自主規(guī)劃、自主循跡航行、智能避碰、自動靠離泊和遠程遙控駕駛等，并在同船實現(xiàn)直流化和智能化。

3 總結(jié)與展望

沿海航區(qū)的小型渡船和港作拖輪等船舶，由于操縱性能良好、建改造成本較低，較為適合開展智能航行試驗測試。由于法規(guī)及船岸通信保障等因素限制，大型船舶的長航時、長航程智能航行試驗測試則相對滯后。船舶電氣化是 船舶智能航行的重要基礎，不僅可支撐船舶智能航行技術集成融合，而且可提升船舶相關功能系統(tǒng)的冗余度和可靠性。智能船舶主要感知手段有：導航雷達、激光雷達、AIS、可見光與紅外相機等設備。多種感知信息的快速、有效融合，進而獲得正確的態(tài)勢認知，對于智能航行十分關鍵，也是研發(fā)的難點；激光雷達由于探測距離相對較近等原因，目前在船舶避碰與航行中發(fā)揮的作用很有限。在中、日、韓等國的實踐應充分證明，4G/5G 移動通訊是近期船舶智能航行測試及應用的有效通訊手段。沿海5G/700M 網(wǎng)絡單站覆蓋半徑可達50 公里,在船舶智能航行中可大有作為。

短期內(nèi)商船無人化還難以實現(xiàn)，自主航行或遙控駕駛均要有人監(jiān)督，在必要時能夠人工操控。但船舶智能航行技術應用推廣，可減輕船員工作強度，降低人為因素導致的航行風險，減少在船船員數(shù)量。航行值班可由岸基遠程逐步替代，并通過“一人管多船”的模式產(chǎn)生實際效益與“應用邏輯”。