淺析海上水面自主船舶（MASS）四層級(jí)分類(lèi)下的航標(biāo)船舶智能化發(fā)展

鄭國(guó)旺?孔富鑌?顏昊?劉孜涵

摘 ?要：本文從國(guó)際海事組織對(duì)海上水面自主船舶層級(jí)劃分出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前航標(biāo)船舶航行作業(yè)、智能船舶技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題，通過(guò)論述MASS四層級(jí)劃分下航標(biāo)船舶“標(biāo)準(zhǔn)先行，改造為主，梯次推進(jìn)”的智能化發(fā)展思路，以及對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的簡(jiǎn)要分析，從服務(wù)航海保障事業(yè)的角度，客觀簡(jiǎn)要地分析了不同自主層級(jí)航標(biāo)船舶智能化發(fā)展所需經(jīng)歷的階段及相關(guān)軟件、硬件支撐。

關(guān)鍵詞：海上水面自主船舶;自主層級(jí);航標(biāo)船舶;智能化發(fā)展

1 海上水面自主船舶（MASS）綜述

1.1 MASS的概念及層級(jí)劃分

海上水面自主船舶（Maritime Autonomous Surface Ships，簡(jiǎn)稱(chēng)MASS）是指在不同程度上可以獨(dú)立于人員干預(yù)運(yùn)行的船舶。2018年5月，在倫敦舉行的國(guó)際海事組織海事安全委員會(huì)（MSC）第99次會(huì)議上，國(guó)際海事組織（IMO）提出了自主程度的初步定義，將自主船的劃分為以下四個(gè)層級(jí)[1]：

（1）船舶具有自動(dòng)化程序操作和決策支持的功能;

（2）船舶具備遠(yuǎn)程遙控的功能，同時(shí)有船員在船;

（3）船舶具備遠(yuǎn)程遙控功能，無(wú)船員在船;

（4）船舶完全自主。

為方便開(kāi)展論述，本文將上述四個(gè)層級(jí)按照順序依次分為自主I級(jí)、自主II級(jí)、自主III級(jí)、自主IV級(jí)。

1.2 自主與智能

從一般意義上講，自主與智能是兩個(gè)不同范疇的概念。自主是指能夠自己做出決策并決定行動(dòng)的船舶和/或船上具有控制功能的系統(tǒng)。自主表達(dá)的是行為方式，由自身決策完成某行為則稱(chēng)為“自主”;智能則是完成行為過(guò)程的能力，也就是運(yùn)用的方式方法以及策略是否符合自然規(guī)律或符合人（或某團(tuán)體）的行為規(guī)則，在千變?nèi)f化的環(huán)境中找到合理的“路徑”完成某項(xiàng)任務(wù)，則稱(chēng)為是智能的[2]。對(duì)于航標(biāo)船舶來(lái)說(shuō)，由于其航行與作業(yè)的特殊性，在MASS四層級(jí)分類(lèi)下探討自主與智能兩者之間的關(guān)系應(yīng)該是：智能在前，自主在后，兩者相輔相成，因此本文將從自主I-IV級(jí)分別對(duì)應(yīng)航標(biāo)船舶不同的智能化程度來(lái)展開(kāi)分析。

2 航標(biāo)船舶的發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)問(wèn)題

2.1 航標(biāo)船舶綜述

航標(biāo)船是指設(shè)有起放航標(biāo)的起重機(jī)和絞盤(pán)等設(shè)備，在航道與其附近的暗礁、淺灘、巖石處進(jìn)行航標(biāo)布設(shè)、巡檢、補(bǔ)給、修理、維護(hù)作業(yè)的船舶。我國(guó)現(xiàn)役航標(biāo)船中主要船型有大、中型航標(biāo)布設(shè)船和小型航標(biāo)巡檢船。大型航標(biāo)船主要承擔(dān)海區(qū)活節(jié)式燈樁及大中型浮標(biāo)的更換和維護(hù)任務(wù);中型航標(biāo)船主要承擔(dān)區(qū)域性中小型浮標(biāo)的布設(shè)和巡檢維護(hù)任務(wù);小型航標(biāo)巡檢船主要承擔(dān)港區(qū)及附近水域航標(biāo)的日常巡檢維護(hù)工作[3]。

2.2 航標(biāo)船舶作業(yè)模式

近年來(lái)，船舶工業(yè)的發(fā)展使得航標(biāo)船舶的機(jī)械化水平顯著提高，海上航標(biāo)的作業(yè)模式也隨之發(fā)生改變。從最初的“跳標(biāo)”檢查維護(hù)到現(xiàn)在的側(cè)向推進(jìn)裝置、動(dòng)力定位、襟翼舵、起重機(jī)、絞盤(pán)、夾持臂、棄鏈器、制鏈器、電磁吸盤(pán)、機(jī)械臂手等航標(biāo)船舶專(zhuān)用設(shè)備設(shè)施的應(yīng)用，航標(biāo)船舶的作業(yè)模式也已從“人力主導(dǎo)”的傳統(tǒng)作業(yè)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭肆χ鲗?dǎo)-船舶簡(jiǎn)單協(xié)作”的半機(jī)械化作業(yè)模式，極大地保障了人員的作業(yè)安全，減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3 存在的問(wèn)題

航標(biāo)船舶作業(yè)模式的轉(zhuǎn)變雖然有效提升了作業(yè)效率，但從船舶航行角度以及目前“人力主導(dǎo)-船舶簡(jiǎn)單協(xié)作”的半機(jī)械化作業(yè)模式角度出發(fā)，問(wèn)題依然存在。一是船型老舊。我國(guó)現(xiàn)役航標(biāo)船船型大多為傳統(tǒng)船型，船舶抗風(fēng)浪能力、耐波性較弱，惡劣的海況下作業(yè)安全無(wú)法保證。二是船舶操縱性能差。航標(biāo)船舶大多航行在交通流量大、海況復(fù)雜的水域，且大部分航標(biāo)船舶推進(jìn)方式為主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，船的低速性和操縱性能差、不能滿(mǎn)足航標(biāo)作業(yè)的特殊需要。三是作業(yè)機(jī)械化程度差。姑且不談航標(biāo)專(zhuān)業(yè)設(shè)備的普及應(yīng)用情況，在航標(biāo)作業(yè)中，除用吊機(jī)的起重能力和絞盤(pán)拉力外，大量的海上航標(biāo)作業(yè)的輔助工作如排鏈、棄鏈、掛標(biāo)、檢視、擺向控制、浮標(biāo)燈器拆卸更換等輔助工作依然需要人力操作協(xié)同完成，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，還存在較大安全隱患。

3 當(dāng)前智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新理念、新技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為船舶自主、智能技術(shù)發(fā)展注入了更強(qiáng)大的動(dòng)力，智能船舶逐步成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[4]。

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)船級(jí)社（ABS）在2014年3月批準(zhǔn)了一艘2 200 m3的無(wú)人駕駛液化天然氣駁船的建造，用于美國(guó)沿海水域船對(duì)船的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)或LNG散裝運(yùn)輸。2016年7月，英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR）發(fā)布了智能船舶入級(jí)指導(dǎo)文件，基本囊括了自動(dòng)化船舶入級(jí)的各個(gè)方面。挪威船級(jí)社（DNV-GL）也正在對(duì)采用電力推進(jìn)的無(wú)人駕駛船沿挪威海岸線(xiàn)進(jìn)行貨物運(yùn)輸?shù)目尚行赃M(jìn)行研究。

歐盟于 2012 年由 Fraunhofer海運(yùn)物流和服務(wù)中心領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)展MUNIN（Maritime unmanned navigation through intelligence in network）項(xiàng)目，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和法律三個(gè)方面，對(duì)海上大型無(wú)人駕駛商用散貨船的運(yùn)行可行性進(jìn)行了評(píng)估。羅爾斯羅伊斯公司（Rolls-Royce Marine）在2016 年公布了其高級(jí)無(wú)人駕駛船舶應(yīng)用開(kāi)發(fā)計(jì)劃（AAWA），公開(kāi)了用在無(wú)人駕駛船隊(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控上的岸基操作控制中心的構(gòu)想，并與瑞典渡船公司 Stena Line AB 合作研發(fā)了船舶智能感知系統(tǒng)。日本于2014年1月至2017年3月啟動(dòng)“智能船舶應(yīng)用平臺(tái)項(xiàng)目”（SSAP），由日本船舶機(jī)械與設(shè)備協(xié)會(huì)（JSMEA）牽頭，聯(lián)合多家造船、配套、航運(yùn)和檢驗(yàn)單位共同參與，旨在建立船舶及岸上獲取船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法，不斷提高船舶的安全性與環(huán)保性[5]。

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2015年5月，我國(guó)提出《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略計(jì)劃，為智能船舶的發(fā)展指明了方向;中國(guó)船級(jí)社（CCS）在2016年3月生效《智能船舶規(guī)范（2015）》，在2018年10月發(fā)布《自主貨物運(yùn)輸船舶指南》;2018年12月，工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部、國(guó)防科工局聯(lián)合發(fā)布《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019—2021年）》，明確了船舶智能化發(fā)展的總體思路和重點(diǎn)任務(wù)。

2017年12月5日，我國(guó)自主研制的全球第一艘通過(guò)英國(guó)勞氏船級(jí)社和中國(guó)船級(jí)社認(rèn)證的智能船舶“大智”號(hào)在上海正式交付使用。2018年11月，由中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司所屬上海外高橋造船有限公司為招商局能源運(yùn)輸股份有限公司量身訂造的全球首艘40萬(wàn)噸智能超大型礦砂船（VLOC）“明遠(yuǎn)”號(hào)在上海命名交付。2019年2月，在巴塞羅那舉行的世界移動(dòng)通信大會(huì)上，珠海云洲智能攜手愛(ài)立信、中國(guó)移動(dòng)公司打造的5G無(wú)人船亮相，實(shí)現(xiàn)了高清視頻實(shí)時(shí)回傳、VR后端演示、無(wú)人船舶遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程控制污水精準(zhǔn)取樣等功能，引發(fā)外界關(guān)注。

以目前的智能船舶發(fā)展形勢(shì)，不難預(yù)見(jiàn)，未來(lái) 30 年內(nèi)自主船、智能船將徹底改變船舶設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)的格局。航標(biāo)船舶也應(yīng)順應(yīng)時(shí)代大潮，在現(xiàn)有的船舶智能技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照IMO對(duì)MASS的層級(jí)劃分逐步完成智能及自主發(fā)展。

4 MASS四層級(jí)分類(lèi)下的航標(biāo)船舶智能化發(fā)展思路

從IMO對(duì)MASS的層級(jí)劃分不難看出自主船的發(fā)展是逐步和階段性的。航標(biāo)船舶的自主化進(jìn)程也應(yīng)是分層次、逐步、階段性地開(kāi)展。相比于遠(yuǎn)洋船舶，航標(biāo)船舶大多航行于近海港區(qū)，種類(lèi)多，作業(yè)環(huán)境交通流量大、作業(yè)內(nèi)容復(fù)雜。

基于上述航標(biāo)船舶的作業(yè)特殊性，其自主化程度發(fā)展應(yīng)以航標(biāo)船舶設(shè)備的機(jī)械化、智能化水平為出發(fā)點(diǎn)，兼顧海上航標(biāo)作業(yè)模式的自主化展開(kāi)，按照“標(biāo)準(zhǔn)先行、改造為主、梯次推進(jìn)”的方式，即以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以改造為主要手段，根據(jù)各類(lèi)航標(biāo)船舶的航行作業(yè)特點(diǎn)統(tǒng)籌兼顧有針對(duì)性地制定發(fā)展策略，推動(dòng)航標(biāo)船舶智能化發(fā)展。

4.1 量體裁衣，標(biāo)準(zhǔn)先行

適合航標(biāo)船舶自主化發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范性文件是自主航標(biāo)船舶建造并投入使用的基礎(chǔ)。我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展尚在起步階段，圍繞智能船舶所涉及的信息感知、通信導(dǎo)航、能效控制、自主航行等關(guān)鍵技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有可供參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要是中國(guó)船級(jí)社（CCS）在2016年3月正式生效的《智能船舶規(guī)范（2015）》[6]和2018年10月發(fā)布的《自主貨物運(yùn)輸船舶指南》，而《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019—2021年）》[7]明確將按照“分類(lèi)實(shí)施，梯次推進(jìn)”的基本原則，積極推進(jìn)智能船舶規(guī)范、基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)、船載系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、岸基系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)和信息安全標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)等智能船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，因此不難預(yù)見(jiàn)，針對(duì)自主航標(biāo)船舶的相關(guān)指南或其他具有普適性的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)很快出現(xiàn)。

需要注意的是，針對(duì)自主航標(biāo)船舶的標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)只局限于自主航標(biāo)船的建造。基于自主航標(biāo)船服務(wù)航海保障工作的事實(shí)，自主航標(biāo)船舶的發(fā)展應(yīng)按照自主化層級(jí)的不同細(xì)化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧航海保障的一系列行業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，“量體裁衣”才能更符合航海保障工作發(fā)展需要。層級(jí)與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

4.2 由簡(jiǎn)至繁，改造為主

船舶設(shè)備智能化程度的提高是航標(biāo)船舶自主層級(jí)提高的前提。對(duì)于航標(biāo)船舶來(lái)說(shuō)，設(shè)備智能化程度的提高同樣意味著航標(biāo)作業(yè)模式的改變。相比于直接建造一艘自主II級(jí)或以上的航標(biāo)船舶，技術(shù)改造成本低，對(duì)現(xiàn)有航標(biāo)船舶設(shè)備的逐步改造和智能升級(jí)與當(dāng)前相對(duì)落后的半機(jī)械化作業(yè)模式更匹配，經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性更好。因此，通過(guò)船舶技術(shù)改造以提高航標(biāo)船舶設(shè)備的智能化水平在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍是航標(biāo)船舶自主化發(fā)展的主要方式。層級(jí)與對(duì)應(yīng)層級(jí)設(shè)備改造水平如表2所示：

4.3 由小至大，梯次推進(jìn)

我國(guó)現(xiàn)役航標(biāo)船舶因承擔(dān)作業(yè)性質(zhì)的不同分為大、中、小三種航標(biāo)船舶。大型航標(biāo)船（2 000噸級(jí)）、中型航標(biāo)船（800～1 200噸級(jí)）主要承擔(dān)浮標(biāo)的更換和維護(hù)任務(wù);小型航標(biāo)巡檢船（拖輪、航標(biāo)夾持船、17 m級(jí)鋼質(zhì)艇）主要承擔(dān)航標(biāo)拖帶、日常巡檢維護(hù)工作?；诤綐?biāo)船舶作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、大中型航標(biāo)船作業(yè)過(guò)程中對(duì)船舶航行作業(yè)穩(wěn)性、作業(yè)精確程度的高要求、小型航標(biāo)船對(duì)作業(yè)效率及故障解決的高要求，結(jié)合智能船舶技術(shù)發(fā)展尚處于起步階段的實(shí)際，建議航標(biāo)船舶自主化在相當(dāng)一段時(shí)間范圍內(nèi)按照功能對(duì)應(yīng)層級(jí)的模式發(fā)展。層級(jí)相對(duì)應(yīng)的航標(biāo)船舶類(lèi)型如表3所示：

5 自主航標(biāo)船舶智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

按照自主I-IV層級(jí)分類(lèi)，自主航標(biāo)船舶可通過(guò)對(duì)航標(biāo)船舶的動(dòng)力機(jī)電、通信與導(dǎo)航、靠離泊、航標(biāo)作業(yè)操作、艙室設(shè)備等現(xiàn)有設(shè)備系統(tǒng)的智能化改造逐步升級(jí)船舶的智能程度。航標(biāo)船舶的自主化升級(jí)應(yīng)重點(diǎn)圍繞船舶感知、航行控制、作業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、船舶安保等智能模塊系統(tǒng)的構(gòu)建及整合進(jìn)行開(kāi)展（如圖1所示）。

5.1船舶感知

通過(guò)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器信息融合技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、船載攝像機(jī)穩(wěn)像技術(shù)、海面紅外與可見(jiàn)光圖像融合技術(shù)、海面弱小目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)、海面目標(biāo)模式識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)航行環(huán)境、船舶狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、尤其是航標(biāo)狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、交互、融合、分析，輔助船舶操縱、航標(biāo)作業(yè)控制決策。

5.2 航行控制

通過(guò)應(yīng)用船舶自主氣象導(dǎo)航技術(shù)、船舶避碰、避礁和防擱淺一體化技術(shù)以及航海信息的智能處理技術(shù)、基于態(tài)勢(shì)感知的智能航行技術(shù)、船岸協(xié)同下的遠(yuǎn)程遙控駕駛技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)為航標(biāo)船舶在近海港區(qū)等交通流量大、情況復(fù)雜的水域進(jìn)行航行、航標(biāo)作業(yè)提供科學(xué)、自主、安全、高效的決策[8]。

5.3 作業(yè)控制

通過(guò)應(yīng)用船舶動(dòng)態(tài)定位、動(dòng)載平衡技術(shù)、自動(dòng)排鏈、脫鉤技術(shù)、浮標(biāo)追蹤夾持技術(shù)、燈器自動(dòng)檢修技術(shù)、材料檢測(cè)等關(guān)鍵航標(biāo)作業(yè)技術(shù)對(duì)航標(biāo)作業(yè)進(jìn)行智能化控制。

5.4 網(wǎng)絡(luò)通信

通過(guò)應(yīng)用船域網(wǎng)、船岸交互、船舶海上自組網(wǎng)、5G移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊技術(shù)、智能路由選擇技術(shù)、數(shù)據(jù)智能壓縮技術(shù)、船岸一體化信息集成與融合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主航標(biāo)船舶低延時(shí)、低成本、小功耗、數(shù)據(jù)輕量化傳輸?shù)拇?岸、船-船、船-標(biāo)通信系統(tǒng)的建立。

5.5 船舶安保

對(duì)于航標(biāo)船舶來(lái)說(shuō)，船舶的安保主要集中在航行作業(yè)安全、消防、網(wǎng)絡(luò)與通訊安全等方面，可通過(guò)應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)、故障診斷技術(shù)、船 岸-港、船-船、船-標(biāo)和船舶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)鏈路抗干擾、防阻斷、反竊聽(tīng)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密、防篡改、數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)、硬件加固技術(shù)等安全防護(hù)技術(shù)保障自主航標(biāo)船舶安全。

6 結(jié)束語(yǔ)

IMO對(duì)MASS的四層級(jí)分類(lèi)為航標(biāo)船舶智能化發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。按照目前的船舶智能化總體發(fā)展水平，航標(biāo)船舶的智能發(fā)展應(yīng)在現(xiàn)有MASS四層級(jí)分類(lèi)的框架下找準(zhǔn)出發(fā)點(diǎn)，以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以改造為主要手段，根據(jù)各類(lèi)航標(biāo)船舶的航行作業(yè)特點(diǎn)有針對(duì)性地制定發(fā)展策略。同時(shí)結(jié)合航標(biāo)船舶服務(wù)航海保障的實(shí)際，按層級(jí)、分類(lèi)別地構(gòu)建航標(biāo)船舶海上作業(yè)規(guī)范等理論體系，在感知、信息、控制、等關(guān)鍵智能技術(shù)的研究應(yīng)用方面形成長(zhǎng)期規(guī)劃，并對(duì)其航行及作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間真實(shí)環(huán)境下的反復(fù)測(cè)試，才能逐步提高航標(biāo)船舶的智能化水平。雖然這個(gè)階段可能需要經(jīng)歷十年或更多時(shí)間，但不可否認(rèn)的是，隨著船舶智能技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，自主航標(biāo)船舶的出現(xiàn)必將會(huì)對(duì)海上航海保障工作產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響。

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