自主航行船舶的技術路徑

CCS科創試驗中心 孫 旭 蔡玉良

自主航行三大核心技術為態勢感知、運動控制和智能決策。

智能航運已經成為航運業發展的一個主要方向，船舶自主航行技術是實現智能航運的關鍵技術。隨著人工智能技術及高速處理器在近十年來的高速發展，自主航行技術的發展已經初具雛形，具有自主航行技術的船舶已經開始進行試驗，在未來幾年內具有商業價值的自主航行船舶將進入運營階段。

自主航行船舶發展現狀

近年來，自主航行技術處于高速發展階段，一些主要組織和廠家在自主航行船舶領域已經取得了成果：

羅羅公司的“Falco”號輪渡，船長53.8米，能夠完成離開碼頭、駛出港口、航線航行、進港、靠泊一系列動作的自主化航行，具有遠程遙控功能。

瓦錫蘭公司的“Folgefonn”號客貨船，船長85米。完成離開碼頭、駛出港口、航線航行、進港、靠泊的自主化航行，具有遠程遙控功能。

ABB公司的“Suomenlinna”號客輪渡，完成試驗區自主航行。具有遠程遙控功能。

康士伯公司的“Yara Birkeland”號貨船，船長80米，于2019年試航。可以進行離開碼頭、駛出港口、航線航行、進港、靠泊的自主化航行，具有遠程遙控功能。

日本郵船計劃于2019年以遠程遙控方式讓遠洋貨船橫越太平洋的測試。

商船三井的“ShiojiMaru”號訓練船，船長50米，完成自動靠泊和離泊安全性能的示范試驗。

我國的“明遠”號40萬噸VLOC，船長392米，完成試航，具有輔助避碰決策功能。

我國的“凱征”號30萬噸VLCC，船長300米，完成試航，具有輔助避碰決策功能。

從自主航行船舶的發展現狀來看，遠程遙控結合部分自主控制功能已經成為自主航行船舶發展的主要方向。根據應用場景及船型的不同，自主航行技術發展的技術路徑也略有不同。

圖1 羅羅公司的“Falco”號輪渡

圖2 瓦錫蘭公司的“Folgefonn”號客貨船

圖3 ABB公司的“Suomenlinna”號客輪渡

遠程遙控技術

遠程遙控船舶在MSC.99次會議上已經被IMO定義為自主航行船舶的一種形式，在完全自主航行技術成熟之前，自主航行船舶在復雜水域、交通密集、惡劣天氣、設備損壞等情況下，自主航行系統無法滿足船舶安全的操控需求，需要依靠遠程遙控功能切換到人工操控來保障船舶的運營安全。所以，遠程遙控結合部分自主控制的自主航行船舶在未來很長一段時間內將是自主航行船舶商業化運營的主要形式。在完全自主航行技術成熟之后，遠程遙控也是必要的功能，遠程遙控可以實現船隊集群管理；監控船舶狀態合理配置資源；控制船舶維護維修；收集數據優化運營效率等功能，同時結合大數據、物聯網、云共享等技術可以極大提高船舶的運營效率及降低能源消耗。

遠程遙控技術在船舶上的實現相對容易。船舶不同于汽車，在現有技術條件下還無法實現對數以億計的汽車進行遠程遙控，而船舶的數量相對較少，船岸通信在通信容量、數據處理、云存儲上具有明顯優勢。但是，遠程遙控技術在船舶上的實現也存在一些技術難點，制約遠程遙控技術在船舶上的應用，如船舶大部分的工作區域需要通過衛星進行船岸通信，衛星通信的方式具有易受到天氣狀況干擾、通信帶寬小和通信延時大的缺陷。未來衛星通信技術的研究重點應集中于衛星多頻段通信技術、數據壓縮技術、數據提取技術、網絡安全技術等，通過這些技術可以有效地解決衛星通信的技術瓶頸，促進遠程遙控技術在自主航行船舶上的發展。

船型與自主航行技術

自主航行主要是指實現船舶的自主離泊、出港、航線優化、錨泊、進港、靠泊的全部或部分過程，三大核心技術為態勢感知、運動控制和智能決策。智能決策技術是自主航行的通用技術，在不同船型的應用中使用類同的人工智能決策方式，面向的對象主要為活動目標和障礙物，并不是自主航行船舶本身，所以在不同船型上的應用基本相同。

態勢感知作為自主航行的核心技術之一，是實現船舶自主航行的基礎。自主航行船舶在駛離港口、航路避碰和靠離泊的過程中，需要環境感知傳感器對航行態勢進行識別，傳感器的安裝需要覆蓋船舶的全部盲區，保證船舶對周圍環境的有效感知，而且需要使用不同的傳感器組合來實現態勢感知，以彌補單一傳感器的技術缺陷。大型船舶由于體積巨大及盲區面積大，導致傳感器需要覆蓋的范圍更廣和安裝的數量更多，如何實現大型船舶的態勢感知需要從技術和經濟的角度來綜合考量。相對于大型船舶，小型船舶實現態勢感知相對容易，經濟成本低，可以更快的投入工程實踐和商業應用中去。

同時，大型船舶需要更多的傳感器進行環境態勢感知，就意味著需要處理和傳輸更大的數據量來重構船舶環境態勢，雖然船舶與汽車不同，不需要考慮船載數據處理器的體積和功耗，對于成本的要求也不是非常敏感，但是需要考慮海量數據處理和傳輸，在現有芯片和計算機的技術條件下，需要仔細研究船端數據處理和傳輸的技術方案，以保證數據的有效性、實時性和可靠性。

運動模型也是影響自主航行技術的主要因素，船舶運動模型與其它自主交通工具運動模型相比，最大的特點在于船舶運動具有巨大的慣性和海洋環境對船舶運動的隨機干擾。慣性疊加隨機干擾使船舶運動控制成為一個難點，船型的不同直接導致船舶運動模式和控制效果的不同，進行大型船舶的運動控制顯然更加困難。

小型船舶可以使用多向動力推進系統，如側推、全回轉舵機等，配合動力定位技術的使用，船舶運動軌跡的控制更加精確。在需要多向動力推進系統配合的條件下，計算機程序對船舶的控制能力比人類更加具有優勢，而且小型船舶的多向動力推進系統相對于大型船舶的小角度單向動力推進系統也具有更好的操控性能，使小型船舶具有更加出色的運動能力，有效的提高控制精度和機動性能，可以在交通條件復雜的水域和靠離泊階段進行有效的避碰控制，實現全水域避碰和自主靠離泊。大型船舶由于機動性能、運動模式、推進方式等特性，自主航行技術的研究應集中于寬闊水域的航路航行，在現有技術條件下還無法實現完全自主航行功能。

遠程遙控技術在自主航行船舶中的應用已經在國際組織、船級社與產品廠商之間達成了共識，是未來自主航行船舶發展的主要方向之一。如何實現穩定、可靠、安全、高效的通信技術是遠程遙控船舶研究中的核心問題。隨著衛星統通信技術的突破，遠程遙控船舶必將進入發展的快車道。

自主航行技術應用船型的選擇是由營運需求、技術實現和經濟成本所決定的。選擇在小型船舶上應用自主航行技術可以更快地實現船舶完全自主化航行，自主航行技術在商業中也可以快速得到應用。選擇在大型船舶上應用自主航行技術，實現遠洋自主航行，可以有效地降低勞動強度、改善工作環境、減少人力資源。不同的組織應該根據應用的需求來選擇自主航行技術應用的船型。