自主水路交通系統的研究與展望

嚴新平

2020年6月24日下午，由天津市交通運輸委員會和天津市工業和信息化局共同主辦的第四屆世界智能大會智能交通峰會在天津成功舉行，本次峰會以“未來交通，通聯世界”為主題，設置智慧港口、智慧軌道、智慧物流和新能源汽車與未來出行等四大板塊，邀請國內外交通領域內的相關專家學者、行業代表及企業精英同臺論道，為推動落實“交通強國”戰略，促進智慧城市可持續發展，人民享有美好交通服務建言獻策。

筆者應邀擔任本次智能交通峰會主席，受邀線上致辭，并做了題為《自主水路交通系統的研究與展望》主旨演講，介紹了帶領團隊積極推進新型水路交通運輸組織模式的有關思考，重點論述了水路交通運輸的內涵與特征、自主水路交通系統的概念與組成、關鍵技術以及發展展望。本文為《自主水路交通系統的研究與展望》的主旨演講內容。

一、水路交通的內涵與特征

水路交通涉及航道基礎設施建設、水路運載裝備運用、交通運輸組織調度、海事運營管理以及運輸過程控制等技術領域。水路交通以港口為節點，航道為通道，通過船舶實現貨物和乘客的搭載與時空位移，是交通運輸行業的主要運輸方式之一。我國從2011年起，先后發布了多個與水路交通創新發展相關的戰略規劃和指導意見，為我國水路交通的發展提供了重要的政策保障。特別是2019年中共中央和國務院發布了《交通強國建設綱要》，為我國未來交通的發展指明了方向。交通運輸部以及中國船級社等有關的行業管理部門，先后就水運交通的綠色化和智能化發展提出了具體的要求、發布了相關的政策。

水路交通隨著經濟社會的發展而演化，就船舶而言，其驅動形式由人力、蒸汽機、到燃氣輪機，發展到現在普遍采用的柴油機，目前正朝著電力驅動、新能源以及混合動力等多種形式持續演化。就航運組織來說，以港口為例，貨物裝卸以及堆場調度從人工為主到現在的數字運營服務，裝卸過程也從人力操作、人力與機械協同，向自動化港口方向發展。就航道而言，由自然水域到渠化航道、人工建設和養護，逐步開展數字航道建設，并構建電子監管體系。

未來的水路交通將朝著以下五個方面發展：一是隨著人工智能的發展和智能船舶的運用，貨運船舶將會出現少人化趨勢，并逐步實現內河、近海和遠洋船舶的譜系化;二是多能源綜合利用、電力推進、無軸輪緣驅動等將成為未來船舶的新動力形式，同時十分注重水路交通與可再生能源的融合發展;三是將呈現航道設施、能源供給、信息網絡以及運輸組織的一體化趨勢;岸基船舶控制中心將成為港口樞紐的重要組成部分，將在以智慧港口為代表的綜合集輸運系統中廣泛應用;四是內河、近海船舶編隊航行將成為水路交通運輸的新模式;五是以數字化的航運公司和互聯網+航運為特征的新業態將會加快發展。

水路交通將由自動系統、向智能系統發展，最終將成為自主系統，是一個系統作用和能力增強、人員參與逐步減少的過程。自動系統與智能系統的核心差異在于系統是否具有形成類人決策的能力;智能系統與自主系統的核心差異在于系統是否具備自我實施決策的能力。應該說自主水路交通系統正是在這樣的背景下而提出和發展的。

二、自主水路交通系統的概念與組成

自主水路交通系統（Autonomous Waterborne Transportation System，AWTS）是近年來國內外交通領域提出的新方向。它是以智能船舶為載體、智慧港口為節點、數字航道為鏈路，以編隊運輸、多式聯運、自發組織、協同管控為特征，具備自感知、自決策、自控制、自學習等能力，形成智能決策并自主控制執行，實現水路運輸功能的分散復雜系統。自主水路交通體系框架包括了單體、群體、系統等部分，具有協同控制、決策執行、態勢認知、融合感知等自主能力。以智能服務、自主操作、集群分步優化、信息融合交互、數據驅動演化為核心要素，形成自主交互演化的代際劃分與演化機制。在未來的自主水路交通系統中，船舶將實現單船自主航行和多船協同編隊;基礎設施將實現數字航道和智慧港口;通過多式聯運和個性服務來實現其運用服務;最終形成分散復雜系統和類腦系統的有機集成，這是自主水路交通系統的特征。

目前國外也正在積極探索貨運船舶的自主化技術，如荷蘭正在研究船舶編隊（Vessel Train）的概念，由滿員的領航船對不同尺度、規格和操縱特性的編隊船進行引導，已經實現了模擬仿真，并開發了集成性的導航平臺，通過實時顯示編隊中各個船舶的運動信息與航行場景圖像，對船舶的航速采用自動引導模式進行跟隨控制。2020年2月他們按照1：16的比例在兩條模型船上開展了相關試驗。

三、自主水路交通系統的關鍵技術

自主水路交通系統的關鍵技術主要包括：水路交通基礎設施的生態化、網聯化、數字化，船舶等運載裝備的綠色化、網聯化、自主化;運營組織服務的個性化、數字化、智能化，以及自主水路交通的集成技術與系統組分的互操作等內容。將形成面向自主水路交通形態和運輸組織模式的裝備、技術、標準、法規體系。

水路交通基礎設施生態化，將實現港城聯動治理、資源循環利用、航道生態建養等方面的技術。網聯化表現在航道生態建養、數字航道建設、航道基礎設施的全域感知、智能調度與互操作、樞紐自動化作業、遠程監管與控制等方面;數字化體現在助航實時服務、空天通信網絡的構建、通航要素環境的全息感知、數字航道的建設和電子航道圖的應用。

智能水路載運裝備綠色化，一方面是研發新型的高效推進裝備，使電能直接轉化成為流體動能，從而減振降噪，使推進、轉向系統更加智能和綠色;另一方面是船舶如何應用清潔能源代替傳統石化能源。面對全球性能源危機，船用新能源的開發和利用是人類社會進程中需要面對和解決的重要問題之一，同樣是未來自主水路交通系統發展的首要課題和必然選擇。網聯化表現在通過船舶航行環境和港口控制中心的建設，以“航行腦系統”為核心，構建航行網絡平臺;基于虛實融合、增強現實、邊緣計算等技術，實現航行態勢的認知和對自身態勢的感知，提供類人決策支持，實現安全駕駛。自主化主要表現在運營船舶自主航行以及智能港口設備的大量應用。自主化的實現將從智能感知、輔助決策、智能駕控以及遠程助航等功能逐步發展，其本質是船舶的自主決策與控制技術、切換控制與模式轉換策略、路徑規劃與循跡控制方法，通過智能訓練、決策優化算法和傳統運動控制相結合，實現運動預測、數據驅動、風險識別和控制決策。

智慧運營組織服務的個性化，主要表現在航運系統將實現常態監管、異常干預和應急處置的一體化，實現救援任務的實時數據融合和決策支持，同時提供多尺度、可視化、信息精準的數據保障，使整個營運組織服務的個性化進一步彰顯。數字化體現在水路交通將實現動態可視化、營運組織服務的智能化，通過建立智能化水路交通運營組織決策模型、多元數字化水路交通三維模型分析體系以及智慧化航運運營組織平臺，以實現智能化水路交通營運組織。

協同與互操作是自主水路交通系統集成的關鍵技術，包括系統之間的協同優化、多船船隊之間的自適應、港口集群的調度、船岸通信網絡交互、不同設備裝置間互操作，以實現分布式決策與控制。自主水路交通系統集成了港口、航道、船舶、通信網絡、運營服務、安全保障等單元組件和交通要素，其構建與發展的路徑，必定按照分層次、分階段和分區域等方式逐步實現。

四、自主水路交通系統的發展展望

自主水路交通系統是近年來隨著人工智能和大數據等高新技術的發展，隨著智能船舶、數字航道、無人港口、智慧海事等技術的興起而逐步形成的一種新型水路交通運輸組織模式。

在自主水路交通系統的發展中，有四個重要的方向值得關注和重視。一是進一步與人工智能等高新技術結合。隨著人工智能技術的研究和發展，船舶實現自主航行，港口樞紐實現無人化作業，運營組織實現智能服務。二是與我國正在大力推進的新基建建設要實現同步。5G和北斗等通訊網絡技術、岸基新能源供給設施等新基建，將為自主水路交通系統的實現提供保障。三是要進一步與水路運輸模式的優化進行融合。自主水路交通系統不僅僅是裝備的自主化，更重要的是運輸過程和運輸組織形式的智能化，只有進一步優化水路交通運輸的組織形態，才能保證自主水路交通系統的有效構建。四是與我國航運業的轉型升級發展相結合。隨著我國經濟社會的發展，我國航運業也正在積極地朝著高質量發展方向推進。如何把自主水路交通系統作為一種新的發展模式與航運業的轉型升級同步結合，非常重要。

自主水路交通系統的特征、內涵和關鍵技術還處在不斷發展和探討之中，以上是我們團隊在這方面的一些思考，希望與船舶、港口、航運等各方共同努力，推動我國自主水路交通系統的技術發展。