對船舶極地智能航行的思考

中國船級社 賀 辭 鄧林義 曹 晶

相對于常規水域航行，極地航行水域存在大量浮冰與冰山，氣象海況復雜，對船舶的極地航行造成了較大的操作風險。與此同時，船舶智能化技術的發展及其應用已然成為促進和提升船舶安全及環保水平、營運效率及經濟性的重要手段。中國船級社于2015年發布了《智能船舶規范》，并在2020年升級修訂。其中，船舶智能航行的功能要求已在多型開展了應用（見表1），為船舶的航行操作提供決策建議，并取得了初步成效。

表1 智能航行功能實船應用現狀

極地冰區智能航行是一項具有挑戰的研究任務，也是亟需解決的熱點問題，本文以現有船舶智能航行方面的研究成果與應用經驗為基礎，通過分析與研究極地水域航行環境的特征，并結合不同類型船舶的航行性能，提出適用于極地水域智能航行的功能要求與建議，進一步降低船舶極地航行場景下的操作風險，提高安全性，為未來船舶極地航行的發展提供保障。

極地智能航行目標

目前，智能船舶功能要求的制定采用了基于目標（GBS）的方法。對于低緯度航線普通貨物運輸船舶而言，智能航行的目標應是確保航行安全的前提下，兼顧航行的經濟性，使得船舶航行更加安全、更加經濟、更加高效、更加環保。然而，對于船舶的極地航行，其智能化的目標有所差異，主要體現在以下幾個方面：

1、對于極地科考船舶，是否安全抵達預期位置，完成科考任務，是其主要目的，航行經濟性不是主要考慮因素。

2、對于極地貨運船舶，極地航線較之于傳統低緯度亞洲-歐洲、亞洲-美洲航線，可以大幅縮短航程及航行天數，其經濟性在船舶選擇極地航線時已經凸顯。此外，北極水域常年大面積冰雪覆蓋，其航線相對固定，航線調整對經濟性的影響十分有限，同時頻繁變換航線也將為航行安全埋下隱患。不像低緯度航行，航線有大范圍的調整空間，可以通過航線的調整和優化提高經濟性水平。

3、極地水域環境惡劣，救援及響應不及時，航行過程中一旦出現事故，對安全、環境、極地生態的影響重大，后果嚴重。

因此，不同于低緯度航行，船舶極地智能航行的目標應聚焦于提升極地航行安全和環保。

極地航行操作風險因素識別

船舶的極地水域航行主要存在如下客觀風險：

1、惡劣天氣：極地水域的低溫將對設備性能造成影響，尤其是通信導航設備及安全設備的性能；極地水域的大霧和大雪天氣持續時間長，對能見度的影響嚴重，增加了航行的碰撞風險。此外，低溫與霧雪環境也容易使航行設備表面積冰，造成設備損壞或性能降低。

2、浮冰及冰山：極地附近海域常年漂浮隨著季節變化的海冰和冰山，尤其隨著緯度的增加，氣溫越低，浮冰區域面積越大，海冰密集度越高，冰層越厚，這些對于船舶航行帶來很大的困難，容易發生碰撞和冰困，導致結構損壞乃至威脅船舶航行安全。對于南極航行，則存在冰山和冰架，存在冰崩的危險。

3、編隊航行碰撞：船舶在冰區編隊破冰航行時，跟馳船舶由于跟隨距離及速度的把握，有可能造成編隊船舶前后碰撞的可能。

船舶極地智能航行功能研究

1、極地智能航行范圍

對于船舶極地智能航行應具備的功能和自主化程度，目前國際海事組織（IMO）對船舶自主等級提出了從輔助決策到完全自主的四個等級的劃分，基于此，中國船級社《智能船舶規范》（2020）中也根據船舶航行實際，針對性地提出了相應的智能航行功能要求（詳見表2）。

表2 IMO智能船舶自主化程度劃分與CCS智能船舶規范（2020）智能航行功能對應表

對于極地智能航行，在操作上存在特殊性和局限性，需要大量的人為介入參與操作決策，且面臨更大的客觀風險。因而自主航行和遙控航行功能對于極地水域航行船舶暫不適用。

鑒于此，本文立足于實際，僅從輔助決策的角度，開展極地智能航行功能研究。即，為船上人員的航行操作提供決策支持和建議，相關決策支持功能不取代船長責任與權力，也不改變駕駛員正常職責和良好船藝的原則。

2、極地智能航行功能建議

通過結合極區的操作特點和風險因素，對于船舶的極地破冰航行以及護航船舶的極地編隊航行兩類場景，分別提出以下兩項智能功能建議：極地智能航線規劃；極地智能編隊航行/護航決策。

（1）極地智能航線規劃

目前，極地船舶的航線規劃是由船上人員綜合考慮船舶設計冰級、操作限制、天氣情況、冰情，以及航行任務等因素，在開航前人工完成策劃。極地智能航線規劃功能面向冰區破冰航行的船舶，該功能根據船舶自身技術條件和性能（設計冰級、破冰能力、極地服務溫度、航速限制）、極地科考/航行任務、船舶吃水情況，并考慮航行水域冰情及風、浪、流、涌等環境因素，在開航前自動對極地水域航行航線的航路與航速進行規劃，并在船舶極地航行過程中不斷根據外在條件的改變及時調整航線規劃，避開航路上的冰山、大型浮冰及其他固定障礙物。其目的旨在借助智能化的手段，在船舶開航前和航行中全面考慮極地航次任務中的各項影響因素，對航路實現自動規劃和調整，更好地保障船舶及船上人員在極地水域航行和作業的安全；降低人為因素的影響、減輕駕駛人員工作負擔，降低冰困及碰撞等航行風險。

基于上述要求，對規劃功能、輸入需求、限制條件進行了如下研究：

①功能要求：智能航線規劃的功能既需要全局的航線規劃，也需要根據航行中的實際情況突發狀況作出調整，因此，智能航線規劃應需要同時考慮整體和局部，實現大尺度和近距離兩種類型的規劃：

◆ 航線大尺度調整：根據接收的實時冰況及氣象數據的更新和航次任務的變化，對航線進行全局規劃或大尺度調整；

◆ 近場航線調整：根據航行中實時感知獲取的船舶附近的海冰、冰山數據及其他環境信息，進行短距離的航線與航速的調整，繞開冰山及其他水面固定障礙物，避免碰撞、冰困等緊迫情況的發生。

②信息輸入需求：船舶在極地水域的航路規劃，應立足于船舶自身的設計參數與操作性能。船舶性能通常應考慮：船舶總布置圖；船體型線圖、中橫剖面及舭龍骨細節；靜水力曲線；主機參數及軸帶發電（如設有）細節；主機工廠試驗結果；船模試驗和船舶航行報告；船舶抗風浪等級；船舶極地水域操作手冊等相關船舶設計信息。

船舶在極地的航線規劃與航線調整離不開對極地天氣變化情況的考量，需要考慮至少如下氣象信息，包括：

◆ 風向、風速；

◆ 有效波高；

◆ 風浪高度、平均周期；

◆ 涌高、涌向和平均周期；

◆ 流速、流向；

◆ 極地氣旋：最大風速、陣風風速、七級風圈半徑等；

◆ 強冷高壓（寒潮大風）預警；

◆ 冰情；

◆ 極地氣溫。

其中，對于冰情數據，應至少對以下信息納入考慮：

◆ 海冰密集度；

◆ 海冰發展階段/海冰厚度；

◆ 冰型/浮冰寬度；

◆ 歷史狀態、限制和冰量；

◆ 浮塊冰、多年冰、冰山情況。

為保障航路規劃及調整的正確性、有效性和實時性，氣象與海冰數據應有可靠的數據來源，且冰情和氣象數據的自動訂閱/更新，并具備實時性和足夠的準確性。

為了實現冰山、大型浮冰、淺灘等其他水面固定障礙物的避讓，船舶應能夠在航行中實時感知下列環境信息：

◆ 風速、風向；

◆ 海面能見度；

◆ 環境溫度；

◆ 船舶位置的實測水深；

◆ 周圍3海里內的冰厚度、冰密集度；

◆ 周圍3海里內的冰山和大型浮冰，及其他固定障礙物。

③限制條件：船舶的極地航行操作手冊規定了船舶極地操作能力和限制，極地船舶的操作應遵循操作手冊中的相關要求。因此，船舶通過極地智能航線規劃功能形成的決策建議不應超出船舶極地航行操作手冊中規定的操作要求和限制，如：最大冰狀態、最低溫度、最高緯度等等，以防止超出船舶操作的能力范圍，而發生冰困等危險。

從風險防控的角度考慮，極地船舶智能航線規劃應使得極地船盡可能在低風險海域航行，所形成的規劃航線建議與操作建議應至少通過國際海事組織（IMO）“冰區操作能力和限制評估方法”（POLARIS）評估，滿足航線風險指數總值（RIO）大于等于0。當評估結果小于0時，相關航線應由船上駕駛人員進行特別考慮。

此外，智能航行規劃功能形成的極地航線，應能夠避開有冰壓或潛在冰壓區域，以及社會和生態敏感區域。

（2）極地智能編隊航行/護航決策

當低冰級船舶穿越冰區且破冰能力不足時，通常需要護航船舶提供破冰護航作業。在編隊航行狀態下，被護航船舶跟隨破冰船尾跡航行。如何保障船隊的通航的安全與效率，以及在護航過程中指揮編隊中各船跟馳速度及與其他船舶的距離，避免碰撞風險，均由領航船操作人員進行決策。

因此，極地智能編隊航行功能的提出主要面向極地編隊航行中執行破冰護航任務的船舶。指在船舶極地編隊航行，開展破冰任務，開辟航道的過程中，具備智能編隊航行的護航船領航船能自動根據船隊中各被護航船舶的船寬、動力性、冰級、吃水等因素，確定編隊航行順序；同時，根據編隊航行實時狀態，及時形成編隊中各跟馳船舶航向、跟馳速度，以及與前船的最短安全距離的指令建議，提升整個編隊的極地通航安全與效率。

領航船舶為實現智能編隊航行功能，應能實時獲取編隊中各跟馳船舶如下信息：

◆ 船寬；

◆ 動力性能；

◆ 設計冰級；

◆ 船舶吃水；

◆ 實時航速；

◆ 航向；

◆ 與護航船舶間距離；

◆ 與護航船舶相對位置；

◆ 與前船間距離；

◆ 與前船的相對位置。

同時，領航船舶應能至少獲得以下冰情數據，作為極地編隊航行操作決策形成的參考和輸入：

◆ 海冰密集度；

◆ 海冰發展階段/海冰厚度；

◆ 冰型/浮冰寬度；

◆ 歷史狀態、限制和冰量；

◆ 浮塊冰、多年冰、冰山情況。

通過對船舶在極地水域航行目標及相關航行風險的識別，對極地智能航行從船舶獨立航行及編隊航行兩個操作場景，分別提出了基于輔助決策的功能建議。為日后進一步開展極地航行智能化工作，提升船舶極地水域航行的安全與環保水平提供借鑒與參考。也為我國進一步開發極地航線、開展科考、商貿活動等極地事務提供技術支持。