內河船舶編隊技術開啟新程

武漢理工大學 劉佳侖 董智霖 游 旭 李詩杰

自2015年中國船級社發布第一版《智能船舶規范》以來，國內智能船舶的發展日新月異，而智能船舶技術在航運業中的需求不斷增加。中國船級社于2020年更新發布《智能船舶規范》，強調了智能船舶利用傳感器、通訊、互聯網等技術使得智能船舶具有更安全、環保、經濟、高效的特點。

受疫情影響，全球經濟大幅下降，世界各國都在舉力開展基建行動。近日交通運輸部發布了《交通運輸領域新型基礎設施建設行動方案（2021—2025年）》，其中包括智慧航道建設行動和智慧港口建設行動。交通強國建設綱要、內河航運發展綱要、雙碳戰略目標等為發展符合內河運輸要求的船舶編隊技術指明了方向。

智能船舶編隊研究現狀

1、智能船舶編隊研究動態

2006年，挪威科技大學與挪威海事機器人協會聯合，對智能船舶編隊進行了深入研究并進行了實船試驗。挪威海事機器人協會提供的實驗船舶有：8.5米長的Viknes無人艇一艘、6.5米長的Mariner無人艇一艘和30米長的Gunnerus船一艘，如圖1所示，介紹了編隊改變隊形任務時的控制情況。

圖1 改變隊形時的編隊控制情況

2017年，在歐盟地平線2020項目的資助下，NOVIMAR（NOVel Iwt and MARitime transport concepts）項目成立，來自不同國家的20余個機構共同參與（見圖 2）。項目引入虛擬仿真概念，采用由遠程駕駛航行的領導船與其他無人的跟隨船構成編隊系統。

2018年1月23日，該項目在DST（Development Centre for Ship Technology and Transport Systems）的實驗水池開展研究模型試驗，研究了兩艘內河船舶的前后向相互作用。2021年3月，該項目在荷蘭Harngvliet采用兩條船型相同的全尺寸實船進行了編隊航行演示和虛擬避障等試驗。

目前，NOVIMAR項目圍繞Vessel Train系統架構、虛擬仿真、物理實驗等內容進行研究探索，包括概念提出、虛擬仿真、模型試驗和實船試驗等研發流程。結合現有船舶技術的發展，提出以領導跟隨的編隊模式進行控制，跟隨船可由領導船控制，緊急情況下可由船上船員進行控制。船型設計上，采用新型的滾裝船設計以滿足內河近海的貨運需求。貨物聯運上，研發新型貨物裝卸系統，提升了集裝箱的裝卸效率，進一步提高了運輸效率。

圖2 NOVIMAR項目

2、船舶編隊技術概括

受到鳥類聚集、蟻群、蜂擁等自然行為的啟發（如圖 3），科研人員開始探究可以同時控制多條智能船的方法，船舶編隊技術便應運而生。船舶編隊技術的實現可以提供更高的效率和更優的性能，解決單船運載能力不足、處理信息能力弱等缺點。同時隨著計算機科學技術、通訊技術、導航技術的發展日新月異，利用這些先進的技術可以給船舶編隊提供更多的優勢。

船舶編隊實現航行的邏輯與單智能船舶實現航行的邏輯無異，即通過感知—決策—控制—感知這一閉環邏輯來進行。

船舶編隊的感知部分與單智能船舶的感知相似，通過各類傳感器對于外界環境和自身狀態的檢測，實現對于船舶狀態的監控（如圖 4）。與單智能船舶感知不同在于：多船的感知信息需由中心處理器統一儲存并被視為影響因子用于船舶編隊的決策部分。

船舶編隊的決策部分，需要考慮到單位時間內，各個船舶的相對位置，運動姿態以及環境狀態的不同，通過全局路徑規劃、局部路徑規劃、編隊隊形規劃來進行決策，使得船舶編隊能在進出港、閘口、密集交通流、突遇障礙物等場景下安全通航。

船舶編隊的控制部分可分為編隊的控制結構和控制方法。根據Peng Z等人的介紹，控制結構目前多為三種（如圖 5），每種控制結構都有著不同的特點。

（1）集中式控制：在編隊中選擇一個船舶或遠程地面站作為中心控制站，整合其他船發來的信息后再發出指令，可以使用全局最優取代局部最優來優化目標。這種控制結構比較簡單，并且容易實現，效果也比較好，但隨著船舶數量的增加，計算資源和通信帶寬的最低要求也會急劇增加。同時這種控制結構比較容易受到故障的影響，任何的交流能力的喪失都會使整個系統失去穩定，導致整個編隊系統瓦解。

（2）分散式控制：編隊不需要中心控制器，且由船舶的本地傳感器測量的信息只有部分是有用的。分散式控制是具有模塊化，可伸縮性的特點。這些特點使得使用分散式控制的編隊具有可以容忍單個故障的優勢。但是，分散式控制也有著顯著的不足，其只能實現局部最優，船舶間沒有信息參數的交流。

（3）分布式控制：使用分布式控制，所有船舶都執行本地控制器的指令，并且通過本地感應或通信在船舶間進行信息交換。分布式控制系統的特點是整個編隊系統沒有中心控制器，每個個體通過局部的控制器控制后再在個體間交換信息。這種控制結構的不足在于，其在結構和組織上比集中式和分散式控制要復雜得多。但是，在計算資源有限，通信范圍短，通信帶寬窄以及船舶尺寸較大的情況下，分布式控制具有更好的效果。

船舶編隊的控制方法常用的有領導者-跟隨者法、虛擬結構法、人工勢場法、基于圖論法和基于行為法等方法。

圖3 動物集群自然行為

內河船舶編隊技術的應用價值

上世紀九十年代，輪駁搭配拖帶的船隊運輸模式還是長江中下游干散貨運輸的主流方式。如今隨著水運市場的開放，曾經無限輝煌的船隊，被新型的貨輪所代替。

傳統的內河編隊采用的是船舶輪駁間使用短纜相連，在風浪中船、駁間的相對運動大，纜繩的受力變大，導致船隊的適航性差。同時根據相關機構調研，相比于拖帶航行的船隊，新型貨輪的適航性更好，需要停港避風的時間也大大減少。

隨著國家在政策上的支持，各類高端技術的應用以及智能化交通發展趨勢，內河船舶編隊技術的價值會得到更多體現。

1、行業形勢

圖4 智能船舶感知模塊

圖5 編隊控制結構

受疫情影響，全球經濟遭受重創，世界各國政府為了促進經濟快速復蘇，紛紛推出基建計劃。專業人士預估，今年全球基建預算有望達到2.76萬億美元，且逐年追加，到2031年將超過3.3萬億美元。而基建需求的提升有助于大型散貨船市場需求。慧洋海運董事長藍俊表示，過去十多年航運業長期低迷，船東造船量持續維持在低位，造成了現在全球船隊整體船齡偏大，船舶供給小于需求。2023年IMO的EXII和CII新規以及二氧化碳減排政策，將會加速老舊船的淘汰，缺船現象會更嚴重。隨著智慧航道和智慧港口的積極建設，研發、制造符合新規標準，滿足行業發展需求的內河船舶編隊是符合國際行情以及行業走勢的。

2、運營效益

我國河流眾多、水量充沛，形成以長江干線、長江三角航道網和珠江三角航道一縱兩網的內河航道網格，具備著良好的運輸條件。歷史上我國對發展內河運輸的看法不一致，內河航道建設投入資金缺乏，導致內河航運發展較為緩慢，同時我國內河船舶的建造成本比較低，運輸噸位小，運輸能力不能充分發揮。大部分船舶存在老舊、技術設備落后的情況。

根據中國海事局發布的《內河船舶最低安全配員標準》《中華人民共和國海員船上工作和生活條件管理辦法》和國際勞工組織大會制定的《2006年海事勞工公約》要求，在內河船舶進行一個航次時，需配備對應數量的從業人員，且需為其配置特殊的工作權益及生活環境。以長江航行的自航船和船隊為例，5000噸級的船舶在船人員一般為16人，而根據相關海事規定，12000噸級的中型船隊在船人員不得少于36人。同時傳統船舶有許多不能用于載貨且又必須設置艙室，如機艙工作間、駕駛臺、船員宿舍、船員食堂、雜貨間、雜貨倉、淡水倉等。

內河船舶編隊的運營只需相關監管技術人員進行輪崗制，可降低人工成本，而傳統船舶上的船員活動空間可以設計為載貨空間，提高載貨量，一定程度上增加了運營效益。

3、航行安全

據海事局統計，所有的船舶安全事故中由人為因素造成的事故占比為85%。人員的失誤操作、對規則制度的漠視、以及處理事故時的不及時是造成重大事故的直接原因。內河船舶編隊控制結構的特性使得編隊具有分散度高、局部感知能力強的特點，可以把編隊中每個終端的探測信息進行匯總融合，在進行操作任務時有著完整的操作流程，對于自身狀態信息和環境信息的獲取相較人工更加精準和快速。通過編隊配置的大量科學設備進行自主耦合分析、自主耦合操作，可大大減少因疏忽而發生安全事故的可能性。

4、航行環保

百分之九十以上的傳統船舶使用的都是柴油發動機，根據IMO的第四次溫室氣體研究報告，在2012至2018年間，國際海運溫室氣體年排放量從9.77億噸增加到10.76億噸。預計到2050年，隨著海運需求的不斷增長，二氧化碳排放量將比2018年增長約50%。智能船舶編隊使用清潔混動能源結合燃料電池、太陽能等，在岸基可配備快充電樁或無線充電樁對船舶編隊進行供能。

5、航行能效

隨著燃油價格的持續飆升，航運載貨的成本在不斷增加，同時傳統船舶會排放大量污染氣體加劇全球的溫室效應，所以，航運業的節能減排是刻不容緩的。通過統計和評估能耗情況，可以提高船舶各個能耗設備的能效水平，達到減排的效果。傳統船舶的管理手段基本靠人工統計分析，具有不準確性和滯后性，采用智能船舶編隊，可以利用編隊的優勢來減少船隊個體和整體的能源消耗。可以利用自動化的方式，自動檢測編隊能耗情況，統計分析能效水平，提供優化建議，提高能源的利用率。

內河智能船舶編隊關鍵技術

1、集群控制算法

智能船舶只有確定了相互的信息關系、邏輯關系和控制關系才能夠實現彼此之間的協同。集群控制算法需為船舶編隊的信息交流和控制方式提供框架，保證編隊間交互的流暢。常見的集群控制方式有集中式、分散式、分布式三種。優質的集群控制算法應保證當智能船舶數量增減、控制方式改變時，編隊整體的控制效果不受影響。

2、路徑規劃技術

內河船舶編隊的路徑規劃技術包括三個部分，第一部分：全局路徑規劃，編隊的中心處理器應計算并存儲由出發點到目的點的最優路徑解，作為編隊行駛的基礎航線；第二部分：局部路徑規劃，編隊的中心處理器應根據未來一段時間或路徑的變化計算并存儲未來一段時間或路徑內的最優路徑解，作為編隊行駛的修正航線；第三部分：個體路徑規劃，在編隊航行的過程中會遇到進出港口、過閘、交通流變大、突遇障礙物等特殊場景。為避免實時編隊無法滿足上述場景要求，在場景發生改變時必須對個體的路徑進行重新規劃。個體路徑規劃算法具有實時性和高效性的特點。

3、任務規劃技術

為實現內河船舶編隊的自主性，智能船舶的行為不應全部依賴于編隊。編隊過程中的基本行為由編隊整體進行，而其中的簡單任務應由對應單一智能船舶自主完成，如船舶自主過閘、自主靠泊等。每個船舶都需把即將執行的任務發送至中央處理器由其存儲，處理器根據每個船舶的當前任務來決策編隊行為信息。

4、編隊控制技術

內河船舶編隊的航行，可以看作一個高階集群系統的時變編隊問題，航行環境的變化、通訊質量的不穩定都會為編隊的數據收集分析增加挑戰，常見的編隊控制方法有領導者-跟隨者方法、虛擬結構法、人工勢場法等。

5、網絡通訊技術

在內河智能船舶編隊系統中，每個智能船舶都將作為通訊節點，網絡的拓撲結構由編隊的空間分布決定，不同的拓撲結構對應著不同的通訊性能，網絡通訊技術在一定的拓撲結構和通信性能下，根據任務分配通信資源，并提升通訊的質量。

總結與展望

內河智能船舶編隊技術的創新與應用符合國際航運業、造船業發展行情，滿足世界低碳減排趨勢，順應國家發展水路運輸推動基建政策。內河船舶編隊技術的應用，將會提高內河輸運的效率，發揮內河運輸的優勢，在倡導綠色運輸的同時保障了運輸的安全性。可以實現既節能又增量的雙贏。但內河船舶編隊技術同樣也面臨著發展的瓶頸：

1、編隊通訊：相比于遠洋運輸，內河里的船舶數量多、種類多，船舶需要的決策更多，信息傳遞的準確可靠就顯得更為重要，如何保持網絡通信的穩定可靠以及如何在出現網絡延時、數據丟失和數據混亂的情況下自主開發新的基于網絡的編隊模型是實現編隊過程中待解決的問題。

2、編隊決策：在內河航行的編隊，不僅面對的是編隊與他船間的避碰，更多的是編隊內多船協調控制的問題，目前在單智能船避碰障礙物技術上，已經取得了很大的進展，但對于多艘智能船組成的編隊，這仍然是個還未解決的挑戰。在不同場景下，編隊需進行隊形轉換，而怎樣實現編隊間的無碰撞協調還需要進一步的研究佐證。

3、編隊控制：目前已公布的編隊協調控制律多是基于現代控制理論的，控制律的設計是在數學模型已知的情況下得到的。實際情況中編隊里的船舶種類可能各不相同，有單體船也會有雙體、三體船，推進方式有單槳單舵推進也會有雙槳雙舵、全回轉推進等，復雜的編隊數學模型和水動力模型需要更多的時間來佐證完善，同時編隊對自身狀態和外界環境的感知影響著算法決策，如何進行高效的信息篩選、數據匹配和沖突消解也是非常重要的問題。

4、編隊安全：在內河船舶編隊的實際運營中，最需擔心的就是編隊的安全問題，相比于仿真實驗不同，編隊在實際航道內航行可能會遇到各種各樣的問題，如何在遇到突發事件的情況下確保編隊和有關航道、港口環境的安全，對于多種突發事件的預處理安排如何制定。

5、法律條例：到目前為止，針對船舶編隊甚至單智能船舶操作的相關海事法規尚未出臺。法律法規的制定是如何應用內河船舶編隊技術的重點。

總的來說，當前內河船舶編隊技術，如編隊環境感知技術、編隊狀態檢測技術、編隊控制技術等存在一定的理論基礎，但編隊路徑規劃、編隊自主航行、編隊能效控制等技術距離實際應用仍有較大距離。當前，內河船舶編隊技術仍處于理論驗證階段，距離推廣應用仍有較遠距離，需要在智能船舶相關技術的不斷發展下，經過大量的試驗、驗證與評估才能成為現實。