海上自主水面船發(fā)展及 航海保障相關需求探討

摘? 要：國際海事組織（IMO）在2017年召開的海上安全委員會第98屆會議（MSC98）上提出了“海上自主水面船舶”（ MASS）的概念，得到業(yè)界響應并付諸實踐行動。本文對MASS概念、分類分級和相關技術進行了綜述，對國內外目前發(fā)展狀態(tài)進行闡述，分析了MASS對航海保障服務的影響，提出了未來航海保障針對MASS發(fā)展思路和建議。

關鍵詞：海上自主水面船;航海保障;需求

1 概 述

1.1 概念由來和定義

2017年，在國際海事組織（International Maritime Organization， IMO）海上安全委員會（Maritime Safety Committee，MSC）第98屆會議上，英國、丹麥等9國提出IMO應增加對海上自主水面船舶（Maritime Autonomous Surface Ships，MASS）的研究，提出了MASS的概念。

2018年12月MSC100會議在法規(guī)梳理的術語中，MASS 被界定為可以獨立于人際互動而營運的具有不同等級的船舶。IMO是MASS的倡導和組織者，其發(fā)布的相關公約、標準和指導性意見是業(yè)界最高級別文件。

1.2 分類分級

2018年12月MSC100會議為便于法規(guī)梳理的進程，將船舶自主等級分為4級：

Ⅰ級——具有自動化處理和決策支持的船舶。船員在船上，以操作和控制船上的系統(tǒng)和功能。某些操作可以自動，且有時可無人照看，但有船員在船上，以準備好進行控制。

Ⅱ級——船員在船上的遙控船舶--船舶從另一位置進行控制和操作。船員可以在船上，以控制和操作船上的系統(tǒng)和功能。

Ⅱ級——無船員在船上的遙控船舶。船舶從另一位置進行控制和操作。無船員在船上。

Ⅳ級——完全自主船舶。該船舶的操作系統(tǒng)能自動地作出決策和確定其操作行動。

應當注意到，在單次航行期間，MASS可能以一個或多個自主等級營運。

1.3 相關技術

自主航行主要是指實現(xiàn)船舶的自主離泊、出港、航線優(yōu)化、錨泊、進港、靠泊的全部或部分過程，三大先決技術為態(tài)勢感知、運動控制和智能決策。態(tài)勢感知作為自主航行的核心技術之一，是實現(xiàn)船舶自主航行的基礎。而自主船從建造到正常運營，還涉及信息感知技術、通信導航技術、能效控制技術、航線規(guī)劃技術、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術、遇險預警救助技術、自主航行技術和貨物管理等關鍵技術。

2 發(fā)展狀態(tài)

MASS一般指20 m以上無人船，而無人船即是智能船，對應于MASS的III—IV級，歐洲的智能無人船舶研發(fā)更傾向于從小型船舶（如拖船、渡船）開始實踐，優(yōu)先研發(fā)遠程操控、自主航線規(guī)劃、自主避碰等技術。從自主航行船舶的發(fā)展現(xiàn)狀來看，遠程遙控結合部分自主控制功能已經(jīng)成為自主航行船舶發(fā)展的主要方向。

2.1 IMO框架下MASS的發(fā)展

2017年MSC98會議上，提出MASS概念，同意在法規(guī)梳理與適用性研究中考慮智能船舶的不同等級;2018年5月MSC99會議成立MASS 工作組，給出了僅用于法規(guī)梳理的臨時術語，擬議自主等級包括四級;2018年MSC100會議在MSC99的4個船舶自主等級的基礎上作了更簡潔表述，明確了應先對相關IMO強制性文件開展梳理，在法規(guī)梳理的術語中MASS 被界定為可以獨立于人際互動而營運的具有不同等級的船舶; 2019年MSC101會議批準了IMO海上安全委員會MSC.1/Circ.1604 《MASS試航暫行指南》通函;2021年5月線上MSC103會議審議通過智能船法規(guī)梳理第二階段工作報告，繼續(xù)開展智能船術語的制定，首先制定高優(yōu)先級的、概念性的術語。

2018年5月，在MSC99會議之前組織召開“海上自主水面船及IMO法規(guī)會間研討會”，提出：海事組織有必要建立監(jiān)管框架，最好在早期階段制定和執(zhí)行臨時行動綱領，并建立具體監(jiān)管;2019年9月在倫敦召開第一次工作組會議，主要審議 MASS 法規(guī)梳理工作;2021年5月，船舶溫室氣體減排第8次會間工作組會議批準了立法范圍界定的結果和法律委員會關于MASS的公約的差距分析，認為MASS需要在《聯(lián)合國海洋法公約》的法律框架內運作。

2.2 MASS國外發(fā)展

法規(guī)與規(guī)劃

2018年6月，日本船級社發(fā)布自主操作指南，2020年2月發(fā)布了《自主操作/無人駕駛船舶指南——自主操作系統(tǒng)/遠程操作系統(tǒng)的設計研發(fā)、安裝和操作》。英國勞氏船級社（簡稱LR）2017年2月，出版了《無人海上船舶系統(tǒng)設計規(guī)范》，提出了設計、建造和服務要求準則。2016年2月，LR發(fā)布了自主船舶的分級標準的分類方法，將自主船分為7個級別。英國海事協(xié)會2019年11月發(fā)布了新版本《自主船舶行業(yè)行為守則》。2019年 5月2日，美國船級社（ABS）發(fā)布其第一版《船舶和海上設施智能功能指南》，為智能技術應用的工程審查和檢驗提供依據(jù); 2020年4月，ABS發(fā)布了《自主咨詢指南》。2018年，丹麥在向MSC 99屆會議遞交船舶自主化等級劃分，該劃分方法各級別船舶之間可以相互轉化：M級（現(xiàn)場控制有人船）、R級（遙控有人船）RU級（遙控無人船）、A級（全自主無人船）。

研發(fā)進展與成果

日本

2017年5月，三井航運公司與三井造船株式會社聯(lián)合開發(fā)的自主遠洋運輸系統(tǒng)技術，計劃在2025年打造出大型無人駕駛船隊;2020年6月，NYK集團公司等22家日本公司啟動“完全自主船舶項目的未來設計”（DFFAS）項目，以船舶示范試驗推進到2025年的實際應用。

挪威

2017年，康士伯海事集團聯(lián)手建造世界上第一艘實現(xiàn)零排放、全電推、自主航行的集裝箱船“YARA Birkeland”號。2020年3月， “Bast?Fosen VI”號渡輪在滿載乘客和車輛的情況進行下，完成了“世界首次渡輪自適應通航”從碼頭到碼頭的全自動化操作航行。

英國

2015年，羅爾斯·羅伊斯公司（R-R公司）發(fā)起“高級自主水運應用”（AAWA）計劃，開發(fā)了一套安全導航和避免碰撞的電子集成系統(tǒng);2017年展示了全球第一艘遙控商船“Svitzer Hermod”號;2018年聯(lián)合啟動了名為“更安全的自動導航船舶（SVAN）”的項目，展示了全球第一艘無人駕駛渡輪 “Falco”號;2021年6月搭載了先進AI技術和邊緣計算系統(tǒng)的 “五月花”號自主導航橫跨大西洋海測，見圖1。2017年，英國3家船企聯(lián)手打造全球首艘無人駕駛海工支援船“Hronn”號。

美國

2019年2月，美國海軍 “海洋獵人”號反潛無人艦從加州自行開往夏威夷后再返回，樹立無人船自主航行的里程碑，見圖2。

芬蘭

2018年12月，瓦錫蘭公司通過 “Folgefonn”號渡輪對自動岸到岸Dock-to-Dock航行解決方案進行測試，利用一系列軌跡和航點定位來控制船舶的航行，在3個港口之間實現(xiàn)完全不間斷的自主航行和靠泊;2016年初發(fā)起了智能船舶研發(fā)計劃，旨在創(chuàng)造一個“智能船舶運輸生態(tài)環(huán)境（One Sea-Autonomous Maritime Ecosystem）”，在2025年之前創(chuàng)造一個適合自主船只使用的環(huán)境。

韓國

2015年制定“智能船 X.0”計劃，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實等信息通信技術（ICT）促進船—岸間的信息融合; 2019年8月，韓國政府將在未來3年投資1 300億韓元在韓國蔚山建立一個新的先進的自主船舶研究設施，在2023年開始運營。2019年10月，海洋事務和漁業(yè)部和貿易、工業(yè)和能源部投資1 600億韓元啟動了一個自主船舶項目，計劃在2025年前開發(fā)一艘3級（L3）自主作業(yè)船。

意大利

2020年7月，普利亞地區(qū)批準了遠程綜合海洋遠程環(huán)境監(jiān)測計劃（MARIN）計劃，該計劃在3年內總投資超過600萬歐元，開發(fā)一個多功能無人駕駛海上平臺。瑞典2019年12月，RISE研究院主導 “Prepare Ships”研究項目，將開發(fā)和驗證協(xié)作彈性導航解決方案，實施并演示具有高精度定位的航道地理圍欄，以提高安全性和改進決策。

歐盟

2012年9月，8家機構聯(lián)合開展的海上智能無人駕駛航行網(wǎng)絡（MUNIN）項目計劃，項目總預算380萬歐元，用以驗證自主航行和自主船舶的可行性為，研究相關的關鍵技術和法律法規(guī)。

測試場建設

2016年10月，挪威海事局和挪威海岸管理局共同在特隆赫姆峽灣建立了世界上第一個自主船舶測試區(qū)，斯托夫喬登測試區(qū)和霍頓測試區(qū)隨后相繼開放。英國在普利茅斯建立了英國自主中心，MASS測試區(qū)部署已基本覆蓋全國沿海，且快速增長，見圖3。2017年8月，芬蘭Jaakonmeri自主船舶測試區(qū)正式對外開放，2017 年 5 月，丹麥格陵蘭地區(qū)設立自主船舶試驗場，側重于測試繁忙水域中高度智能概念的自主船舶研發(fā)項目。2018年8月，大湖區(qū)智能船舶聯(lián)盟與海上自主研究基地在密歇根理工大學大湖研究中心同期揭牌成立，同時啟動了《智能船舶行動計劃》，將在美國和加拿大制定統(tǒng)一的標準和智能船舶監(jiān)管框架，為智能船舶研究提供專項資金和測試場。

此外，由挪威海事局、挪威海岸管理局、挪威工業(yè)和NTNU海洋工程系共同倡導的挪威自主船舶論壇（NFAS）搭建了自主船合作平臺。2017年10月30日，在NFAS的基礎上，國際自主船舶網(wǎng)在奧斯陸成立。

圖1 “五月花”號橫渡大西洋海測

圖2 “海洋獵人”號無人艦

2.3 MASS國內發(fā)展

法規(guī)與規(guī)劃

2015年，中國船級社（CCS）正式對外發(fā)布《智能船舶規(guī)范》，2019年12月，CCS發(fā)布2020改版，新版規(guī)范保持原有規(guī)范框架，形成了完整的智能船舶規(guī)范框架及相應的功能/技術要求。2018年9月， CCS發(fā)布《自主貨物運輸船舶指南》（2018）。2019年1月，工信部聯(lián)合交通部、國防科工局聯(lián)合發(fā)布了《智能船舶發(fā)展行動計劃（2019-2021年）》，提出了3年9項重點任務。2019年5月，交通運輸部、中央網(wǎng)信辦、發(fā)展改革委等多部委聯(lián)合發(fā)布了《智能航運發(fā)展指導意見》;7月，交通運輸部發(fā)布《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，組織實施國家重點科研計劃《基于船岸協(xié)同的船舶智能航行與控制關鍵技術》項目，這無一不預示著中國正在加快規(guī)劃部署智能航運未來發(fā)展。

研發(fā)進展與成果

國內研制成功中國第一艘無人駕駛海上探測船“天象一號”，為北京奧運會的青島奧帆賽提供氣象保障服務，這也是世界上首次應用無人船進行氣象探測。

2017年11月，由廣州文沖船廠建造的全球首艘智能商船“大智”號交付，該安裝了船舶運行與維護系統(tǒng)和智能航行系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能航行、智能機艙、智能能效管理等功能。2015年下水海測的“智騰”號是我國首艘滿足MASS 需求的自主航行試驗船，達到 MASS 第三階段“周期性無人在船”的要求，未來可進一步達到 MASS 第四等級“完全自主”船舶的功能要求。 2019年11月交付的“筋斗云0”號小型無人貨船，實現(xiàn)了自主貨船遠程遙控、自主循跡、會遇避碰和遙控靠離泊，最終將實現(xiàn)MASS四個等級的自主航行，見圖4。

研發(fā)團隊、成果和相關活動：

由交通運輸部水運科學研究院牽頭的《基于船岸協(xié)同的船舶智能航行與控制關鍵技術》項目正在組織實施，計劃在2018—2022年內開展面智能優(yōu)化及自主航行系統(tǒng)開發(fā)方面的研究。2018年，中遠海運特種運輸股份有限公司發(fā)布了《智慧航運發(fā)展行動綱要》，力求沿著“人—船—貨”“箱—船—港”等要素，開展智能船2.0的前期研究。 2018年5月，在青島建設智能航運技術創(chuàng)新與綜合試驗基地，其智能船舶試驗項目計劃5年內完成具備自主航行系統(tǒng)一艇三船的建造。

2018年11月，首屆自主船舶發(fā)展（萬山）論壇在萬山無人船海上測試場啟動，期間正式成立了中國無人船產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)盟，聯(lián)盟將致力于探討無人船實現(xiàn)產業(yè)化發(fā)展將面臨的技術、經(jīng)濟和法律等多方面的問題。2020年2月18日，交通運輸部正式公布了無人船舶系統(tǒng)及設備關鍵技術交通運輸行業(yè)重點實驗室認定，由大連海事大學、中國船級社和交通運輸部水運科學研究院共同開展。

測試場建設

2018年11月，亞洲首個無人船海上測試場正式啟用，可就自主感知、避障、遠程控制、協(xié)同控制等自主船舶相關項目進行測試服務。同年5月，智能航運實驗技術基地藍谷測試場啟用，為航行錨泊、碼頭作業(yè)、無人艇實驗等測試功能區(qū)，陸域配套建設智能船舶運控中心及相關監(jiān)控、通信設備。

3 自主船發(fā)展對航海保障服務的影響

自主船時代來臨，傳統(tǒng)的視覺航標、紙海圖和VHF語音發(fā)布助航信息等航海保障（簡稱“航保”）手段作用將削弱，取而代之的應該是根據(jù)無人船的操控系統(tǒng)要求、工作特點、運動特性來提供相應的助航服務。

航標服務

自主船時代傳統(tǒng)的水上目視航標必將失去助航的意義，甚至構成礙航威脅，自主船如何獲得必要助航航標信息，對航標服務提出新要求。

我國從20世紀90年代開始數(shù)字航標建設，海上浮標的遙測遙控率已達100%，航標信息數(shù)字化播發(fā)自主船感知航標將成為新途徑。數(shù)字化航標技術的包括虛擬和無線電航標，如無線電導航臺、無線電指向標、差分全球定位系統(tǒng)（DGNSS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）等。目前，AIS基站信號已基本覆蓋我國沿海近岸主要通航水域及部分封閉水域，依托AIS基站設置的AIS虛擬航標設置快捷，成本低廉，且易于被船用ECDIS識別，自主船時代AIS虛擬航標將發(fā)揮巨大作用。

測繪服務

自主船時代紙海圖都再無用武之地，電子海圖是必需要素。2018年8月29日，東海航海保障中心正式向全球用戶發(fā)行中國沿海電子海圖（除珠三角電子海圖），中國海事航海圖書在線服務平臺可以免費下載基礎圖和更新包，電子海圖服務也將是航保自主船時代主打產品，推送產品服務方式，還有探索空間。

電子海圖基礎數(shù)據(jù)來源于海洋測量，高精細測量才有高精度海圖編繪產品，精細、精密化海道測量將是MASS對海事測繪基本需求。

海上通信服務

目前，海上常用的無線通信方式有微波、衛(wèi)星、GPRS及4G/5G、Zigbee、Bluetooth、Wifi 等，自主船時代傳統(tǒng)的VHF語音通信將失去作用。未來航保的通信服務要加強甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VDES）、甚小口徑衛(wèi)星終端站（VSAT）、衛(wèi)星通信等大帶寬、高速度、高頻率、高可靠性的海上通信鏈路建設。同時，NAVDAT系統(tǒng)是GMDSS現(xiàn)代化建設和“e-航海”建設中為海上船舶提供寬帶通信服務的關鍵系統(tǒng)，NAVDAT系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)播發(fā)，可實現(xiàn)A2海區(qū)的高速通信，可解決岸—船數(shù)字通信，數(shù)字安全信息的快速推送。

此外，自主船對海上安全信息MSI捕獲和識別基于數(shù)字格式，海岸電臺播發(fā)的航行警告、氣象警告、氣象預報、電子海圖更新等有關航行安全的信息服務應向數(shù)字化推進。

4 結論與建議

MASS發(fā)展對航保既是機遇，也是挑戰(zhàn)，順應新技術發(fā)展要求，我們可以在一下幾個方面深入研究和應對。

4.1 標準先行

普通船舶目前已有成熟的規(guī)范體系，并在不斷完善，新生MASS更需要有針對性的系列標準至國際規(guī)則。目前，國內現(xiàn)有可供參考的技術標準主要是中國船級社《智能船舶規(guī)范》和《自主貨物運輸船舶指南》，制定國內MASS規(guī)范標準是當務之急。

MSC100確定了MASS的公約適用性梳理工作中國承擔了SOLAS第V章“海上航行安全”的梳理部分，航海保障部門應密切跟蹤國際公約梳理進展，結合航保業(yè)務特點編寫公約修改提案，同時，加強國家和行業(yè)標準制修訂。

4.2 航海保障服務智能化

大信息量交換是自主船船正常運營基礎，構建統(tǒng)一調配的航海保障信息共享大平臺，從而未來更好服務和支撐保障MASS發(fā)展。平臺能夠為船舶提供動態(tài)的航線計劃，實現(xiàn)基于AIS、ECDIS、水深數(shù)據(jù)模型以及環(huán)境管理工具的船舶積極動態(tài)的航線計劃; MSI數(shù)字化播發(fā)，以及AIS虛擬標播發(fā);電子海圖及更新服務。通過云計算對大量數(shù)據(jù)進行深度挖掘、篩選加工，利用公網(wǎng)、甚高頻、衛(wèi)星鏈路等為用戶提供個性化定制服務。

開展智能航保服務新業(yè)態(tài)研究應用，加快“陸海空天底”綜合智能航保體系戰(zhàn)略研究和發(fā)展建設，陸地、水下、水上和空中提供多種導助航方式，最終形成“陸海空天底網(wǎng)”六位一體的智能化保障和服務模式。

4.3 航海保障服務產品優(yōu)化

為滿足自主航高新需求，在提供普通船舶傳統(tǒng)航海保障服務的基礎上，建議在以下幾個方面豐富和優(yōu)化產品服務：

（1）持續(xù)做好高精度差分北斗、GPS衛(wèi)星導航服務;

（2）完善AIS基站補點建設，做好系統(tǒng)和設備升級;

（3）海上浮標全覆蓋虛擬播發(fā);

（4）電子海圖智能推送和更新;

（5）進一步驗證VDES、NAVDAT系統(tǒng)，提交相關國際標準;

（6）充分利用海上浮標資源，推廣e-航海試點工程多功能標經(jīng)驗，多點采集風、浪、流等環(huán)境信息;

（7）開展三維電子海圖服務，結合虛擬的水上環(huán)境實景模型，為MASS岸基控制中心管理船舶和人員培訓提供支撐;

（8）開展智能數(shù)據(jù)中心建設，通過信息互通、數(shù)據(jù)共享，共同推動航海保障全要素服務;

（9）建設虛擬仿真系統(tǒng)，為人員培訓提供服務。

4.4 協(xié)同研發(fā)

縱觀國內外外MASS案例，一個共同的特點便是依靠行業(yè)生態(tài)鏈，生態(tài)鏈協(xié)調發(fā)展，才能有效推進MAAS進步。航海保障正置生態(tài)鏈支撐保障節(jié)點，智能航保為自主船提供了可供分析、處理和決策的外部信息材料。航海保障部門在自主研究基礎上，應加強與科研院校合作，開展聯(lián)合攻關，由其在標準規(guī)范修制定方面。參與、推動試驗區(qū)建設，提前謀劃，為試驗區(qū)、測試場提供全要素航海保障服務。加強與港航、船舶用戶合作，掌握用戶需求變化，以便未來為用戶提供有效、高質量航海保障服務。

作者簡介：

張淑靜，高級工程師，（E—mail）544532504@qq.com，18920280516