船舶避碰模式智能化探討

摘? 要：在全球大力發(fā)展海洋經(jīng)濟和國家高度重視海洋強國戰(zhàn)略的大背景下，為了加快現(xiàn)代信息、人工智能等高新技術與航運要素的深度融合，筆者探索智能化的船舶航行避碰模式，期望培育和發(fā)展智能航運新業(yè)態(tài)。如今，自動化駕駛及遠程操控技術已在很多領域嶄露頭角，筆者通過對現(xiàn)有技術分析從而就航海智能化在船舶航行避碰中的運用進行探討 ，旨在更好地保障船舶航行安全。

關鍵詞：船舶航行避碰；區(qū)塊鏈；大數(shù)據(jù)；云計算；通信技術

0 引 言

目前，國際海事組織（IMO）正在推進電子航海（e-Navigation）戰(zhàn)略，旨在增強航海信息化，同時也推動航海科學技術，尤其是船舶駕駛自動化與航海智能化的發(fā)展，這樣可以減少人為失誤及減輕航海人員的工作負荷，并在船舶航行避碰方面發(fā)揮出卓越的成效。隨著智能化時代的到來，航海技術發(fā)展面臨新時代的機遇和挑戰(zhàn)，必須進行改革創(chuàng)新，與時俱進。

1 船舶航行避碰手段的發(fā)展歷程

1.1? 20世紀八九十年代的船舶航行避碰手段

在20世紀八九十年代，船舶主要是通過船載雷達、望遠鏡和甚高頻電話（VHF）來處理船舶航行避碰問題，雷達標繪和海圖定位是主要判斷依據(jù)。當時，雷達設備的功能也不完善，使用便捷度較低，經(jīng)常會受到天氣海況的影響。由于沒有雷達自動標繪（以下簡稱ARPA）和船舶自動識別系統(tǒng)（以下簡稱AIS），同時摻雜著人為因素及通訊環(huán)境的影響，用甚高頻與他船聯(lián)系有時會產生誤會。

1.2 現(xiàn)代船舶的航行避碰手段

隨著船舶大型化及現(xiàn)代化，普遍配備了ARPA、AIS、電子海圖及綜合導航儀等先進設備，顯著提高了船舶間通訊及實時核查周圍通航情況的效率。雷達上捕捉的船舶信息中通常會顯示最近會遇距離（以下簡稱CPA）和抵達最近會遇點的時間（以下簡稱TCPA），不用進行人工雷達標繪，更加直觀地判斷碰撞風險并且減小誤差。可近些來年，每年還是會出現(xiàn)多起由于船舶航行避碰不當而發(fā)生的重大海事，主要原因為：

（1）人們過分依賴和信任電子設備，忽視核查數(shù)據(jù)的準確性；

（2）船舶之間的設備先進化程度差異較大；

（3）船舶大型化且最高船速相對于20世紀八九十年代有了質的飛躍，導致事故的嚴重程度也明顯增加；

（4）人為因素影響仍然占據(jù)主導地位，傾向于協(xié)調避讓，容易產生誤會。

2 在船舶航行避碰領域中可運用的科學技術

2.1大數(shù)據(jù)

目前，船舶航行數(shù)據(jù)和相關資料主要是從全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)、ARPA、AIS、測深儀、計程儀、全球海上遇險與安全系統(tǒng)等設備中獲取的，通過岸基網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信進行船船或船岸傳輸。由這些數(shù)據(jù)可以得知實時船速、航向、最近會遇距離、抵達最近會遇點的時間、來船過本船船首的距離、來船過本船船首的時間等相關參數(shù)。但由于數(shù)據(jù)傳輸和通信機制需要人工干預，也暴露出數(shù)據(jù)傳輸延誤甚至發(fā)生錯誤的缺點，因此有必要研制智能的船舶綜合數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸系統(tǒng)。引入大數(shù)據(jù)模塊來收集全球可航水域范圍內所有船舶的實時數(shù)據(jù)和信息并在最短時間內尋找其相關性，然后進行分析及核準，最后以多種格式或形態(tài)直接傳輸?shù)綍r空高通量的航海智能云數(shù)據(jù)庫中，同時感知、通信、物聯(lián)、智能等方面新技術發(fā)展也可以為航海智能云數(shù)據(jù)庫服務，最重要的是確保數(shù)據(jù)的時效性、準確性及可追溯性。

2.2云計算

在航海中，目前大多數(shù)船舶航行數(shù)據(jù)是通過AIS得到的。雖然較20世紀八九十年代有了很大改善，但人為因素占據(jù)主導地位，仍會產生很多風險，例如：AIS出現(xiàn)故障，船舶不開啟AIS等等。這就需要云計算的“幫助”，首先它能有效兼容各個船舶設備及服務器中傳導出來的并且經(jīng)過大數(shù)據(jù)收集整合過的海量航海云數(shù)據(jù)，然后讓它們進行交互和關聯(lián)，形成時空高通量的智能云數(shù)據(jù)聯(lián)絡網(wǎng)，對這些數(shù)據(jù)進行動態(tài)伸縮，實現(xiàn)基礎資源的網(wǎng)絡冗余，不斷進行實時添加、刪除、修改。同時在數(shù)據(jù)閑置的情況下采取節(jié)能措施，給數(shù)據(jù)平臺“減壓”，提高部分數(shù)據(jù)利用率，進一步保障高通量云數(shù)據(jù)的時效性。

2.3區(qū)塊鏈

目前，船舶數(shù)據(jù)在規(guī)范性及嚴密性方面是缺乏保障的，一旦出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)就會形成“多米諾骨牌”效應，后果不堪設想。區(qū)塊鏈模塊的引入可以解決這個問題，由于區(qū)塊鏈采用基于協(xié)商一致的規(guī)范和協(xié)議，這可以使全球船舶數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的所有節(jié)點能夠自由安全地交換數(shù)據(jù)，屏蔽任何人為干預。一旦這些數(shù)據(jù)經(jīng)過驗證并添加至區(qū)塊鏈，就會永久的存儲起來，除非能夠同時控制住系統(tǒng)中超過51%的節(jié)點，否則單個節(jié)點上對數(shù)據(jù)庫的修改是無效的，顯著提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，形成時空高通量的智能云數(shù)據(jù)信任網(wǎng)。

3 智能化模塊在船舶航行避碰中的運用

未來在船舶設備中可以引入智能化模塊，將時空高通量的智能航海云數(shù)據(jù)庫同步到這些模塊，然后結合實時氣象海況和周圍船舶情況進行分析，總結出幾套最優(yōu)航行避碰方案，包括船速、航向等方面的區(qū)間范圍以供船方選擇。首先方案不局限于某個區(qū)域內單船與單船、單船與多船甚至可以進行自助區(qū)域選擇，以單船為中心的某個區(qū)域與相鄰區(qū)域船舶的會遇預案。在實施方案的過程中可以根據(jù)船舶數(shù)據(jù)的變化及時做出更新，目的是提供實時最優(yōu)方案，而且還可以增加方案實施后的效果預判功能，通過選擇預計時間節(jié)點來完成，這個效果預判是針對整個局面而不只是本船的，所以更加具有參考價值。另外，還需要引入預警功能，我們現(xiàn)在雷達上的預警功能是提示本船與他船之間的碰撞危險，那么智能化的報警功能則可以做到對整個區(qū)域范圍內所有船舶的監(jiān)控，如果在所有船舶采用最優(yōu)方案的前提下仍然不能避免緊迫危險甚至是事故的發(fā)生，就立即對重點船發(fā)出預警，這時需要進行人工干預，直到預警消除后再繼續(xù)進行智能化操作。

效果流程如圖1所示：

4 實施難點分析

4.1原始數(shù)據(jù)采集

目前，仍有部分船舶沒有AIS，只能通過雷達來獲取其航行數(shù)據(jù)，雷達數(shù)據(jù)獲取的延遲性及錯誤率要遠高于AIS信息數(shù)據(jù)，有可能會被作為“不可信任的數(shù)據(jù)”處理。

4.2 智能化航海模塊的全面配備

在初始階段，智能化模塊應用成本肯定會比較高，畢竟前期數(shù)據(jù)采集和分析都需要投入大量的人力、物力及其他相關資源。在后續(xù)的應用過程中，也需要保障船舶數(shù)據(jù)的時效性和準確性并進行相關系統(tǒng)維護保養(yǎng)。

4.3 現(xiàn)有的雷達及AIS信息無法滿足智能化數(shù)據(jù)的時效性

航海雷達無法獲取目標船的即時速度和船首向等航行狀態(tài)信息，AIS傳輸數(shù)據(jù)的頻率則根據(jù)船舶的運動狀態(tài)而變化，短則幾秒，多則幾分鐘，但智能化航行避碰系統(tǒng)是需要高頻率實時更新的航行數(shù)據(jù)來運作的。

4.4 難以完全實現(xiàn)智能危險識別和避碰決策

人工智能難以解決特殊情況下的避碰局面，例如船舶突然失控、多船會遇等，并且無法直接植入需要有豐富航海經(jīng)驗才能培養(yǎng)出的“良好的船藝”技術。

4.5智能化系統(tǒng)維護與航行安全保障

任何系統(tǒng)都有失靈的可能，一旦出現(xiàn)類似問題將直接危及船舶航行安全。

5 解決難點的可預期技術模塊

5.1 衛(wèi)星通信

如今，海上通信技術應用常用的有低頻通信技術應用、中/高頻通信技術的應用、甚高頻海岸電臺（語音通信）、超高頻無線通信、 GMDSS系統(tǒng)等。美國太空探索技術公司正研制星鏈計劃，準備在2019年至2024年間向近地軌道發(fā)射12 000顆小型衛(wèi)星，后續(xù)還將發(fā)射30 000顆小型衛(wèi)星，主要可以為光纜和地面基站無法達到的偏遠地區(qū)提供網(wǎng)絡服務，未來全球可航水域的所有船舶都可以接收網(wǎng)絡信號。星鏈計劃建成后，會以低廉的價格、更好的網(wǎng)速和互聯(lián)網(wǎng)服務用于民用，相當于給全球裝了WIFI。對于無船舶自動識別系統(tǒng)的船舶只需要船員的手機定位就能輕松跟蹤船舶航行數(shù)據(jù)，從而添加到時空高通量的智能航海云數(shù)據(jù)庫中。

5.2 升級AIS系統(tǒng)

航海智能化的核心就是數(shù)據(jù)采集，通過對所采集的數(shù)據(jù)進行整理和編輯形成云數(shù)據(jù)，然后進行全世界范圍內的互聯(lián)互通，從而打造出船舶航行的云環(huán)境。目前，數(shù)據(jù)主要渠道有：氣象系統(tǒng)、AIS基站、無人機船磁探測、近海雷達光電聯(lián)動系統(tǒng)、多普勒近岸雷達系統(tǒng)、海事雷達系統(tǒng)、高頻地波雷達系統(tǒng)等等。其中對于智能化避碰系統(tǒng)最重要的是船舶航行數(shù)據(jù)，主要由AIS和雷達提供，而目前AIS數(shù)據(jù)傳輸國際標準是動態(tài)數(shù)據(jù)30 s發(fā)送一次，靜態(tài)數(shù)據(jù)每5 min發(fā)射一次，顯然無法滿足智能化系統(tǒng)關于數(shù)據(jù)時效性的要求。另外，信號基站覆蓋率低，信號傳輸距離也短，A級發(fā)射距離30 n mile內，而B級只能保證10 n mile。我們可以升級AIS系統(tǒng)，利用類似星鏈計劃中的衛(wèi)星信號來傳輸船舶數(shù)據(jù)，星鏈衛(wèi)星傳遞信號速度是5G的50倍，由于使用的是低軌道衛(wèi)星，因此可以將延遲控制在25 ～ 35 ms之間。同時，該計劃中的近地軌道衛(wèi)星信號可以覆蓋全球所有可航水域，這樣就可以保障智能航海云數(shù)據(jù)庫的時效性及廣覆蓋面。

5.3 加強人工智能自主學習并定期進行系統(tǒng)升級

當遇到特殊情況時需要通過良好的船藝及協(xié)調避讓來進行人工干預，面對不同船型、不同水域環(huán)境需要采取不同的避讓方案。在每次人工干預后，人工智能通過自主學習來保存方案并上傳至智能云數(shù)據(jù)庫，后臺數(shù)據(jù)維護專家團隊進行審核，定期進行方案匯總并制作升級包供用戶下載植入系統(tǒng)，如再遇到類似特殊情況就不需要人工干預了，久而久之智能化航行避碰系統(tǒng)解決問題的能力將會越來越強大。

5.4 AR導航系統(tǒng)

FURUNO ENVISION系列是古野公司探索的最新最先進的“AR導航系統(tǒng)”（現(xiàn)實增強導航系統(tǒng)），它利用對著外部的攝像頭在顯示器上投射其他船舶影像，并且可在圖像上疊加探測到的航行數(shù)據(jù)，即使在視野很差或者惡劣氣象海況下，依然可以做到。通過調整范圍來控制屏幕物標顯示數(shù)量，根據(jù)不同的CPA和TCPA用顏色進行劃分，任何情況下都能提供可靠的數(shù)據(jù)。雖然目前的AR導航系統(tǒng)還屬于初級階段，但是可以預見的是隨著科技的進步，AR導航系統(tǒng)會不斷更新?lián)Q代，更好地保障智能化航行避碰系統(tǒng)的可靠性。

5.5 智能化航海的航行安全保障

使用智能化航行避碰系統(tǒng)的船舶必須配備備用系統(tǒng)，同時對于收集到的實時數(shù)據(jù)及時進行備份，確保數(shù)據(jù)鏈實時完整。另外在未來的很長時間內智能化航行避碰系統(tǒng)只能作為輔助設備，旨在減緩船員們的工作負荷，但船員扎實的航海技術和良好的船藝始終是最好的保障，平時仍要保持嚴格的訓練和學習，做到有備無患。

6 結束語

自從18世紀中葉蒸汽機時代的來臨，船舶發(fā)展也歷經(jīng)了三次工業(yè)革命，船舶設備及動力裝置不斷改進，航行安全也有了很大的保障。但時代的發(fā)展腳步是永不停歇的，人工智能的問世將引領“工業(yè)革命4.0”，如果說前三次工業(yè)革命是改善船舶的主體軀干和內能動力，那么第四次工業(yè)革命會給船舶裝上“大腦”，將現(xiàn)代智能及信息技術與航行安全相結合，實現(xiàn)船舶航行云環(huán)境中的資源共享及互通，給航海智能化夯實堅固的基礎，為我們船舶安全航行保駕護航，當然未來還可以在航海領域的其他方面得以應用，航運業(yè)的發(fā)展也將逐漸進入嶄新的時代。

參考文獻

[1]吳兆麟.無人駕駛船舶發(fā)展與航海教育對策Development of Unmanned Ships and Strategy of Maritime Education［J］.《中國航海期刊》，2018，040（004）：99－103.

[2]丁寶喜.“無人”關前幾座山？［J］.《中國船檢期刊》，2019，01（224）：37－42.

[3]章洪波；馮惠新.基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)站信息安全防護方法［J］.《電腦與信息技術》，2020，28（4）：57－60.

[4]李董；魏進武.區(qū)塊鏈技術發(fā)展助力運營商支撐產業(yè)互聯(lián)網(wǎng)［J］.《信息通信技術期刊》，2018，03：8－12.

[5]楊世雄.VR/AR技術對船舶工業(yè)領域的影響［J］.《中國船檢》，2020（02）：54－57.

[6]周鈺哲.“星鏈”增新計劃影響分析及啟示［N］.《中國計算機報》，2020，8.

作者簡介：

唐英杰，上海港引航員，（E-mail）745534681@qq.com，15000580421