李亞斌，王玉

（1．交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088；2．青島航運(yùn)發(fā)展研究院，山東 青島 266200；3．西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

近年來，智能船舶日益成為全球航運(yùn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，而船舶智能航行技術(shù)作為智能船舶的核心關(guān)鍵技術(shù)，是船舶智能化程度的最重要表征，也吸引航運(yùn)發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量人力、物力開展持續(xù)的研發(fā)。本文針對(duì)大型商船的智能航行技術(shù)研發(fā)、測(cè)試與應(yīng)用等方面最新進(jìn)展，搜集全球相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)，梳理、分析典型案例，總結(jié)技術(shù)發(fā)展規(guī)律，展望未來技術(shù)發(fā)展方向。

1 船舶智能航行的概念

“船舶智能航行”衍生于船舶智能化過程，目前并未形成業(yè)界統(tǒng)一的準(zhǔn)確定義。

2012年，由Fraunhofer CML 等8 家機(jī)構(gòu)合作的（Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks）項(xiàng)目，首次提出了“海上無人航行”概念。

2017年MSC 98 屆會(huì)議正式使用了“海上水面自主船舶”（Maritime Autonomous Surface Ships，MASS）一詞，此后丹麥在向國(guó)際海事組織遞交的報(bào)告中將自主船舶定義為“通過自動(dòng)化程序或系統(tǒng)提供決策支持，取代部分或全部船員操控及駕駛船舶工作，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的遠(yuǎn)程遙控”。

在2018年，國(guó)際海事組織將MASS 的自主等級(jí)分為4 級(jí)，分別為配備自動(dòng)系統(tǒng)和輔助決策的船舶、有船員在船的遠(yuǎn)程遙控船舶、無船員在船的遠(yuǎn)程遙控船舶和完全自主船舶，并強(qiáng)調(diào)一個(gè)航次可由“一個(gè)或多個(gè)自主等級(jí)”完成。

2019年12月3日，中國(guó)船級(jí)社發(fā)布《智能船舶規(guī)范》（2020），提出智能航行的基本功能為航路與航速設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及有條件的自主航行。

2021年12月，中國(guó)航海學(xué)會(huì)發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船舶智能航行系統(tǒng)等級(jí)劃分與技術(shù)水平評(píng)定》，明確提出“智能航行是由航行環(huán)境態(tài)勢(shì)感知、船舶操縱算法和信息處理等技術(shù)裝備或系統(tǒng)全部或部分代替人工實(shí)現(xiàn)船舶駕駛操作的航行狀態(tài)，包括輔助駕駛、遙控駕駛和自主駕駛?cè)N主要形式”。該定義遵循國(guó)際海事組織的MASS 等級(jí)劃定原則的基礎(chǔ)上，對(duì)智能航行系統(tǒng)的技術(shù)水平等級(jí)進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)分，并給出了基本的評(píng)定方法。

2 智能航行技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 歐盟國(guó)家

2017年5月起，康斯博格海事集團(tuán)（Kongsberg Gruppen）和雅苒（Yara）集團(tuán)聯(lián)合建造世界上第一艘全電力推進(jìn)零排放、自主航行的集裝箱船“Yara Birkeland”號(hào)，2021年11月，該船建成并進(jìn)入兩年的載人運(yùn)行測(cè)試期，計(jì)劃之后開啟無人自主航行。該船長(zhǎng)79.5 米，寬14.8 米，最大航速13 節(jié)，120 TEU，3200載重噸，8 個(gè)電池艙總?cè)萘窟_(dá)6.8 MWh。該輪計(jì)劃航行于挪威南部沿岸12 海里以內(nèi)水域，往返于37 海里內(nèi)的三個(gè)港口，替代40000 輛燃油卡車。該輪除智能航行功能外，還將聯(lián)合自動(dòng)跨運(yùn)車和自動(dòng)門式起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)貨物自動(dòng)裝卸。運(yùn)行初期，當(dāng)?shù)卮敖煌ü芾碇行膶⒙?lián)合船東開展該船舶運(yùn)行與環(huán)境監(jiān)測(cè)及緊急情況處理等。

2017年，拖輪運(yùn)營(yíng)商Svitzer A/S 與羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司合作，在28 米長(zhǎng)的Svitzer Hermod”號(hào)拖船開展了遠(yuǎn)程操控駕駛測(cè)試。船長(zhǎng)在遠(yuǎn)程作業(yè)中心遙控船舶進(jìn)行離泊、360°旋轉(zhuǎn)、航行后靠泊等。2021年初，雙方與美國(guó)船級(jí)社合作，共同研發(fā)世界上第一艘滿足當(dāng)?shù)睾Ｊ孪嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在岸遠(yuǎn)程遙控開展商業(yè)運(yùn)營(yíng)的拖輪。

2018年12月，芬蘭渡輪經(jīng)營(yíng)商FinFerries 與羅爾斯·羅伊斯聯(lián)合在帕爾加斯和瑙沃之間開展“FALCO”號(hào)汽車渡輪的自主航行測(cè)試。該船長(zhǎng)53.8 米，配備兩臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。測(cè)試完成了全程無人工干預(yù)的自主航行，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)靠離泊?；爻檀坝纱L(zhǎng)在庫(kù)爾圖遠(yuǎn)控中心遙控駕駛。該船裝配高精度感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)感知船舶周邊環(huán)境并回傳至遠(yuǎn)程控制中心，實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶運(yùn)行，必要時(shí)切換人工遙控駕駛。

2018年4月，瓦錫蘭科技集團(tuán)在83 米渡輪“Folgefonn”上進(jìn)行成功完成自動(dòng)靠離泊系統(tǒng)測(cè)試，該系統(tǒng)在離泊位約2000 米處被激活，船舶隨后逐步減速，并啟動(dòng)全自動(dòng)船位控制和靠泊操作，直到完全停靠泊位。離泊出港時(shí)操作順序相反。自動(dòng)靠離泊過程中，隨時(shí)可切換成手動(dòng)干預(yù)或控制。同年11月份，該船又通過預(yù)定義航線和航路控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了碼頭到碼頭的自主航行測(cè)試。在挪威海事局的見證下，全程不間斷地自主航行，訪問該船服務(wù)的三個(gè)港口。

2018年12月，基于現(xiàn)有船舶操控系統(tǒng)改造，配備了艾波比集團(tuán)（ABB）的動(dòng)力定位、環(huán)境態(tài)勢(shì)感知和電力推進(jìn)等系統(tǒng)的Suomenlinna II 號(hào)冰級(jí)客渡輪，在無人狀態(tài)下通過控制中心遠(yuǎn)程遙控駕駛，由碼頭起航，到達(dá)指定無船舶海域并返航，完成了遙控駕駛測(cè)試。

2.2 日本

2019年7月，日本三井造船等單位，利用“Shioji Maru”號(hào)訓(xùn)練船在開闊水域構(gòu)建的虛擬碼頭，完成了共54 次自動(dòng)靠離泊試驗(yàn)，獲取了較為豐富的測(cè)試數(shù)據(jù)。

2020年2月日本財(cái)團(tuán)發(fā)起，40 余家日本企業(yè)參加的MEGURI 2040 項(xiàng)目啟動(dòng)，旨在開展船舶智能航行技術(shù)研發(fā)與實(shí)踐，力爭(zhēng)到2040年50%的日本國(guó)內(nèi)航線船舶實(shí)現(xiàn)無人駕駛。2022年1～3月開展了6 型船舶的智能航行測(cè)試驗(yàn)證，包括：

（1）一艘小型旅游船在橫須賀市周圍海域航行1.7km，演示從出發(fā)到停靠的自主航行，包括自主避碰和自動(dòng)靠離泊。該船依靠光學(xué)攝像機(jī)、GPS 和AIS 組成的感知系統(tǒng)感知環(huán)境信息，并自動(dòng)連續(xù)控制車舵實(shí)現(xiàn)自主航行。

（2）222 米長(zhǎng)、15500 總噸的“Ro-Pax”號(hào)渡輪，從九州Shinmoji 到Iyonada 間240 公里長(zhǎng)的航線上開展了全自主航行測(cè)試，包括了約7 個(gè)小時(shí)、最大速度為26 節(jié)的航行測(cè)試，以及包含轉(zhuǎn)向、倒車功能的自動(dòng)靠離泊。

（3）“Mikage”號(hào)集裝箱船從福井縣的敦賀至鳥取縣的坂見門，完全自主航行了270 公里，靠泊時(shí)還開展了無人機(jī)輔助帶纜系泊作業(yè)測(cè)試。該船智能感知系統(tǒng)由AIS、導(dǎo)航雷達(dá)、可見光及紅外相機(jī)等，以便夜間使用。

（4）大型汽車渡輪“Sunflower Shiretoko”號(hào)從北海道的苫小牧到茨城縣的大來，在大約18 個(gè)小時(shí)內(nèi)自主航行了750 公里。該自主航行系統(tǒng)還支持自動(dòng)靠離泊和陸基遠(yuǎn)程遙控航行等功能。

（5）集裝箱船“朱雀”號(hào)（95 米，749 總噸）應(yīng)用自主航行系統(tǒng)，在東京灣和伊瑟灣之間完成了790 公里的往返自主航行測(cè)試。該系統(tǒng)包括船端導(dǎo)航系統(tǒng)、岸基監(jiān)視與遙控系統(tǒng)、船岸通信系統(tǒng)等組成。船隊(duì)運(yùn)行中心對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與應(yīng)急操作。東京灣日均交通流量約500 艘次，驗(yàn)證了繁忙水域船舶智能航行的可行性。

（6）長(zhǎng)11.83 米的兩棲船在群馬縣吾妻湖上自主航行約2 公里。除激光雷達(dá)、可見光相機(jī)、GPS、光纖陀螺儀等感知、導(dǎo)航設(shè)備外，該船還配備了水下聲吶，以滿足不同水位的水下避障需求。

2.3 韓國(guó)

韓國(guó)海洋與漁業(yè)部和貿(mào)易工業(yè)與能源部2020年啟動(dòng)自主水面船研發(fā)項(xiàng)目（Korean Autonomous Surface Ship Project,KASS），計(jì)劃用5年時(shí)間突破智能航行等船舶核心技術(shù)。

2020年10月，韓國(guó)三星重工基于38 米長(zhǎng)拖船“SAMSUNG T-8”號(hào)，對(duì)遠(yuǎn)程自主航行系統(tǒng)開展自主航行測(cè)試。該船裝有雷達(dá)、AIS、GPS 及360 度全景影像系統(tǒng)，并通過LTE/5G 移動(dòng)通信技術(shù)，將船舶周邊影像回傳至陸上控制中心實(shí)施對(duì)船舶的監(jiān)控。該船在無船員接入下航行至約10 公里外的目的地后安全返航，途中自行躲避1 公里半徑內(nèi)的他船及障礙物。

2021年9月，該自主船舶航行系統(tǒng)首次完成自主船舶對(duì)向航行避碰測(cè)試。9200 噸級(jí)教學(xué)實(shí)習(xí)船“世界路”號(hào)和“SAMSUNG T-8”號(hào)，以14 節(jié)的航速對(duì)遇航行，在最近會(huì)遇距離1 海里避讓通過，完成避碰過程。

2.4 俄羅斯

2019年3月起，俄羅斯Sitronics KT 公司牽頭，聯(lián)合多個(gè)機(jī)構(gòu)，開發(fā)了船舶智能航行系統(tǒng)和相關(guān)支持系統(tǒng)。在大量虛擬測(cè)試的基礎(chǔ)上，2021年5月起智能航行系統(tǒng)安裝于“Robochaya”號(hào)挖泥船、“Pola Anfisa”號(hào)雜貨船、“Mikhail Ulyanov”號(hào)破冰油輪開展了海上自主航行試驗(yàn)測(cè)試。

值得關(guān)注的是，2020年12月，俄羅斯政府批準(zhǔn)了懸掛該國(guó)國(guó)旗的船舶，在規(guī)定的水域、為期5年多時(shí)間，允許開展智能航行試驗(yàn)的法案。此外，俄羅斯司法部也在推進(jìn)關(guān)于自主船舶運(yùn)營(yíng)的國(guó)家法案審議工作，該法案規(guī)定了自主、半自主船舶的運(yùn)營(yíng)規(guī)則，船員和岸基操控人員、船東的權(quán)責(zé)，還明確了“自主船舶可由專門的組織運(yùn)營(yíng)”。

2.5 中國(guó)

2019年，智慧航海（青島）科技有限公司、珠海云州智能科技有限公司等，分別完成了“智騰”號(hào)、“筋斗云0”號(hào)小型智能航行實(shí)驗(yàn)測(cè)試船艇研發(fā)，開展了遙控駕駛、循跡航行、航線自主規(guī)劃和自主避碰等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2019年，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于船岸協(xié)同的船舶智能航行與控制關(guān)鍵技術(shù)”啟動(dòng)，該項(xiàng)目重點(diǎn)研究通航環(huán)境動(dòng)態(tài)重構(gòu)、航線智能優(yōu)化、船舶遠(yuǎn)程駕駛等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了船舶智能感知、遠(yuǎn)程駕駛、自主航行、網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)和平臺(tái)；成果分別在長(zhǎng)江干線、長(zhǎng)湖申運(yùn)河及青島沿海開展了測(cè)試與應(yīng)用示范，“智飛”號(hào)智能航行集裝箱船就是該項(xiàng)目的成果應(yīng)用示范船。該船總長(zhǎng)約117 米，寬17 米，設(shè)計(jì)航速12 節(jié)，排水量8000 噸，316TEU，具有人工、遠(yuǎn)程遙控駕駛和無人自主航行等駕駛模式，可實(shí)現(xiàn)航行環(huán)境智能感知、航線自主規(guī)劃、自主循跡航行、智能避碰、自動(dòng)靠離泊和遠(yuǎn)程遙控駕駛等，并在同船實(shí)現(xiàn)直流化和智能化。

3 總結(jié)與展望

沿海航區(qū)的小型渡船和港作拖輪等船舶，由于操縱性能良好、建改造成本較低，較為適合開展智能航行試驗(yàn)測(cè)試。由于法規(guī)及船岸通信保障等因素限制，大型船舶的長(zhǎng)航時(shí)、長(zhǎng)航程智能航行試驗(yàn)測(cè)試則相對(duì)滯后。船舶電氣化是 船舶智能航行的重要基礎(chǔ)，不僅可支撐船舶智能航行技術(shù)集成融合，而且可提升船舶相關(guān)功能系統(tǒng)的冗余度和可靠性。智能船舶主要感知手段有：導(dǎo)航雷達(dá)、激光雷達(dá)、AIS、可見光與紅外相機(jī)等設(shè)備。多種感知信息的快速、有效融合，進(jìn)而獲得正確的態(tài)勢(shì)認(rèn)知，對(duì)于智能航行十分關(guān)鍵，也是研發(fā)的難點(diǎn)；激光雷達(dá)由于探測(cè)距離相對(duì)較近等原因，目前在船舶避碰與航行中發(fā)揮的作用很有限。在中、日、韓等國(guó)的實(shí)踐應(yīng)充分證明，4G/5G 移動(dòng)通訊是近期船舶智能航行測(cè)試及應(yīng)用的有效通訊手段。沿海5G/700M 網(wǎng)絡(luò)單站覆蓋半徑可達(dá)50 公里,在船舶智能航行中可大有作為。

短期內(nèi)商船無人化還難以實(shí)現(xiàn)，自主航行或遙控駕駛均要有人監(jiān)督，在必要時(shí)能夠人工操控。但船舶智能航行技術(shù)應(yīng)用推廣，可減輕船員工作強(qiáng)度，降低人為因素導(dǎo)致的航行風(fēng)險(xiǎn)，減少在船船員數(shù)量。航行值班可由岸基遠(yuǎn)程逐步替代，并通過“一人管多船”的模式產(chǎn)生實(shí)際效益與“應(yīng)用邏輯”。