無人駕駛運(yùn)輸船發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

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(廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州 510727)

智能船舶的技術(shù)研究經(jīng)歷了從第一代僅限于船用設(shè)備智能監(jiān)控分析的智能船舶，第二代的包括人為監(jiān)控系統(tǒng)，給出決策支持建議的半自動(dòng)化航行的智能船舶逐漸向包括情景感知、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)操作優(yōu)化的第三代智能船舶和全自主化的無人駕駛第四代智能船舶邁進(jìn)[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新理念、新技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為無人駕駛技術(shù)發(fā)展注入了更強(qiáng)大的動(dòng)力，無人駕駛運(yùn)輸船逐步成為國(guó)內(nèi)外運(yùn)輸領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

1 發(fā)展背景

1.1 小型無人駕駛船艇

20世紀(jì)90年代，美國(guó)海軍研制出用于海上自動(dòng)搜索、偵查和自動(dòng)監(jiān)測(cè)的無人船并陸續(xù)研制出體系網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程控制海域安全系統(tǒng)[2]。國(guó)內(nèi)沈陽新光公司研制的無人駕駛海上探測(cè)船“天象一號(hào)”成功應(yīng)用于北京奧運(yùn)會(huì)期間青島奧帆賽的氣象服務(wù)保障工作。2009年，天津大學(xué)與國(guó)家海洋技術(shù)中心合作863項(xiàng)目開展小型水下自主觀測(cè)平臺(tái)研究。哈爾濱工程大學(xué)水下智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室完成了某型無人艇的設(shè)計(jì)和實(shí)艇建造等工作，并且開展了相關(guān)技術(shù)研究和海上試驗(yàn)。珠海云洲智能科技有限公司研發(fā)的全自動(dòng)無人船已形成系列產(chǎn)品并在全國(guó)推廣應(yīng)用。

目前關(guān)于無人船的研究偏重和集中于各型水下機(jī)器人和各類中、小型遙控?zé)o人船，主要用在海洋調(diào)查、監(jiān)測(cè)、測(cè)量、軍事用途等輕型應(yīng)用領(lǐng)域。這些無人船，準(zhǔn)確地說應(yīng)該稱之為無人艇，大多體積較小，長(zhǎng)度約2～15 m，速度較高，靜水航速最大可達(dá)40 kn左右，自重和載重較輕，重量大概1.5 t～10 t，可搭載100 kg左右的儀器設(shè)備和不同的工作模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，續(xù)航力在80～1 000 km左右，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)較為成熟。

1.2 無人駕駛運(yùn)輸船

隨著世界貿(mào)易量的持續(xù)增長(zhǎng)和貿(mào)易品種越來越豐富，各路航線日益繁忙，船舶系統(tǒng)越來越復(fù)雜，人力成本、船舶安全、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排等問題將更多公司的將目光引向未來市場(chǎng)前景更好的無人運(yùn)輸船隊(duì)。無人船相關(guān)技術(shù)的研究逐漸在向大型、運(yùn)輸型無人船方面發(fā)展。歐盟自2012年開始開展的MUNIN(海上無人駕駛智能網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航)項(xiàng)目，由Fraunhofer海運(yùn)物流和服務(wù)中心領(lǐng)導(dǎo)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和法律3個(gè)方面，對(duì)海上大型無人駕駛商用散貨船的運(yùn)行可行性進(jìn)行了評(píng)估。美國(guó)船級(jí)社在2014年3月批準(zhǔn)了一艘2 200 m3的無人駕駛液化天然氣駁船的建造，用于美國(guó)沿海水域船對(duì)船的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)或LNG散裝運(yùn)輸。作為目前全球無人船行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，羅爾斯羅伊斯公司已經(jīng)開發(fā)了無人船舶的虛擬藍(lán)本，并在2016年公布了其高級(jí)無人駕駛船舶應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃(AAWA)，公開了用在無人駕駛船隊(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控上的岸基操作控制中心的構(gòu)想[3]。此外，他們還聯(lián)手甲板機(jī)械巨頭麥基嘉公司合作研發(fā)無人集裝箱船貨物系統(tǒng)，目標(biāo)2025年提供世界上第一艘無人商船，圖1為該公司研發(fā)的無人運(yùn)輸船外觀。

全球最大的礦業(yè)集團(tuán)澳大利亞必和必拓(BHP Billiton)正在研發(fā)用于運(yùn)輸鐵礦石和煤炭等各類礦產(chǎn)的超大型自動(dòng)航行無人散貨船，預(yù)計(jì)在鐵礦石運(yùn)輸市場(chǎng)將節(jié)省費(fèi)用約860億美元。2016年6月，韓國(guó)宣布，將重點(diǎn)推動(dòng)無人駕駛的發(fā)展，開發(fā)通用聯(lián)合平臺(tái)技術(shù)項(xiàng)目，發(fā)展對(duì)于無人機(jī)、無人駕駛汽車和無人駕駛船至關(guān)重要的通用技術(shù)。挪威公司雅拉國(guó)際(Yara International)和導(dǎo)航系統(tǒng)制造商 Kongsberg 聯(lián)合開發(fā)的，采用全電力驅(qū)動(dòng)，可容納100～150個(gè)集裝箱，實(shí)現(xiàn)零排放，命名為“YARA Birkeland”的全球第一艘無人駕駛的運(yùn)輸船已計(jì)劃下水航行，前期將會(huì)有船員跟船操作，到 2019年轉(zhuǎn)為遙控操作，預(yù)計(jì)到2020年，將實(shí)現(xiàn)完全自主操作，圖2為YARA 和KONGSBERG聯(lián)合開發(fā)的無人運(yùn)輸船外觀。

在船級(jí)社方面，中國(guó)船級(jí)社在2015年率先發(fā)布了全球首部《智能船舶規(guī)范》。2016年7月，英國(guó)勞氏船級(jí)社(LR)也發(fā)布了智能船舶入級(jí)指導(dǎo)文件，基本囊括了自動(dòng)化船舶入級(jí)的各個(gè)方面。DNV-GL船級(jí)社也正在對(duì)采用電力推進(jìn)的無人駕駛船沿挪威海岸線進(jìn)行貨物運(yùn)輸?shù)目尚行赃M(jìn)行研究。

不難預(yù)見，未來10年自主航行的大型無人駕駛運(yùn)輸船將成為現(xiàn)實(shí)；未來20年內(nèi)遠(yuǎn)洋無人船將成為一種常態(tài)；無人駕駛船將徹底改變船舶設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)的格局。

2 無人駕駛運(yùn)輸船發(fā)展面臨的問題

2.1 相關(guān)規(guī)則規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化

實(shí)現(xiàn)無人駕駛船舶的技術(shù)條件已經(jīng)基本具備，距離首艘無人船下水試航也已經(jīng)為期不遠(yuǎn)。但是，更大的挑戰(zhàn)來自于與之運(yùn)營(yíng)相關(guān)的國(guó)際規(guī)則、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，無人駕駛船舶相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的認(rèn)證還未形成體系，國(guó)際范圍內(nèi)的無人駕駛船舶系統(tǒng)的兼容性和通用性尚有待商榷。

以瑞典為主導(dǎo)國(guó)的歐洲無人駕駛海事系統(tǒng)安全與監(jiān)管機(jī)構(gòu)(SARUMS)和英國(guó)的海事無人駕駛監(jiān)管工作小組正在研究修改法規(guī)以明確這些問題，以期在《國(guó)際海上生命安全公約》更新迭代時(shí)，能夠反映相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展。中國(guó)船級(jí)社CCS、英國(guó)勞氏船級(jí)社LR、DNV-GL等一些船級(jí)社也在籌備并陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)方面的規(guī)則規(guī)范。

2.2 相關(guān)配套體系一體化建設(shè)

無人駕駛船舶的發(fā)展需要一整套新模式的船舶設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)、服務(wù)協(xié)同的基礎(chǔ)環(huán)境，包括智能化的設(shè)計(jì)、建造，一定規(guī)模市場(chǎng)需求的船配設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)品，全球化的標(biāo)準(zhǔn)售后服務(wù)，通用的航行區(qū)域，配套的港口設(shè)施，標(biāo)準(zhǔn)化的船舶物流調(diào)度以及船隊(duì)運(yùn)營(yíng)管理監(jiān)督等。

在無人駕駛船舶的航行區(qū)域方面，世界上第一個(gè)被指定用于測(cè)試無人駕駛船舶進(jìn)行相關(guān)自主航行海試試驗(yàn)的地方是在特隆赫姆峽灣，由挪威海事局和挪威海岸管理局聯(lián)合批準(zhǔn)。同時(shí)，芬蘭當(dāng)局和海洋工業(yè)協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)都也在致力于推動(dòng)在波羅的海展開無人海洋運(yùn)輸?shù)奶剿?。在無人駕駛船舶的船配設(shè)備方面，麥基嘉公司在致力于研發(fā)更加安全、高效的無人集裝箱船貨物處理系統(tǒng)；羅羅公司聯(lián)合芬蘭VTT技術(shù)研究中心等在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行探索，并將在芬蘭建立自主航運(yùn)聯(lián)盟的研發(fā)中心。著名跨國(guó)公司Kongsberg負(fù)責(zé)開發(fā)并交付全球第一艘無人駕駛的運(yùn)輸船“YARA Birkeland”的用于遠(yuǎn)程遙控和自主操作所需的傳感器和集成電路，以及電力驅(qū)動(dòng)、電池和推進(jìn)控制系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)也有設(shè)備廠家致力于無人船的自助式感知設(shè)備和設(shè)備管理系統(tǒng)研發(fā)，但這些設(shè)備和方案也都尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；?。

更多的關(guān)于無人駕駛船舶的相關(guān)配套體系一體化建設(shè)問題還要依賴于無人船的進(jìn)一步發(fā)展來推動(dòng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

未來的無人駕駛運(yùn)輸船將是在市場(chǎng)需求引導(dǎo)下的船東個(gè)性定制化的產(chǎn)品，但是一些關(guān)于無人船的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)卻是具有普適性的。這些技術(shù)主要體現(xiàn)在作為船舶“心臟”的推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)方案、作為船舶“神經(jīng)末梢”的全船感知系統(tǒng)的構(gòu)建、作為船舶“醫(yī)生”的設(shè)備全生命周期管理、作為船舶“虛擬船長(zhǎng)”的航行控制系統(tǒng)，以及作為船舶“大本營(yíng)”的岸海一體信息化服務(wù)體系等。

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多傳感器信息融合的全船感知系統(tǒng)構(gòu)建

無人駕駛船舶必須借助大量的傳感器和設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶自身狀態(tài)信息和周圍環(huán)境信息的全面感知，并利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析、評(píng)估、判斷，進(jìn)而輔助船舶操縱控制決策，保證船舶能夠更安全、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更智能化地航行。船舶信息感知通常是以機(jī)艙自動(dòng)化設(shè)備和駕駛室導(dǎo)航與自動(dòng)駕駛設(shè)備為基礎(chǔ)，感知的信息可分為自身狀態(tài)信息，如船舶機(jī)艙、駕駛臺(tái)、貨艙內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)信息和船舶航行的位置、航速、航向等航行狀態(tài)信息等，以及船舶周圍環(huán)境信息，如海洋水文環(huán)境、周圍船舶和障礙物目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別、港口、物流等信息。無人駕駛船舶相對(duì)于傳統(tǒng)船舶，全船感知系統(tǒng)涉及的多源異類異步傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)中的信號(hào)種類更多、精度要求更高、數(shù)據(jù)量更大、信息間存在冗余和沖突問題，需要結(jié)合最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多種先進(jìn)的信息處理技術(shù)進(jìn)行多傳感器信息融合的進(jìn)一步研究。

3.2 基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和容錯(cuò)控制的設(shè)備全生命周期管理

船舶設(shè)備的正常狀態(tài)對(duì)于船舶的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，而無人駕駛船舶則對(duì)船舶設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷提出了更高、更嚴(yán)格的要求。首先，要建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)觀測(cè)預(yù)報(bào)。通過監(jiān)控設(shè)備的健康狀況，判斷設(shè)備是否處于穩(wěn)定狀態(tài)或是正在惡化，預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)[4]。其次，要對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行故障診斷并進(jìn)行容錯(cuò)控制。在對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)觀測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)狀態(tài)觀測(cè)所獲得的狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析處理結(jié)果，判斷設(shè)備是否處于異常狀態(tài)或故障狀態(tài)，判定異常狀態(tài)發(fā)生的位置和原因，同時(shí)對(duì)故障狀態(tài)下的設(shè)備進(jìn)行自主維修、自動(dòng)清洗、自動(dòng)更換設(shè)備部件等自主化的容錯(cuò)控制，以提高設(shè)備效率和運(yùn)行可靠性，保證目標(biāo)任務(wù)的完成和船舶的安全性。對(duì)于無人駕駛可以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用智能診斷技術(shù)、云計(jì)算和多尺度分析方法來構(gòu)建船舶設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和容錯(cuò)控制系統(tǒng)，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，促進(jìn)船舶安全、高效運(yùn)營(yíng)。

3.3 基于綜合橋樓“虛擬船長(zhǎng)”的路徑規(guī)劃和自主避障航行控制

綜合橋樓控制系統(tǒng)是現(xiàn)階段船舶高度信息化、智能化發(fā)展的產(chǎn)物。無人駕駛船舶將在現(xiàn)有綜合橋樓控制系統(tǒng)的功能和技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)公司船期信息、客戶貨期信息、航行水域海洋環(huán)境信息、航道船舶密度和交通流控制信息等，進(jìn)行綜合分析和處理，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等以最優(yōu)化的方案對(duì)船舶航路和航速進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化[5-6]。借助岸基中心，通過對(duì)船舶自身航行狀態(tài)信息和航行環(huán)境的監(jiān)測(cè)以及對(duì)周圍船舶和障礙物目標(biāo)信息探測(cè)和識(shí)別，利用國(guó)際船舶避碰規(guī)則、專家系統(tǒng)理論、智能控制理論等建立船舶智能避碰信息處理和決策支持系統(tǒng)，進(jìn)行基于“虛擬船長(zhǎng)”整合算法的船舶合理避碰方案選擇選擇和正確航行操作融合決策，使船舶能在不同的航行環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)自主避障航行和自動(dòng)靠泊、離岸。

3.4 基于船舶性能監(jiān)測(cè)和智能貨控的綜合能效控制管理

國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)于船舶有EEDI(新造船設(shè)計(jì)能效指數(shù))、EEOI(船舶營(yíng)運(yùn)能效指數(shù))等能效管控方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。無人駕駛船舶的發(fā)展必將順應(yīng)并引領(lǐng)未來綠色船舶的全球發(fā)展潮流，對(duì)于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、性能、環(huán)境與無人駕駛運(yùn)輸船舶能耗間的關(guān)系也值得進(jìn)一步深入地研究。無人駕駛船舶通過船舶性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智能化的貨物管理系統(tǒng)，一方面，分析通航外部環(huán)境、自身裝載量、吃水、主機(jī)功率(轉(zhuǎn)速)等參數(shù)因素與船舶營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)EEOI之間的內(nèi)在關(guān)系，在保證船舶安全和營(yíng)運(yùn)效率的前提下，通過優(yōu)化控制船舶航速、裝載量、吃水、航線等，以最大限度降低EEOI指數(shù)；另一方面，對(duì)貨物裝載情況和貨品保存狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，合理調(diào)配貨物儲(chǔ)存、運(yùn)輸所需的電力和資源消耗，例如對(duì)于載有冷藏型無人駕駛運(yùn)輸船，通過對(duì)貨物溫度、濕度、環(huán)境等狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)，合智能化地調(diào)配用于貨物冷藏的通風(fēng)、制冷等的電力負(fù)荷消耗，在降低EEOI指數(shù)的情況下，提供更加安全、高效、環(huán)保的貨物管理系統(tǒng)。

3.5 基于遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的岸海一體的智能信息服務(wù)體系

無人駕駛船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理是一套能夠?qū)⑦h(yuǎn)洋船舶現(xiàn)場(chǎng)的海況信息、航行信息、設(shè)備信息、工作文件等船舶實(shí)時(shí)信息向岸上控制中心傳輸?shù)拇芭c岸基一體化智能信息服務(wù)體系。通過海岸一體化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，可以為船舶提供更全面、更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)岸基對(duì)船舶的全程追蹤和監(jiān)控管理，提供及時(shí)、必要的操作指導(dǎo)和緊急情況下的干預(yù)，利用大數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程控制、虛擬現(xiàn)實(shí)等實(shí)現(xiàn)船舶的智能故障維修與日常維護(hù)，可以很大程度上節(jié)約備件的配備成本。數(shù)據(jù)共享是該系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵[7]，必須依靠衛(wèi)星通訊和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)距離的信息傳輸將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、共享。這些數(shù)據(jù)涉及到船舶運(yùn)營(yíng)信息等商業(yè)秘密，數(shù)據(jù)安全是必須考慮和重視的問題；而且長(zhǎng)距離傳輸?shù)碾姶鸥蓴_也是一大挑戰(zhàn)，保證傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性和數(shù)據(jù)安全是系統(tǒng)運(yùn)行的保障。

4 結(jié)論

無人駕駛運(yùn)輸船具有更安全、更高效、更節(jié)省成本、更綠色環(huán)保等多方面的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用需求和發(fā)展前景，是未來運(yùn)輸船發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)對(duì)于無人駕駛運(yùn)輸船的研究起步晚，技術(shù)比較落后，主要還集中于針對(duì)局部子系統(tǒng)問題的理論研究，對(duì)無人駕駛運(yùn)輸船舶的整體系統(tǒng)集成、設(shè)計(jì)、建造研究較少。從未來發(fā)展角度來看，必須加快、加大無人駕駛運(yùn)輸船舶的研究步伐和研發(fā)力度。