自主水面貨船研究現(xiàn)狀與展望

吳青，王樂，劉佳侖

（1. 武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063; 2. 武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢430063; 3. 國家水運安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063）

2015年9月 ，英國勞氏船級社(LR)、奎納蒂克集團和南安普頓大學(xué)合作推出了《全球海洋技術(shù)趨勢2030》(GMTT 2030)報告，把智能船舶列為未來8個海洋關(guān)鍵技術(shù)之一。2017年6月，國際海事組織海上安全委員會第98屆會議于倫敦IMO總部召開。會議在“無人船、智能船、智慧船、自動船”等業(yè)內(nèi)多種命名的基礎(chǔ)上提出了海事自主水面船的概念：海事自主水面船被定義為能在不同程度上可以獨立于與人類交互作用獨立運行的船舶[1]。同時，會議將“關(guān)于使用海事自主水面船舶的監(jiān)管范圍界定工作”列入議程。建議航運界、相關(guān)科研院所盡早投入海上自主船的相關(guān)研究，研發(fā)不同級別智能化或自動化的船舶。首先在港區(qū)作業(yè)、短程干貨運輸、小型特種作業(yè)船舶實現(xiàn)半自動化甚至全自動化操作，再考慮遠程貨物運輸?shù)淖詣踊痆2]。本文將基于海事自主水面船舶，聚焦其中運輸用途的自主水面貨船進行概述。

與自主水面貨船研究相關(guān)的是小型無人水面船。無人水面船是智能船舶的高級形式。根據(jù)海軍無人水面船總體規(guī)劃[3]，“無人”被定義為“能夠無人操作，也可以載人或測試及評估，具有不同程度的自主性”?！八娲啊睆娬{(diào)船舶與水面有接近且連續(xù)的接觸。小型無人水面船又稱為無人艇。根據(jù)中國船級社無人水面艇檢驗指南[4]，無人艇是無人水面艇的簡稱，系指一種直接通過自主航行或遠程遙控以實現(xiàn)正常航行、操縱及作業(yè)的水面小艇。無人艇可通過搭載各種任務(wù)載荷執(zhí)行指定任務(wù)。無人艇系統(tǒng)包括平臺、任務(wù)載荷、通信系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。

當前無人水面船以無人水面艇的研究為主，用于安防、調(diào)查、科考等領(lǐng)域。自主水面貨船為未來無人航運發(fā)展的重要載體，主要負責裝載貨物，在海洋上航行，到達目的地港口后卸載貨物，再裝上新的貨物，并前往下一個港口?！柏浳铩笔侵复斑\輸?shù)乃形锲罚ù叭剂?、固體或液體壓載物、船上使用的消耗品、船舶的永久性裝備及備用裝備。

大量研究表明，人為因素是船舶安全事故發(fā)生的主要原因，由此導(dǎo)致的事故占總事故的86%～96%[5]。船舶一旦發(fā)生安全事故，將會造成人員傷亡、危險品泄露、交通中斷等嚴重后果，產(chǎn)生不良的經(jīng)濟和社會影響，如“東方之星”及“歲月號”沉船事件。其次，為控制二氧化碳等溫室氣體的排放，國際海事組織建立的全球碳排放交易機制和船舶能效設(shè)計指數(shù)(energy efficiency design index，EEDI)正在有序推進，航運業(yè)減少溫室氣體排放成為必然的趨勢。

隨著船舶智能化水平的不斷提升，機艙值班無人化、輔助駕駛技術(shù)、故障自診斷技術(shù)的發(fā)展使船舶配員逐漸較少，不僅能夠解決海上專業(yè)人才越來越短缺的困局，同時無需設(shè)置船員生活區(qū)，節(jié)省了空間、成本，降低了環(huán)境污染。全球最大船舶設(shè)備供應(yīng)商之一的英國Rolls-Royce公司在其無人自主駕駛貨船項目研究中指出，如果采用自主駕駛技術(shù)，一艘貨船的運行效率將有望提高，同時碳排放減少。因此，基于以上提高船舶安全性、節(jié)能減排、勞動力成本下降的需求，發(fā)展自主水面貨船對于航運業(yè)及國家的發(fā)展有重要意義。

1 水路運載工具的發(fā)展及分類

水路運載工具目前正在從傳統(tǒng)機械向半自動化再到全自動化無人駕駛發(fā)展。海事自主水面船舶(maritime autonomous surface ships，MASS)將分階段實現(xiàn)，在實現(xiàn)“無人操作”之前，具有遠程控制或具有部分自主功能的載人船將被長期廣泛使用。綜合水路載運工具的發(fā)展過程，提出如圖1所示的水路運載工具發(fā)展及分類。

1.1 常規(guī)船舶

當前絕大多數(shù)船舶都屬于常規(guī)船只，無自動化，無決策過程，由駕駛?cè)巳珯?quán)操作船舶，系統(tǒng)可提供駕駛所需的基本信息。

1.2 智能船舶

通過使用智能傳感器監(jiān)測和控制船舶部件，例如推進和操縱系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)整船信息感知和整合，使其具有基于機器學(xué)習(xí)技術(shù)的決策能力?？梢灾鸩教娲祟惤巧?減少船員)，如系統(tǒng)檢測和結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測。在智能船舶階段中逐步進行以下發(fā)展。

1) 增強駕駛

通過使用傳感器等設(shè)備，輔助船員提高感知和認知能力。給船員提供航行狀態(tài)及環(huán)境等信息，但并不負責做出決策，仍采用常規(guī)人工駕駛，不減員。系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境信息增強感知能力。人與系統(tǒng)工作負荷比約為9∶1。

2) 輔助駕駛

采用常規(guī)人工駕駛，可以少量減員。系統(tǒng)執(zhí)行部分如自動加減速駕駛等，可提供簡單決策方案。人與系統(tǒng)工作負荷比約為7∶3。

3) 船端人船協(xié)同

采用系統(tǒng)駕駛，可適當減員。系統(tǒng)可提供決策或控制的引導(dǎo)信息。人與系統(tǒng)工作負荷比約為5∶5。

4) 岸端人船協(xié)同

采用系統(tǒng)駕駛，大量減員。系統(tǒng)完成所有駕駛操作及環(huán)境監(jiān)控，提供航行、避障場景自主決策。根據(jù)系統(tǒng)請求，船長需提供適當干預(yù)。人與系統(tǒng)工作負荷比約為3∶7。

5) 自主船舶

能夠完全自主航行并避免碰撞，由僅需岸基操作員到逐步實現(xiàn)無人操作。在自主船舶階段中逐步進行以下發(fā)展。

① 自主航行船舶

系統(tǒng)駕駛，全部減員。根據(jù)系統(tǒng)請求，船長可不做出響應(yīng)。人與系統(tǒng)工作負荷比約為1：9。能夠完全自主航行并避免碰撞，且在船岸通訊連接丟失時仍有能力航行。僅需操作員參與港口機動、靠泊和離港工作，能在復(fù)雜的航道中航行。即只需要岸基操作員，不需要船員。

② 無人駕駛船舶

有能力自主航行、自主裝卸及靠離泊。整個水上運輸過程不需要人力，屬于真正的無人自主階段。

水路運載工具的發(fā)展過程中，尤其是發(fā)展到智能船舶，研究又分為了水上船艇及水下船艇(潛艇)。水上船艇又可分為：1) 小型水面艇；2) 大型水面船。隨著無人駕駛船舶的發(fā)展，船舶的復(fù)雜性和自主性水平提高，所需的船員人數(shù)逐漸減少至無人。

圖 1 水路運載工具的發(fā)展及分類Fig. 1 Development and classification of waterborne vehicles

2 自主水面貨船的研究現(xiàn)狀及特點

2.1 無人水面艇研究特點

近年來，隨著人類對海洋探索與依賴程度的加深，作為能夠代替人進行一系列海上活動的USV受到世界各國的青睞，各種類型及用途的USV得到大范圍的研制。根據(jù)尺度無人水面艇可分為：小型(< 1 t)、中型(< 100 t)、大型(< 1 000 t)、超大型(> 1 000 t)。目前小型或者中型無人船，長度2～15 m，重量1.5～10 t，靜水航速最大可達35 kn[6]。根據(jù)USV的船型特點、用途及推進方式，又可分類如下。

1) 按照船型分類

USV的艇型具有多樣化特征，包括滑行艇、水翼艇、單體船、多體船等型式，為了改進隱身性能和平臺穩(wěn)定性，甚至可以設(shè)計為半潛式。就當前研究可知，USV的研制大都集中在單體和雙體，僅有少部分為三體船[7-13]。早期研制多為單體船，隨著技術(shù)的發(fā)展，雙體USV的研制增多，三體船也有所涉及，原因是它們具有更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠降低USV航行時的風(fēng)險。在單雙體船的基礎(chǔ)上，根據(jù)所實現(xiàn)的功能不同，各國研制的USV船體在材質(zhì)上又有所不同，以硬殼充氣艇型居多，主要是因為它們的耐用性和有效載荷能力更強。

2) 按照用途分類

USV在民用、軍事領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景，如：環(huán)境監(jiān)測、氣象預(yù)報、海洋生物研究、深水樣采集、水文觀測、海圖繪制、水上水下通信中繼、海洋資源勘探與開采、領(lǐng)海監(jiān)視等。其中USV在民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，為海洋勘探及船舶航行安全提供保障，同時也為科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

3) 按照推進方式分類

USV的推進方式很多，可用傳統(tǒng)的螺旋槳+舵裝置、噴水推進器，也有全電力推進，甚至有太陽能、風(fēng)帆和海洋能等新型環(huán)保的推進方式?？傮w來說USV的推進方式普遍都為清潔能源推進，少數(shù)采用混合推進，說明當前USV的發(fā)展符合人類社會發(fā)展的正確方向，具有較強的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 自主水面貨船及測試場的研究現(xiàn)狀

1) 自主水面貨船的研究現(xiàn)狀及特點

目前對于自主水面貨船的開發(fā)處于逐漸增長的階段，英國、芬蘭、挪威、澳大利亞、法國、德國、日本、中國等都對自主水面貨船相關(guān)項目進行研究。2012年，由Fraunhofer CML公司、MARINTEK公司、Chalmers大學(xué)等8家研究機構(gòu)共同合作的基于智能航行網(wǎng)絡(luò)的海上無人駕駛(maritime unmanned navigation through intelligence in networks，MUNIN)項目[14]，旨在提出無人貨船的概念并驗證其可行性，強調(diào)開發(fā)的無人貨船概念應(yīng)像MUNIN(希臘語：烏鴉)一樣，具有能夠獨立和安全地將貨物運往預(yù)定目的地的象征意義。

2015年，英國Rolls-Royce公司與芬蘭Aalto大學(xué)合作啟動了高級自主駕駛船舶應(yīng)用開發(fā)計劃(advanced autonomous waterborne applications，AAWA)項目，計劃用5～8年時間設(shè)計建造一條無人駕駛的遠洋運輸船(見圖2(a))，該項目旨在實現(xiàn)“遠程駕駛”與“自主駕駛”船舶的愿景[15]。此外，Rolls-Royce公司開發(fā)了無人船舶的藍本，提出了無人集裝箱船舶概念(見圖2(b))，并將在2020年前開始進行海試，遠期目標是在2035年實現(xiàn)跨洋航行。2017年6月20日，Rolls-Royce公司和全球拖輪運營商Svitzer公司在AAWA項目的基礎(chǔ)上，在丹麥哥本哈根港成功展示了世界上第一艘遠程操作的商用船，名為“Svitzer Hermod”號[16]。日本企業(yè)在政府的支持下合作推進無人船的研發(fā)進程，目標是到2025年實現(xiàn)自主控制的商業(yè)海上運輸[17]。

基于研究零排放集裝箱的目標，DNV GL集團在2016年為短距離航運開發(fā)電池供電的無人船舶ReVolt(見圖2(c))。通過減少船上高維護部件的數(shù)量來降低運營成本，該船的所述范圍將是100 n mile，然后才需要對電池充電。由于沒有船員，與一艘同樣大小的傳統(tǒng)柴油船相比，ReVolt在約30年的生命周期里，可以節(jié)約3 400萬美元[18]。2017年春季，挪威公司Kongsberg和Yara International宣布開發(fā)一種100～150 TEU、電力驅(qū)動、電池儲能的的自主集裝箱船(見圖2(d))。該船將從Yara的Porsgrunn生產(chǎn)工廠向挪威的Brevik和Larvik運輸產(chǎn)品，計劃于2018年下半年開始運營并成為世界上第一臺全電動零排放集裝箱[15]。

圖 2 各國自主水面貨船研究概念圖Fig. 2 Conceptual diagrams of autonomous surface cargo ships in various countries

全球最大的礦業(yè)集團——澳大利亞必和必拓(BHP Billiton)計劃在10年內(nèi)研發(fā)超大型自動航行“無人”散貨船，用于運輸鐵礦石和煤炭等各類礦產(chǎn)[17]。2017年，海工船巨頭法國Bourbon、英國Automated Ships和挪威Kongsberg Maritime聯(lián)手合作打造全球首艘無人駕駛海工支援船“Hr?nn”號(見圖2(e))，主要服務(wù)海上能源、科考、水文和海上水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)。這艘OSV還可以作為ROV和AUV支持船以及守備船，能夠與載人船舶合作為海上平臺提供消防支援[19]。

內(nèi)河自主貨船研究方面，2018年夏季開始，荷蘭正在設(shè)計24 TEU 內(nèi)河電動船舶(見圖2(f))，采用岸基充電、可升降式駕駛臺設(shè)計，用于阿姆斯特丹、鹿特丹、安特衛(wèi)普航線，計劃于2019年投入使用。未來擬建240 TEU 大型內(nèi)河駁船(見圖2(g))，以替代目前的內(nèi)河集裝箱船[20]。

2018年5月16～ 25日，MSC第99屆會議在倫敦IMO總部召開。本屆會議開始研究如何在IMO框架下進行MASS的安全、可靠和環(huán)境友好的運營問題。會議圍繞MASS法規(guī)梳理的目標、定義、范圍、方法、工作計劃進行了深入討論并通過了一系列法規(guī)決議[21]。我國目前也在進行自主水面貨船的研究。考慮到未來船舶智能化的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢，中國船級社(CCS)編制的《智能船舶規(guī)范》(簡稱《規(guī)范》)于2015年12月1日在中國國際海事會展期間正式對外發(fā)布，并于2016年3月1日生效。CCS智能船舶規(guī)范體系由智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺六大部分組成[22]。2017年6月28日，由海航科技集團發(fā)起的無人貨物運輸船開發(fā)聯(lián)盟成立大會暨第一次理事會在上海隆重召開[23]。來自中國船級社(CCS)、美國船級社(ABS)、中國艦船研究設(shè)計中心、滬東中華造船集團有限公司、中國船舶及海洋工程設(shè)計院(708所)、Rolls-Royce船舶、上海船用柴油機研究所(711所)、瓦錫蘭中國有限公司和海航科技集團計劃聯(lián)手建造世界第一艘遠洋無人貨船。12月5日，中國自主研發(fā)的全球首艘智能船舶iDolphin 38 800 t 智能散貨船“大智”輪在中國國際海事會展上正式發(fā)布(見圖2(h))。該船具有110余個智能數(shù)據(jù)分析模型，能夠?qū)崿F(xiàn)每6 h更新航線，日均油耗降低4%，是全球首艘通過船級社認證的智能船舶[24]。12月6日，中國船級社、珠海市政府、武漢理工大學(xué)及云洲智能科技有限公司四方啟動首艘小型近海無人貨運船“筋斗云”號(見圖2(i))的設(shè)計、建造及運營，采用電力推進，具備一定條件下的自主靠離泊能力[25]。這艘500 t 級無人駕駛船舶有望于2019年在全球率先實現(xiàn)商業(yè)運營。2018年2月27日，中遠海運重工旗下南通中遠海運川崎建造的中遠海運首艘兩萬標箱級集裝箱船“中遠海運白羊座”號(見圖2(j))順利首航比利時安特衛(wèi)普港。該船是中國建造的首制具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的2萬標箱級集裝箱船，標志著我國船舶工業(yè)技術(shù)在這一領(lǐng)域又實現(xiàn)新突破[26]。此船是全球迄今為止第一艘收到勞氏船級社LR網(wǎng)絡(luò)準入船舶(Cyber-enabled ship,CES)AL3級(LR將AL3定義為“用于自主/遠程監(jiān)視和控制的網(wǎng)絡(luò)訪問(需要機載許可，并且可以進行機載覆蓋)”)描述性說明的集裝箱船[27]。

2) 自主水面貨船測試場的研究現(xiàn)狀

各國展開自主水面船舶研究的同時，也在進行測試場的建設(shè)，為將來船舶試驗研究創(chuàng)造條件。

2016年初，DIMECC芬蘭合作公司與Rolls-Royce、ABB、W?rtsil?、Cargotec、Ericsson、Meyer Turku、Tekes和Tieto公司共同開發(fā)無人駕駛船舶，項目命名為“一個海洋—自治海洋生態(tài)系統(tǒng)”。經(jīng)過多年的發(fā)展，該公司已可以面向業(yè)務(wù)使用提供系統(tǒng)性解決方案。同時，DIMECC公司為無人船舶測試在芬蘭勞馬海岸建設(shè)測試場，命名為“Jaakonmeri測試區(qū)”(見圖3(a))[28]。

圖 3 各國海上智能船舶測試場Fig. 3 Test area for smart ships in different countries

2016年挪威政府機構(gòu)和行業(yè)機構(gòu)建立了挪威自治船舶論壇(norwegian forum for autonomous ships, NFAS)推廣無人航運的概念[29]。此外，挪威政府已將特隆赫姆峽灣變成了一個自主船舶試驗的試驗場[30]，寬3.2～24.1 km(見圖3(b))。2017年10月30日，在NFAS的基礎(chǔ)上，國際自主船舶組織(international network for autonomous ships,INAS)在奧斯陸成立，該組織是關(guān)于無人駕駛船舶、自主船舶或智能船舶的國家或地區(qū)利益組織的非正式小組[31]。同年，挪威陸續(xù)在山摩爾(見圖3(c))[32]和奧斯陸峽灣(見圖3(d))[33]內(nèi)增設(shè)兩個無人船測試場。

2017年5月 ，格陵蘭島地區(qū)(見圖3(e))設(shè)立試驗區(qū)。這個區(qū)域的船舶流量比特隆赫姆要多，特別適用于在交通繁忙的環(huán)境中測試更多概念性的開發(fā)項目。該地區(qū)還具有VTS等監(jiān)管設(shè)備，這將進一步增加作為測試區(qū)域的實用性[34]。

2018年2月 ，中國船級社、珠海市政府、武漢理工大學(xué)、云洲智能科技有限公司四方啟動“珠海萬山無人船測試場”(見圖3(f))的建設(shè)，作為亞洲首個海上無人船測試場，不同于芬蘭和挪威建設(shè)的以“水域”為核心的測試場，“珠海萬山無人船測試場”以多手段的評測體系為核心，其中包含了實船測試場、模型船測試場、軟件仿真環(huán)境、半實物仿真環(huán)境、評價方法體系、法規(guī)驗證體系等。

綜上，當前大型自主水面貨船處在研究階段，同時大型測試場也在建設(shè)中。

2.3 無人艇與自主水面貨船研究的異同

USV具有小型、快速、靈活等特點。目前，載荷能力及運輸功能較強的USV主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域及科研領(lǐng)域，并未涉足運輸業(yè)。

自主水面貨船操縱性特點：質(zhì)量大，慣性大，余速消失慢；旋回性能較差；小舵角響應(yīng)極其微弱；受外界因素影響明顯；岸壁效應(yīng)明顯。船舶在靠離泊作業(yè)時，船兩舷與水及岸壁作用產(chǎn)生向岸靠攏的壓力差，產(chǎn)生岸推力矩與岸吸力，使船體向岸壁靠攏。一般船岸間距達1.7倍[35]船寬時便可顯出岸壁影響，并且隨著航道寬度變窄、水深變淺、船與岸的距離變近、航速變高、船型肥大而程度加大。

雖然USV與自主貨船各有特點，但USV的設(shè)備選取及智能控制方法均對自主貨船有參考意義，可作為海事自主水面貨船的雛形，為相關(guān)研究與發(fā)展提供基礎(chǔ)。

3 自主水面貨船系統(tǒng)組成

大型自主水面貨船的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以有動力的船體為平臺，搭載通訊設(shè)備、控制設(shè)備和特殊功能設(shè)備，進行貨物運輸，主要是通過地面的基站或母船的控制中心完成自主水面貨船的遠程控制。自主水面貨船系統(tǒng)主要分為船端、岸端、通信系統(tǒng)3部分，如圖4所示。

圖 4 自主水面貨船的系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 4 System composition of autonomous surface cargo ships

3.1 船端

船端主要包括船體結(jié)構(gòu)、推進與動力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)(guidance navigation and control, GNC)。船端通過感知自主水面貨船周圍環(huán)境信息和自身航行姿態(tài)信息，通過GNC系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)的任務(wù)功能程序模塊，實現(xiàn)自主操控功能。船端控制平臺包括多種傳感設(shè)備、通信設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)等。

1) 船體結(jié)構(gòu)

不同船體結(jié)構(gòu)的自主水面貨船負載能力不同，負載能力強的自主貨船能夠安裝多功能任務(wù)包，從而使得單個自主貨船可以同時完成更多的作業(yè)任務(wù)。

2) 推進與動力系統(tǒng)

舵、螺旋槳、發(fā)動機等是自主水面貨船推進系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備，其性能直接影響著船舶航行的經(jīng)濟性和安全性。

舵布置包括單舵、雙舵、四舵，種類有Square head、Round head、NACA系列、IFS系列、Wedge系列、魚尾舵及襟翼舵等[36]。目前舵的研究領(lǐng)域比較先進的是自動舵，其發(fā)展共經(jīng)歷機械舵、PID舵、自適應(yīng)舵、智能舵4個主要階段，自動控制操舵方式比人工操舵方式更加靈敏和準確。

螺旋槳布置包括單槳、雙槳及多槳，不同的槳舵配合使得船舶產(chǎn)生不同的操縱效果，直接影響船舶的運動性能。除船尾安裝螺旋槳外，為實現(xiàn)自動靠離泊需要安裝側(cè)推裝置如艏側(cè)推。艏側(cè)推，即艏側(cè)推進器，是一種裝在船舶首部的特種推進器，采用可變或固定螺距槳葉。艏側(cè)推裝置除了可變螺距槳外，還包括電機或油馬達、變距泵組、重力油泵等。作用是用來提高船舶的操縱性，精確保持船位，便于停靠碼頭，不需要拖船協(xié)助。

當前推進方式主流有螺旋槳推進、噴水推進，新型推進方式有吊艙推進、無軸輪緣推進等。由于無軸輪緣推進與傳統(tǒng)槳舵相比具有全回轉(zhuǎn)、適量推進、精確控制等特點，與吊艙推進器相比具有推進效率高、減振降噪、防纏繞、正反轉(zhuǎn)改向快、空間利用率高等優(yōu)點，可以作為海事自主貨船的優(yōu)先選擇。

目前，船舶動力95%為柴油機動力，當前新型動力源主要有LNG、鋰電池、燃料電池、可再生能源(太陽能、風(fēng)能)、核能等。自主水面貨船以采用清潔動力源為目標，在保證船舶航行動力的同時應(yīng)遵循環(huán)保理念。

3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

船端安裝有數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如GPS和DGPS、S波段和X波段雷達(可以在惡劣天氣條件下使用)、KA和W波段雷達(可以檢測近距離目標)、聲吶、羅盤、測深儀、LIDAR(可以識別近距離目標并精確測量距離)、攝像機和紅外攝像機(用于白天和夜晚監(jiān)測)、熱像儀及角速度傳感器、聲音捕獲和檢測傳感器等多種傳感器，以檢測船舶周圍環(huán)境和自身航行姿態(tài)信息。智能終端采集各設(shè)備數(shù)據(jù)最終匯總發(fā)送至GNC系統(tǒng)，實現(xiàn)信息處理。

4) GNC系統(tǒng)

制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)，承擔全部運動控制任務(wù)。對于自主水面貨船來說，GNC系統(tǒng)是自主水面貨船運動控制的核心系統(tǒng)，支配自主水面貨船的行動。主要功能是連接各類船載傳感器、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動器以及特定任務(wù)設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理以及協(xié)議轉(zhuǎn)換功能?？刂葡到y(tǒng)是自主水面貨船航行中重要的子系統(tǒng)。在自主操縱下，貨船必須具備根據(jù)外界環(huán)境對運動控制進行調(diào)整的能力，從而降低自主水面貨船的航行風(fēng)險。GNC系統(tǒng)的具體設(shè)計要求：具備多種數(shù)據(jù)接口模式；數(shù)據(jù)輸出方式統(tǒng)一；具備足夠的數(shù)據(jù)處理能力，能夠融合多源異構(gòu)傳感器信息，進行深度數(shù)據(jù)分析。

3.2 岸端

岸基設(shè)備用于提供人機界面，實時監(jiān)控船舶自身和周圍環(huán)境信息，了解船舶航行動態(tài)，并可向船端控制平臺發(fā)送操作指令，實現(xiàn)遙控操縱，同時實時存儲數(shù)據(jù)信息，用于后期數(shù)據(jù)分析。常用岸基設(shè)備主要有PC機、岸基雷達、攝像頭、射頻識別等。為適應(yīng)自主水面貨船多能源換裝或補充需求，岸基應(yīng)具備接觸網(wǎng)式、成組更換式、靠岸快充式、無線供電式等能源供給系統(tǒng)。

3.3 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)包含船舶本身數(shù)據(jù)間通信及船岸信息通信。實現(xiàn)船岸之間各數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，是確保自主水面貨船系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。利用岸端設(shè)備、通信技術(shù)以及船載終端等通信設(shè)施監(jiān)控航行在港灣和進出港口的船舶，即為船舶交通服務(wù)(vessel traffic service，VTS)。

根據(jù)任務(wù)要求，自主水面貨船應(yīng)具有4種通信方式：水下、水上、陸地、太空。水下通信能夠與潛艇通信，水上通信能夠進行自身與船船間通信，陸地指本船與岸站進行通信、空中指本船與無人機通信。

綜上，自主水面貨船系統(tǒng)組成3部分不可或缺，一艘基本自主水面貨船應(yīng)采用智能舵，安裝艏側(cè)推并具有自動靠離泊能力，選擇高效的推進方式(如無軸輪緣推進)與節(jié)能環(huán)保的動力源，采用先進的GNC技術(shù)，穩(wěn)定的通信設(shè)備，再配合AIS、閉路監(jiān)控電視、船舶遠程識別與跟蹤、船舶交通服務(wù)等系統(tǒng)，通過大數(shù)據(jù)、船聯(lián)網(wǎng)和云計算等手段，實現(xiàn)對航運船舶的遠程、實時、全程監(jiān)管與服務(wù)，構(gòu)成智慧海事監(jiān)管系統(tǒng)[37]。

4 自主水面貨船研究關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)

4.1 自主水面貨船設(shè)計及實船測試

船舶在靜水、波浪、涌浪條件下做各種運動時船舶動力學(xué)性能存在較大差異，如何優(yōu)化設(shè)計船型并基于實際動力需求，精確控制動力輸出是當前面臨的挑戰(zhàn)之一。為精確控制動力輸出，應(yīng)采用矢量推進器。無軸輪緣推進器作為新型矢量推進器的代表，其推廣與應(yīng)用具有先發(fā)性優(yōu)勢。如何將清潔能源與推進系統(tǒng)相結(jié)合并降低新式技術(shù)的成本，提升經(jīng)濟效益，促進技術(shù)推廣，是自主水面貨船面臨的另一挑戰(zhàn)。

中小型無人水面艇由于其成本較低、尺度較小、研究普適性較強，容易通過實船測試獲取相關(guān)參數(shù)與結(jié)果。大型自主水面貨船的成本遠高于小型無人艇且系統(tǒng)組成復(fù)雜，相關(guān)船舶參數(shù)難以通過仿真或模型試驗準確獲得。目前絕大多數(shù)的理論分析和仿真環(huán)境下的運動控制算法驗證僅依據(jù)已有標準船型的公開數(shù)據(jù)，幾乎沒有相關(guān)實船驗證，缺少自主水面貨船真實應(yīng)用效果驗證范例。

4.2 自主水面貨船智能感知技術(shù)

自主水面貨船數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責對環(huán)境、設(shè)備、系統(tǒng)、貨物等復(fù)雜信息進行感知收集。

1) 對環(huán)境狀態(tài)的感知：主要包括感知氣象信息、水文信息、通航環(huán)境信息等。

2) 對船舶狀態(tài)的感知：主要包括對船舶航行位置、航速、航向等。

3) 對設(shè)備、系統(tǒng)、貨物進行感知：主要包括監(jiān)測設(shè)備當前各設(shè)備系統(tǒng)的運行狀態(tài)和貨物的存儲狀態(tài)。

如何增強感知的智能性是研究的重點之一。雷達、AIS等常規(guī)船用感知設(shè)備是船舶的重要感知工具。由于自身工作特性，雷達在近距離存在30 m左右的探測盲區(qū)[38]。AIS報文中時常會出現(xiàn)錯誤。為了保證航行安全，自主船舶還應(yīng)備激光雷達、毫米波雷達等設(shè)備用于近距離感知。但激光雷達角分辨率有限，遠距離成像不清晰。毫米波雷達也存在掃描范圍不足的問題。

由于各種傳感器存在不同的缺陷，研究人員在設(shè)計自主船舶感知系統(tǒng)時采取了多傳感器組合感知方式[39-41]。船舶設(shè)備供應(yīng)商，也在嘗試具備AIS和雷達目標融合功能的雷達和電子海圖。然而，雷達和AIS信號本身并不完善。雷達目標在密集航道內(nèi)的虛假率高，一般達40%～50%。AIS目標則存在最長達180 s的延時[42]。因此，上述“融合功能”只能在理想的環(huán)境下(如開闊海域、目標船舶極端孤立)的情況下發(fā)揮作用。綜上，對于自主貨運船舶，目前的難點在于多傳感器的融合情況不佳，缺乏對感知信息的深度挖掘，無法形成對航行態(tài)勢、自身運動特征的準確“感知”。

4.3 自主水面貨船智能認知技術(shù)

自主水面貨船航行系統(tǒng)應(yīng)具有高度的智能性，包括感知、認知和決策3部分。智能認知系統(tǒng)主要包括視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、感覺系統(tǒng)。環(huán)境的認知、知識的學(xué)習(xí)、決策的制定等主要依賴于人工智能技術(shù)的應(yīng)用。采用人工智能技術(shù)實現(xiàn)自主水面貨船圖像識別、自然語言識別處理等任務(wù)。

1) 自主水面貨船圖像識別

船舶領(lǐng)域?qū)τ趫D像有極大的需求，由視覺傳感器、毫米波雷達、前視聲吶、側(cè)掃聲吶、激光雷達獲得的信息，其信息類型大多為圖像，采用人工智能技術(shù)(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)習(xí)類算法)對這些數(shù)據(jù)的認知處理[43-45]，可以獲取船舶航行態(tài)勢，辨識碰撞風(fēng)險，以支持航行決策。

2) 自主水面貨船語言識別

船舶領(lǐng)域?qū)Υ暗暮籼栕R別有重要意義。同時，無人船舶同有人船舶將在很長的一段時間內(nèi)混合存在，解決語義溝通與理解是連接無人船舶與有人船舶的重要基礎(chǔ)。當前對語音語義的研究較為廣泛。國內(nèi)外涉及人工智能技術(shù)的語音語義識別方法主要基于深度學(xué)習(xí)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[46-49]，但針對船舶語音特點的系統(tǒng)識別研究較少。

4.4 自主水面貨船智能航行技術(shù)

智能航行包括航向航速優(yōu)化、航線規(guī)劃、智能避碰、路徑跟隨、自動靠離泊等。

航速控制主要是控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速，航向控制主要包含航向的穩(wěn)定性和機動性兩方面內(nèi)容。根據(jù)水文氣象情況、船舶運動特性、當前環(huán)境是否有障礙物等進行動態(tài)航線規(guī)劃，采用智能算法進行避碰，運用合適的航向航速實現(xiàn)路徑跟隨，實現(xiàn)安全經(jīng)濟的目標。當船舶停止航行時，應(yīng)采取自動靠離泊控制。自動靠離泊屬于鎮(zhèn)定問題，對于大型自主水面貨船的安全尤為重要。當前大型有人貨船主要依靠拖輪完成靠離泊[50-53]。如何采用人工智能技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)自主水面貨船自動靠離泊是未來發(fā)展的重點及難點之一。

當前船舶模型以水平面三自由度居多，且假設(shè)為全對稱，與事實有差異，從而使設(shè)計的運動控制器技術(shù)參考性和控制精確性大大降低。如何增加自主水面貨船運動控制模型自由度，構(gòu)建多槳多舵、吊艙、無軸輪緣推進等推進模型成為自主水面貨船運動控制是否精確的重要因素之一。此外，由于自主水面貨船尺度較大，外界環(huán)境對于船舶的影響較無人水面艇更為明顯，如何建立更加精確的波浪、涌流干擾模型，是自主水面貨船研究過程中的重點之一。此外當前運動控制研究僅針對單一運動類型，對整個船舶從啟航到靠泊沒有完整的解決方案，需要一套完整的可變自主控制策略。

綜上，自主水面貨船智能化的核心是使船舶擁有如同人一樣的觀察、思考和處理問題的能力，構(gòu)造一個類似于“人腦”的人工智能集中決策系統(tǒng)，完成船舶航行的“感知、認知、決策與控制”，即航行腦系統(tǒng)[54]，如圖5所示。自主水面貨船航行腦系統(tǒng)需要在非確定性信息、非確定性對象的條件下，具備船舶操控、不完備信息處理、航行規(guī)則理解與船間溝通等能力。

圖 5 自主水面貨船航行腦系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 5 Autonomous surface cargo ships navigating brain system composition

4.5 自主水面貨船網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)

船舶網(wǎng)絡(luò)信息安全與船舶通信技術(shù)的提升對于自主水面貨船的安全航行具有關(guān)鍵作用。目前常用的通信方式有微波通信、衛(wèi)星通信及基于GPRS、4G/5G、Zigbee、Bluetooth、Wifi等技術(shù)的通信設(shè)備[55-58]。通信系統(tǒng)可根據(jù)應(yīng)用需要選擇對應(yīng)的通信方式。在近海區(qū)域可選用點對點通信方式的圖傳電臺，能同時傳輸視頻和數(shù)據(jù)。在公海的地區(qū)，使用衛(wèi)星連接，保障遠距離可靠通信。

自主水面貨船航行時，需要保證自身設(shè)備之間通信順暢，以及與岸基設(shè)備通信順暢，多船之間還要保證相互通信能夠避免各種電磁干擾[59]，保障通信可靠。此外，通信帶寬、速率以及費用等問題也需要進一步解決。

4.6 自主水面貨船能效技術(shù)

自主水面貨船應(yīng)能夠智能計算能耗分布，并進行優(yōu)化及性能評估。通過對船舶航行狀態(tài)、耗能狀況的在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)的自動采集，對船舶能效狀況、航行及裝載狀態(tài)等進行評估，并通過大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值分析及優(yōu)化技術(shù)，為船舶提供數(shù)據(jù)評估和輔助決策，實現(xiàn)船舶能效實時監(jiān)控、智能評估及優(yōu)化，不斷提高船舶能效管理水平。航線規(guī)劃和航速優(yōu)化是兩種重要的航行決策形式，直接影響到船舶燃油消耗和企業(yè)整體營運利潤。對單船來說，降低航速能夠有效的降低船舶的能耗與排放水平。船舶航速優(yōu)化是一項非常復(fù)雜的科學(xué)決策過程，其實質(zhì)是不同約束條件下選擇最佳航行速度，達到最大程度地降低燃油成本[60-62]。

4.7 自主水面貨船智能維護技術(shù)

為保障自主水面貨船航行安全，各類設(shè)備應(yīng)具備智能維護功能。船舶故障診斷包括主機故障診斷及電力系統(tǒng)故障診斷等。主機系統(tǒng)等是復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，運行狀態(tài)復(fù)雜、故障類型多，因而智能故障診斷技術(shù)應(yīng)具有全局搜索能力強、優(yōu)化速度快、準確性強的特點。如在沒有任何人為干預(yù)的情況下如何運行及維護柴油發(fā)動機是自主水面貨船智能維護技術(shù)難點之一。

4.8 自主水面貨船貨物管理技術(shù)

船舶貨物的智能管理是利用傳感器等感知設(shè)備對貨物、貨艙和貨物保護系統(tǒng)的參數(shù)進行自動采集，并基于計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理、分析，以實現(xiàn)貨艙、貨物和貨物保護系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測、報警、輔助決策和控制。同時還可以基于監(jiān)測和獲得的數(shù)據(jù)，進行貨物優(yōu)化配載和自動裝卸。如實現(xiàn)礦物狀態(tài)監(jiān)測及管理，液貨狀態(tài)監(jiān)測及管理功能。

4.9 自主水面貨船數(shù)據(jù)管理技術(shù)

自主水面貨船系統(tǒng)由于無人操作，所需設(shè)備較多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲及處理量大。因此數(shù)據(jù)輕量化是解決數(shù)據(jù)存儲及處理、船岸之間通信的重要手段。此外，應(yīng)加強賽博安全放空保障通信與數(shù)據(jù)安全。

4.10 自主水面貨船航行標準規(guī)范

普通船舶目前已有成熟的規(guī)范體系，由世界海事組織和各國船級社制定，涵蓋海上管轄、安全、技術(shù)、船員等方面，并在不斷完善過程，如關(guān)于管轄權(quán)的《聯(lián)合國海洋公約》；技術(shù)類法規(guī)《國際海上避碰規(guī)則》、《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標準國際公約》；海員類《國際勞工公約》、《國際海上人命安全公約》。關(guān)于無人船等智能船舶，相關(guān)規(guī)范有《無人水面艇檢驗指南》[4]、《智能船舶規(guī)范》、《智能功能認證與分級》、《無人船安全評估方法》?；诖?，自主水面貨船的航行也需要有針對性的形成系列標準至國際規(guī)則，主要包括技術(shù)規(guī)則、操作規(guī)則(安全速度、瞭望和操縱)、豁免、安全配員等，解析船舶系統(tǒng)標準，明確責任歸屬。

5 自主水面貨船研究展望

2013年12月 美國國防部發(fā)布的《無人系統(tǒng)線路圖》對無人水面船未來5年(近期)、未來10年(中期)、未來25年(遠期)的技術(shù)重點做了詳細規(guī)劃。未來5年無人船的技術(shù)研發(fā)主要集中在傳感器和通信系統(tǒng)方面，提高在受控區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的自主性和聯(lián)網(wǎng)能力；未來10年的技術(shù)研發(fā)主要集中在增加作業(yè)任務(wù)、擴展作業(yè)范圍；未來25年的技術(shù)研發(fā)主要集中在自動避碰避障等自主系統(tǒng)，提高無人船作業(yè)的自主性。從控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、自主決策、模式識別、信息融合、控制方法等方面著手研究，以提高海事自主水面船舶的智能化、自適應(yīng)水平，使船舶能在復(fù)雜海洋環(huán)境中長期、可靠、安全、自主地航行并完成各種使命任務(wù)。

因此，基于自主水面貨船面臨的挑戰(zhàn)以及當前的研究任務(wù)，進行如下展望。

1) 加快測試場的建設(shè)及自主水面貨船的研制，在未來的研究中廣泛開展實船實驗，彌補仿真實驗的不足，使自主水面貨船的功能更加符合實際需求，將來更好地投入運營。

2) 發(fā)揮無軸輪緣推進等先進推進裝置的優(yōu)勢。中小尺度自主航行船舶(10萬t級以下)需要增配側(cè)推器并進行精確控制，以實現(xiàn)自主靠離泊等功能。

3) 推廣新型能源的使用。由于不同新能源形式和利用方式之間存在顯著差異，需要根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng)的構(gòu)成特點，通過綜合分析和優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)可靠集成和高效運行。

4) 智能感知、認知及控制方面。

① 根據(jù)自主水面貨船的工作特點、運動特性、使用環(huán)境和操控系統(tǒng)的要求，確定航行路徑，設(shè)計綜合導(dǎo)航系統(tǒng)方案，為航行提供可靠的導(dǎo)航定位。利用多傳感器信息綜合技術(shù)，開發(fā)一種可以處理 “不確定性”、“延時”的信息融合、決策方法，為航行提供可靠的姿態(tài)運動信息。此外，圖像識別的實時性及應(yīng)用的廣泛性需要進一步加強，應(yīng)用基于人工智能的語音語義識別技術(shù)，加強其時效性及準確性。

② 自主水面貨船運動控制研究可采用無人艇與有人貨船的控制方法作為參考，結(jié)合自主水面貨船自身的特點進行設(shè)計，分別對其航速航向控制、自主避碰與自動靠離泊等方面進行研究。運動模型建立方面，增加多槳多舵及多自由度船舶模型的建立，從各方面提高運動控制的精確程度。深入研究自動靠離泊技術(shù)并轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。加強基礎(chǔ)控制算法研究，提高控制穩(wěn)定性、魯棒性、收斂性、響應(yīng)性等。

5) 通信技術(shù)。重點構(gòu)建可行性高、容錯性強的通信系統(tǒng)。發(fā)展無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，采用無線數(shù)據(jù)傳輸定期或?qū)崟r獲取數(shù)據(jù)，同時可通過基站向自主水面貨船發(fā)布指令信息，構(gòu)建可靠的多船通訊網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。提高數(shù)據(jù)壓縮傳輸效率，統(tǒng)一編碼規(guī)則。

6) 國際船舶研究的大趨勢集中在數(shù)字化、機器人化、物聯(lián)網(wǎng)等方面。將這些最新研究成果結(jié)合應(yīng)用于自主水面貨船將大幅度提升自主水面貨船的智能化水平。此外，機器人、航天器等欠驅(qū)動機械系統(tǒng)的研究成果遠比控制系統(tǒng)豐富，由于非線性本質(zhì)相同，可將這些領(lǐng)域中成熟的控制方法移植應(yīng)用到自主水面貨船的應(yīng)用中。最終，將自主水面貨船與其他無人載具組合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與傳送、不同格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及雙方的實時通訊等操作，完成更復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)。

7) 航行規(guī)則。建立適當?shù)膰H監(jiān)管制度，在現(xiàn)有規(guī)則基礎(chǔ)上改進或?qū)⒆灾髫洿尤霝檫m應(yīng)對象，制定一套用于海事自主水面貨船航行的新規(guī)章，以此為準則進行海事自主水面貨船航行的相關(guān)研究。