自主航行船舶的技術(shù)路徑

CCS科創(chuàng)試驗中心 孫 旭 蔡玉良

自主航行三大核心技術(shù)為態(tài)勢感知、運動控制和智能決策。

智能航運已經(jīng)成為航運業(yè)發(fā)展的一個主要方向，船舶自主航行技術(shù)是實現(xiàn)智能航運的關(guān)鍵技術(shù)。隨著人工智能技術(shù)及高速處理器在近十年來的高速發(fā)展，自主航行技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)初具雛形，具有自主航行技術(shù)的船舶已經(jīng)開始進行試驗，在未來幾年內(nèi)具有商業(yè)價值的自主航行船舶將進入運營階段。

自主航行船舶發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，自主航行技術(shù)處于高速發(fā)展階段，一些主要組織和廠家在自主航行船舶領(lǐng)域已經(jīng)取得了成果：

羅羅公司的“Falco”號輪渡，船長53.8米，能夠完成離開碼頭、駛出港口、航線航行、進港、靠泊一系列動作的自主化航行，具有遠程遙控功能。

瓦錫蘭公司的“Folgefonn”號客貨船，船長85米。完成離開碼頭、駛出港口、航線航行、進港、靠泊的自主化航行，具有遠程遙控功能。

ABB公司的“Suomenlinna”號客輪渡，完成試驗區(qū)自主航行。具有遠程遙控功能。

康士伯公司的“Yara Birkeland”號貨船，船長80米，于2019年試航?？梢赃M行離開碼頭、駛出港口、航線航行、進港、靠泊的自主化航行，具有遠程遙控功能。

日本郵船計劃于2019年以遠程遙控方式讓遠洋貨船橫越太平洋的測試。

商船三井的“ShiojiMaru”號訓(xùn)練船，船長50米，完成自動靠泊和離泊安全性能的示范試驗。

我國的“明遠”號40萬噸VLOC，船長392米，完成試航，具有輔助避碰決策功能。

我國的“凱征”號30萬噸VLCC，船長300米，完成試航，具有輔助避碰決策功能。

從自主航行船舶的發(fā)展現(xiàn)狀來看，遠程遙控結(jié)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。根據(jù)應(yīng)用場景及船型的不同，自主航行技術(shù)發(fā)展的技術(shù)路徑也略有不同。

圖1 羅羅公司的“Falco”號輪渡

圖2 瓦錫蘭公司的“Folgefonn”號客貨船

圖3 ABB公司的“Suomenlinna”號客輪渡

遠程遙控技術(shù)

遠程遙控船舶在MSC.99次會議上已經(jīng)被IMO定義為自主航行船舶的一種形式，在完全自主航行技術(shù)成熟之前，自主航行船舶在復(fù)雜水域、交通密集、惡劣天氣、設(shè)備損壞等情況下，自主航行系統(tǒng)無法滿足船舶安全的操控需求，需要依靠遠程遙控功能切換到人工操控來保障船舶的運營安全。所以，遠程遙控結(jié)合部分自主控制的自主航行船舶在未來很長一段時間內(nèi)將是自主航行船舶商業(yè)化運營的主要形式。在完全自主航行技術(shù)成熟之后，遠程遙控也是必要的功能，遠程遙控可以實現(xiàn)船隊集群管理；監(jiān)控船舶狀態(tài)合理配置資源；控制船舶維護維修；收集數(shù)據(jù)優(yōu)化運營效率等功能，同時結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云共享等技術(shù)可以極大提高船舶的運營效率及降低能源消耗。

遠程遙控技術(shù)在船舶上的實現(xiàn)相對容易。船舶不同于汽車，在現(xiàn)有技術(shù)條件下還無法實現(xiàn)對數(shù)以億計的汽車進行遠程遙控，而船舶的數(shù)量相對較少，船岸通信在通信容量、數(shù)據(jù)處理、云存儲上具有明顯優(yōu)勢。但是，遠程遙控技術(shù)在船舶上的實現(xiàn)也存在一些技術(shù)難點，制約遠程遙控技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，如船舶大部分的工作區(qū)域需要通過衛(wèi)星進行船岸通信，衛(wèi)星通信的方式具有易受到天氣狀況干擾、通信帶寬小和通信延時大的缺陷。未來衛(wèi)星通信技術(shù)的研究重點應(yīng)集中于衛(wèi)星多頻段通信技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、數(shù)據(jù)提取技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等，通過這些技術(shù)可以有效地解決衛(wèi)星通信的技術(shù)瓶頸，促進遠程遙控技術(shù)在自主航行船舶上的發(fā)展。

船型與自主航行技術(shù)

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，三大核心技術(shù)為態(tài)勢感知、運動控制和智能決策。智能決策技術(shù)是自主航行的通用技術(shù)，在不同船型的應(yīng)用中使用類同的人工智能決策方式，面向的對象主要為活動目標和障礙物，并不是自主航行船舶本身，所以在不同船型上的應(yīng)用基本相同。

態(tài)勢感知作為自主航行的核心技術(shù)之一，是實現(xiàn)船舶自主航行的基礎(chǔ)。自主航行船舶在駛離港口、航路避碰和靠離泊的過程中，需要環(huán)境感知傳感器對航行態(tài)勢進行識別，傳感器的安裝需要覆蓋船舶的全部盲區(qū)，保證船舶對周圍環(huán)境的有效感知，而且需要使用不同的傳感器組合來實現(xiàn)態(tài)勢感知，以彌補單一傳感器的技術(shù)缺陷。大型船舶由于體積巨大及盲區(qū)面積大，導(dǎo)致傳感器需要覆蓋的范圍更廣和安裝的數(shù)量更多，如何實現(xiàn)大型船舶的態(tài)勢感知需要從技術(shù)和經(jīng)濟的角度來綜合考量。相對于大型船舶，小型船舶實現(xiàn)態(tài)勢感知相對容易，經(jīng)濟成本低，可以更快的投入工程實踐和商業(yè)應(yīng)用中去。

同時，大型船舶需要更多的傳感器進行環(huán)境態(tài)勢感知，就意味著需要處理和傳輸更大的數(shù)據(jù)量來重構(gòu)船舶環(huán)境態(tài)勢，雖然船舶與汽車不同，不需要考慮船載數(shù)據(jù)處理器的體積和功耗，對于成本的要求也不是非常敏感，但是需要考慮海量數(shù)據(jù)處理和傳輸，在現(xiàn)有芯片和計算機的技術(shù)條件下，需要仔細研究船端數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)募夹g(shù)方案，以保證數(shù)據(jù)的有效性、實時性和可靠性。

運動模型也是影響自主航行技術(shù)的主要因素，船舶運動模型與其它自主交通工具運動模型相比，最大的特點在于船舶運動具有巨大的慣性和海洋環(huán)境對船舶運動的隨機干擾。慣性疊加隨機干擾使船舶運動控制成為一個難點，船型的不同直接導(dǎo)致船舶運動模式和控制效果的不同，進行大型船舶的運動控制顯然更加困難。

小型船舶可以使用多向動力推進系統(tǒng)，如側(cè)推、全回轉(zhuǎn)舵機等，配合動力定位技術(shù)的使用，船舶運動軌跡的控制更加精確。在需要多向動力推進系統(tǒng)配合的條件下，計算機程序?qū)Υ暗目刂颇芰Ρ热祟惛泳哂袃?yōu)勢，而且小型船舶的多向動力推進系統(tǒng)相對于大型船舶的小角度單向動力推進系統(tǒng)也具有更好的操控性能，使小型船舶具有更加出色的運動能力，有效的提高控制精度和機動性能，可以在交通條件復(fù)雜的水域和靠離泊階段進行有效的避碰控制，實現(xiàn)全水域避碰和自主靠離泊。大型船舶由于機動性能、運動模式、推進方式等特性，自主航行技術(shù)的研究應(yīng)集中于寬闊水域的航路航行，在現(xiàn)有技術(shù)條件下還無法實現(xiàn)完全自主航行功能。

遠程遙控技術(shù)在自主航行船舶中的應(yīng)用已經(jīng)在國際組織、船級社與產(chǎn)品廠商之間達成了共識，是未來自主航行船舶發(fā)展的主要方向之一。如何實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、安全、高效的通信技術(shù)是遠程遙控船舶研究中的核心問題。隨著衛(wèi)星統(tǒng)通信技術(shù)的突破，遠程遙控船舶必將進入發(fā)展的快車道。

自主航行技術(shù)應(yīng)用船型的選擇是由營運需求、技術(shù)實現(xiàn)和經(jīng)濟成本所決定的。選擇在小型船舶上應(yīng)用自主航行技術(shù)可以更快地實現(xiàn)船舶完全自主化航行，自主航行技術(shù)在商業(yè)中也可以快速得到應(yīng)用。選擇在大型船舶上應(yīng)用自主航行技術(shù)，實現(xiàn)遠洋自主航行，可以有效地降低勞動強度、改善工作環(huán)境、減少人力資源。不同的組織應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用的需求來選擇自主航行技術(shù)應(yīng)用的船型。