自主船舶未來何去何從？

金偉晨 李姍晏/中國船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所 李夏青/中國船舶集團(tuán)有限公司

近期，美國船級社（ABS）在《自主船舶白皮書》（簡稱白皮書）中，結(jié)合國際海事組織（IMO）海上自主水面船舶（MASS）監(jiān)管范圍界定（RSE）工作，提出了基于自主船舶發(fā)展目標(biāo)的未來規(guī)則框架。

基于這一白皮書相關(guān)內(nèi)容，可以分析出自主船舶未來的發(fā)展目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)問題，從而對研究制定符合我國實際的自主船舶技術(shù)發(fā)展路線圖及其推進(jìn)措施產(chǎn)生積極作用。

IMO相關(guān)法規(guī)制修訂最新進(jìn)展

隨著船舶行業(yè)自主航行發(fā)展步伐不斷加快，IMO逐漸認(rèn)識到有必要制定船舶自主運營的相應(yīng)法規(guī)。2017年2月，海事安全委員會第98屆會議（MSC 98）接受了開展海上自主水面船舶（MASS）監(jiān)管范圍界定工作的提案，以確定如何在海事組織相關(guān)要求中引入MASS安全、可靠和無害環(huán)境操作。這項工作原計劃于2020年11月的MSC 102會議前完成，但由于新冠疫情，2021年5月在MSC 103會議上才最終完成并確定MASS監(jiān)管范圍。

IMO將船舶自主水平分為四級

IMO在MSC第99屆會議上采用了丹麥海事局（DMA）對船舶自主水平的四級分級標(biāo)準(zhǔn)。船員在船且具有自動化流程和決策輔助的船舶（一級）；船員在船的遠(yuǎn)距離遙控船舶（二級）；遠(yuǎn)距離遙控的無人船舶（三級）；完全自主船舶（四級）。

IMO完成海上水面自主船舶（MASS）監(jiān)管范圍界定

2021年 5月，IMO在 MSC第103屆會議上，完成了海上水面自主船舶（MASS）監(jiān)管范圍界定工作，確定了11個與自主航行法規(guī)制定工作高度相關(guān)的主題。具體包括：船長、船員或負(fù)責(zé)人的含義，遠(yuǎn)程控制站/中心，海員身份的遠(yuǎn)程操作員，手動操作和船橋警報的規(guī)定，要求人員采取行動的規(guī)定（火災(zāi)、泄漏貨物管理、船上維護(hù)等），船上證書和手冊，信息連通性，網(wǎng)絡(luò)安全，值班的定義，MASS搜救的意義，船上可用安全操作所需的信息，專業(yè)術(shù)語。

在此基礎(chǔ)上，IMO又從這份清單中確定了可能需要政策干預(yù)的4個最高優(yōu)先級問題。具體如下：

·界定船長、船員或負(fù)責(zé)人的含義

船長、船員或負(fù)責(zé)人的角色，在許多規(guī)范法規(guī)中被提至核心位置。在完全自主和無人駕駛船舶中，需要明確界定他們的含義。

·研究遠(yuǎn)程控制站/中心的功能

自主船舶的作業(yè)可能由岸上的遠(yuǎn)程控制站/中心進(jìn)行監(jiān)測或控制，這是IMO的一個新概念，其功能需要進(jìn)一步深入研究和審議。

·界定遠(yuǎn)程操作員的資格、責(zé)任和角色

監(jiān)控或控制自主船舶的遠(yuǎn)程操作員所需的資格、責(zé)任和角色需要被界定，即遙控操作人員是否需要是一名合格海員，又或者他們是否應(yīng)被視為一名海員。

表1 海上自主水面船舶自主程度等級劃分

·構(gòu)建專業(yè)術(shù)語庫

IMO的海事法規(guī)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展，但自主航行發(fā)展的特殊性正在影響整個海事法規(guī)體系，缺乏商定后的單獨術(shù)語庫將是未來造成管理混亂的關(guān)鍵因素。

IMO計劃2025年前公布相關(guān)計劃或要求

在MASS監(jiān)管范圍界定工作結(jié)束后，IMO開始著手制定有關(guān)自主運營的要求，計劃于2025年前公布。IMO指出，除2019年6月14日已經(jīng)公布的《自主船舶試航暫行指南》（MSC.1/Circ.1604）之外，IMO很可能在2025年公布相關(guān)計劃或要求之前，公布其他暫行指南。

自主船舶設(shè)計和運營目標(biāo)需整體考慮

考慮到IMO監(jiān)管范圍界定工作的最新進(jìn)展和自主運營船舶未來發(fā)展的總體需求，ABS認(rèn)為，航運業(yè)需要對自主船舶的設(shè)計和運營目標(biāo)進(jìn)行整體考慮。在白皮書中，ABS提出了基于目標(biāo)的完全自主船舶應(yīng)用規(guī)則框架，并基于《國際海上人命安全公約》（SOLAS公約）和《國際防止船舶污染公約》（MARPOL公約）等相關(guān)法規(guī)適用條款，確定了10項自主船舶未來發(fā)展目標(biāo)：在無人狀態(tài)下保持推進(jìn)系統(tǒng)可用；針對自主船舶重新定義并實現(xiàn)通信、消防與設(shè)備安全；實現(xiàn)對船舶水密性的有效監(jiān)控與自主操作；確保無人狀態(tài)下的自主避碰；具備自主傳遞緊急或遇險情況能力；滿足環(huán)保要求并建立自主報告程序；保持持續(xù)的環(huán)境監(jiān)測和態(tài)勢感知；為實現(xiàn)自主航行目標(biāo)提供指揮和決策；監(jiān)測貨物狀態(tài)并確保貨物安全；保持與相關(guān)方的實時通信。

在無人狀態(tài)下保持推進(jìn)系統(tǒng)可用

由于船舶處于無人狀態(tài)，因此，在失去推進(jìn)力的情況下，船舶應(yīng)能夠在沒有外部援助的情況下迅速重新啟動推進(jìn)裝置。對此，白皮書中提出2項具體要求，即保持電力供應(yīng)的連續(xù)性和強大、可靠、適度冗余的推進(jìn)系統(tǒng)。

重新定義并實現(xiàn)通信、消防與設(shè)備安全

對于沒有船上人員的完全自主船舶而言，通信安全、消防安全、設(shè)備健康狀態(tài)等必須得到充分關(guān)注。船上電力系統(tǒng)的持續(xù)工作對于保障推進(jìn)輔助設(shè)備、控制和通信系統(tǒng)的運行至關(guān)重要，而船上的無人狀態(tài)也使得消防理念要根據(jù)實際需求重新設(shè)計。另外，船舶設(shè)計還必須能夠防止未經(jīng)授權(quán)人員進(jìn)入船舶。

實現(xiàn)對水密性的有效監(jiān)控與自主操作

船舶進(jìn)水與浸水是影響船舶安全的一個重要因素。對于無人自主船舶，艙底的水系統(tǒng)、海水閥和通風(fēng)口設(shè)計需要得到新的關(guān)注，其中艙底水系統(tǒng)和閥門遙控等需要擁有更高的自動化和自主化水平。雖然自主船舶上缺少人員，個別空間通風(fēng)口需求減少，但在設(shè)計上仍應(yīng)考慮船舶維護(hù)或檢查期間人員的存在。同時，通風(fēng)口作為海水進(jìn)入的關(guān)鍵位置，其關(guān)閉或打開必須實現(xiàn)自動化并得到有效監(jiān)控。

確保無人狀態(tài)下的自主避碰

對自主船舶而言，航行安全的含義將更加豐富，除了船舶自身的結(jié)構(gòu)與船載系統(tǒng)的安全外，還應(yīng)具備對于其他船舶、航行環(huán)境和海況的感知能力，這要求在滿足《國際海上避碰規(guī)則公約》（COLREG公約）相關(guān)條件外，還需要具備故障時的自主轉(zhuǎn)向能力、接受和理解周圍船舶信息的能力、向周圍船舶通報航行遇險情況的能力，以及監(jiān)測航行環(huán)境的能力。

具備自主傳遞緊急或遇險情況能力

對于自主船舶而言，當(dāng)其處于緊急或遇險情況時，需要具備將自身遇險情況傳遞給遠(yuǎn)程操作員或控制中心、附近船舶及相關(guān)港口或沿途國家政府機構(gòu)的能力。白皮書中給出了5種緊急或遇險情形，即失去推進(jìn)力或操縱受限、船舶進(jìn)水、發(fā)生火災(zāi)、喪失導(dǎo)航能力和與岸基控制中心失去聯(lián)系。若船舶發(fā)生以上情況，需迅速做出反應(yīng)，以保護(hù)資產(chǎn)，并警告周圍船舶，以便盡量減少碰撞的可能性。

滿足環(huán)保要求并建立自主報告程序

從白皮書來看，在考慮自主船舶暫不會運載《MARPOL公約》附件二（散裝有毒液體物質(zhì)）和附件三（包裝形式的有害物質(zhì)）所涵蓋貨物的情況下，其至少應(yīng)滿足《MARPOL公約》附件一（防止油污染條例）和附件四（防止船舶污水污染條例）的相關(guān)要求。除此之外，自主船舶還應(yīng)符合其船旗國和沿途港口關(guān)于防止污染的要求，并為完全自主船舶建立報告程序，以滿足法規(guī)合規(guī)性要求。

保持持續(xù)的環(huán)境監(jiān)測和態(tài)勢感知

自主船舶監(jiān)控和維護(hù)船舶設(shè)備運轉(zhuǎn)情況、持續(xù)態(tài)勢感知，是其完成自主執(zhí)行既定任務(wù)、向遠(yuǎn)程操作員通報船舶和關(guān)鍵系統(tǒng)狀況的基礎(chǔ)。未來自主船舶至少應(yīng)持續(xù)監(jiān)控以下內(nèi)容：推進(jìn)、發(fā)電和配電系統(tǒng)，安全/損害程度，穩(wěn)定性和壓載控制（包括完整和破損狀態(tài)），結(jié)構(gòu)完整性和可靠性，導(dǎo)航和定位（地理定位），環(huán)境情況監(jiān)管，船舶操作情況，網(wǎng)絡(luò)安全等。

為實現(xiàn)自主航行目標(biāo)提供指揮和決策

自主船舶未來最關(guān)鍵的系統(tǒng)是中央決策系統(tǒng)，其能否持續(xù)觀察和分析周圍環(huán)境、準(zhǔn)確決策、執(zhí)行決定并發(fā)出指令和保持通信，決定了船舶的安全和航行目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，在自主船舶的中央決策系統(tǒng)設(shè)計中，通常需要單獨考慮系統(tǒng)冗余度、可靠性和網(wǎng)絡(luò)安全。

監(jiān)測貨物狀態(tài)并確保貨物安全

自主船舶需要能夠保證其所載貨物的安全，貨物的儲存和保護(hù)方式應(yīng)確保船舶自身和航行環(huán)境均不會受到威脅。因此，根據(jù)運輸貨物的特點，未來自主船舶需要配備監(jiān)控貨物狀態(tài)的裝置。

保持與相關(guān)方的實時通信

為了實現(xiàn)對船舶的監(jiān)測與安全管理，一是自主船舶需要始終保持與岸上控制站的通信，二是自主船舶應(yīng)能夠與其他船舶、船上人員、港口人員等進(jìn)行實時通信，三是對于完全自主和無人駕駛船舶，外部各方還需實現(xiàn)與遠(yuǎn)程操作員的通信。

解決影響自主船舶發(fā)展的關(guān)鍵問題

基于自主船舶發(fā)展目標(biāo)和現(xiàn)有法規(guī)基礎(chǔ)，以及正在進(jìn)行的試驗和項目，ABS確定了影響自主船舶發(fā)展的一些關(guān)鍵問題。

對遠(yuǎn)程控制中心和操作人員的要求更高

自主船舶將接受遠(yuǎn)程控制中心和操作人員的監(jiān)控或控制，這無論對于遠(yuǎn)洋還是近海作業(yè)船舶均是新的控制理念。未來，通信與連接技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等將為各相關(guān)主體間的信息互通和遠(yuǎn)程操控提供便捷。遠(yuǎn)程控制中心需要計劃自主船舶航行的各方面事宜，如，航路點的設(shè)置、船上設(shè)備的配置、監(jiān)控航程進(jìn)程、實時觀察船上設(shè)備和船體結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)、對異常和緊急情況做出反應(yīng)，并需及時與港口的船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）和沿途水域內(nèi)其他船舶等互通信息。

遠(yuǎn)程操作人員將是遠(yuǎn)程控制操作的核心，其專業(yè)能力是保障自主船舶安全行駛的重要因素?！逗T培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》（STCW公約）對船上工作人員的教育、培訓(xùn)和經(jīng)驗（海上服務(wù)）提出了明確的要求。對于岸上人員和船舶管理，《國際安全管理（ISM）準(zhǔn)則》提供了船舶安全管理和操作的要求。

目前，考慮到海員擁有船舶操作的大部分必要技能和經(jīng)驗，其很可能成為第一批遠(yuǎn)程操作員。下一步，需要找出當(dāng)前技能組合和未來所需知識技能之間的差距，以便提升當(dāng)前海員的技能，使其滿足自主和遙控操作帶來的新技能需求。

對“5G+衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”的需求更大

船舶與遠(yuǎn)程控制中心之間的連接對于自主遠(yuǎn)程控制功能的實現(xiàn)至關(guān)重要，這一過程需要考慮帶寬、數(shù)據(jù)完整性、可靠性和延遲等多個涉及數(shù)據(jù)連通的要素。對于高可靠度要求的自主或遠(yuǎn)程控制船舶，即使網(wǎng)絡(luò)不佳或完全中斷，驗證數(shù)據(jù)存儲完整性、及時恢復(fù)損壞數(shù)據(jù)等功能也應(yīng)得到保障。

目前有兩種主要的通信方法，即通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)和通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，分別用于沿海和深遠(yuǎn)海通信。蜂窩網(wǎng)絡(luò)依靠基站來提供通信覆蓋，其范圍受限于基站的可用性，因此只能連接到靠近海岸的船舶。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)則通過衛(wèi)星和地面站的結(jié)合實現(xiàn)對全球的覆蓋，其傳輸從衛(wèi)星到船舶經(jīng)過很長的距離，因此延時要高于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但目前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)卻是連接遠(yuǎn)離海岸船舶的唯一選擇。

對于自主船舶，為了監(jiān)控運行狀態(tài)并實現(xiàn)航行目標(biāo)，再加上導(dǎo)航數(shù)據(jù)交換量巨大，通信設(shè)備應(yīng)具有足夠的數(shù)據(jù)容量以滿足功能和性能要求，而傳輸數(shù)據(jù)量取決于網(wǎng)絡(luò)的頻率范圍，頻率越高，可以承載的數(shù)據(jù)就越多。同時，實施時還應(yīng)考慮連接速度、環(huán)境條件及海上交通產(chǎn)生的影響，若某個覆蓋區(qū)域（例如繁忙的港口附近）中船舶或其他帶寬使用者的數(shù)量更多，數(shù)據(jù)速度便可能更慢，而這需要通過更好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和更多的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來改善。

5G技術(shù)為自主和遠(yuǎn)程控制操作創(chuàng)造了更大的可能性。5G的速度最高可達(dá)到4G的約100倍，延遲率也顯著降低，這對于傳感器數(shù)量顯著增加的自主和遙控技術(shù)而言非常有用。低延遲特點更有助于機器控制的實現(xiàn)。然而5G技術(shù)也存在其自身缺點：由于超高頻電波傳輸距離的限制，其覆蓋范圍將縮小，大量的基站投資無疑增加了港口水域施工難度。盡管如此，在彼此靠近的船舶之間，利用本地移動自組網(wǎng)來實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)交換是可行的。

網(wǎng)絡(luò)安全將成為未來核心問題之一

2020年10月，三星重工稱其實現(xiàn)了韓國首艘300噸級遠(yuǎn)程自主航行拖船實船航行 來源：三星重工

隨著船舶和海上裝置的自動化、智能化水平不斷提高，船舶行業(yè)已將安全重點從傳統(tǒng)的船體、機械和電氣領(lǐng)域擴展到軟件和網(wǎng)絡(luò)安全。衛(wèi)星或蜂窩網(wǎng)絡(luò)雖然增加了自主和遠(yuǎn)程控制操作的可能性，但同時也增加了船舶或海上裝置網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。網(wǎng)絡(luò)安全逐漸成為海事利益相關(guān)者關(guān)注的焦點。

自主船舶操作的安全性在很大程度上取決于軟件系統(tǒng)以及船舶的操作系統(tǒng)不會受外部惡意或非惡意干擾。這要求技術(shù)人員從船舶的船上系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制/操作員控制系統(tǒng)、人工操作員和其他接口系統(tǒng)（如港口船舶交通系統(tǒng)和其他服務(wù)提供商）等方面對網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行全面分析，以確保自主和遠(yuǎn)程控制操作的信息安全。

評估與驗證需模擬測試技術(shù)支持

為了按預(yù)期實現(xiàn)自主和遠(yuǎn)程控制功能，軟件的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要，但是相關(guān)的軟件和算法驗證仍有許多問題尚未解決。例如：如何定義可靠性？如何跟蹤和評估軟件做出的決策？如何認(rèn)可自主決策行為并控制自主學(xué)習(xí)？如何定義軟件故障時的責(zé)任人？

自主和遙控功能失效，會對船舶航行任務(wù)的實現(xiàn)及安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，必須在正常和異常操作條件下對自主船舶各項功能和軟件系統(tǒng)進(jìn)行測試和驗證，以防止?jié)撛诠收习l(fā)生。

傳統(tǒng)的實船驗證方法通常成本高、耗時長。使用建模與仿真技術(shù)測試軟件功能與安全性，可有效發(fā)現(xiàn)故障并在部署前完成修復(fù)。

目前，模型在環(huán)（MIL）、軟件在環(huán)（SIL）和硬件在環(huán)（HIL）仿真技術(shù)已廣泛用于航空航天、軍事和汽車工業(yè)中，未來，這些技術(shù)也有望在船舶自主和遠(yuǎn)程控制功能的測試中廣泛應(yīng)用。

人工智能和機器學(xué)習(xí)需適用性更強的驗證框架

目前，人工智能（AI）與機器學(xué)習(xí)（ML）被用于預(yù)測船舶運行參數(shù)，如所需的主機功率、船舶識別和跟蹤、航線規(guī)劃和優(yōu)化等。然而，人工智能的應(yīng)用卻可能在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中引發(fā)故障。例如，在分析無人機機載避碰系統(tǒng)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，系統(tǒng)存在不滿足邏輯需求的情況，且系統(tǒng)可能發(fā)出導(dǎo)致錯誤避碰行動的對抗性擾動指令。

因此，建立多源數(shù)據(jù)收集處理的規(guī)范過程，為機器學(xué)習(xí)制定合理的驗證框架，將成為人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)在自主船舶領(lǐng)域應(yīng)用的重要議題。

將顯著影響港口效率和海員就業(yè)

船上人員的優(yōu)化配備甚至取消是自主技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵驅(qū)動因素之一，但也是潛在的最具挑戰(zhàn)性的問題。

《聯(lián)合國海洋法公約》（UNCLOS）第94條第4款（b）項要求，所有船舶“由具有適當(dāng)資格的船長和高級船員負(fù)責(zé)”。各類公約（SOLAS、MARPOL、STCW）和其他法規(guī)也都假定船長會在船上，并且船上有其他船員。

隨著自主技術(shù)的不斷深化，社會對無人航行的接受程度以及可能導(dǎo)致海員失業(yè)等問題陷入了深思，一些主要的海事利益相關(guān)者對自主船舶和港口運營的影響以及失業(yè)風(fēng)險表示擔(dān)憂?？梢?，自主技術(shù)還需要在相當(dāng)長一段時間內(nèi)應(yīng)對法律、監(jiān)管和社會層面的挑戰(zhàn)，并提出足夠多的措施以確保自主技術(shù)的安全性。

研究制定符合我國實際的發(fā)展路線圖

加快制定技術(shù)發(fā)展路線圖，分步推進(jìn)實施

ABS白皮書基于全球自主船舶技術(shù)發(fā)展趨勢的分析研究，提出了10項發(fā)展目標(biāo)和若干關(guān)鍵技術(shù)問題，對總體把握自主船舶發(fā)展具有重要的意義。建議業(yè)內(nèi)在對我國當(dāng)前自主船舶技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行全面摸底分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合IMO船舶自主化程度分級標(biāo)準(zhǔn)和國際自主船舶發(fā)展態(tài)勢，研究制定符合我國實際的自主船舶技術(shù)發(fā)展路線圖并推進(jìn)實施，分階段、有側(cè)重地解決關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用問題，并且加強動態(tài)評估，及時調(diào)整自主船舶發(fā)展計劃與目標(biāo)。

羅爾斯·羅伊斯此前制定的無人航運路線圖 圖源：羅爾斯·羅伊斯

突破關(guān)鍵核心技術(shù)，加強技術(shù)儲備

根據(jù)ABS白皮書對自主船舶發(fā)展目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)的研判，以及我國《智能船舶發(fā)展行動計劃（2019—2021年）》關(guān)于自主船舶技術(shù)發(fā)展的相關(guān)要求，可以確定，船體設(shè)計、多源感知、網(wǎng)絡(luò)與通信及自主航行等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域是發(fā)展自主船舶亟待突破的重點領(lǐng)域。建議業(yè)內(nèi)推動行業(yè)優(yōu)勢資源統(tǒng)籌，以聚焦重點進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，爭取由政府主管部門加大支持力度，集中力量突破全船綜合智能管理及控制、船用傳感和多源感知數(shù)據(jù)融合、船岸一體通信和信息安全保障、自主航行與自主避碰等關(guān)鍵技術(shù)，加強自主船舶研發(fā)應(yīng)用的技術(shù)儲備。

推動產(chǎn)業(yè)鏈合作，建立協(xié)同發(fā)展“生態(tài)圈”

白皮書中提出，在自主船舶產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的未來，船船之間、船岸之間、船港之間的信息共享與實時通信是重要的基礎(chǔ)條件。這意味著，船舶、港口、岸基，乃至船東、船廠都將被納入自主船舶發(fā)展的價值鏈條中。自主船舶未來的目標(biāo)實現(xiàn)與商業(yè)化應(yīng)用需要各方協(xié)作，共同推進(jìn)。為此，建議業(yè)內(nèi)推動“官、產(chǎn)、學(xué)、研、用”一體化，由政府機構(gòu)牽頭建立造船、航運、配套、數(shù)據(jù)服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新與應(yīng)用的良好機制，使各方共同參與項目研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，打造共贏生態(tài)。