遠(yuǎn)程遙控模式下的船舶信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳宇航， 朱 宇， 韓 冰， 王炳德， 劉 佳

(1.閩江學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，福州 350108；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司，上海 200135；3.船舶運(yùn)輸控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，上海 200135)

0 引 言

近年來(lái)，隨著航運(yùn)碳中和目標(biāo)的提出,以及航運(yùn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，航運(yùn)企業(yè)對(duì)海上自主航行船舶(Maritime Autonomous Surface Ships，MASS)的航行、機(jī)艙、貨物運(yùn)輸和溫室氣體排放等關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程或指標(biāo)的安全性和合規(guī)性的要求不斷提高，以有效降低船舶的燃料消耗及運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。遠(yuǎn)程遙控作為MASS的一種重要操縱模式，近年來(lái)得到了很多航運(yùn)國(guó)家[1-3]的關(guān)注。2017年9月，瓦錫蘭公司在美國(guó)加州通過(guò)衛(wèi)星遠(yuǎn)程控制位于8 000 km以外的歐洲北海海域的船舶“Highland Chieftain”輪，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作動(dòng)力定位。2019年12月，韓國(guó)三星重工對(duì)位于250 km以外的一艘模型船進(jìn)行遠(yuǎn)程駕駛演示，驗(yàn)證了基于海上避碰規(guī)則的航行和航線優(yōu)化技術(shù)的可行性。2022年4月，歐洲船企聯(lián)手打造的全球首艘零排放“無(wú)人”集裝箱船“Yara Birkeland”號(hào)的命名儀式在挪威舉行，該船由康士伯海事與威爾森(Wilhelmsen)聯(lián)合成立的全球首家無(wú)人船公司Massterly設(shè)置在挪威霍爾滕(Horten)的監(jiān)控和操作中心運(yùn)營(yíng)。

近年來(lái)，我國(guó)在遠(yuǎn)程駕駛實(shí)踐方面也取得了一些進(jìn)展[4-6]。2019年5月，智慧航海(青島)科技有限公司在青島測(cè)試了“智騰”號(hào)船舶的遠(yuǎn)程駕駛功能。2019年10月，武漢理工大學(xué)在荷蘭瓦赫寧根成功遠(yuǎn)程控制了8 500 km以外位于我國(guó)武漢市的7 m長(zhǎng)的模型船。2022年4月，由交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院作為技術(shù)牽頭單位，智慧航海(青島)科技有限公司投資建造的我國(guó)首艘自主航行集裝箱船“智飛”號(hào)在青島港交付運(yùn)營(yíng)，該船具有人工駕駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛和無(wú)人自主航行等3種駕駛模式，能實(shí)現(xiàn)航行環(huán)境智能感知認(rèn)知、自主循跡、航線自主規(guī)劃、智能避碰、自動(dòng)靠離泊和遠(yuǎn)程遙控駕駛等功能。

從以上典型案例中可看出，當(dāng)前基于遠(yuǎn)程遙控模式的MASS已投入運(yùn)營(yíng)測(cè)試，航運(yùn)業(yè)的MASS時(shí)代即將到來(lái)，因此航運(yùn)公司迫切需要面向MASS，對(duì)其管理需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)解決方案。本文從國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)對(duì)MASS的分級(jí)定義出發(fā)，前瞻性地分析遠(yuǎn)程遙控模式下的MASS管理主體和管理任務(wù)，梳理航運(yùn)公司的信息管理需求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)面向船舶遠(yuǎn)程遙控的信息管理系統(tǒng)方案。

1 遠(yuǎn)程遙控模式下的MASS管理主體與管理任務(wù)

根據(jù)IMO海上安全委員會(huì)(Maritime Safety Committee，MSC)對(duì)管制范圍的界定，MASS主要分為4個(gè)等級(jí)，即：海員在船且具有自動(dòng)化流程和決策支持(等級(jí)1)；海員在船且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控(等級(jí)2)；海員不在船，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控(等級(jí)3)；完全自主(等級(jí)4)。本文重點(diǎn)對(duì)通過(guò)岸基船長(zhǎng)室對(duì)船舶進(jìn)行控制的遠(yuǎn)程遙控模式進(jìn)行分析，船舶駕駛?cè)蝿?wù)由遠(yuǎn)程操控人員承擔(dān)，采用該模式的船舶屬于等級(jí)3的MASS。

該遠(yuǎn)程遙控模式下的MASS相關(guān)主體任務(wù)示意圖見(jiàn)圖1。MASS通過(guò)傳感器等設(shè)備或手段完成航行態(tài)勢(shì)感知和設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)等，收集、融合全船的信息之后，對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，并將其發(fā)送給遠(yuǎn)程控制中心，結(jié)合遠(yuǎn)程控制中心提供的政府治理和船舶所有人管理信息在船上生成輔助決策建議，同時(shí)解析執(zhí)行遠(yuǎn)程控制中心的控制指令。

圖1 遠(yuǎn)程遙控模式下的MASS相關(guān)主體任務(wù)示意圖

在岸端，遠(yuǎn)程遙控模式主要涉及遠(yuǎn)程操控人員、航運(yùn)公司和航海保障組織等3個(gè)主體。為保障MASS控制的安全性和優(yōu)先性，這3個(gè)主體中僅遠(yuǎn)程操控人員直接參與控制MASS，航海保障組織和航運(yùn)公司均通過(guò)遠(yuǎn)程操作人員所在的遠(yuǎn)程控制中心與MASS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，遠(yuǎn)程控制中心在岸端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并為遠(yuǎn)程操控人員提供岸上船長(zhǎng)室。對(duì)比海商法中規(guī)定的傳統(tǒng)船員的主要任務(wù)為船舶管理和駕駛、命令發(fā)布、船舶和在船人員安全維護(hù)，遠(yuǎn)程操控人員作為負(fù)責(zé)MASS運(yùn)營(yíng)的重要人員，只負(fù)責(zé)船舶的航行和管理，同時(shí)在貨物處理方面或許只承擔(dān)監(jiān)督責(zé)任[7-8]。但是，應(yīng)注意目前遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)的應(yīng)用尚不成熟，遠(yuǎn)程操控人員相比船上的船長(zhǎng)，實(shí)際應(yīng)具有更高的技術(shù)水平,除了需具備必要的航海經(jīng)驗(yàn)和良好的判斷、溝通、決策能力以外，還需熟悉信息通信技術(shù)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的使用，掌握遠(yuǎn)程操控船舶的方法，從而達(dá)到在船舶航行過(guò)程中確保船舶和貨物安全的目標(biāo)。

對(duì)于航海保障部門而言，面對(duì)MASS，視覺(jué)航標(biāo)、紙質(zhì)海圖和甚高頻(Very High Frequency，VHF)語(yǔ)音發(fā)布助航信息等傳統(tǒng)航海保障手段的作用將被削弱。由此，采用數(shù)字化航標(biāo)、提高海上通信服務(wù)的質(zhì)量和構(gòu)建統(tǒng)一調(diào)配的信息共享智能航保平臺(tái)是面向MASS提供海事服務(wù)和促進(jìn)航保未來(lái)發(fā)展的有效途徑[9-10]。在該途徑下，在可靠的船岸通信鏈路的基礎(chǔ)上，航保部門主要向遠(yuǎn)程操控人員播發(fā)港口調(diào)度、航行警告、航區(qū)氣象水文預(yù)報(bào)和電子海圖更新信息等航海保障信息，對(duì)MASS進(jìn)行港口國(guó)監(jiān)督，協(xié)調(diào)MASS參與海上應(yīng)急救助。

航運(yùn)公司對(duì)MASS的管理目標(biāo)可概括為確保船舶和貨物安全及提升船舶的運(yùn)營(yíng)效率，在該目標(biāo)下其船舶管理形式與傳統(tǒng)的船舶管理形式不完全一致。為提高船舶運(yùn)營(yíng)效率，航運(yùn)公司希望通過(guò)建立統(tǒng)一的智能信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)的全數(shù)字化船舶能效管理，航次、航線和航程管理，船舶設(shè)備與貨物安全監(jiān)測(cè)和船舶塢修與備件管理等，并優(yōu)化海事和商務(wù)事務(wù)流程。為保障MASS的安全，除了建立機(jī)艙、航行和貨物安全等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以外，航運(yùn)公司或船舶管理公司還需雇用能熟練控制MASS的人員，監(jiān)督其履職情況，為其提供相關(guān)培訓(xùn)。此外，船舶所有人應(yīng)配合系統(tǒng)供應(yīng)商對(duì)MASS和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行定期的檢查、維修、保養(yǎng)和升級(jí)，當(dāng)系統(tǒng)存在可預(yù)見(jiàn)的故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行干預(yù)，當(dāng)船舶發(fā)生事故時(shí)及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，避免事故影響擴(kuò)大[11]。

2 航運(yùn)公司的信息管理需求

通過(guò)調(diào)研得到遠(yuǎn)程遙控模式下航運(yùn)公司的信息管理需求分布見(jiàn)圖2。

圖2 遠(yuǎn)程遙控模式下航運(yùn)公司的信息管理需求分布

根據(jù)管理類別對(duì)上述信息管理需求進(jìn)行梳理，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 航運(yùn)公司的信息管理需求匯總

3 遠(yuǎn)程遙控模式下的信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航運(yùn)公司的船舶信息管理系統(tǒng)除了具有上述管理類別以外，還應(yīng)滿足航運(yùn)公司對(duì)信息的合規(guī)性、服務(wù)的連續(xù)性、數(shù)據(jù)的完整性和安全性、管理系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和模塊化等方面的一般設(shè)計(jì)需求。據(jù)此，設(shè)計(jì)的MASS信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。

圖3 MASS信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

MASS信息管理系統(tǒng)基于混合云架構(gòu)，通過(guò)衛(wèi)星、4G/5G等船岸通信手段收集MASS的數(shù)據(jù)，通過(guò)局域網(wǎng)(Local Area Network，LAN)、互聯(lián)網(wǎng)等收集航運(yùn)公司、航保組織和設(shè)備供應(yīng)商的數(shù)據(jù)，并按用途、安全性和成本要求將其存儲(chǔ)在本地服務(wù)器、私有云和公有云中。該系統(tǒng)建立有數(shù)據(jù)中臺(tái)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)框架降低風(fēng)險(xiǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和計(jì)算的可用性，支持服務(wù)的連續(xù)性。業(yè)務(wù)服務(wù)層從航運(yùn)公司的信息管理需求出發(fā)，在數(shù)據(jù)中臺(tái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化的基礎(chǔ)上，按可擴(kuò)展、靈活和模塊化的原則，通過(guò)微服務(wù)引擎構(gòu)建智能船舶信息應(yīng)用管理、系統(tǒng)管理、船舶電子信息管理和數(shù)據(jù)安全管理等4個(gè)功能模塊，并通過(guò)開(kāi)發(fā)運(yùn)維一體化層支持系統(tǒng)運(yùn)維和應(yīng)用優(yōu)化提升。門戶為不同用戶接入終端提供安全統(tǒng)一的接入點(diǎn)，提供服務(wù)目錄、搜索和通知等服務(wù)索引功能，引導(dǎo)用戶使用系統(tǒng)。下面對(duì)該船舶信息管理系統(tǒng)的部分重要功能進(jìn)行介紹。

1)船舶狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

由于在遠(yuǎn)程遙控模式下，MASS的駕駛?cè)蝿?wù)是由遠(yuǎn)程操控人員承擔(dān)的，船舶信息管理系統(tǒng)的首要任務(wù)是為遠(yuǎn)程操控人員提供直觀的船舶狀態(tài)信息監(jiān)控界面，協(xié)助其監(jiān)控船舶的安全狀態(tài)。系統(tǒng)從收集的MASS數(shù)據(jù)出發(fā)，融合交通組織和航運(yùn)公司提供的信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和分析，并用符合遠(yuǎn)程操控人員操作習(xí)慣的界面展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該船舶信息管理系統(tǒng)可提供船舶航行方面的信息和船舶重要?jiǎng)恿υO(shè)備的信息，協(xié)助遠(yuǎn)程操控人員管理目標(biāo)船舶。圖4和圖5分別為航行狀態(tài)監(jiān)測(cè)CONNING界面和機(jī)艙軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面。

圖4 航行狀態(tài)監(jiān)測(cè)CONNING界面

圖5 機(jī)艙軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面

2)服務(wù)擴(kuò)展。

為應(yīng)對(duì)MASS運(yùn)營(yíng)過(guò)程中遠(yuǎn)程遙控等技術(shù)升級(jí)換代帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，該船舶信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于混合云的架構(gòu)，支持以數(shù)字服務(wù)的形式進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展，從而保證實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一架構(gòu)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，避免在船舶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中因技術(shù)發(fā)展而對(duì)系統(tǒng)的可用性產(chǎn)生影響。同時(shí)，服務(wù)擴(kuò)展利于充分發(fā)揮船舶信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，例如支持航運(yùn)企業(yè)進(jìn)行跨部門的數(shù)字化業(yè)務(wù)案例探索，在進(jìn)行船舶能效分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶航行、航線信息和來(lái)自于航運(yùn)公司其他部門的船舶港口業(yè)務(wù)信息等，優(yōu)化船舶管理流程，開(kāi)展新的業(yè)務(wù)模式探索，進(jìn)一步提升管理效能。圖6為航行能效分析界面。

圖6 航行能效分析界面

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前，航運(yùn)公司迫切需要對(duì)正在投入運(yùn)營(yíng)的MASS進(jìn)行信息管理，本文簡(jiǎn)要介紹了近年來(lái)MASS的發(fā)展情況，前瞻性地分析了MASS在遠(yuǎn)程遙控模式下運(yùn)營(yíng)管理的主體和面臨的管理任務(wù)，梳理了航運(yùn)公司對(duì)營(yíng)運(yùn)船舶的信息管理需求，設(shè)計(jì)了MASS的信息管理系統(tǒng)解決方案，可供航運(yùn)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的研究實(shí)踐參考，對(duì)于航運(yùn)企業(yè)提升包括MASS在內(nèi)的船隊(duì)的管理能力和服務(wù)水平而言具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。