智能船舶的應(yīng)用與展望

楊城，何強(qiáng)

（武警士官學(xué)校船艇系，浙江 杭州 311400）

全世界能源危機(jī)逐漸凸顯，船舶及其相關(guān)領(lǐng)域的研究的主要圍繞著節(jié)能減排展開(kāi)，隨著智能時(shí)代的到來(lái)，無(wú)人機(jī)、無(wú)人汽車、無(wú)人船舶等已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域研究和大力發(fā)展的重點(diǎn)方向[1]，為船舶的研究提供了新的思路。國(guó)務(wù)院在2017年7月發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提出要大力發(fā)展智能無(wú)人船舶[2]，智能無(wú)人船舶第一次被提升到了國(guó)家戰(zhàn)略層面。因此，無(wú)論是民用智能船舶，還是軍用無(wú)人船艇，都關(guān)系到國(guó)家科技領(lǐng)域的發(fā)展，以及國(guó)防、軍事現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。與此同時(shí)，世界各國(guó)都不斷加強(qiáng)對(duì)智能船舶領(lǐng)域的研究，為中國(guó)的智能無(wú)人船舶技術(shù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[3]。

1 智能船舶簡(jiǎn)介

所謂的“智能無(wú)人化船舶”，主要是指可以人工遠(yuǎn)程遙控或自動(dòng)控制，依托于衛(wèi)星定位、傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)而進(jìn)行的目標(biāo)識(shí)別、數(shù)據(jù)傳輸以及執(zhí)行規(guī)定功能的船舶。中國(guó)船級(jí)社在2020年頒布《智能船舶規(guī)范（2020）》[4]對(duì)智能化船舶進(jìn)行了定義，智能化船舶與傳統(tǒng)船舶相比，具有感知能力、記憶和思維能力、自適應(yīng)能力以及行為決策能力，智能化主要是從船舶局部到全船應(yīng)用、由輔助決策到完全自主的方向進(jìn)行發(fā)展。民用的智能化無(wú)人船多數(shù)與貨物運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水上救援等領(lǐng)域相關(guān)[5-6]，應(yīng)用的范圍比較單一；而在軍事應(yīng)用方面，由于船艇擔(dān)負(fù)的作戰(zhàn)使命以及任務(wù)的特殊性，決定了智能化無(wú)人船舶多數(shù)應(yīng)用于小型船艇，能夠完成單項(xiàng)或多項(xiàng)功能，主要進(jìn)行偵察、防衛(wèi)使用。

2 國(guó)外智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 美國(guó)

美國(guó)在人工智能領(lǐng)域的研究起步較早，在智能船舶領(lǐng)域的研究主要應(yīng)用于軍事，從概念構(gòu)想到制造應(yīng)用，美國(guó)研制的水面無(wú)人艇具有航速高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、模塊化設(shè)計(jì)、隱蔽性好等特點(diǎn)，典型的代表船型[7]有通用動(dòng)力公司建造的“斯巴達(dá)偵察兵”、國(guó)際機(jī)器人系統(tǒng)公司研制的“海上貓頭鷹”以及美國(guó)海軍研究局在剛性充氣艇的基礎(chǔ)上研制的遙控?zé)o人艇“海狐”，這類智能無(wú)人艇根據(jù)任務(wù)不同，可以選擇不同的模塊，以實(shí)現(xiàn)所需的功能。不同的模塊通常具有4項(xiàng)功能：情報(bào)搜集和監(jiān)視、反水雷戰(zhàn)、反艦作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)。在民用領(lǐng)域，無(wú)人技術(shù)主要應(yīng)用于商船或漁船，研究圍繞著自動(dòng)駕駛、自動(dòng)避碰、路徑規(guī)劃等功能，如美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)（EDF）提倡“智能船舶”計(jì)劃，旨在加快新型技術(shù)應(yīng)用于全球的漁船，便于記錄和跟蹤漁船狀態(tài)，為決策提供依據(jù)。美國(guó)Metal Shark與ASV Global共同研發(fā)Sharktech型智能船舶，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避碰和導(dǎo)航功能，這些功能進(jìn)一步為軍事、救援以及海上執(zhí)法服務(wù)。

2.2 法國(guó)

法國(guó)早在2013年推出《法國(guó)機(jī)器人發(fā)展計(jì)劃》以及《法國(guó)人工智能戰(zhàn)略》，重點(diǎn)加強(qiáng)人工智能領(lǐng)域的研究。在民用智能船艇方面，法國(guó)Marine Tech公司研發(fā)的“RSV”智能船“海豚號(hào)”，這種智能船體積非常小，同時(shí)能抵抗5級(jí)風(fēng)的海況以及1.5 m的浪，主要用于海上監(jiān)測(cè)、采集海岸與海底的地形數(shù)據(jù)，為生態(tài)評(píng)估、岸線保護(hù)以及生態(tài)評(píng)估服務(wù)，集海洋、湖泊和河流測(cè)繪于一身。軍用方面，法國(guó)ECA公司研制的有“ART-STAR”和“檢驗(yàn)者”號(hào)無(wú)人艇，前者作為水面自主航行靶船，進(jìn)行航道勘探、掃雷探測(cè)的任務(wù)，后者則主要用于情報(bào)搜集和監(jiān)測(cè)偵察工作。

2.3 韓國(guó)

韓國(guó)有現(xiàn)代重工、三星重工和大宇造船三大造船龍頭企業(yè)，對(duì)于智能船的發(fā)展和規(guī)劃也有清晰的目標(biāo)。在民用方面，現(xiàn)代重工旗下子公司Avikus研發(fā)的游艇“Avikus”號(hào)已經(jīng)成功下水并測(cè)試自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，掌握核心技術(shù)“HiNAS”智能航行輔助系統(tǒng)和離岸支援系統(tǒng)“HiBas”，實(shí)現(xiàn)船舶自主航行。在軍用方面，韓國(guó)LⅠG Nex1公司研發(fā)的“海劍3”水面無(wú)人艇，可以執(zhí)行監(jiān)視與偵察任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和避碰技術(shù)，船舶可以在4級(jí)海況下實(shí)現(xiàn)自主航行。

2.4 日本

日本雅馬哈公司研制的“UMV-H”環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人艇，利用太陽(yáng)能進(jìn)行供電，主要用于海上環(huán)境監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)海軍的偵察任務(wù)；2014年開(kāi)始，日本機(jī)械與設(shè)備協(xié)會(huì)（JSMEA）和三菱重工共同研制智能船舶系統(tǒng)，并已實(shí)船調(diào)試，日本船級(jí)社和NAPA聯(lián)合研制航行路徑規(guī)劃系統(tǒng)，也成功運(yùn)用到智能船舶中。2019年，日本郵船已啟動(dòng)DFFAS（Designing the Future of Full Autonomous Ship）項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證無(wú)人操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶定位以及航線控制、實(shí)時(shí)感應(yīng)海況、降低海上故障。

3 國(guó)內(nèi)智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)的智能化無(wú)人船艇，在技術(shù)層面，研究主要集中在智能無(wú)人船艇的數(shù)據(jù)傳輸與研發(fā)、智能無(wú)人船艇的控制以及路徑優(yōu)化[8-11]等方面，這些領(lǐng)域是智能船舶技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，船舶在航行過(guò)程中，實(shí)際的航行路徑往往與規(guī)劃的路徑存在一定的偏差，偏離原設(shè)計(jì)航線的過(guò)程中，實(shí)際航區(qū)的水深、障礙物情況已經(jīng)發(fā)生變化，這將會(huì)大大增加船舶航行的難度與風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致船艇在航行時(shí)容易發(fā)生碰撞、觸礁等事故；在應(yīng)用層面，大多數(shù)都停留在理論框架上[12-16]，多使用在水文監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘測(cè)、海上救援、海上巡視等領(lǐng)域，目前已經(jīng)成型的產(chǎn)品與專利，以云洲科技公司為主[17]，研制出的產(chǎn)品有環(huán)境測(cè)量船、隱身無(wú)人船、海洋調(diào)查艇以及自主軍用無(wú)人艇。軍方對(duì)無(wú)人船艇的應(yīng)用，多以渡海登陸、邊境管控等任務(wù)為主，將無(wú)人船艇作為未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)規(guī)劃加以應(yīng)用和驗(yàn)證[18]，除此以外，更多的是將無(wú)人船艇作為靶船[19]，其功能相對(duì)單一，未能充分發(fā)揮無(wú)人船艇的效用和價(jià)值。

4 船舶應(yīng)用及展望

4.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)

在智能化船艇上，加裝通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)設(shè)備以及測(cè)量設(shè)備，進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)；加裝采集傳感器、氣象監(jiān)控機(jī)等對(duì)海域氣象進(jìn)行監(jiān)測(cè)；加裝重力儀或磁力儀等對(duì)海洋進(jìn)行勘測(cè)。如果使用大型的船舶執(zhí)行此類任務(wù)，采集的數(shù)據(jù)量較少，準(zhǔn)確性較低，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力；如果采用固定裝置進(jìn)行采集，則會(huì)增大設(shè)備投入成本，得不償失。因此，使用智能無(wú)人船艇執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)具有綜合的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)以提高續(xù)航能力、抗風(fēng)浪能力為主。

4.2 海岸巡視

中國(guó)海岸基線較長(zhǎng)、水域范圍廣，使用大型船舶進(jìn)行巡邏，不僅消耗人力物力，而且容易被反偵察。因此，利用智能無(wú)人船艇可以擴(kuò)大水域監(jiān)測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)岸基-母船-無(wú)人船的管理模式，提高監(jiān)測(cè)效率，同時(shí)增加巡視的隱蔽性。

4.3 水上救援

海上出現(xiàn)人員落水時(shí)，吊放救生艇非常遲緩，也不易發(fā)現(xiàn)和營(yíng)救落水人員；江河湖泊中出現(xiàn)人員落水的情況往往不易被察覺(jué)，從發(fā)現(xiàn)到人員搜救的過(guò)程中，營(yíng)救船舶需要從岸邊行駛到救援地，響應(yīng)通常比較遲緩，貽誤救援時(shí)機(jī)。因此，將智能無(wú)人船艇上，加裝救援設(shè)備，可以增加自動(dòng)巡航頻次，提升救援的快速性以及有效性。

4.4 反恐安保

近些年來(lái)水上恐怖活動(dòng)有所緩解，但是在重大節(jié)假日期間，或者在危險(xiǎn)水域航行時(shí)，水上安全問(wèn)題不容忽視，主要是來(lái)自于恐怖活動(dòng)，恐怖分子通常會(huì)對(duì)船舶以及岸基設(shè)施進(jìn)行攻擊。因此，利用無(wú)人船艇可以進(jìn)行水上或岸邊的可疑目標(biāo)識(shí)別和攔截，防止自殺式爆炸的威脅，減少人員傷亡。

4.5 火力支援

火力支援通常應(yīng)用于軍事船艇，大多數(shù)的軍用智能無(wú)人船艇都可以配備槍炮，能夠在一定程度范圍內(nèi)壓制敵方火力，較大船型智能無(wú)人船甚至可以加裝防空或攔截導(dǎo)彈，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的擊打任務(wù)。這類船艇平時(shí)可以拆卸槍炮，用于巡邏執(zhí)勤任務(wù)，在作戰(zhàn)或演習(xí)時(shí)，可以配載槍炮，實(shí)彈射擊。

4.6 航道探測(cè)

水雷是一種布設(shè)在水中的爆炸武器，由于廉價(jià)、威力大、發(fā)現(xiàn)困難，在水上戰(zhàn)爭(zhēng)中被廣泛使用。對(duì)于有潛在危險(xiǎn)或戰(zhàn)爭(zhēng)的水域，可以利用智能無(wú)人船艇延長(zhǎng)航程和距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)航行水域的掃雷工作，以免母船航行時(shí)被敵方水雷襲擊。

4.7 情報(bào)偵察

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，大型的艦艇容易暴露目標(biāo)，智能無(wú)人船艇配備有雷達(dá)、傳感器、定位系統(tǒng)，可以有效地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，同時(shí)結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，便于目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)可疑的目標(biāo)識(shí)別、回傳和應(yīng)急響應(yīng)。

4.8 水上靶船

軍艦在水上演習(xí)時(shí)，通常使用固定浮標(biāo)作為靶子，無(wú)法適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)多樣性變化，實(shí)戰(zhàn)性較差。因此，簡(jiǎn)易的無(wú)人船艇可以作為靶船，按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行航行，增加實(shí)戰(zhàn)性，實(shí)現(xiàn)軍艦對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)打擊，提高艦艇的實(shí)戰(zhàn)能力。

4.9 水上誘餌

在海戰(zhàn)時(shí)，出于戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略考慮，通常會(huì)進(jìn)行船艇偽裝，部隊(duì)可以使用智能無(wú)人船艇作為誘餌船，分散敵方注意力，干擾敵方的目標(biāo)識(shí)別和判斷，如在無(wú)人船艇上加裝聲吶設(shè)備，誘騙敵方暴露水下潛艇位置。

4.10 協(xié)同作戰(zhàn)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)升級(jí)到網(wǎng)絡(luò)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，部隊(duì)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有人/無(wú)人的協(xié)同作戰(zhàn)，同時(shí)智能無(wú)人船艇可以作為無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制及回收平臺(tái)，擴(kuò)大水域監(jiān)測(cè)范圍，提高無(wú)人機(jī)以及無(wú)人船艇的利用率，形成聯(lián)合作戰(zhàn)模式和機(jī)制。

4.11 反潛作戰(zhàn)

潛艇隱蔽性極高，在軍事演習(xí)或戰(zhàn)時(shí)，通過(guò)對(duì)智能船艇加裝偵察設(shè)備、探測(cè)設(shè)備或武器裝備，可以增加海軍的反潛力量，減少反潛任務(wù)的人員生命風(fēng)險(xiǎn)，降低反潛的成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方的偵察、驅(qū)趕甚至攻擊水下潛艇。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)外智能化無(wú)人船艇的民用以及軍用方向進(jìn)行了梳理與研究。目前，國(guó)外已經(jīng)有比較成熟的民用以及軍用智能化無(wú)人船艇，且軍用智能化無(wú)人船艇服役早、種類多，功能不一。民用方面，研究主要集中在自動(dòng)駕駛、船舶自動(dòng)避碰等方面，智能化無(wú)人船艇主要應(yīng)用于水文監(jiān)測(cè)以及地質(zhì)勘測(cè)等領(lǐng)域；而在軍用方面，技術(shù)相對(duì)成熟，主要以情報(bào)搜集、水上掃雷、反潛艇、航道探測(cè)等方面。結(jié)合中國(guó)軍、民用研究實(shí)際，提出了未來(lái)智能化無(wú)人船舶的應(yīng)用方向，民用可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘測(cè)、海岸監(jiān)察、水上救援等領(lǐng)域；軍用可以應(yīng)用在反恐保安、火力支援、航道探測(cè)、情報(bào)偵察、水上靶船、水上誘餌、協(xié)同作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)等領(lǐng)域。