船舶避碰模式智能化探討

摘? 要：在全球大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和國(guó)家高度重視海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的大背景下，為了加快現(xiàn)代信息、人工智能等高新技術(shù)與航運(yùn)要素的深度融合，筆者探索智能化的船舶航行避碰模式，期望培育和發(fā)展智能航運(yùn)新業(yè)態(tài)。如今，自動(dòng)化駕駛及遠(yuǎn)程操控技術(shù)已在很多領(lǐng)域嶄露頭角，筆者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)分析從而就航海智能化在船舶航行避碰中的運(yùn)用進(jìn)行探討 ，旨在更好地保障船舶航行安全。

關(guān)鍵詞：船舶航行避碰；區(qū)塊鏈；大數(shù)據(jù)；云計(jì)算；通信技術(shù)

0 引 言

目前，國(guó)際海事組織（IMO）正在推進(jìn)電子航海（e-Navigation）戰(zhàn)略，旨在增強(qiáng)航海信息化，同時(shí)也推動(dòng)航?？茖W(xué)技術(shù)，尤其是船舶駕駛自動(dòng)化與航海智能化的發(fā)展，這樣可以減少人為失誤及減輕航海人員的工作負(fù)荷，并在船舶航行避碰方面發(fā)揮出卓越的成效。隨著智能化時(shí)代的到來(lái)，航海技術(shù)發(fā)展面臨新時(shí)代的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，必須進(jìn)行改革創(chuàng)新，與時(shí)俱進(jìn)。

1 船舶航行避碰手段的發(fā)展歷程

1.1? 20世紀(jì)八九十年代的船舶航行避碰手段

在20世紀(jì)八九十年代，船舶主要是通過(guò)船載雷達(dá)、望遠(yuǎn)鏡和甚高頻電話(huà)（VHF）來(lái)處理船舶航行避碰問(wèn)題，雷達(dá)標(biāo)繪和海圖定位是主要判斷依據(jù)。當(dāng)時(shí)，雷達(dá)設(shè)備的功能也不完善，使用便捷度較低，經(jīng)常會(huì)受到天氣海況的影響。由于沒(méi)有雷達(dá)自動(dòng)標(biāo)繪（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ARPA）和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AIS），同時(shí)摻雜著人為因素及通訊環(huán)境的影響，用甚高頻與他船聯(lián)系有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤會(huì)。

1.2 現(xiàn)代船舶的航行避碰手段

隨著船舶大型化及現(xiàn)代化，普遍配備了ARPA、AIS、電子海圖及綜合導(dǎo)航儀等先進(jìn)設(shè)備，顯著提高了船舶間通訊及實(shí)時(shí)核查周?chē)ê角闆r的效率。雷達(dá)上捕捉的船舶信息中通常會(huì)顯示最近會(huì)遇距離（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CPA）和抵達(dá)最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCPA），不用進(jìn)行人工雷達(dá)標(biāo)繪，更加直觀地判斷碰撞風(fēng)險(xiǎn)并且減小誤差?？山﹣?lái)年，每年還是會(huì)出現(xiàn)多起由于船舶航行避碰不當(dāng)而發(fā)生的重大海事，主要原因?yàn)椋?/p>

（1）人們過(guò)分依賴(lài)和信任電子設(shè)備，忽視核查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

（2）船舶之間的設(shè)備先進(jìn)化程度差異較大；

（3）船舶大型化且最高船速相對(duì)于20世紀(jì)八九十年代有了質(zhì)的飛躍，導(dǎo)致事故的嚴(yán)重程度也明顯增加；

（4）人為因素影響仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，傾向于協(xié)調(diào)避讓?zhuān)菀桩a(chǎn)生誤會(huì)。

2 在船舶航行避碰領(lǐng)域中可運(yùn)用的科學(xué)技術(shù)

2.1大數(shù)據(jù)

目前，船舶航行數(shù)據(jù)和相關(guān)資料主要是從全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、ARPA、AIS、測(cè)深儀、計(jì)程儀、全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)等設(shè)備中獲取的，通過(guò)岸基網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信進(jìn)行船船或船岸傳輸。由這些數(shù)據(jù)可以得知實(shí)時(shí)船速、航向、最近會(huì)遇距離、抵達(dá)最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間、來(lái)船過(guò)本船船首的距離、來(lái)船過(guò)本船船首的時(shí)間等相關(guān)參數(shù)。但由于數(shù)據(jù)傳輸和通信機(jī)制需要人工干預(yù)，也暴露出數(shù)據(jù)傳輸延誤甚至發(fā)生錯(cuò)誤的缺點(diǎn)，因此有必要研制智能的船舶綜合數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸系統(tǒng)。引入大數(shù)據(jù)模塊來(lái)收集全球可航水域范圍內(nèi)所有船舶的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息并在最短時(shí)間內(nèi)尋找其相關(guān)性，然后進(jìn)行分析及核準(zhǔn)，最后以多種格式或形態(tài)直接傳輸?shù)綍r(shí)空高通量的航海智能云數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)感知、通信、物聯(lián)、智能等方面新技術(shù)發(fā)展也可以為航海智能云數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，最重要的是確保數(shù)據(jù)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性及可追溯性。

2.2云計(jì)算

在航海中，目前大多數(shù)船舶航行數(shù)據(jù)是通過(guò)AIS得到的。雖然較20世紀(jì)八九十年代有了很大改善，但人為因素占據(jù)主導(dǎo)地位，仍會(huì)產(chǎn)生很多風(fēng)險(xiǎn)，例如：AIS出現(xiàn)故障，船舶不開(kāi)啟AIS等等。這就需要云計(jì)算的“幫助”，首先它能有效兼容各個(gè)船舶設(shè)備及服務(wù)器中傳導(dǎo)出來(lái)的并且經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)收集整合過(guò)的海量航海云數(shù)據(jù)，然后讓它們進(jìn)行交互和關(guān)聯(lián)，形成時(shí)空高通量的智能云數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)網(wǎng)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)伸縮，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)資源的網(wǎng)絡(luò)冗余，不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)添加、刪除、修改。同時(shí)在數(shù)據(jù)閑置的情況下采取節(jié)能措施，給數(shù)據(jù)平臺(tái)“減壓”，提高部分?jǐn)?shù)據(jù)利用率，進(jìn)一步保障高通量云數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

2.3區(qū)塊鏈

目前，船舶數(shù)據(jù)在規(guī)范性及嚴(yán)密性方面是缺乏保障的，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)就會(huì)形成“多米諾骨牌”效應(yīng)，后果不堪設(shè)想。區(qū)塊鏈模塊的引入可以解決這個(gè)問(wèn)題，由于區(qū)塊鏈采用基于協(xié)商一致的規(guī)范和協(xié)議，這可以使全球船舶數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠自由安全地交換數(shù)據(jù)，屏蔽任何人為干預(yù)。一旦這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并添加至區(qū)塊鏈，就會(huì)永久的存儲(chǔ)起來(lái)，除非能夠同時(shí)控制住系統(tǒng)中超過(guò)51%的節(jié)點(diǎn)，否則單個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改是無(wú)效的，顯著提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，形成時(shí)空高通量的智能云數(shù)據(jù)信任網(wǎng)。

3 智能化模塊在船舶航行避碰中的運(yùn)用

未來(lái)在船舶設(shè)備中可以引入智能化模塊，將時(shí)空高通量的智能航海云數(shù)據(jù)庫(kù)同步到這些模塊，然后結(jié)合實(shí)時(shí)氣象海況和周?chē)扒闆r進(jìn)行分析，總結(jié)出幾套最優(yōu)航行避碰方案，包括船速、航向等方面的區(qū)間范圍以供船方選擇。首先方案不局限于某個(gè)區(qū)域內(nèi)單船與單船、單船與多船甚至可以進(jìn)行自助區(qū)域選擇，以單船為中心的某個(gè)區(qū)域與相鄰區(qū)域船舶的會(huì)遇預(yù)案。在實(shí)施方案的過(guò)程中可以根據(jù)船舶數(shù)據(jù)的變化及時(shí)做出更新，目的是提供實(shí)時(shí)最優(yōu)方案，而且還可以增加方案實(shí)施后的效果預(yù)判功能，通過(guò)選擇預(yù)計(jì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，這個(gè)效果預(yù)判是針對(duì)整個(gè)局面而不只是本船的，所以更加具有參考價(jià)值。另外，還需要引入預(yù)警功能，我們現(xiàn)在雷達(dá)上的預(yù)警功能是提示本船與他船之間的碰撞危險(xiǎn)，那么智能化的報(bào)警功能則可以做到對(duì)整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)所有船舶的監(jiān)控，如果在所有船舶采用最優(yōu)方案的前提下仍然不能避免緊迫危險(xiǎn)甚至是事故的發(fā)生，就立即對(duì)重點(diǎn)船發(fā)出預(yù)警，這時(shí)需要進(jìn)行人工干預(yù)，直到預(yù)警消除后再繼續(xù)進(jìn)行智能化操作。

效果流程如圖1所示：

4 實(shí)施難點(diǎn)分析

4.1原始數(shù)據(jù)采集

目前，仍有部分船舶沒(méi)有AIS，只能通過(guò)雷達(dá)來(lái)獲取其航行數(shù)據(jù)，雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的延遲性及錯(cuò)誤率要遠(yuǎn)高于AIS信息數(shù)據(jù)，有可能會(huì)被作為“不可信任的數(shù)據(jù)”處理。

4.2 智能化航海模塊的全面配備

在初始階段，智能化模塊應(yīng)用成本肯定會(huì)比較高，畢竟前期數(shù)據(jù)采集和分析都需要投入大量的人力、物力及其他相關(guān)資源。在后續(xù)的應(yīng)用過(guò)程中，也需要保障船舶數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性并進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)。

4.3 現(xiàn)有的雷達(dá)及AIS信息無(wú)法滿(mǎn)足智能化數(shù)據(jù)的時(shí)效性

航海雷達(dá)無(wú)法獲取目標(biāo)船的即時(shí)速度和船首向等航行狀態(tài)信息，AIS傳輸數(shù)據(jù)的頻率則根據(jù)船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變化，短則幾秒，多則幾分鐘，但智能化航行避碰系統(tǒng)是需要高頻率實(shí)時(shí)更新的航行數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)作的。

4.4 難以完全實(shí)現(xiàn)智能危險(xiǎn)識(shí)別和避碰決策

人工智能難以解決特殊情況下的避碰局面，例如船舶突然失控、多船會(huì)遇等，并且無(wú)法直接植入需要有豐富航海經(jīng)驗(yàn)才能培養(yǎng)出的“良好的船藝”技術(shù)。

4.5智能化系統(tǒng)維護(hù)與航行安全保障

任何系統(tǒng)都有失靈的可能，一旦出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題將直接危及船舶航行安全。

5 解決難點(diǎn)的可預(yù)期技術(shù)模塊

5.1 衛(wèi)星通信

如今，海上通信技術(shù)應(yīng)用常用的有低頻通信技術(shù)應(yīng)用、中/高頻通信技術(shù)的應(yīng)用、甚高頻海岸電臺(tái)（語(yǔ)音通信）、超高頻無(wú)線(xiàn)通信、 GMDSS系統(tǒng)等。美國(guó)太空探索技術(shù)公司正研制星鏈計(jì)劃，準(zhǔn)備在2019年至2024年間向近地軌道發(fā)射12 000顆小型衛(wèi)星，后續(xù)還將發(fā)射30 000顆小型衛(wèi)星，主要可以為光纜和地面基站無(wú)法達(dá)到的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，未來(lái)全球可航水域的所有船舶都可以接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。星鏈計(jì)劃建成后，會(huì)以低廉的價(jià)格、更好的網(wǎng)速和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)用于民用，相當(dāng)于給全球裝了WIFI。對(duì)于無(wú)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的船舶只需要船員的手機(jī)定位就能輕松跟蹤船舶航行數(shù)據(jù)，從而添加到時(shí)空高通量的智能航海云數(shù)據(jù)庫(kù)中。

5.2 升級(jí)AIS系統(tǒng)

航海智能化的核心就是數(shù)據(jù)采集，通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和編輯形成云數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行全世界范圍內(nèi)的互聯(lián)互通，從而打造出船舶航行的云環(huán)境。目前，數(shù)據(jù)主要渠道有：氣象系統(tǒng)、AIS基站、無(wú)人機(jī)船磁探測(cè)、近海雷達(dá)光電聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、多普勒近岸雷達(dá)系統(tǒng)、海事雷達(dá)系統(tǒng)、高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)等等。其中對(duì)于智能化避碰系統(tǒng)最重要的是船舶航行數(shù)據(jù)，主要由AIS和雷達(dá)提供，而目前AIS數(shù)據(jù)傳輸國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)30 s發(fā)送一次，靜態(tài)數(shù)據(jù)每5 min發(fā)射一次，顯然無(wú)法滿(mǎn)足智能化系統(tǒng)關(guān)于數(shù)據(jù)時(shí)效性的要求。另外，信號(hào)基站覆蓋率低，信號(hào)傳輸距離也短，A級(jí)發(fā)射距離30 n mile內(nèi)，而B(niǎo)級(jí)只能保證10 n mile。我們可以升級(jí)AIS系統(tǒng)，利用類(lèi)似星鏈計(jì)劃中的衛(wèi)星信號(hào)來(lái)傳輸船舶數(shù)據(jù)，星鏈衛(wèi)星傳遞信號(hào)速度是5G的50倍，由于使用的是低軌道衛(wèi)星，因此可以將延遲控制在25 ～ 35 ms之間。同時(shí)，該計(jì)劃中的近地軌道衛(wèi)星信號(hào)可以覆蓋全球所有可航水域，這樣就可以保障智能航海云數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)效性及廣覆蓋面。

5.3 加強(qiáng)人工智能自主學(xué)習(xí)并定期進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)

當(dāng)遇到特殊情況時(shí)需要通過(guò)良好的船藝及協(xié)調(diào)避讓來(lái)進(jìn)行人工干預(yù)，面對(duì)不同船型、不同水域環(huán)境需要采取不同的避讓方案。在每次人工干預(yù)后，人工智能通過(guò)自主學(xué)習(xí)來(lái)保存方案并上傳至智能云數(shù)據(jù)庫(kù)，后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行審核，定期進(jìn)行方案匯總并制作升級(jí)包供用戶(hù)下載植入系統(tǒng)，如再遇到類(lèi)似特殊情況就不需要人工干預(yù)了，久而久之智能化航行避碰系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力將會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大。

5.4 AR導(dǎo)航系統(tǒng)

FURUNO ENVISION系列是古野公司探索的最新最先進(jìn)的“AR導(dǎo)航系統(tǒng)”（現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)），它利用對(duì)著外部的攝像頭在顯示器上投射其他船舶影像，并且可在圖像上疊加探測(cè)到的航行數(shù)據(jù)，即使在視野很差或者惡劣氣象海況下，依然可以做到。通過(guò)調(diào)整范圍來(lái)控制屏幕物標(biāo)顯示數(shù)量，根據(jù)不同的CPA和TCPA用顏色進(jìn)行劃分，任何情況下都能提供可靠的數(shù)據(jù)。雖然目前的AR導(dǎo)航系統(tǒng)還屬于初級(jí)階段，但是可以預(yù)見(jiàn)的是隨著科技的進(jìn)步，AR導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)不斷更新?lián)Q代，更好地保障智能化航行避碰系統(tǒng)的可靠性。

5.5 智能化航海的航行安全保障

使用智能化航行避碰系統(tǒng)的船舶必須配備備用系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)于收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行備份，確保數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)完整。另外在未來(lái)的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)智能化航行避碰系統(tǒng)只能作為輔助設(shè)備，旨在減緩船員們的工作負(fù)荷，但船員扎實(shí)的航海技術(shù)和良好的船藝始終是最好的保障，平時(shí)仍要保持嚴(yán)格的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，做到有備無(wú)患。

6 結(jié)束語(yǔ)

自從18世紀(jì)中葉蒸汽機(jī)時(shí)代的來(lái)臨，船舶發(fā)展也歷經(jīng)了三次工業(yè)革命，船舶設(shè)備及動(dòng)力裝置不斷改進(jìn)，航行安全也有了很大的保障。但時(shí)代的發(fā)展腳步是永不停歇的，人工智能的問(wèn)世將引領(lǐng)“工業(yè)革命4.0”，如果說(shuō)前三次工業(yè)革命是改善船舶的主體軀干和內(nèi)能動(dòng)力，那么第四次工業(yè)革命會(huì)給船舶裝上“大腦”，將現(xiàn)代智能及信息技術(shù)與航行安全相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船舶航行云環(huán)境中的資源共享及互通，給航海智能化夯實(shí)堅(jiān)固的基礎(chǔ)，為我們船舶安全航行保駕護(hù)航，當(dāng)然未來(lái)還可以在航海領(lǐng)域的其他方面得以應(yīng)用，航運(yùn)業(yè)的發(fā)展也將逐漸進(jìn)入嶄新的時(shí)代。

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作者簡(jiǎn)介：

唐英杰，上海港引航員，（E-mail）745534681@qq.com，15000580421