近日，我國(guó)首艘自主航行集裝箱船“智飛”號(hào)在青島造船廠有限公司舉行建造開(kāi)工儀式。該船是我國(guó)首艘具有智能航行能力、面向商業(yè)運(yùn)營(yíng)的運(yùn)輸貨船，也是目前在建的全球噸位最大的智能航行船舶，計(jì)劃于2021年下半年進(jìn)行測(cè)試運(yùn)營(yíng)。

智能航運(yùn)已經(jīng)成為航運(yùn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要方向，船舶自主航行技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能航運(yùn)的關(guān)鍵技術(shù)。近十年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)及高速處理器的高速發(fā)展，自主航行技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)初具雛形，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。那么，我國(guó)自主航行船發(fā)展現(xiàn)狀如何？需要解決哪些方面的技術(shù)和問(wèn)題？未來(lái)其研發(fā)又將走向何方？

“雙智”的探索試驗(yàn)

在“智飛”號(hào)開(kāi)工建造之前，智慧航海（青島）科技有限公司已經(jīng)投資建設(shè)了自主航行系統(tǒng)試驗(yàn)船“智騰”號(hào)。

2019年5月16日，“智騰”號(hào)在青島智能航運(yùn)技術(shù)創(chuàng)新與綜合實(shí)驗(yàn)基地首次亮相。該船船長(zhǎng)21米，寬5.4米，設(shè)計(jì)航速14節(jié)，包含自主駕駛系統(tǒng)、態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)、通導(dǎo)系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、全船數(shù)據(jù)平臺(tái)、船岸通訊系統(tǒng)；具備自動(dòng)避碰、自主航行水下避碰、自主靠離泊、自主循跡和自主航行控制功能。

據(jù)工作人員介紹，“智騰”號(hào)自主駕駛系統(tǒng)核心在于融合水動(dòng)力特性和控制技術(shù)，建立無(wú)人船的三自由度操縱模型和控制方法，在螺旋槳、舵和其它推進(jìn)器之間完成最佳推力分配。在符合推進(jìn)器硬件約束的條件下使無(wú)人船具有位置、艏向的保持和調(diào)整能力，實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)下沿指定航線(xiàn)航行的能力和自主離靠泊能力。

“智飛”號(hào)正是在“智騰”號(hào)研發(fā)測(cè)試的基礎(chǔ)上而開(kāi)工建造的?！啊球v’號(hào)為自主航行系統(tǒng)的研發(fā)提供測(cè)試平臺(tái)，加快研發(fā)成果轉(zhuǎn)化。給后期300TEU無(wú)人自主航行集裝箱試驗(yàn)船‘智飛’號(hào)的建造提供依據(jù)和支撐。”該工作人員表示。

“智飛”號(hào)總長(zhǎng)約110米，型寬約15米，型深10米，設(shè)計(jì)航速為12節(jié)。據(jù)了解，該船集成并安裝有交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院、智慧航海（青島）科技有限公司等多家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)完全自主研發(fā)的自主航行系統(tǒng)，采用中船重工第七〇四所研發(fā)的大容量直流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，首次在同一船舶上實(shí)現(xiàn)直流化、智能化兩大技術(shù)跨越，具有人工駕駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛和無(wú)人自主航行三種駕駛模式，能夠?qū)崿F(xiàn)航行環(huán)境智能感知認(rèn)知、自主循跡、航線(xiàn)自主規(guī)劃、智能避碰、自動(dòng)靠離泊和遠(yuǎn)程遙控駕駛。通過(guò)5G、衛(wèi)星通信等多網(wǎng)多模通信系統(tǒng)，可以與港口、航運(yùn)、海事、航保等岸基生產(chǎn)、服務(wù)、調(diào)度控制、監(jiān)管等機(jī)構(gòu)、設(shè)施實(shí)現(xiàn)協(xié)同。

交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院學(xué)術(shù)委員會(huì)主任張寶晨表示，“智飛”號(hào)還將配備船舶航行輔助系統(tǒng)，以便在人工駕駛模式下為駕駛員提供信息、環(huán)境認(rèn)知、避碰決策、安全預(yù)警等全方位的輔助支持。

目前，參與該船智能航行系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)與設(shè)備研發(fā)的交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院、大連海事大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和中船重工第七〇四所等多家研發(fā)單位的科研人員正在夜以繼日的攻克各種技術(shù)難關(guān)，努力按計(jì)劃完成研究開(kāi)發(fā)任務(wù)。

全球加快自主航行船舶研發(fā)步伐

船舶自主航行有著至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義，通過(guò)減少駕駛員直至實(shí)現(xiàn)無(wú)人自主航行，可實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)計(jì)建造的革命性突破，同樣載重能力下節(jié)約超過(guò)20%的建造成本，20%的運(yùn)營(yíng)成本，減少15%的燃油消耗并大幅度降低排放。一項(xiàng)研究預(yù)測(cè)，在未來(lái)25年間，每艘無(wú)人駕駛船舶將節(jié)省燃料、船員用品和薪金700多萬(wàn)美元。這對(duì)于萬(wàn)億美元的船舶、航運(yùn)市場(chǎng)而言，空間巨大。

正如AI和自動(dòng)化在其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景一樣，人們也希望自主航行船舶能夠提高安全性、提高效率，并將人類(lèi)從不安全、重復(fù)性的任務(wù)中解放出來(lái)。

Allianz的最新研究顯示，75%到96%的海上事故是由人為失誤造成的。如果自主和半自主航行系統(tǒng)能夠幫助減少對(duì)人類(lèi)的依賴(lài)，那么自主航行船只最終可能會(huì)讓海上航行變得更安全。即使船上依然有船員，從船上的傳感器收集的數(shù)據(jù)與AI算法相結(jié)合，將有助于船員做出更明智的決定。

2017年國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)第98次會(huì)議（MSC 98）上，就已經(jīng)將“自主無(wú)人船舶”納入為新增議題。

無(wú)人船分為遠(yuǎn)程遙控船與自主航行船，歐洲的智能船舶研發(fā)主要集中在這一板塊。他們更傾向于從小型船舶（如拖船、渡船）開(kāi)始實(shí)踐，優(yōu)先研發(fā)遠(yuǎn)程操控、自主航線(xiàn)規(guī)劃、自主避碰等技術(shù)。2018年11月，由瓦錫蘭動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的自主控制器控制航速、預(yù)定義航跡和航向位置的85米長(zhǎng)渡船“Folgefonn”號(hào)自動(dòng)靠泊系統(tǒng)試驗(yàn)成功。該船從離開(kāi)碼頭，駛離港口，駛向下一個(gè)停泊港口，到進(jìn)港的整個(gè)靠泊過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，沒(méi)有人為干預(yù)。2017年6月，羅·羅也曾展示一艘遙控商船，這艘長(zhǎng)28米、名為“Svitzer Hermod”的拖船安裝了以羅·羅動(dòng)力定位系統(tǒng)為關(guān)鍵設(shè)備的遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了?？俊⒔怄i、360度旋轉(zhuǎn)等智能操控。

回顧國(guó)內(nèi)，2017年年底，珠海萬(wàn)山啟動(dòng)建設(shè)了亞洲首個(gè)無(wú)人船海上測(cè)試場(chǎng)，該測(cè)試場(chǎng)可就自主感知、避障、遠(yuǎn)程控制、協(xié)同控制等自主船舶相關(guān)項(xiàng)目，為國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位開(kāi)展第三方測(cè)試服務(wù)。青島、珠海兩個(gè)智能船舶實(shí)驗(yàn)基地一南一北，遙相呼應(yīng)，為我國(guó)無(wú)人船的研發(fā)提供了有力的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地支撐。2018年12月工信部等三部委發(fā)布《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019—2021年）》。2019年5月七部委聯(lián)合印發(fā)《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》，“智騰”號(hào)首次亮相；7月發(fā)布《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，組織實(shí)施國(guó)家重點(diǎn)科研計(jì)劃《基于船岸協(xié)同的船舶智能航行與控制關(guān)鍵技術(shù)》項(xiàng)目；12月，中國(guó)自主研發(fā)的首艘具備自主航行功能的“筋斗云0”號(hào)貨船在珠海首航，成功完成首次自主貨船貨物運(yùn)載。今年，“智飛”號(hào)開(kāi)工建造……這無(wú)一不預(yù)示著中國(guó)也正在加快規(guī)劃部署智能航運(yùn)未來(lái)發(fā)展。

武漢理工大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)科首席教授吳衛(wèi)國(guó)表示，與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的智能船舶發(fā)展在技術(shù)研發(fā)與市場(chǎng)應(yīng)用等方面雖均處于初級(jí)階段，但目前國(guó)內(nèi)也正在積極開(kāi)展智能船舶領(lǐng)域的研究探索。

船舶行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的積極嘗試

從自主航行船舶的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，遠(yuǎn)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。

遠(yuǎn)程遙控可以實(shí)現(xiàn)船隊(duì)集群管理、監(jiān)控船舶狀態(tài)合理配置資源、控制船舶維護(hù)維修、收集數(shù)據(jù)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)效率等功能，同時(shí)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(yùn)營(yíng)效率及降低能源消耗。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，其自主航行系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足船舶安全的操控需求，需要依靠遠(yuǎn)程遙控功能切換到人工操控來(lái)保障船舶的運(yùn)營(yíng)安全。所以，遠(yuǎn)程遙控結(jié)合部分自主控制的自主航行船舶在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將是自主航行船舶商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的主要形式。

但遠(yuǎn)程遙控技術(shù)在船舶上的實(shí)現(xiàn)也存在一些技術(shù)難點(diǎn)，如船舶大部分的工作區(qū)域需要通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)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(shí)大的缺陷。對(duì)此，有專(zhuān)家建議，未來(lái)衛(wèi)星通信技術(shù)的研究重點(diǎn)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(guò)這些技術(shù)可以有效的解決衛(wèi)星通信的技術(shù)瓶頸，促進(jìn)遠(yuǎn)程遙控技術(shù)在自主航行船舶上的發(fā)展。

此外，自主航行技術(shù)應(yīng)用船型的選擇是由營(yíng)運(yùn)需求、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋自主航行，可以有效的降低勞動(dòng)強(qiáng)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(lái)選擇自主航行技術(shù)應(yīng)用的船型。

也有業(yè)內(nèi)人士表達(dá)了對(duì)自主航行船舶發(fā)展前景的擔(dān)憂(yōu)。由于存在重大的安全問(wèn)題，特別是在擁擠水域作業(yè)的大多數(shù)船舶通常體積更為龐大，完全自主航行的船舶在沒(méi)有船員的情況下自主作業(yè)之前，還有大量的測(cè)試工作要做，也有大量的規(guī)章制度需要整理。

除了確保船舶安全外，還需要就共同水域的管理問(wèn)題達(dá)成一項(xiàng)決議?，F(xiàn)有的國(guó)際公約是在假定船上有船員的情況下制定的。作為回應(yīng)，國(guó)際海事組織（IMO）啟動(dòng)了評(píng)估和更新公約的工作，以確保在AI取代人類(lèi)成為船長(zhǎng)的新現(xiàn)實(shí)下的安全。

此外，在人們對(duì)自主航行船舶的快速跟蹤研究、開(kāi)發(fā)和法規(guī)更新產(chǎn)生重大興趣之前，該行業(yè)可能會(huì)從陸地上有關(guān)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的決策中吸取教訓(xùn)，然后將其應(yīng)用于自動(dòng)駕駛船舶上。未來(lái)幾年自動(dòng)駕駛汽車(chē)的采用和普及，可能會(huì)給在海上尋找同樣解決方案的公司帶來(lái)更大壓力。

張寶晨指出，從全球范圍來(lái)看，智能航運(yùn)技術(shù)發(fā)展已處于初期階段，未來(lái)十五年是發(fā)展關(guān)鍵期。雖然我國(guó)造船訂單量已穩(wěn)居世界第一，但是一直存在“大而不強(qiáng)”的問(wèn)題，船舶智能化作為一種新趨勢(shì)給了中國(guó)“彎道超車(chē)”的機(jī)會(huì)。在此次技術(shù)革命中，一定要抓住機(jī)會(huì)趕超。