摘要:船舶自主航行作為智能船舶的顯著特征，日益受到工業(yè)與海事企業(yè)的關(guān)注。為把握船舶自主航行現(xiàn)狀和發(fā)展方向，開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究調(diào)研與綜述。分析近三年國(guó)內(nèi)外船舶自主航行技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)航行態(tài)勢(shì)感知、認(rèn)知計(jì)算、避碰決策、航行控制、賽博安全等關(guān)鍵技術(shù)，剖析其技術(shù)內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀與應(yīng)用情況。針對(duì)智能航行關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀與技術(shù)需求，從態(tài)勢(shì)感知、認(rèn)知與決策、控制與安全3個(gè)方面對(duì)船舶自主航行的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞：自主航行;航行態(tài)勢(shì)感知;認(rèn)知計(jì)算;避碰決策;智能船舶

　　0引　言

　　航運(yùn)作為一種運(yùn)量大、成本低的運(yùn)輸方式，在全球貿(mào)易貨物運(yùn)輸中發(fā)揮著十分重要的作用。隨著船舶數(shù)量的增加和船舶大型化發(fā)展，航運(yùn)業(yè)面臨著環(huán)境污染嚴(yán)重、人力成本增加、安全性不足等諸多挑戰(zhàn)[1]。近年來，為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的智能船舶受到船舶與航運(yùn)行業(yè)的歡迎。智能船舶利用先進(jìn)的感知、認(rèn)知、決策、控制技術(shù)，相比傳統(tǒng)船舶，在經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、環(huán)保性、高效性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。作為智能船舶最顯著的功能，智能航行的發(fā)展一直備受關(guān)注。

　　近年來，國(guó)際海事組織和各大船級(jí)社相繼提出了關(guān)于智能航行的等級(jí)劃分，總體來看大致可分為5個(gè)等級(jí)，依次為無自主、輔助決策、授權(quán)控制、監(jiān)督控制和完全自主航行。2020年3月1日，中國(guó)船級(jí)社發(fā)布了《智能船舶規(guī)范(2020年版)》，相比于2015年版，新版本增加了遠(yuǎn)程控制操作(R)和自主操作(A)功能。2006年，國(guó)際海事組織提出了“電子航海”(eNavigation)概念，這是智能航行概念的雛形，其利用船舶內(nèi)、外部通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)船岸信息的采集、集成和顯示，實(shí)現(xiàn)船與船、船與岸、岸與岸之間的信息交互，以提升船舶的經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性[1]。此后，韓國(guó)、日本、歐洲和我國(guó)相繼開展智能航行研發(fā)，取得了積極進(jìn)展。

　　1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　1.1工程應(yīng)用現(xiàn)狀

　　我國(guó)智能船舶的發(fā)展遵循系統(tǒng)布局、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、梯次推進(jìn)、重點(diǎn)突破的原則，按照“輔助決策−遠(yuǎn)程控制−無人自主”的研發(fā)路徑有序開展。依托國(guó)家重大科研項(xiàng)目和“產(chǎn)學(xué)研用”專業(yè)化協(xié)作團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過幾年的研究與探索，我國(guó)在智能船舶和船舶自主航行領(lǐng)域取得了較好的成果。 2017年12月，由我國(guó)自主研制的全球第一艘經(jīng)過中國(guó)船級(jí)社和英國(guó)勞氏船級(jí)社雙認(rèn)證的“大智”號(hào)智能散貨船在上海正式交付，該船安裝有智能航行系統(tǒng)，具有航行輔助決策功能。2018年11月，我國(guó)智能船舶1.0專項(xiàng)首艘大型礦砂船示范船“明遠(yuǎn)”號(hào)交付，該船分別獲得中國(guó)船級(jí)社和挪威船級(jí)社認(rèn)證，具有輔助自主航行功能。

　　2019年5月，國(guó)內(nèi)首艘無人駕駛自主航行系統(tǒng)小型試驗(yàn)船“智騰”號(hào)完成航行測(cè)試，初步具備自主避碰、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。2019年6月，我國(guó)智能船舶1.0研發(fā)專項(xiàng)首艘超大型油輪示范船“凱征”號(hào)交付，該船安裝有光電跟蹤系統(tǒng)和輔助避碰系統(tǒng)，具有輔助自主航行功能。國(guó)外方面，歐洲、日本和韓國(guó)等國(guó)家(地區(qū))在船舶自主航行領(lǐng)域也進(jìn)行了較多的探索，尤其是歐洲的羅爾斯·羅伊斯、瓦錫蘭、ABB等公司在自主航行領(lǐng)域走在世界的前列[2]。

　　2017年6月，羅爾斯·羅伊斯公司與全球拖船運(yùn)營(yíng)商Svitzer合作，在丹麥哥本哈根港對(duì)全球首艘遙控拖船進(jìn)行了航行試驗(yàn)。該船利用動(dòng)力定位系統(tǒng)和感知系統(tǒng)，完成了停靠、解鎖、360°旋轉(zhuǎn)等操控，具備遠(yuǎn)程遙控功能。2018年12月，羅爾斯·羅伊斯公司與芬蘭Finferries公司合作，對(duì)全球首艘無人駕駛渡輪Falco號(hào)進(jìn)行了航行試驗(yàn)。該船采用態(tài)勢(shì)感知技術(shù)和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主避碰、自動(dòng)靠泊等功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和自主航行。2018年12月，瓦錫蘭公司在Folgefonn號(hào)渡輪上完成了港到港(dock-to-dock)測(cè)試，在完全無人干涉的情況下，在需要停靠的3個(gè)港口之間實(shí)現(xiàn)了完全不間斷的自主航行。

　　2019年1月，SuomenlinnaII號(hào)冰級(jí)客渡輪，在控制中心遠(yuǎn)程操控狀態(tài)下，成功穿越了赫爾辛基港附近的測(cè)試區(qū)域，通過了遠(yuǎn)程海試。2019年7月，日本三井造船等單位，利用在開闊水域建立的虛擬碼頭，完成了ShiojiMaru號(hào)訓(xùn)練船自動(dòng)靠泊和離泊安全性能的示范試驗(yàn)。此外，韓國(guó)政府計(jì)劃投資5848億韓元(約合人民幣34.4億元)用于打造智能自航船舶及航運(yùn)港口應(yīng)用服務(wù)。項(xiàng)目已于2019年正式啟動(dòng)，將持續(xù)6年。項(xiàng)目包括智能自航船舶開發(fā)、智能自航船舶試航中心開發(fā)、智能自航船舶−試航連接系統(tǒng)開發(fā)、自航船舶−港口連接系統(tǒng)開發(fā)、港界內(nèi)自航船舶遠(yuǎn)程航行控制中心開發(fā)、自航船舶應(yīng)用服務(wù)及制度建設(shè)。總體來看，目前船舶自主航行仍處于起步階段，遠(yuǎn)程遙控和自主航行僅在小型渡輪、拖輪、試驗(yàn)船、訓(xùn)練船上開展了應(yīng)用探索與功能測(cè)試，而大型商船仍處于輔助決策階段。

　　1.2理論研究現(xiàn)狀

　　我國(guó)船舶自主航行理論研究以高校、船舶行業(yè)研究院所為主力軍，提出了基于信息物理系統(tǒng)(cyber-physicalsystems,CPS)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的船舶自主航行設(shè)計(jì)[3]。嚴(yán)新平等[4]提出了由感知空間、認(rèn)知空間和決策執(zhí)行空間等功能空間組成的“航行腦”系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)。“航行腦”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考了人腦的工作機(jī)理，將系統(tǒng)分為相互關(guān)聯(lián)的工作模塊(空間)，模塊之間相互協(xié)作，共同完成復(fù)雜任務(wù)。

　　感知空間主要用于在航環(huán)境和船舶狀態(tài)信息的獲取;認(rèn)知空間從獲取的信息中抽取、加工與航行相關(guān)的要素，利用航行態(tài)勢(shì)分析、駕駛行為學(xué)習(xí)等技術(shù)形成知識(shí);決策執(zhí)行空間利用航行決策與航行控制算法實(shí)現(xiàn)船舶航行狀態(tài)的控制。喬大雷等[5]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的航行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由船舶本體、蜂窩窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)基站、岸基支持中心組成。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括3大模塊，即動(dòng)力與轉(zhuǎn)型控制模塊，船舶自動(dòng)識(shí)別、差分GPS、風(fēng)速風(fēng)向儀、激光雷達(dá)和船舶姿態(tài)傳感器模塊，NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括無人船控制軟件運(yùn)動(dòng)建模、航跡控制律設(shè)計(jì)和航跡控制軟件實(shí)現(xiàn)，其中航跡控制采用基于響應(yīng)式禁忌搜索的PID參數(shù)自適應(yīng)整定航跡控制算法。

　　通過真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和航跡控制算法的有效性。Qiu等[6]提出了以CPS為核心的“兩端+兩云”智能船舶體系架構(gòu)。“兩端”即感知與控制端、管理端，“兩云”即基于私有云和公有云的混合云架構(gòu)。感知與控制端利用船基傳感設(shè)備與系統(tǒng)獲取船舶與環(huán)境數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)決策控制指令的執(zhí)行。管理端面向岸基管理人員提供航行態(tài)勢(shì)分析、航線優(yōu)化、航行保障等服務(wù)。在混合云中構(gòu)建計(jì)算環(huán)境、數(shù)據(jù)中心、認(rèn)知中心和決策中心，以支撐智能船舶智能航行系統(tǒng)、能效系統(tǒng)、運(yùn)維系統(tǒng)等智能應(yīng)用。

　　2自主航行關(guān)鍵技術(shù)船舶具有體型巨大、設(shè)備眾多且種類繁雜、航行環(huán)境復(fù)雜多變等特點(diǎn)，因此，船舶的自主航行面臨著諸多挑戰(zhàn)。作為智能船舶的高級(jí)階段，船舶自主航行需要完備的技術(shù)體系作為支撐。船舶自主航行系統(tǒng)具有像人一樣獨(dú)立進(jìn)行感知、思考、決策、控制的能力，其技術(shù)體系可分為航行態(tài)勢(shì)感知、認(rèn)知計(jì)算、避碰決策、航行控制和賽博安全等5類技術(shù)。

　　3問題分析與展望

　　目前，船舶自主航行在工程應(yīng)用和技術(shù)研究方面雖取得了不少突破，但仍處于起步階段，依然存在很多問題。主要包括：

　　1)一些核心關(guān)鍵技術(shù)尚未突破。作為模擬人類的感知、分析、思維、決策等過程的核心技術(shù)，認(rèn)知計(jì)算與真正的人類認(rèn)知還相去甚遠(yuǎn)。以深度學(xué)習(xí)為代表的認(rèn)知計(jì)算技術(shù)，在圖像識(shí)別、文本理解等方面取得了積極進(jìn)展，但是必須以海量的圖片、文本等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ);以知識(shí)圖譜為代表的認(rèn)知計(jì)算技術(shù)，在知識(shí)表示與推理等方面具有優(yōu)勢(shì)，但是需要事先獲取大量的知識(shí)。對(duì)于船舶而言，船舶種類多樣、所處航行環(huán)境復(fù)雜多變，難以獲取全部航行場(chǎng)景所需的海量數(shù)據(jù);而船舶自身設(shè)備與系統(tǒng)眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，想要獲得所有設(shè)備與系統(tǒng)的機(jī)理知識(shí)幾乎不可能。

　　2)工程應(yīng)用與理論研究存在差距。由于船舶建造與運(yùn)營(yíng)成本昂貴，船舶的自主航行技術(shù)大多難以在實(shí)船上得到試驗(yàn)驗(yàn)證。以船舶避碰決策技術(shù)為例，考慮到船舶避碰試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，高校和研究院所大多采用仿真或模型試驗(yàn)的方式開展技術(shù)研究，研究成果的實(shí)用價(jià)值難以衡量。出于安全性考慮，實(shí)際工程應(yīng)用中往往采用簡(jiǎn)單可靠而又通過試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)，這在一定程度上也限制了船舶自主航行技術(shù)的發(fā)展。

　　3)公約、規(guī)范等法規(guī)限制。船舶作為全球80%以上貨物貿(mào)易運(yùn)輸?shù)妮d體，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到重要作用。船舶及所載貨物價(jià)值昂貴，一旦發(fā)生事故將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。目前，國(guó)際海事組織正在研究制定與海上水面自主船舶相關(guān)的公約、規(guī)范，但其實(shí)施還很遙遠(yuǎn)。如果自主航行船舶擅自出海，一旦與其他船舶發(fā)生碰撞等事故，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的糾紛。船舶自主航行的發(fā)展首先要解決數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和系統(tǒng)整合，即實(shí)現(xiàn)傳感器和通信系統(tǒng)的發(fā)展;然后是在岸基控制中心實(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程操控;在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升船舶自主性，方可實(shí)現(xiàn)無人自主航行。因此，基于技術(shù)現(xiàn)狀和研究任務(wù)，對(duì)船舶自主航行技術(shù)的未來發(fā)展做如下展望：

　　1)態(tài)勢(shì)感知。為了保證船舶航行安全，需要對(duì)船舶在航環(huán)境和航行狀態(tài)實(shí)施全面的感知和掌控。對(duì)于未來的遠(yuǎn)程控制與無人自主航行階段，需要對(duì)更多數(shù)量和種類的傳感器進(jìn)行感知，以覆蓋船舶全部盲區(qū)，同時(shí)，需通過船岸一體化通信系統(tǒng)，為船舶自主航行提供更多的信息來源。借助不同傳感器的組合和先進(jìn)的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息采集的多樣化和立體化，將帶來多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、交互工作量的增加，需要處理和傳輸更大的數(shù)據(jù)量。因此，要發(fā)展適用于海量數(shù)據(jù)處理的硬件算力，同時(shí)提升數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)男�率，�?shí)現(xiàn)感知體系的優(yōu)化，更好地為智能認(rèn)知和決策環(huán)節(jié)提供服務(wù)。

　　2)認(rèn)知與決策。船舶自主航行的智能認(rèn)知環(huán)節(jié)是在感知環(huán)節(jié)獲取的環(huán)境信息、自身狀態(tài)監(jiān)控信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析識(shí)別，通過智能認(rèn)知系統(tǒng)將相關(guān)航路設(shè)計(jì)優(yōu)化與航行避碰的知識(shí)以數(shù)字化形式沉淀在船舶智能系統(tǒng)中，通過反復(fù)迭代優(yōu)化形成可靠的智能航行系統(tǒng)認(rèn)知空間，支持自身狀態(tài)及目標(biāo)船舶態(tài)勢(shì)辨識(shí)以及航路環(huán)境的認(rèn)知，基于歷史航行記錄、駕駛行為和大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)建立船舶智能航行的認(rèn)知過程，形成船舶行為和航行態(tài)勢(shì)的認(rèn)知。未來，智能化算法、模型的可解釋性是其能否被采信并應(yīng)用于智能航行自主控制和決策的關(guān)鍵。因此，以統(tǒng)計(jì)模型為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)與符號(hào)化知識(shí)的知識(shí)圖譜技術(shù)及數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合的模式將成為未來船舶自主航行的實(shí)現(xiàn)途徑。

　　3)控制與安全。隨著智能化程度不斷提高、決策能力不斷提升，船舶駕駛中人類的工作將逐步被取代。智能船舶將沿著降低人員工作負(fù)荷的輔助駕駛、少量減員的船端人船協(xié)同、大量減員的岸端人船協(xié)同、無人化的遠(yuǎn)程控制、無人自主航行的路徑逐步發(fā)展。在這一過程中，需要重點(diǎn)研究的問題包括自生長(zhǎng)的知識(shí)庫構(gòu)建和運(yùn)用，穩(wěn)定、可靠、高效的船岸通信技術(shù)，以及船岸一體的賽博安全技術(shù)等。

　　交通論文投稿刊物：交通與港航主要介紹國(guó)內(nèi)外城市交通、城市燃?xì)狻⒊鞘薪o排水等方面的研究成果、經(jīng)營(yíng)成果、信息動(dòng)態(tài)、科技文摘等內(nèi)容。讀者對(duì)象是從事該領(lǐng)域的研究、設(shè)計(jì)、管理人員、領(lǐng)導(dǎo)干部和大專院校有關(guān)專業(yè)的師生以及關(guān)心城市公用事業(yè)的廣大市民。本刊積極反映我國(guó)公用事業(yè)的最新成果，廣泛開展學(xué)術(shù)交流，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，力求刊登先進(jìn)、實(shí)用、有經(jīng)濟(jì)效益的文章。

　　4結(jié)　語

　　本文分析了國(guó)內(nèi)外船舶智能航行技術(shù)的工程應(yīng)用與理論研究現(xiàn)狀，針對(duì)航行態(tài)勢(shì)感知、認(rèn)知計(jì)算、避碰決策、航行控制、賽博安全等船舶智能航行關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了技術(shù)內(nèi)涵剖析和研究現(xiàn)狀分析。在關(guān)鍵技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出了當(dāng)前船舶自主航行面臨的問題，并針對(duì)這些問題進(jìn)行了未來發(fā)展展望。當(dāng)前，船舶自主航行仍處于起步階段，關(guān)鍵技術(shù)研究依然面臨不少挑戰(zhàn)，關(guān)鍵技術(shù)的集成應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，船舶自主航行研究任重道遠(yuǎn)。

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　　作者：李永杰*，張瑞，魏慕恒，張羽