摘要:闡述智能船舶及其遠程駕駛的發展背景。基于目前大多數無人船艇遠程控制存在的問題，在分析智能船舶遠程駕駛需求和場景的基礎上，提出基于人機共融理念的智能船舶遠程駕駛框架。針對不同的遠程駕駛模式，提出技術等級和相關的關鍵技術。通過借鑒交叉領域網絡控制系統的發展成果，指出網絡時延補償、網絡丟包補償、安全應急、運動模型應用、運動控制、自主決策等關鍵技術對于實現智能船舶遠程駕駛控制的重要性，闡述相關關鍵技術的發展現狀。結合航運的運維特點，針對目前已逐步投入行業應用的船舶感知技術提出有助于實現貨船遠程駕駛的思考。

　　關鍵詞：智能船舶;遠程駕駛;人機共融;船舶網絡控制系統

　　0引　言

　　隨著人工智能技術的發展，融合了計算機科學、自動化技術和通信技術的智能運載工具成為高新技術領域的研究重點，無人機、無人車、無人船等新型運載工具應運而生。其中，無人船作為水面智能運載工具拓展了船舶航行的場景，為操作者和管理者提供了更便捷、高效和自由的操作選擇，在測繪、環保、安防、軍事等領域的應用發展迅猛。近年來，無人水面船舶的概念正在與船舶貨運相結合，航運業希望通過構建面向行業需求的智能船舶，達成智能化和無人化的目標，進而實現：

　　船舶論文范例：船舶通信導航技術及發展趨勢研究

　　1)減少配員。國際航運咨詢機構MooreStephen最新發布的航運調查報告顯示，標準配員的貨船每天需支付的人員成本達5000美元，占總運營成本的44%[1]，且人員成本以每年3%的幅度上漲。隨著船舶自動化技術的發展、電子海圖顯示與信息系統(electronicchartdisplayandinformationsystem,ECDIS)和無人機艙的普及，為實現船舶減員、提升運營收益提供了可能性，遠洋貨輪船員的現場事務正在逐步減少，僅需完成日常清點、安全管理和避碰干預等工作。

　　2)提高安全性。雖然船舶配備了雷達、自動識別系統(automaticidentificationsystem,AIS)和電子海圖(electronicnavigationchart,ENC)等感知設備，但遠洋航行的值守工作枯燥，極易造成駕駛員的視覺疲勞。數據顯示，80%的船舶安全事故是人為因素造成的。而船舶的智能化意味著人員疲勞和疏忽將不復存在[1]。船舶的智能化將為安全問題的解決提供可靠的保障。

　　3)提高載運效力。運輸船舶上與船員生活相關的艙位占據了很大的比例。減少配員，逐步實現無人駕駛，將縮減甚至取消船舶橋樓、生活區和救生設備，增加貨運艙容，從而增加載運效力。全球知名船舶設備供應商羅爾斯·羅伊斯公司的研究指出，采用無人駕駛技術的貨船運行效力將有望提高20%。

　　4)降低排放。全球碳排放機制、船舶能效設計指數(EEDI)和船舶營運能效指數(EEOI)的應用正在有序推進[2]。我國2013年印發的《大氣污染防治行動計劃》明確提出了強化移動源污染防治，越來越嚴格的排放要求迫使船舶做出改進，以降低單位運載量的能耗。智能船舶“無人化”帶來的運載效力提升將極大地促進能效政策的實施。由于船舶的運力大、成本低，船舶運輸承擔了95%的原油運輸和99%的鐵礦石運輸，因而其在貨物運輸及民生貿易中起到了關鍵的作用。智能船舶作為智能航運發展范疇中的重要部分，將革新傳統船舶的駕駛和運載方式，使傳統船舶的載運變得更為靈活，進而借助技術升級使船舶在運載過程中減少船員配備、增加運載效力、降低污染排放，最終鞏固航運在運輸領域的地位，滿足航運業安全、節能、增效等方面的需求。

　　本文將針對貨運船舶遠程駕駛的需求和場景，提出參考人機共融理念的遠程駕駛控制框架和關鍵技術，結合網絡控制系統的研究成果，闡述關鍵技術的發展狀況，并提出有助于實現貨船遠程駕駛的幾點思考。1發展背景隨著智能船舶需求的不斷明確和技術的持續發展，國際組織、國家和地區性質的海事監管機構、港航企業、高校，以及新型信息產業團隊以不同的角色參與到了智能船舶的研發中，實現了跨領域的優勢整合。廣泛的協作在法規制定、技術研發、應用示范等方面取得了顯著的成效。

　　1.1智能船舶及其遠程駕駛

　　2012年，歐盟聯合啟動了“基于網絡智能的無人航海”(maritimeunmannednavigationthroughintelligenceinnetworks,MUNIN)項目，旨在實現自主船舶和無人船舶技術，驗證自主船舶概念。該項目全面梳理了智能船舶的整體結構和安全性[3-5]、感知技術[6-7]、遠程駕駛技術[8]、環境因素風險[9-10]。2015年，芬蘭國家技術創新局聯合挪威船級社、芬蘭阿爾托大學、羅爾斯·羅伊斯公司等多家單位聯合啟動了“高級自主海上應用”(advancedautonomouswaterborneapplications,AAWA)項目，計劃用5~8年的時間設計建造出可以應用于遠洋運輸的無人船，使之具備遠程駕駛、自主駕駛的能力，最終實現船舶的全自主航行[11]。

　　國際海事組織第99次安全會議簽署了針對智能自主船舶(MaritimeAutonomousSurfaceShip，MASS)的法規框架，用以提升其應對安全、安保和環境問題的能力，并對MASS的自主等級進行了初步的定義。考慮到智能船舶技術的不斷發展和迭代，中國船級社于2019年12月4日發布了《智能船舶規范(2020)》[12]。該規范在《智能船舶規范(2015)》的基礎上納入了國內外智能船舶技術發展和應用的新成果，按照局部應用到全船整體應用、輔助決策到完全自主的發展方向，細化了遠程控制操作和自主操作功能要求，對不同的場景和船員在船情況進行了詳細的規范，形成了完整的智能船舶規范框架及相應的功能和技術要求。針對不同等級的自主化水平，船舶受控的程度也有所區別。

　　隨著船舶自主等級的提升，船舶操作人員和管理人員對船舶控制的參與和相關的控制力逐漸遞減。灰色部分表明了該階段船舶的控制必須具備以操作和管理人員為核心的安全保障。在全自主航行階段，人員將失去對船舶駕駛的參與和控制力。 船舶的綜合船橋、自動化機艙、自動化操縱設備等系統為智能航行提供了基礎，但是船舶全自主航行的決策方案和系統并不成熟，很難應對航道狹窄彎曲、感潮河段、船舶交通擁擠、過橋頻繁等通航問題。因此，考慮到現有的自主航行系統無法保障智能船舶在所有復雜環境下安全航行，遠程駕駛是實現船舶無人化的必要技術支持和手段。

　　1.2遠程駕駛實踐國際上，各大船舶智能航行團隊均將遠程駕駛作為智能船舶發展的重要部分，并進行了初步的研發和工程實踐。最新成果包括：2017年9月，瓦錫蘭公司率先實現了船舶的遠程駕駛，通過使用常規衛星通信，在美國加州圣地亞哥控制位于8000km外歐洲北海海域的HighlandChieftain輪進行了4h的遠程遙控船舶操作測試，完成了電腦數字輸入和手動操縱桿操作，實現了動力定位[13]。2018年12月，ABB公司與芬蘭赫爾辛基運輸廳合作，在SuomenlinnaII輪渡上實現了遠程遙控試驗。隨后，羅爾斯·羅伊斯公司和Finferries公司合作，實現了拖輪和渡輪的遠程控制。

　　2019年9月，挪威船級社與自動化系 統供應商Høglund等合作，在Fannefjord號渡輪上實現了自動系統和輪機設備的遠程控制。該系統的總體目標是提供操作優化和提升效率，同時確保安全水平優于或等同于當前的人工操作水平[14]。2019年12月，韓國三星重工在大田控制中心對位于250km外的一艘縮比模型船進行了遠程駕駛，演示驗證了基于海上避碰規則的自主航行技術和智能航線優化技術。我國智能船舶研發團隊在遠程駕駛實踐方面也取得了一些進展。2019年5月，智慧航海(青島)科技有限公司在位于青島藍谷的智能航運技術創新與綜合實驗基地，演示了“智騰”號的遠程駕駛功能。

　　2019年10月，武漢理工大學國家水運安全工程技術研究中心自主水路交通系統團隊赴瓦赫寧根，在荷蘭海事研究所等單位代表的見證下，現場展示了基于“航行腦系統”的遠程駕駛系統，成功從荷蘭瓦赫寧根遠程控制了位于中國武漢市湯遜湖的7m長自航模型船[15]，兩地相距約8500km。2019年11月，珠海云航智能技術有限公司在13m長的“筋斗云0號”上測試了遠程駕駛系統，在船長的指揮下于岸基控制中心完成了船舶的遠程離泊和橋區航行。

　　2基于人機共融的船舶遠程駕駛

　　2.1無人船艇遠程控制現狀目前，已投入應用的無人艇在智能航行領域多采用遠程遙控和自主航行兩種模式。遠程遙控用于無人艇進出碼頭、航行于通航密集區域時，自主航行模式則用于通航環境簡單條件下的循跡航行和緊急避障。公開資料顯示，無人艇的遠程遙控多通過自建的LTE網絡，采取遠程操作人員實時操作的方式。

　　2.2基于人機共融的船舶遠程駕駛框架人機共融就是人與機器人從單一的人類控制機器人，轉變為人類與機器人在同一空間共存，既能緊密協調工作、自主實現自身技能又能保證安全而不至于擔心機器人失控，這是一種更加自然的作業狀態。人機共融的理念和技術促使人與機器在協作領域內進行交互和協同工作。當前，相關應用已經從基礎的機械加工和協助，發展成通過相互協作完成不同環境下的復雜任務。人機共融關鍵技術包括結構設計與動力學設計、共融機器人的環境主動感知與自然交互、智能控制和決策方法、體系構建和操作系統完善等方面[16]。在船舶領域，船體和設備的設計已經較為成熟，船舶的感知系統已廣泛應用且日趨成熟。本文將重點對實現船舶遠程駕駛的系統網絡問題和控制決策關鍵技術問題進行分析和綜述。

　　2.3基于人機共融的船舶遠程駕駛等級及關鍵技術智能船舶遠程駕駛作為應急操作手段，在智能系統出現異常或通航環境和航行任務復雜度超越系統智能度的情況下進行人工介入;由于貨船的航行受通航規則和進港指南的約束，在特定的區域需要引航員的輔助，通過遠程駕駛可以為引航提供條件;還可以為海上救援等精細化操作提供基礎;也可以作為船舶航行時航次計劃變更的發布端口，以及船舶自主航行出現背離法律法規和危害安全等風險時的最終決策端口。船舶遠程駕駛的實現不可避免地將通過通信網絡進行數據交換。雖然高速以太網技術、現場總線技術、信息壓縮技術的發展為NCS的可靠性和開放性提供了保障，但是受限于通信網絡的帶寬、通信網絡設備軟硬件的穩定性、隨機變化的通信網絡負載和傳輸機制。

　　3關鍵技術研究現狀近年來，研究人員在NCS領域取得了一系列進展。Tipsuwan等[30]和Hespanha等[31]對網絡控制時延、信息丟包等方面的研究成果進行了綜述。芮萬智等[32]從控制與調度協同、錯誤識別與系統容錯方面對NCS的研究進行了綜述。You等[33]從信息理論、網絡理論、采樣理論等方面進行了分析總結。著眼于控制過程的不確定性和時變隨機性，以及由此帶來的安全風險，學者們開展了大量的研究工作。同時，與船舶遠程駕駛相關的運動建模、運動控制和自主決策技術也有了大量的研究成果。

　　4智能感知技術應用于船舶遠程駕駛的思考近年來，船舶的感知技術逐漸成熟，激光雷達、機器視覺等技術的應用極大提高了船舶的態勢感知能力;以“電子航海”(e-Navigation)為代表的海事信息系統也為船舶感知航路信息、氣象信息等帶來了便利;數字孿生技術在海事領域的應用為突破地理限制帶來了可能性。融合和應用最新的感知技術將在很大程度上為船舶實現遠程駕駛提供保障。

　　5結　語

　　船舶遠程駕駛在智能船舶的研究和應用過程中尤為重要，其發展的目的是保障船舶的安全性和可靠性，推進船舶的全自主化發展進程，使未來的航運更加環保和經濟。本文著眼于貨運船舶遠程駕駛的需求和場景，通過分析當前無人船艇遠程控制的現狀，提出了基于人機共融理念的船舶遠程駕駛框架，并分析了該框架下船舶遠程控制的關鍵技術;借鑒交叉領域的發展經驗和成果，闡述了網絡時延補償、網絡丟包補償、安全機制、船舶運動模型應用、船舶自主決策、船舶運動控制等方面的關鍵技術發展現狀;結合航運業和貨運船舶的特點，針對目前一些正在投入工程應用的感知技術提出了有助于實現貨船遠程駕駛的思考。

　　我國是世界航運大國，但是和挪威、芬蘭、瑞典、英國、荷蘭等傳統的航運強國相比，在遠洋貨船信息化技術、相關標準話語權上有明顯差距，尤其在減搖鰭、動力定位等高精控制系統的發展和工程應用方面差距明顯，我國的船舶工業很難在短時間內實現趕超。但是，船舶智能化發展現狀表明，這一輪新的變革核心并非船體、動力裝置、導航系統本身的變革，而在于利用信息化手段，借助人工智能技術提高船舶的智能化水平。

　　我國是全球電子信息設備的制造中心，擁有良好的人工智能技術和人才儲備，在船舶智能化浪潮中擁有先天優勢，有機會實現以增強駕駛、輔助駕駛、遠程駕駛、自主駕駛等為代表的階段性功能，最終呈現智能航運新業態。因此，發展和實踐船舶遠程駕駛和自主航行技術，既是我國船舶工業在國際競爭中實現趕超的最佳時機，更是我國船舶產業和航運業的發展需求。

　　參考文獻：

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　　作者：王遠淵1,2，劉佳侖*1,3，馬楓1,3，王興平2，嚴新平1,3