近日，我國首艘自主航行集裝箱船“智飛”號在青島造船廠有限公司舉行建造開工儀式。該船是我國首艘具有智能航行能力、面向商業(yè)運營的運輸貨船，也是目前在建的全球噸位最大的智能航行船舶，計劃于2021年下半年進行測試運營。

智能航運已經(jīng)成為航運業(yè)發(fā)展的一個主要方向，船舶自主航行技術(shù)是實現(xiàn)智能航運的關(guān)鍵技術(shù)。近十年來，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)和問題？未來其研發(fā)又將走向何方？

“雙智”的探索試驗

在“智飛”號開工建造之前，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)試驗船“智騰”號。

2019年5月16日，“智騰”號在青島智能航運技術(shù)創(chuàng)新與綜合實驗基地首次亮相。該船船長21米，寬5.4米，設(shè)計航速14節(jié)，包含自主駕駛系統(tǒng)、態(tài)勢感知系統(tǒng)、通導(dǎo)系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、全船數(shù)據(jù)平臺、船岸通訊系統(tǒng)；具備自動避碰、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”號自主駕駛系統(tǒng)核心在于融合水動力特性和控制技術(shù)，建立無人船的三自由度操縱模型和控制方法，在螺旋槳、舵和其它推進器之間完成最佳推力分配。在符合推進器硬件約束的條件下使無人船具有位置、艏向的保持和調(diào)整能力，實現(xiàn)高速狀態(tài)下沿指定航線航行的能力和自主離靠泊能力。

“智飛”號正是在“智騰”號研發(fā)測試的基礎(chǔ)上而開工建造的?！啊球v’號為自主航行系統(tǒng)的研發(fā)提供測試平臺，加快研發(fā)成果轉(zhuǎn)化。給后期300TEU無人自主航行集裝箱試驗船‘智飛’號的建造提供依據(jù)和支撐。”該工作人員表示。

“智飛”號總長約110米，型寬約15米，型深10米，設(shè)計航速為12節(jié)。據(jù)了解，該船集成并安裝有交通運輸部水運科學研究院、智慧航海（青島）科技有限公司等多家科研機構(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系統(tǒng)，首次在同一船舶上實現(xiàn)直流化、智能化兩大技術(shù)跨越，具有人工駕駛、遠程遙控駕駛和無人自主航行三種駕駛模式，能夠?qū)崿F(xiàn)航行環(huán)境智能感知認知、自主循跡、航線自主規(guī)劃、智能避碰、自動靠離泊和遠程遙控駕駛。通過5G、衛(wèi)星通信等多網(wǎng)多模通信系統(tǒng)，可以與港口、航運、海事、航保等岸基生產(chǎn)、服務(wù)、調(diào)度控制、監(jiān)管等機構(gòu)、設(shè)施實現(xiàn)協(xié)同。

交通運輸部水運科學研究院學術(shù)委員會主任張寶晨表示，“智飛”號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)的交通運輸部水運科學研究院、大連海事大學、哈爾濱工程大學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)，努力按計劃完成研究開發(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，通過減少駕駛員直至實現(xiàn)無人自主航行，可實現(xiàn)船舶設(shè)計建造的革命性突破，同樣載重能力下節(jié)約超過20%的建造成本，20%的運營成本，減少15%的燃油消耗并大幅度降低排放。一項研究預(yù)測，在未來25年間，每艘無人駕駛船舶將節(jié)省燃料、船員用品和薪金700多萬美元。這對于萬億美元的船舶、航運市場而言，空間巨大。

正如AI和自動化在其他領(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，并將人類從不安全、重復(fù)性的任務(wù)中解放出來。

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)能夠幫助減少對人類的依賴，那么自主航行船只最終可能會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年國際海事組織（IMO）海上安全委員會第98次會議（MSC 98）上，就已經(jīng)將“自主無人船舶”納入為新增議題。

無人船分為遠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）開始實踐，優(yōu)先研發(fā)遠程操控、自主航線規(guī)劃、自主避碰等技術(shù)。2018年11月，由瓦錫蘭動態(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米長渡船“Folgefonn”號自動靠泊系統(tǒng)試驗成功。該船從離開碼頭，駛離港口，駛向下一個停泊港口，到進港的整個靠泊過程實現(xiàn)了自動化操作，沒有人為干預(yù)。2017年6月，羅·羅也曾展示一艘遙控商船，這艘長28米、名為“Svitzer Hermod”的拖船安裝了以羅·羅動力定位系統(tǒng)為關(guān)鍵設(shè)備的遙控系統(tǒng)，實現(xiàn)了?？?、解鎖、360度旋轉(zhuǎn)等智能操控。

回顧國內(nèi)，2017年年底，珠海萬山啟動建設(shè)了亞洲首個無人船海上測試場，該測試場可就自主感知、避障、遠程控制、協(xié)同控制等自主船舶相關(guān)項目，為國內(nèi)外的科研機構(gòu)、企事業(yè)單位開展第三方測試服務(wù)。青島、珠海兩個智能船舶實驗基地一南一北，遙相呼應(yīng)，為我國無人船的研發(fā)提供了有力的實驗場地支撐。2018年12月工信部等三部委發(fā)布《智能船舶發(fā)展行動計劃（2019—2021年）》。2019年5月七部委聯(lián)合印發(fā)《智能航運發(fā)展指導(dǎo)意見》，“智騰”號首次亮相；7月發(fā)布《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，組織實施國家重點科研計劃《基于船岸協(xié)同的船舶智能航行與控制關(guān)鍵技術(shù)》項目；12月，中國自主研發(fā)的首艘具備自主航行功能的“筋斗云0”號貨船在珠海首航，成功完成首次自主貨船貨物運載。今年，“智飛”號開工建造……這無一不預(yù)示著中國也正在加快規(guī)劃部署智能航運未來發(fā)展。

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

船舶行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的積極嘗試

從自主航行船舶的發(fā)展現(xiàn)狀來看，遠程遙控結(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。

遠程遙控可以實現(xiàn)船隊集群管理、監(jiān)控船舶狀態(tài)合理配置資源、控制船舶維護維修、收集數(shù)據(jù)優(yōu)化運營效率等功能，同時結(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營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)無法滿足船舶安全的操控需求，需要依靠遠程遙控功能切換到人工操控來保障船舶的運營安全。所以，遠程遙控結(jié)合部分自主控制的自主航行船舶在未來很長一段時間內(nèi)將是自主航行船舶商業(yè)化運營的主要形式。

但遠程遙控技術(shù)在船舶上的實現(xiàn)也存在一些技術(shù)難點，如船舶大部分的工作區(qū)域需要通過衛(wèi)星進行船岸通信，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大的缺陷。對此，有專家建議，未來衛(wèi)星通信技術(shù)的研究重點應(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，促進遠程遙控技術(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運需求、技術(shù)實現(xiàn)和經(jīng)濟成本所決定的。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)，實現(xiàn)遠洋自主航行，可以有效的降低勞動強度、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)人士表達了對自主航行船舶發(fā)展前景的擔憂。由于存在重大的安全問題，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有船員的情況下自主作業(yè)之前，還有大量的測試工作要做，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題達成一項決議?，F(xiàn)有的國際公約是在假定船上有船員的情況下制定的。作為回應(yīng)，國際海事組織（IMO）啟動了評估和更新公約的工作，以確保在AI取代人類成為船長的新現(xiàn)實下的安全。

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

張寶晨指出，從全球范圍來看，智能航運技術(shù)發(fā)展已處于初期階段，未來十五年是發(fā)展關(guān)鍵期。雖然我國造船訂單量已穩(wěn)居世界第一，但是一直存在“大而不強”的問題，船舶智能化作為一種新趨勢給了中國“彎道超車”的機會。在此次技術(shù)革命中，一定要抓住機會趕超。