智能船舶面臨“軟件”安全挑戰

本刊記者 楊培舉

當前，我們正迎來一個萬物互聯的時代。大數據、云計算、物聯網、智能化、無人化、“互聯網+”等關鍵詞不斷沖擊著人們的眼球。在此背景下，智能船舶也由過去的猜想向現實疾馳。然而，伴隨船舶數字化、智能化、模塊化、網絡化、集成化趨勢的日益加劇，各種智能控制系統以及軟件的不斷涌現并得以應用，在給船舶操控帶來高智能的同時，也給船舶安全帶來新挑戰。

安全生態之變

進入新世紀以來，洶涌澎湃的第四次工業革命浪潮悄然而至。隨著互聯網技術的迅速突破和發展，造船業和航運業中虛擬與現實的交互性不斷加強，生產方式和運輸方式因工業IT和軟件技術的應用而發生根本性的改變。功能性工業軟件的智能應用和研發，使船舶制造和營運在自動化的基礎上躍升為智能化。幾乎所有產品和服務皆可借助于互聯網和其他網絡服務，通過軟件、電子及環境的結合，生產出全新的產品和服務。

中國船級社（CCS）營運入級檢驗管理處副處長蔡玉良認為，智能船舶涉及的領域十分廣泛，內涵極其豐富，設計院、船廠、產品廠、航運企業、貨主等不同單位關注的重點不盡相同。智能船舶應包括船舶系統及設備的感知、思維、學習、行為等方面，現在業界談論的智能船舶基本是以“大數據”為基礎，運用先進的信息化技術，如實時數據傳輸和匯集、大計算容量、數字建模能力、遠程監控、傳感器等，實現船舶智能化的感知、判斷分析、決策、控制及成長，從而更好地保證船舶的航行安全和效率。隨著收集數據量的增加，船舶的系統功能會隨之增強。

在國內，船舶工業4.0被譽為一場造船業和航運業的工業智能化革命。目前，業界正以前所未有的熱情擁抱互聯網，擁抱智能船舶。這種推動力主要來自三個方面。一是計算機和網絡技術、電子技術、通信技術、工業自動化技術等日益成熟并得到普及運用；二是航運業和造船業因處于發展瓶頸而急于找到新的突破口，重新建立自己的競爭優勢；三是社會對安全環保關注度日益提高、海事標準規范不斷翻新、業界個性化需求日益增加等。三種因素的疊加，使得智能船舶的進程大大加快，各相關國家、企業和機構也在明爭暗斗，力圖搶占先機。目前，日本、韓國等國的知名企業正在競相研發智能船舶，像韓國現代重工及韓國電子通訊研究院(ETRI)共同開發的“有/無線船舶綜合管理網通訊技術”，可實現在陸地利用遠程技術對船舶狀態進行實時監管。羅·羅公司在挪威Alesund和芬蘭Rauma均設有控制中心，可實時監控其在全球范圍內的船舶和推進設備運行情況。歐盟撥出專項資金用于開發“海上智能航行”合作項目MUNIN，以驗證無人船的可操作性。項目協調官員歐納夫·揚·羅德塞思說：“我們的主要目標是檢驗能否讓船只的所有功能實現自動化。短期內，我們希望能把船員數量降至一個人，絕大部分航行任務交給岸上人員操作。美國工業巨頭德事隆公司為美國海軍研發的四艘無人艦船已投入使用，它們只需借助電腦程序、全球衛星定位和微波等現有技術就能實現無人駕駛。在國內，中船集團調集了大量資源，成立了海洋裝備信息智能管理與應用技術創新中心，以實現“智慧海洋”理念的“5S”工程（即以大數據為基礎，面向“Sea-海洋、Ship-船舶、System-系 統、Smart-智 能、Service-服務”的船舶運營智能服務體系）。據悉，中船集團開發的第一代智能船將擁有300多個傳感器，可以連續感知船舶運行與海況環境，由此形成的“思考能力”將讓機器分擔船員50%的工作。另外，珠海云洲智能科技有限公司和武漢楚航測控科技有限公司開發出的小型無人船也已面世。

顯然，智能船舶和船聯網的興起，給行業未來的可持續發展注入了實現無限可能的因子。有專家指出，智能船舶對于傳統船舶系統來說，就像蒸汽動力對于風帆動力、燃油對于煤炭，終將取代老一代產品，未來我們將看到越來越多復雜、尖端、高度自動化，甚至是無人的智能船舶航行于海上。未來10 ～20年船舶智能的發展將是決定未來船舶行業發展方向、船型變化、船員能力要求的重要因素。

然而，就像硬幣的正反面，當所有的設備都變成智能化，都接入網絡以后，給業界帶來無限暢想的同時，船舶安全邊界的形態也隨著企業和船舶邊緣的模糊化而變化，傳統上的船舶安全觀念已經不適應行業的發展。這種邊界的分散性將為企業和船舶帶來新的安全隱患。可以說，有線或無線設備的安全缺陷、軟件漏洞、安全攻擊等問題，讓船舶安全的威脅已經超越了IT的發展速度和想象空間。

網絡“裸奔”之痛

就在我們積極擁抱互聯網，向著船舶智能化挺進之時，其安全陰影也如影隨形，令我們防不勝防。船舶被譽為綜合工業之冠，開發制造一艘遠洋船，涉及的技術和部件覆蓋了制造業85%的門類。數字化在造船和航運領域的應用，如計算機管理、三維建模應用、航運監控與管理等方面越來越完善，智能化越來越強，與之相適應的，應用軟件和管理軟件也越來越多，各種芯片、傳感器、控制器等林林總總，它們在助推船舶智能化發展的同時，也成為了危害船舶安全的重要“幫兇”。

然而，令人擔憂的卻是，在互聯網安全問題上，我們的大多數企業存在非常多的安全漏洞。安全意識薄弱，技術和手段滯后、單一，導致風險防控能力嚴重不足。同時，外部環境又受制于人。據統計，我國芯片、操作系統等軟、硬件產品，以及通用協議和標準90%以上依賴進口，埋下安全隱患。有調查顯示，有80%的管理和安全問題來自終端。從這個數字可以看出，安全邊界的戰場已經逐步由核心與主干，轉向網絡邊緣的每一個終端。毫無疑問，在這種背景下，智能船舶的深度網絡化和集成化客觀上也讓攻擊者有了更多可乘之機。安全漏洞很多是存在于控制設備和數字化制造工具、生產制造和管理網絡、操作系統、控制軟件環境和數字化設計軟件中。船舶的生產制造系統、生產管理系統、運營系統以及供應鏈系統等深度互聯在一起，越來越多生產組件和服務可以直接或間接通過網絡訪問，大大增加了攻擊點、攻擊面和信任網絡邊界，研發端、管理端、消費端、生產端都可以實現對生產網絡的入侵，攻擊者甚至無需到現場即可通過APT等高級攻擊方式實現對生產制造系統的攻擊。系統中任何一點受到攻擊或自己出現故障，都有可能導致整個系統的癱瘓。

中國船級社專家陳永念認為，目前業界基本處于信息化探索和應用階段，要想實現靠軟件和智能系統代替人工分析、評估、判斷和決策，還有很長的路要走，但這是未來發展的方向。以前業界關注更多的是硬件，而對于軟件及相關智能系統的安全研究和關注相對較少。拿船用軟件系統來說，主要有兩大來源，一是廠商，二是船東。可以預見，未來各種各樣的船用軟件會層出不窮。但這些軟件很多是開發人員坐在辦公室里開發出來的，有很多未知因素可能沒有考慮進去，有缺陷在所難免。那么，這些軟件的正確性、穩定性到底如何，需要有相應的測試、評估及認證，這些都對安全形成挑戰。對于這個問題，DNV GL執行副總裁石萬勝也表達了類似觀點。他認為，全球航運業為了改進運營安全性和提升效率，正面臨著越來越多的運用各種智能系統所帶來的挑戰。而軟件系統已成為影響船舶安全的一個重要因素。船東方面，也有類似的擔憂。中海油輪運輸有限公司廣州分公司歐陽龍輪機長認為，目前航運業已進入了軟件控制居主導地位的階段，但相應的，與之伴隨的問題也越來越多。這是因為電子產品及其應用軟件，受空氣濕度、環境溫度、振動等環境因素干擾極大，惡劣的外部環境會直接影響其使用壽命或導致軟件失效，甚至會出現軟件程序丟失、錯亂，控制電腦中毒，莫名其妙地死機等，從而影響船舶正常生產經營，埋下安全隱患。另外，船員對智能系統不夠熟悉，或過多依賴船舶智能系統，對應急操作等疏于訓練，這種惰性，往往導致船舶碰撞、擱淺的重大險情或事故的發生。還有專家提示，在萬物互聯的背景下，智能設備越來越多元化，要放心使用這些設備，保證網絡安全無疑是重要前提。否則，也許會出現設備是好的，但如果軟件安全系統出了問題，同樣能導致整體控制系統發生故障，甚至導致惡性安全事故，最終對人員、設備和環境造成嚴重的后果。還有從企業層面上，目前對安全生態的變化沒有引起足夠的重視，互聯網時代，企業的核心技術、項目、未來行動、財務狀況、企業弱點、客戶資料等信息，很容易被對手獲取，這使得安全防范變得越來越艱難。

據英國媒體報道，美國得州大學的一組研究人員在日前進行的一項試驗中，成功控制了國外一艘行駛于地中海海域的超級游艇，而他們只用了一臺筆記本電腦、小型天線和一個成本為3000美元的電子GPS“誘騙設備”。他們成功操縱船只使其偏離航線，甚至還能發射假信號，將其引入會與其他船只發生碰撞的航向上。并且，船只信號被攔截期間，這艘船的GPS系統還會顯示船只沿原定航向前行，不會出現任何警報或其他指示。看到這些，讓人不寒而栗。

顯然，在互聯互通時代，如果企業對于新技術革命帶來的安全問題，采取看不見、不重視、不行動，那未來的結局同樣會是“來不及、活不了”。

開啟補漏行動

針對智能船舶、船聯網“軟件”系統存在的安全隱患，國際海事界已有了警覺和行動。國際船級社協會主席PhilippeDonche-Gay前不久在香港出席香港船東會舉辦的午餐會上表示，為應對船舶事故的日益增多，今后國際船級社協會及其會員的首要任務將集中到船舶安全上來，并與IMO共同制定為船用軟件供應商制定統一鑒定標準等。

中國船級社近幾年不斷加大在船舶智能化方面研究和開發力度，借助參加新加坡海事展的契機，首次推出了智能船舶的定義，所謂的智能船舶是基于網絡通信、物聯網、自動控制、決策支持系統等技術，借助船岸一體平臺，集成環境感知、規劃決策、故障診斷、遠程監控等功能。智能船舶技術使船舶更安全、更可靠、更環保、更經濟。目前CCS 已經推出了多個智能船舶的附加標志如船舶最佳縱傾優化決策（OTA）、船舶能效實時在線綜合監控（EOM）、油輪貨物操作仿真優化（COS）、船體結構全生命周期管理（HLM）、船體檢查保養計劃（HIMS）、船體結構厚度監控與強度評估（TS-N）、船員培訓系統（Train(X)），為船舶更安全、更可靠和更環保提供助力。據CCS營運入級檢驗管理處副處長蔡玉良透露，CCS 多年來一直致力于智能船舶及安全系統的研究，注重船舶智能系統和船用軟件的研究、開發、驗證以及測試等，隨著智能船舶的深入研究會適時推出新的附加標志。2013 年中國船級社啟動《船用計算機控制和報警系統軟件評估研究》，該項目的立項，使中國船級社在船用控制系統軟件評估領域邁出了重要一步。2015 年，CCS又發布《船用軟件安全及可靠性評估指南》，它是對船用計算機系統（包括可編程電子系統）中軟件的可靠性及安全性評估指南，不僅對船用計算機系統中軟件的開發、測試、認證、生產、維護提出了安全及可靠性的技術要求，同時也對與軟件相關的硬件制定了一些要求，這些要求需與產品的技術要求結合對待。指南適用安裝于入級船舶上，提供符合入級要求的控制、報警、監測或安全功能的計算機系統，包括可編程電子系統。考慮到小型簡單的計算機系統的直接應用和在復雜系統中對部分功能實現的應用，本指南定義了小型低復雜度計算機系統，并在指南中給出了簡化的評估方法。《船用軟件安全及可靠性評估指南》于2015 年7 月1 日起生效。另外，CCS 還開展了船舶能效相關設計指標、規范標準、驗證模式及相關數據庫與應用平臺的研究開發工作，指導相關設計并提供相關驗證手段；同時，還開展了以三維船體維護保養體系和機械設備維護保養體系為基礎的船舶全生命周期在線監控及船岸一體化研究工作。基于市場拓展需要，CCS正考慮將正在進行的項目納入船級附加標志。

蔡玉良還表示，智能船舶涉及到各種新的船用產品和技術，同時不同平臺、不同應用或不同開發主體開發的各種的智能化設備，可能存在技術標準輸入上的差異，不同智能化應用系統之間如何做到兼容、協調和標準統一也是未來亟待解決的。未來，CCS將加大開展與智能船舶相關檢驗模式、驗證標準和審核手段等的一系列前期研究工作。另外，國際上，我們還應建立起與國際標準化組織長期合作機制，充分利用國際標準化組織的影響力，加快智能船舶、船聯網的標準化工作。

除 了CCS， DNV GL集 團 對于智能船舶也非常關注，并于去年發布了一份名為“未來航運業”的報告，時任DNV GL海事業務首席執行官石萬勝在希臘海事展演講時稱，“智能船舶”，它所指的是實時數據傳輸的匯集、大計算容量、數字建模能力、遠程控制、傳感器及小型化等，這些新的信息化技術將對船舶安全產生顯著影響。我們必須繼續建立相應的機制，以確保這些信息化技術的安全性和可靠性。軟件系統已經成為影響船舶安全的一個重要因素，但是由于軟件的模塊化和多元特性，在安裝和運營之前通常不易測試。為此，DNV GL已經在其船級規范里引入了對軟件系統認證的要求，即ISDS（軟件依賴性系統整合）標準。為此，DNV GL購買了海事和海工業“軟件在環測試（HIL）”領域的先驅Marine Cybernetics公司，此舉使DNV GL為其客戶在軟件和系統測試領域提供了更寬廣的平臺。

還有專家指出，“軟件”系統安全對于致力于智能化發展的產品和企業而言，生死攸關。對于各種各樣的船舶智能控制系統和軟件，其正確性、穩定性、安全性是否需要引入第三方來進行檢測、評估、認證，值得業界關注。