船舶“無人駕駛”可行性研究

艾小波++林聯平

【摘 要】 為了減少船舶駕駛員勞動強度及人為誤判導致的船舶災難性后果，提高安全性和經濟效益，通過分析船舶智能研究概況和“無人駕駛”船舶的優越性，提出實現船舶“無人駕駛”的必要條件，包括高度智能化的船舶、外部實時環境信息的采集、法規的修訂。“無人駕駛”船舶除了可以更安全、更經濟外，對解決船員招聘難與船員需求增加的矛盾也有重要意義。

【關鍵詞】 船舶；無人駕駛；智能避碰

世界經濟的快速發展使得海上貿易和運輸業得到了迅猛發展，科技的進步使得船舶大型化、自動化程度及智能避碰方面也得到了前所未有的發展。然而，由于各種運輸船舶數量猛增，且駕駛人員水平參差不齊，海上交通情況變得復雜。雖然目前商船大多都配備了性能優良的避碰設備，但船舶觸礁、擱淺及碰撞等事故卻時有發生。此類事故不僅造成了大量財產損失，且部分事故導致的溢油事件對海洋環境也造成了嚴重的破壞，甚至造成人員傷亡等。“無人駕駛”船舶的研究顯得日益迫切，其相對傳統船舶具有明顯的節省人力、節能減耗及更安全等優點。

1 船舶智能避碰的研究概況

科技的發展已經率先造就了船舶“無人機艙”，但國內外對船舶的智能避碰還在持續研究中。國外對船舶自動避碰系統的研究始于20世紀50年代，我國自20世紀70年代末開始研究船舶智能避碰系統，主要依賴經典數學的理論研究，但未能取得良好成效。

20世紀90年代誕生的船舶自動識別系統（AIS）是集網絡、通信和信息技術于一體的多學科、高科技的新型航海助航設備和安全信息系統。AIS的引入，使船舶碰撞危險系數的計算更為精確，船舶與船舶之間、船舶與岸臺之間的通信更加迅速。傳統雷達存在盲區和對弱小回波可能探測不到的缺陷，而AIS則幾乎不受天氣影響，能自動、準確無誤地提供和接收對船舶航行安全十分有價值的信息，如船長、船寬、船舶類型、噸位等靜態信息，以及船位、船速、航向、航行狀態、轉向率、橫傾角、吃水等動態信息。

隨著科技的進步，針對船舶智能避碰的又一種新型避碰系統――電子海圖顯示和信息系統（ECDIS）誕生了。該系統主要用于船舶綜合導航。該系統在硬件方面集成了大量的航海信息，如目前廣泛使用的計程儀、全球衛星定位系統、電羅經、測深儀、AIS等設備提供的信息；在軟件方面的基本功能主要有：電子海圖系統數據和顯示的操作、航次計劃和航線設計、航行監控及報警系統、航次記錄和回放功能等。

進入21世紀后，英國南安普頓大學在傳統的導彈制導原理的基礎上，提出了旨在躲避目標而不是捕獲目標的兩船避碰決策方法。此方法主要是依據他船的距離、方位及相對運動線變化的情況來確定碰撞危險程度，然后作出相應的避碰決策。國內有學者以船舶避碰決策問題為研究對象，引入了多智能體系統（Multi-agent System）的技術和理論，并提出了以多船為目標船的避碰決策支持數字影像區域匹配相關系統（DSMAC），使多船避碰的難度得以緩解，在智能避碰方面的研究取得了較大的突破。

2 “無人駕駛”船舶的優越性

2.1 更安全

如今，每艘商船在最易見處都有“SAFETY FIRST”（安全第一）的標語。由此可見，安全始終是最重要的。海難事故多數都是由人為因素導致的，如船員缺乏責任心而疏于瞭望、判斷失誤、操作不當等。“無人駕駛”船舶由于配員極少，且隨著技術的發展最終達到真正意義上的無人，駕駛員主要起輔助作用和解決突發性問題等，預計海難事故將減少60%以上。最重要的是，即使船舶發生碰撞、海盜劫持、觸礁等危險，還可由陸地上遠程操控。尤其是在配員極少或無配員時，自動駕駛船舶比人工駕駛更安全，船舶遇到重大事故時可以大大減少船員的傷亡。

2.2 更經濟

近年來，船員這一曾經讓人向往的職業也越來越缺乏吸引力，海上生活過于單調枯燥、長期遠離家人飽受相思之苦等原因，使得不少船員選擇放棄海員這一職業，從而導致不少航運企業面臨難以招到合適職位船員的困境。隨著經濟社會的發展，勞動力成本也在持續提高，尤其是高級船員的薪酬也在持續增長。據統計，遠洋船舶44%的成本支出與船員有關。一旦“無人駕駛”船舶技術投入運營，商船將無需配備大量船員，不但可以緩解船員短缺的困境，還將為航運企業節省一大筆船員薪水開支。

2.3 更環保

“無人駕駛”技術的發展，將還地球一個更清潔的海洋、更藍的天空。隨著海上交通的日益繁忙，海洋環境也遭到了嚴重的破壞，大多都是人為造成的污染。“無人駕駛”船舶由于配員極少或者無配員，人為的污染將降到最低程度，而且由于船舶生活區及船員配套相關設施可以大大減少，使得貨船重量減輕，能耗減少。預計，一艘“無人駕駛”貨船的運營效率將有望提高最多20%，且同時減少20%的碳排放量。

3 船舶“無人駕駛”可行性的必備條件

3.1 高度智能化的船舶

雷達誕生的目的主要是為了避碰，但也因此使駕駛人員過于依賴雷達而疏于瞭望。設備本身也有其局限性，如獲取他船信息時間有延遲、易受障礙物和天氣的影響等。AIS相對雷達來說，不僅可以接收他船的相關動態和靜態信息，還可以同時發送本船的相關信息，比雷達提供的航向、船位、船速等信息更準確，且幾乎不受障礙物的影響。ECDIS相比紙質版的海圖而言，數據更豐富且能實時檢索，更新相關數據也更迅速，功能更廣泛，可直觀地獲取船舶周圍相關水域包括水上和水下障礙物等信息數據。將雷達信號源接入后，ECDIS便以電子海圖為背景疊加顯示雷達圖像，并較直觀地顯示船舶所處周圍的實時運動狀態；同時，AIS還可以將各配備了AIS的船舶以直觀的空間形式在ECDIS上疊加顯示。[1] AIS、雷達與ECDIS的有機結合，可使靜態信息與動態的避碰信息有機融合，為自動避碰決策系統提供可靠、有效的信息源，對航行危險進行報警，完成自動導航和自動避碰的功能。[2]

無人駕駛船舶除必須具備傳統船舶技術外，還應包含水下探測聲吶設備、多傳感器智能監控系統、自動避碰導航系統，甚至是防海盜技術等。

3.2 外部實時環境信息的采集

智能視頻監控系統的最大優點是具有主動智能化，不需要人為干預，且還具備實時性、成本低廉等。因此，其已被廣泛應用于各個生活生產領域，同樣也可以應用于船舶駕駛，以獲取船舶外部實時環境信息。通過船體全方位覆蓋的攝像頭來獲取全景圖像，包括船舶周邊的鳥瞰畫面；再由計算機智能識別和處理視頻信號，并結合船舶操縱理論，對船舶碰撞危險局面進行評估研究，采取計算機模擬與實驗相結合，建立基于視頻信息檢測的船舶智能避碰決策系統（見圖1）。通過智能視頻監控所取得的外部圖像信息，在船舶發生海事事故后，還可以作為事實證據，協助取證之用。

圖1 視頻檢測避碰系統

3.3 法規的修訂

根據現行法規，船舶所有人（或者其船舶經營人、船舶管理人）應當按照船舶最低配員規則的要求，為所屬船舶配備合格的船員，商船必須持有《船舶最低安全配員證書》，在確定船舶最低安全配員標準時應綜合考慮船舶的種類、噸位、技術狀況、主推進動力裝置功率、航區、航程、航行時間、通航環境，以及船員值班、休息制度等因素。因此，目前船舶“無人駕駛”仍屬于違法行為，急待國際海事組織（IMO）和各主管機關制定相應的促進“無人駕駛”船舶發展的國際立法和國際公約。

4 結 語

從目前的技術、設備、交通環境等方面來看，實現船舶“無人駕駛”僅僅是時間問題。一旦法規通過修正，“無人駕駛”便可逐步實現。在開闊洋面試行“無人駕駛”，在確保安全的前提下逐步向沿岸和狹水道過渡。為確保安全，針對一些計算機避碰系統難以正確及時處理的突發情況，則可以由駕駛員來解決。歐盟目前開發了一個“海上智能航行”合作項目MUNIN，以驗證無人船的可操作性。這預示著船舶由“無人駕駛”到真正的無人駕駛（即不需配備船員）指日可待。

參考文獻：

[1] 孟令劍.ECDIS和AIS組合使用的優勢和前景[J].航海技術，2007（3）：35-37.

[2] 劉宇宏.船舶避碰智能決策支持系統的設計與實現[J].中國航海，2004（4）：32-37.