無人貨船研發現狀及待解決的問題

王鴻東，張子祥，易 宏

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

隨著網絡傳輸與通信技術、智能傳感器技術、智能控制技術等高新領域不斷取得突破，越來越多“無人化”科技產品問世，并從軍用領域向民用領域逐漸鋪開。傳統交通工具如飛機、汽車、列車等均已實現遙控或一定程度上的自主行駛，并為大眾所熟知與使用。無人貨船由于使用環境相對復雜，相關技術尚不成熟，所以至今還沒有進入實用化階段。

本文將從無人貨船的研發現狀出發，介紹無人貨船在航行表現上優于傳統貨船的原因，并重點分析研發無人貨船必須解決的相關技術問題，為后續的實際工程研究提供參考。

1 無人貨船的現狀

在船舶領域，用于軍事裝備和科學考察的無人船技術已經有了較多的應用。比較早的軍用無人船舶有美國研發的“斯巴達”高速無人船和以色列研發的“保護者”高速無人船等[1]。科學考察方面，我國研發的“天象一號”無人船是世界上第1艘用于氣象探測的無人船，出色地完成了青島奧帆賽對特定區域的數據測量任務[2]。亦有多功能無人船如我國研發的“領航者”，可以為科學考察、緊急搜救、巡邏偵察等多種任務提供水上平臺。

相比軍事裝備和科學考察用無人船，對于無人貨船的開發較晚。直到近幾年，無人貨船的話題被迅速炒熱，世界上已經有多個組織宣稱開始研發無人貨船。2014年，有媒體報道羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）正在完善無人化跨洋貨船的設計，目標是把控制航向的工作全部交給岸上的操控團隊[3]；2年后，羅爾斯·羅伊斯海洋創新部副總裁稱真正可用于商業使用的遠程控制船舶將在2020年前出現。在挪威，康斯伯格海事（Kongsberg）與化肥制造商雅苒國際（YARA）合作研發世界上首艘零排放的自動行駛貨船“Yara Birkeland”，計劃在2018年下半年載人操縱貨船運送貨物，2019年進行遠程操控航行，2020年期待可以實現完全的自動駕駛。澳大利亞礦業集團必和必拓（BHP Billiton）正在投資建造自主航行無人散貨船隊，船舶動力將由該集團自產的天然氣提供；集團期望在10年內將船隊建造完成，用于運輸鐵礦石、煤炭等礦物資源到世界各地[4]。在中國，“筋斗云”小型無人貨船計劃2018年底下水，2019年投入珠海海島間的物資運輸，將為中國的海島物資補給提供良好的解決方案[5]。

除了無人貨船本體的設計建造之外，無人船的相關規范與法律也正在制定和修改。中國船級社（CCS）于2015年發布了《智能船舶規范》。2017年英國勞氏船級社（LR）發布了無人海上系統規范《LR Code for Unmanned Marine Systems》。國際海事組織海上安全委員會（IMO Maritime Safety Committee）已經接收了9個成員國在無人船領域確定立法范圍的方案；國內立法程序也已在美國、英國等國展開[6]。

總體而言，無人貨船已經成為世界各國繼無人艦艇、無人科考船之后下一個發展目標，有潛力在未來的10～20年內逐漸取代傳統貨船，在世界航運界掀起一場新的革命。

2 無人貨船的優勢

2.1 人力成本下降

在航運企業的成本中，人力成本在企業總成本中占有很大的比重，且所占的比重有不斷上升的趨勢。在20世紀50年代，船員薪酬成本只占船舶經營成本的15% ～ 20%；到了90年代，船員薪酬成本升至經營成本的35% ～ 50%[7]；近幾年，人力成本已達到企業成本的 50% ～ 60%[8]。

無人貨船將顯著降低運營成本。基于先進的網絡、傳感器技術和友好的人機交互，岸基控制中心中的一個人便可以同時監控多艘船的運行情況。當船舶出現意外狀況，控制中心將迅速成立一支分工明確的團隊解決問題。這種運營模式不僅降低了每艘船平均的人力成本，而且極大地改善了“船員”的工作環境，提高了工作效率。

2.2 燃油成本降低

為了保證船員的生命安全，在長期的航行中傳統貨船需要儲備大量的食物、淡水和救生設備；為了使船員的生活更加舒適，部分管道系統和給排水系統是必要的。可見人的因素大大限制了貨船的載貨能力。無人貨船則無需考慮布置這些船艙和多余的管道，設計變得更加緊湊。因此，在相同情況下，無人貨船單位載重量的耗油量低于傳統貨船。

《國際防止船舶造成污染公約》對燃油品質提出了較高的要求，使原本走低的國際原油價格并沒有降低航運業的運營成本：中遠海運集裝箱運輸有限公司在2015年因進入排放控制區更換燃油增加支出1.8億元[9]。在這種情況下，羅爾斯·羅伊斯稱無人貨船將節約12%～15%的燃油，無人貨船的經濟性與綠色環保可見一斑。

2.3 傳統海盜行為很難奏效

無人貨船不存在被傳統海盜劫持的問題。即使貨船被海盜成功控制，無人化使得海盜在談判桌上籌碼大大減少。更何況要獲得無人貨船的控制權是不容易的：貨船將有技術條件感知入侵者，做出報警、剝奪手動控制權限和高速脫離危險區域的動作。不可否認，海盜們還有徹底破壞船只這一選項，但對海盜來說損壞貨船也沒有任何收益。鑒于以上原因，海盜將會漸漸認識到搶劫無人貨船毫無意義，針對無人貨船的海盜活動將隨之漸漸消亡。

2.4 人為事故可以避免

人為因素對海上事故的影響非常大。1993–2002年中，我國發生的海上事故中，存在人為因素的事故比例超過92%[10]；國際海事組織則認為人為因素導致的事故約占80%。人為因素占如此大比重的原因主要有：海員工作條件艱苦，心理和生理上不適應海上漂泊；海員缺少中高級培訓，知識、技能、經驗不足；船用設備設計不合理，不適合船員使用；操作程序不清晰，指令沒有得到完整貫徹[11]。

為了提高航行的安全性，用計算機代替人是大勢所趨。無人貨船航行的安全性不再受“人”這一復雜因素所影響，而僅僅與傳感器誤差、計算機運算能力、算法能力等客觀可控的因素有關。隨著技術的進步和實踐經驗的不斷積累，無人貨船在海上的安全性將很快趕上傳統貨船，并最終超越傳統貨船。

3 無人貨船亟待解決的問題

3.1 船岸通信系統

衛星通信范圍幾乎覆蓋全球，傳輸質量較高，所以遠洋貨輪的船岸通信主要都是通過衛星通信實現的。對于傳統貨船來說，衛星通信系統只要滿足全球海上遇險與安全系統（GMDSS）的相關規定即可；在滿足規定的情況下，對具體衛星通信設備的選型主要取決于航行中對通信流量大小的需求、硬件設備的價格和流量的價格。但對無人貨船來說，衛星通信系統僅僅滿足相關規定是遠遠不夠的，需要從高效性、可靠性和安全性3個方面來考慮。

為了更直觀地觀察無人貨船的運行狀況，在必要的情況下，控制中心可以直接收看船載攝像機拍攝的實時視頻，而需要同時調用的攝像機可能不止一臺。例如當無人貨船發現海盜登上船只后，控制中心將需要調用1臺瞭望用攝像機觀察海盜快艇的位置，數臺艙內攝像機跟蹤海盜動向。實際上在傳統貨船中基于衛星通信的遠程監控已經有所應用[12]，而上述這種特殊情況就對船岸通信系統的帶寬提出了更高的要求。

無人貨船在正常運行過程中，需要定時向岸基控制中心反饋運行狀況；當無人貨船判斷運行出現問題時，將向岸基控制中心發送實時信息并準備接收控制中心的操縱指令。不比傳統貨船即使與大陸失去聯系也有船員進行操縱，無人貨船的船岸通信系統失靈，貨船將在茫茫大洋中陷入不受監視、不受控制的狀態。單就衛星通信系統來說，自然干擾有日凌、雨衰和電離層閃爍等[13]。非常矛盾的是，船只遭遇的危險海況往往伴隨著狂風暴雨，既是最需要通過船岸通信系統發送數據接收指令的時候，也正是衛星通信系統受干擾最嚴重的時候。如果無人貨船的自主決策能力還不足以應對復雜海況，那么就必須提高船岸通信系統的可靠性，盡可能保證在極端情況下的信息通暢。

船岸通信系統的安全是必須考慮的因素。前文提到過無人貨船的廣泛應用將逐漸消滅傳統的海盜行動，但可能帶來新一代“黑客海盜”。據報道，有安全研究員發現通過公共互聯網就能直接連入一部分現有的大型船只和飛機的通信系統，實現控制和修改控制程序[14]。這就意味著，“黑客海盜”可能不用親自登上無人貨船就能獲得完全的控制權，除了帶來巨額經濟損失，還伴隨著利用無人貨船實施恐怖襲擊事件的危險可能性。勞氏船級社等組織已經開始重視這一問題，在第二版的信息化船舶入級指導文件中增加了網絡安全的內容[15]。由此看來，無人貨船船岸通信系統的安全性至關重要。

3.2 感知系統

無人貨船需要一整套成熟的感知系統觀察外部航行環境和診斷內部設備狀態，能夠實現這一功能的感知系統主要依托的技術有傳感器測量技術和多傳感器信息融合技術。其中，多傳感器信息融合技術在感知系統中處于核心地位，也是研究的重點。

如果說無人貨船上安裝的大量傳感器替代傳統貨船上船員的五官，輸出了各種物理測量值，那么多傳感器信息融合技術就是替代船員的大腦，可以把這些不同種類的測量值整合成對目標對象更加高品質的描述。典型的感知過程如圖6所示。

當無人貨船的安全性評估單元要求當前的航行海況，貨船上的多種傳感器開始工作：風速儀與風向儀、浪高儀、流速儀測量并分別反饋風、浪、流情況，瞭望用攝像機反饋空中云層和海面波浪的圖像。評估單元接收到反饋信息后利用多傳感器信息融合技術，按照一定的流程，利用一定的算法，綜合分析所有傳感器的測量數據，進行評估與決策。

雖然多傳感器信息融合在很多領域得到成功應用，但是還沒有形成統一的理論框架，絕大部分工作都是針對特定的應用領域展開的[16]。在無人貨船上，應用多傳感器信息融合技術主要涉及2個工作方面：一是信息融合系統的設計，涉及到數據融合模型、傳感器等資源的管理與調度、信息融合數據庫、信息融合算法的評價標準、信息融合系統效能評估方法和其他一些信息融合的優化問題等[17]。二是信息融合算法的設計。在工程實踐中并不存在完美的信息融合算法，必須結合實際問題進行具體分析，根據實際需要進行選擇。在人工智能技術越來越受到重視的今天，可以預見多傳感器信息融合技術也將越來越向智能化的方向靠攏[16]。

3.3 自主決策系統

無人貨船的自主決策主要體現在船載計算機對航線的自主規劃和對航行行為的自主控制。

遠洋貨輪從經濟性和安全性的角度來看，總是希望能走一條燒油少、時間短、海況佳的航線。因為影響航線規劃的最主要、最復雜因素是水文氣象，所以航線規劃終究歸結到氣象導航。對于傳統貨船來說，通過氣象導航得到最優航線的過程通常是專業的氣象導航公司與船長不斷協商的過程：氣象導航公司依船東的要求，在貨船出發前根據氣象資料事先規劃好航線，并且在航行過程中根據更新的氣象資料向貨船發出航線修正信息；船長在按預定航線航行的過程中，遇到預定航線與本人經驗或者實際海況不相符時，可以向氣象導航公司提出異議，和公司充分交流后沿著一條雙方均認可的航線繼續行駛[18]。

這是一種互補的導航模式：氣象導航公司因為掌握大量最新氣象數據，有能力對長期的航線做出比較好的規劃；船長對當前實際船況和海況熟悉，可以從航行的舒適性等其他方面對已有航線規劃進行補充與修正。但這種導航模式有缺點：1）價格高昂，直接導致部分船東不愿意使用氣象導航公司的服務轉而讓船長自行判斷航線。2）保密性差，氣象導航公司可以獲得貨船的出發港、目的港、出發時間等信息，不適合特殊用途的船舶。3）氣象導航公司對船況不熟悉，導致實際航行效果不佳。

針對以上問題，有研究嘗試根據貨船上可以接收到的氣象傳真圖、可以實際測量的海況和歷史統計資料，利用船載計算機自行實時計算最佳航線；實驗證明這種自主規劃的航線比氣象導航公司提供的航線路程更少，時間更短。該研究的作者認為，這種規劃方法的效果受到了貨船獲取水文氣象資料信息手段不足的限制，提高收集水文氣象資料的能力將成為之后的研究方向[19]。到了今天，有待進一步開發的感知技術使氣象傳真圖、實際海況、歷史統計資料的大量采集、存儲和綜合分析成為可能。對無人貨船來說，需要成熟的感知系統為航線的自主規劃提供基礎支持。此外，隨著計算機計算能力的提升和智能算法種類的增加，為無人貨船最優化航線的方式也值得進一步探索，使航線的計算更優化，使航線本身更加滿足船東的實際要求。

對航行行為的自主控制指的是，無人貨船的計算機根據感知系統反饋的結果，自行向主機、舵機等執行器發送指令的行為。無人船的自主控制已經有一部分研究成果，在仿真程序和實際海試中已經可以實現航線跟蹤和自主避障功能[19–21]，但這些實驗成果一般只適用于風平浪靜的理想海況。無人貨船面臨的主要環境威脅是突發的惡劣海況。

傳統貨船在大風大浪中，能依靠船長的經驗技術度過難關。而無人貨船在遇到惡劣海況時，前文提到過，恰恰船岸通信系統最容易失靈，使岸基控制中心的工作人員無法介入操作。這就意味著，無人貨船在感知到惡劣海況后，如果通信中斷，必須自行采取一套應對動作，如通過調整航速和改變航向避免諧搖、沖浪、穩性損失等危險情況。這就給研發無人貨船的自主控制系統提出了挑戰。

3.4 人機交互

無人貨船的所有自主能力，都是在程序預先規定的范圍內實現功能的。在程序觸碰不到的范圍，比如海面上出現無法被識別出的物體，或者診斷系統發現異常的測量值卻無法確定原因時，還是要依靠人介入進行處理。至少在現有的自主技術條件下，所有無人系統只能處于“人機協作系統”的階段，更強的自主能力只能帶來人與計算機分工種類和工作量大小的變化。所以，開展無人貨船人機交互系統的研究非常有必要。

人機交互系統的優點有：人機交互系統通過合理的人機任務分配，有助于充分利用無人貨船的自主能力和人的主觀能動性，可以加快任務執行速度，減少工作人員，降低失誤率；人機交互系統將整合無人貨船的運行信息，向控制人員提供無人貨船的運行狀況、自主決策結果和決策背后的原因，不僅提高無人貨船自主決策可理解性，而且能增強控制人員對自主決策的信任，使人機協作更加順暢；人機交互系統將發展成采用自然用戶界面，允許基于手勢識別、語音識別、人臉表情識別等更加人性化的交互方式，可以減少控制人員的工作強度，提高人機交互效率并降低培訓控制人員的時間與經濟成本。

人機交互系統的重要發展方向是自然用戶界面的研發，尤其是語音方面。在羅爾斯·羅伊斯對無人貨船的宣傳視頻中，岸基控制中心的操作人員能直接以人機對話的方式向無人貨船執行一些操作。自然語言是人下達指令最自然的方式，設計者們自然希望能實現以自然語言為載體的人機交互。實現這一功能需要的技術有自動語音識別（將聲音信息轉換為文本信息）和自然語言理解（將文本信息轉換為計算機理解的表述）。盡管SIRI等商業語音助手已經進入人們的日常生活中，但是要實際應用在無人貨船的人機交互系統上風險還比較大，相關技術還有待進一步發展

4 結 語

從科技發展的角度來看，無人貨船作為大量高新技術的載體，其研發將帶動一大批相關技術，尤其是船舶通信、感知、控制技術的創新和實用化。從經濟發展的角度來看，世界經濟已經出現了向好的態勢，同時中國提出的“一帶一路”倡議正在加緊實施，可以預期國際海上運輸將變得越來越頻繁，無人貨船運營成本低，安全性高的特點將在實際應用的對比中凸顯。此外，無人貨船將作為新興的高附加值船型，在世界船市中開辟新的市場。我國越早掌握相關設計和建造技術，在無人貨船領域就越有話語權，就越容易獲得更多的訂單。現如今，無人貨船的研發正如火如荼地進行。幾年后，第一批無人貨船將下水試航。相信相關技術問題將在試航中得到解決，在10 ～ 20年內真正實現實用化，并取代傳統貨船。

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