無人駕駛運輸船發展現狀與關鍵技術

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(廣州文沖船廠有限責任公司，廣州 510727)

智能船舶的技術研究經歷了從第一代僅限于船用設備智能監控分析的智能船舶，第二代的包括人為監控系統，給出決策支持建議的半自動化航行的智能船舶逐漸向包括情景感知、數據分析、實時操作優化的第三代智能船舶和全自主化的無人駕駛第四代智能船舶邁進[1]。隨著物聯網、大數據、云計算等新理念、新技術突飛猛進的發展，為無人駕駛技術發展注入了更強大的動力，無人駕駛運輸船逐步成為國內外運輸領域研究的熱點。

1 發展背景

1.1 小型無人駕駛船艇

20世紀90年代，美國海軍研制出用于海上自動搜索、偵查和自動監測的無人船并陸續研制出體系網絡化的遠程控制海域安全系統[2]。國內沈陽新光公司研制的無人駕駛海上探測船“天象一號”成功應用于北京奧運會期間青島奧帆賽的氣象服務保障工作。2009年，天津大學與國家海洋技術中心合作863項目開展小型水下自主觀測平臺研究。哈爾濱工程大學水下智能機器人實驗室完成了某型無人艇的設計和實艇建造等工作，并且開展了相關技術研究和海上試驗。珠海云洲智能科技有限公司研發的全自動無人船已形成系列產品并在全國推廣應用。

目前關于無人船的研究偏重和集中于各型水下機器人和各類中、小型遙控無人船，主要用在海洋調查、監測、測量、軍事用途等輕型應用領域。這些無人船，準確地說應該稱之為無人艇，大多體積較小，長度約2～15 m，速度較高，靜水航速最大可達40 kn左右，自重和載重較輕，重量大概1.5 t～10 t，可搭載100 kg左右的儀器設備和不同的工作模塊實現不同的功能，續航力在80～1 000 km左右，相關技術已經較為成熟。

1.2 無人駕駛運輸船

隨著世界貿易量的持續增長和貿易品種越來越豐富，各路航線日益繁忙，船舶系統越來越復雜，人力成本、船舶安全、環境保護、節能減排等問題將更多公司的將目光引向未來市場前景更好的無人運輸船隊。無人船相關技術的研究逐漸在向大型、運輸型無人船方面發展。歐盟自2012年開始開展的MUNIN(海上無人駕駛智能網絡導航)項目，由Fraunhofer海運物流和服務中心領導，從技術、經濟和法律3個方面，對海上大型無人駕駛商用散貨船的運行可行性進行了評估。美國船級社在2014年3月批準了一艘2 200 m3的無人駕駛液化天然氣駁船的建造，用于美國沿海水域船對船的LNG轉運或LNG散裝運輸。作為目前全球無人船行業的領導者，羅爾斯羅伊斯公司已經開發了無人船舶的虛擬藍本，并在2016年公布了其高級無人駕駛船舶應用開發計劃(AAWA)，公開了用在無人駕駛船隊遠程監控上的岸基操作控制中心的構想[3]。此外，他們還聯手甲板機械巨頭麥基嘉公司合作研發無人集裝箱船貨物系統，目標2025年提供世界上第一艘無人商船，圖1為該公司研發的無人運輸船外觀。

全球最大的礦業集團澳大利亞必和必拓(BHP Billiton)正在研發用于運輸鐵礦石和煤炭等各類礦產的超大型自動航行無人散貨船，預計在鐵礦石運輸市場將節省費用約860億美元。2016年6月，韓國宣布，將重點推動無人駕駛的發展，開發通用聯合平臺技術項目，發展對于無人機、無人駕駛汽車和無人駕駛船至關重要的通用技術。挪威公司雅拉國際(Yara International)和導航系統制造商 Kongsberg 聯合開發的，采用全電力驅動，可容納100～150個集裝箱，實現零排放，命名為“YARA Birkeland”的全球第一艘無人駕駛的運輸船已計劃下水航行，前期將會有船員跟船操作，到 2019年轉為遙控操作，預計到2020年，將實現完全自主操作，圖2為YARA 和KONGSBERG聯合開發的無人運輸船外觀。

在船級社方面，中國船級社在2015年率先發布了全球首部《智能船舶規范》。2016年7月，英國勞氏船級社(LR)也發布了智能船舶入級指導文件，基本囊括了自動化船舶入級的各個方面。DNV-GL船級社也正在對采用電力推進的無人駕駛船沿挪威海岸線進行貨物運輸的可行性進行研究。

不難預見，未來10年自主航行的大型無人駕駛運輸船將成為現實；未來20年內遠洋無人船將成為一種常態；無人駕駛船將徹底改變船舶設計、建造和運營的格局。

2 無人駕駛運輸船發展面臨的問題

2.1 相關規則規范標準化

實現無人駕駛船舶的技術條件已經基本具備，距離首艘無人船下水試航也已經為期不遠。但是，更大的挑戰來自于與之運營相關的國際規則、規范、標準尚未出臺，無人駕駛船舶相關設備和系統的認證還未形成體系，國際范圍內的無人駕駛船舶系統的兼容性和通用性尚有待商榷。

以瑞典為主導國的歐洲無人駕駛海事系統安全與監管機構(SARUMS)和英國的海事無人駕駛監管工作小組正在研究修改法規以明確這些問題，以期在《國際海上生命安全公約》更新迭代時，能夠反映相關新技術的發展。中國船級社CCS、英國勞氏船級社LR、DNV-GL等一些船級社也在籌備并陸續出臺相關方面的規則規范。

2.2 相關配套體系一體化建設

無人駕駛船舶的發展需要一整套新模式的船舶設計、建造、運營、服務協同的基礎環境，包括智能化的設計、建造，一定規模市場需求的船配設備和系統產品，全球化的標準售后服務，通用的航行區域，配套的港口設施，標準化的船舶物流調度以及船隊運營管理監督等。

在無人駕駛船舶的航行區域方面，世界上第一個被指定用于測試無人駕駛船舶進行相關自主航行海試試驗的地方是在特隆赫姆峽灣，由挪威海事局和挪威海岸管理局聯合批準。同時，芬蘭當局和海洋工業協會等機構都也在致力于推動在波羅的海展開無人海洋運輸的探索。在無人駕駛船舶的船配設備方面，麥基嘉公司在致力于研發更加安全、高效的無人集裝箱船貨物處理系統；羅羅公司聯合芬蘭VTT技術研究中心等在遠程控制系統領域進行探索，并將在芬蘭建立自主航運聯盟的研發中心。著名跨國公司Kongsberg負責開發并交付全球第一艘無人駕駛的運輸船“YARA Birkeland”的用于遠程遙控和自主操作所需的傳感器和集成電路，以及電力驅動、電池和推進控制系統等。國內也有設備廠家致力于無人船的自助式感知設備和設備管理系統研發，但這些設備和方案也都尚未形成標準化和規模化。

更多的關于無人駕駛船舶的相關配套體系一體化建設問題還要依賴于無人船的進一步發展來推動。

3 關鍵技術

未來的無人駕駛運輸船將是在市場需求引導下的船東個性定制化的產品，但是一些關于無人船的整體網絡架構和關鍵技術卻是具有普適性的。這些技術主要體現在作為船舶“心臟”的推進動力系統方案、作為船舶“神經末梢”的全船感知系統的構建、作為船舶“醫生”的設備全生命周期管理、作為船舶“虛擬船長”的航行控制系統，以及作為船舶“大本營”的岸海一體信息化服務體系等。

3.1 基于物聯網技術和多傳感器信息融合的全船感知系統構建

無人駕駛船舶必須借助大量的傳感器和設備實現對船舶自身狀態信息和周圍環境信息的全面感知，并利用物聯網、大數據技術對采集到的信息進行分析、評估、判斷，進而輔助船舶操縱控制決策，保證船舶能夠更安全、更經濟、更環保、更智能化地航行。船舶信息感知通常是以機艙自動化設備和駕駛室導航與自動駕駛設備為基礎，感知的信息可分為自身狀態信息，如船舶機艙、駕駛臺、貨艙內各種設備的狀態信息和船舶航行的位置、航速、航向等航行狀態信息等，以及船舶周圍環境信息，如海洋水文環境、周圍船舶和障礙物目標探測和識別、港口、物流等信息。無人駕駛船舶相對于傳統船舶，全船感知系統涉及的多源異類異步傳感器數據融合技術中的信號種類更多、精度要求更高、數據量更大、信息間存在冗余和沖突問題，需要結合最先進的物聯網技術和多種先進的信息處理技術進行多傳感器信息融合的進一步研究。

3.2 基于狀態監測、故障診斷和容錯控制的設備全生命周期管理

船舶設備的正常狀態對于船舶的安全運營至關重要，而無人駕駛船舶則對船舶設備的狀態監控和故障診斷提出了更高、更嚴格的要求。首先，要建立設備運行狀態觀測預報。通過監控設備的健康狀況，判斷設備是否處于穩定狀態或是正在惡化，預測設備狀態的發展趨勢[4]。其次，要對異常設備進行故障診斷并進行容錯控制。在對設備運行狀態觀測預報技術的基礎上，根據對狀態觀測所獲得的狀態信息進行綜合分析處理結果，判斷設備是否處于異常狀態或故障狀態，判定異常狀態發生的位置和原因，同時對故障狀態下的設備進行自主維修、自動清洗、自動更換設備部件等自主化的容錯控制，以提高設備效率和運行可靠性，保證目標任務的完成和船舶的安全性。對于無人駕駛可以大數據分析技術為基礎，運用智能診斷技術、云計算和多尺度分析方法來構建船舶設備的狀態監測、故障診斷和容錯控制系統，對各設備進行全生命周期管理，促進船舶安全、高效運營。

3.3 基于綜合橋樓“虛擬船長”的路徑規劃和自主避障航行控制

綜合橋樓控制系統是現階段船舶高度信息化、智能化發展的產物。無人駕駛船舶將在現有綜合橋樓控制系統的功能和技術基礎上，根據公司船期信息、客戶貨期信息、航行水域海洋環境信息、航道船舶密度和交通流控制信息等，進行綜合分析和處理，利用計算機技術、控制技術等以最優化的方案對船舶航路和航速進行規劃設計和優化[5-6]。借助岸基中心，通過對船舶自身航行狀態信息和航行環境的監測以及對周圍船舶和障礙物目標信息探測和識別，利用國際船舶避碰規則、專家系統理論、智能控制理論等建立船舶智能避碰信息處理和決策支持系統，進行基于“虛擬船長”整合算法的船舶合理避碰方案選擇選擇和正確航行操作融合決策，使船舶能在不同的航行環境條件下實現自主避障航行和自動靠泊、離岸。

3.4 基于船舶性能監測和智能貨控的綜合能效控制管理

國際海事組織(IMO)對于船舶有EEDI(新造船設計能效指數)、EEOI(船舶營運能效指數)等能效管控方面的評價指標。無人駕駛船舶的發展必將順應并引領未來綠色船舶的全球發展潮流，對于運營狀態、性能、環境與無人駕駛運輸船舶能耗間的關系也值得進一步深入地研究。無人駕駛船舶通過船舶性能監測系統和智能化的貨物管理系統，一方面，分析通航外部環境、自身裝載量、吃水、主機功率(轉速)等參數因素與船舶營運能效指數EEOI之間的內在關系，在保證船舶安全和營運效率的前提下，通過優化控制船舶航速、裝載量、吃水、航線等，以最大限度降低EEOI指數；另一方面，對貨物裝載情況和貨品保存狀態實時監測，合理調配貨物儲存、運輸所需的電力和資源消耗，例如對于載有冷藏型無人駕駛運輸船，通過對貨物溫度、濕度、環境等狀態信息的監測，合智能化地調配用于貨物冷藏的通風、制冷等的電力負荷消耗，在降低EEOI指數的情況下，提供更加安全、高效、環保的貨物管理系統。

3.5 基于遠程監控管理的岸海一體的智能信息服務體系

無人駕駛船舶的遠程監控管理是一套能夠將遠洋船舶現場的海況信息、航行信息、設備信息、工作文件等船舶實時信息向岸上控制中心傳輸的船舶與岸基一體化智能信息服務體系。通過海岸一體化網絡構建，可以為船舶提供更全面、更優質的服務，實現岸基對船舶的全程追蹤和監控管理，提供及時、必要的操作指導和緊急情況下的干預，利用大數據通過遠程控制、虛擬現實等實現船舶的智能故障維修與日常維護，可以很大程度上節約備件的配備成本。數據共享是該系統運行的關鍵[7]，必須依靠衛星通訊和互聯網技術進行長距離的信息傳輸將各類數據進行分析、共享。這些數據涉及到船舶運營信息等商業秘密，數據安全是必須考慮和重視的問題；而且長距離傳輸的電磁干擾也是一大挑戰，保證傳輸系統穩定可靠性和數據安全是系統運行的保障。

4 結論

無人駕駛運輸船具有更安全、更高效、更節省成本、更綠色環保等多方面的優點，具有廣闊的應用需求和發展前景，是未來運輸船發展的必然趨勢。我國對于無人駕駛運輸船的研究起步晚，技術比較落后，主要還集中于針對局部子系統問題的理論研究，對無人駕駛運輸船舶的整體系統集成、設計、建造研究較少。從未來發展角度來看，必須加快、加大無人駕駛運輸船舶的研究步伐和研發力度。