淺析海上水面自主船舶（MASS）四層級分類下的航標船舶智能化發展

鄭國旺?孔富鑌?顏昊?劉孜涵

摘 ?要：本文從國際海事組織對海上水面自主船舶層級劃分出發，結合當前航標船舶航行作業、智能船舶技術的發展現狀及問題，通過論述MASS四層級劃分下航標船舶“標準先行，改造為主，梯次推進”的智能化發展思路，以及對關鍵技術的簡要分析，從服務航海保障事業的角度，客觀簡要地分析了不同自主層級航標船舶智能化發展所需經歷的階段及相關軟件、硬件支撐。

關鍵詞：海上水面自主船舶;自主層級;航標船舶;智能化發展

1 海上水面自主船舶（MASS）綜述

1.1 MASS的概念及層級劃分

海上水面自主船舶（Maritime Autonomous Surface Ships，簡稱MASS）是指在不同程度上可以獨立于人員干預運行的船舶。2018年5月，在倫敦舉行的國際海事組織海事安全委員會（MSC）第99次會議上，國際海事組織（IMO）提出了自主程度的初步定義，將自主船的劃分為以下四個層級[1]：

（1）船舶具有自動化程序操作和決策支持的功能;

（2）船舶具備遠程遙控的功能，同時有船員在船;

（3）船舶具備遠程遙控功能，無船員在船;

（4）船舶完全自主。

為方便開展論述，本文將上述四個層級按照順序依次分為自主I級、自主II級、自主III級、自主IV級。

1.2 自主與智能

從一般意義上講，自主與智能是兩個不同范疇的概念。自主是指能夠自己做出決策并決定行動的船舶和/或船上具有控制功能的系統。自主表達的是行為方式，由自身決策完成某行為則稱為“自主”;智能則是完成行為過程的能力，也就是運用的方式方法以及策略是否符合自然規律或符合人（或某團體）的行為規則，在千變萬化的環境中找到合理的“路徑”完成某項任務，則稱為是智能的[2]。對于航標船舶來說，由于其航行與作業的特殊性，在MASS四層級分類下探討自主與智能兩者之間的關系應該是：智能在前，自主在后，兩者相輔相成，因此本文將從自主I-IV級分別對應航標船舶不同的智能化程度來展開分析。

2 航標船舶的發展現狀及相關問題

2.1 航標船舶綜述

航標船是指設有起放航標的起重機和絞盤等設備，在航道與其附近的暗礁、淺灘、巖石處進行航標布設、巡檢、補給、修理、維護作業的船舶。我國現役航標船中主要船型有大、中型航標布設船和小型航標巡檢船。大型航標船主要承擔海區活節式燈樁及大中型浮標的更換和維護任務;中型航標船主要承擔區域性中小型浮標的布設和巡檢維護任務;小型航標巡檢船主要承擔港區及附近水域航標的日常巡檢維護工作[3]。

2.2 航標船舶作業模式

近年來，船舶工業的發展使得航標船舶的機械化水平顯著提高，海上航標的作業模式也隨之發生改變。從最初的“跳標”檢查維護到現在的側向推進裝置、動力定位、襟翼舵、起重機、絞盤、夾持臂、棄鏈器、制鏈器、電磁吸盤、機械臂手等航標船舶專用設備設施的應用，航標船舶的作業模式也已從“人力主導”的傳統作業模式逐漸轉變為“人力主導-船舶簡單協作”的半機械化作業模式，極大地保障了人員的作業安全，減輕了作業人員的勞動強度。

2.3 存在的問題

航標船舶作業模式的轉變雖然有效提升了作業效率，但從船舶航行角度以及目前“人力主導-船舶簡單協作”的半機械化作業模式角度出發，問題依然存在。一是船型老舊。我國現役航標船船型大多為傳統船型，船舶抗風浪能力、耐波性較弱，惡劣的海況下作業安全無法保證。二是船舶操縱性能差。航標船舶大多航行在交通流量大、海況復雜的水域，且大部分航標船舶推進方式為主機直接驅動螺旋槳，船的低速性和操縱性能差、不能滿足航標作業的特殊需要。三是作業機械化程度差。姑且不談航標專業設備的普及應用情況，在航標作業中，除用吊機的起重能力和絞盤拉力外，大量的海上航標作業的輔助工作如排鏈、棄鏈、掛標、檢視、擺向控制、浮標燈器拆卸更換等輔助工作依然需要人力操作協同完成，不僅勞動強度大，還存在較大安全隱患。

3 當前智能船舶發展現狀

物聯網、大數據、云計算等新理念、新技術突飛猛進的發展，為船舶自主、智能技術發展注入了更強大的動力，智能船舶逐步成為國內外研究的熱點[4]。

3.1 國外發展現狀

美國船級社（ABS）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。2016年7月，英國勞氏船級社（LR）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。挪威船級社（DNV-GL）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。

歐盟于 2012 年由 Fraunhofer海運物流和服務中心領導開展MUNIN（Maritime unmanned navigation through intelligence in network）項目，從技術、經濟和法律三個方面，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。羅爾斯羅伊斯公司（Rolls-Royce Marine）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，并與瑞典渡船公司 Stena Line AB 合作研發了船舶智能感知系統。日本于2014年1月至2017年3月啟動“智能船舶應用平臺項目”（SSAP），由日本船舶機械與設備協會（JSMEA）牽頭，聯合多家造船、配套、航運和檢驗單位共同參與，旨在建立船舶及岸上獲取船舶設備數據的標準化方法，不斷提高船舶的安全性與環保性[5]。

3.2 國內發展現狀

2015年5月，我國提出《中國制造2025》戰略計劃，為智能船舶的發展指明了方向;中國船級社（CCS）在2016年3月生效《智能船舶規范（2015）》，在2018年10月發布《自主貨物運輸船舶指南》;2018年12月，工業和信息化部、交通運輸部、國防科工局聯合發布《智能船舶發展行動計劃（2019—2021年）》，明確了船舶智能化發展的總體思路和重點任務。

2017年12月5日，我國自主研制的全球第一艘通過英國勞氏船級社和中國船級社認證的智能船舶“大智”號在上海正式交付使用。2018年11月，由中國船舶工業集團有限公司所屬上海外高橋造船有限公司為招商局能源運輸股份有限公司量身訂造的全球首艘40萬噸智能超大型礦砂船（VLOC）“明遠”號在上海命名交付。2019年2月，在巴塞羅那舉行的世界移動通信大會上，珠海云洲智能攜手愛立信、中國移動公司打造的5G無人船亮相，實現了高清視頻實時回傳、VR后端演示、無人船舶遠程控制、遠程控制污水精準取樣等功能，引發外界關注。

以目前的智能船舶發展形勢，不難預見，未來 30 年內自主船、智能船將徹底改變船舶設計、建造和運營的格局。航標船舶也應順應時代大潮，在現有的船舶智能技術的基礎上，按照IMO對MASS的層級劃分逐步完成智能及自主發展。

4 MASS四層級分類下的航標船舶智能化發展思路

從IMO對MASS的層級劃分不難看出自主船的發展是逐步和階段性的。航標船舶的自主化進程也應是分層次、逐步、階段性地開展。相比于遠洋船舶，航標船舶大多航行于近海港區，種類多，作業環境交通流量大、作業內容復雜。

基于上述航標船舶的作業特殊性，其自主化程度發展應以航標船舶設備的機械化、智能化水平為出發點，兼顧海上航標作業模式的自主化展開，按照“標準先行、改造為主、梯次推進”的方式，即以應用標準為基礎，以改造為主要手段，根據各類航標船舶的航行作業特點統籌兼顧有針對性地制定發展策略，推動航標船舶智能化發展。

4.1 量體裁衣，標準先行

適合航標船舶自主化發展的標準或規范性文件是自主航標船舶建造并投入使用的基礎。我國現有規范標準發展尚在起步階段，圍繞智能船舶所涉及的信息感知、通信導航、能效控制、自主航行等關鍵技術，目前國內現有可供參考的技術標準主要是中國船級社（CCS）在2016年3月正式生效的《智能船舶規范（2015）》[6]和2018年10月發布的《自主貨物運輸船舶指南》，而《智能船舶發展行動計劃（2019—2021年）》[7]明確將按照“分類實施，梯次推進”的基本原則，積極推進智能船舶規范、基礎通用標準、船載系統標準、岸基系統標準、網絡和信息安全標準、測試與驗證標準等智能船舶規范標準體系的建立，因此不難預見，針對自主航標船舶的相關指南或其他具有普適性的指導性標準將會很快出現。

需要注意的是，針對自主航標船舶的標準不應只局限于自主航標船的建造。基于自主航標船服務航海保障工作的事實，自主航標船舶的發展應按照自主化層級的不同細化應用標準，并兼顧航海保障的一系列行業執行標準，“量體裁衣”才能更符合航海保障工作發展需要。層級與對應標準如表1所示：

4.2 由簡至繁，改造為主

船舶設備智能化程度的提高是航標船舶自主層級提高的前提。對于航標船舶來說，設備智能化程度的提高同樣意味著航標作業模式的改變。相比于直接建造一艘自主II級或以上的航標船舶，技術改造成本低，對現有航標船舶設備的逐步改造和智能升級與當前相對落后的半機械化作業模式更匹配，經濟性、實用性更好。因此，通過船舶技術改造以提高航標船舶設備的智能化水平在未來一段時間內仍是航標船舶自主化發展的主要方式。層級與對應層級設備改造水平如表2所示：

4.3 由小至大，梯次推進

我國現役航標船舶因承擔作業性質的不同分為大、中、小三種航標船舶。大型航標船（2 000噸級）、中型航標船（800～1 200噸級）主要承擔浮標的更換和維護任務;小型航標巡檢船（拖輪、航標夾持船、17 m級鋼質艇）主要承擔航標拖帶、日常巡檢維護工作。基于航標船舶作業環境復雜、大中型航標船作業過程中對船舶航行作業穩性、作業精確程度的高要求、小型航標船對作業效率及故障解決的高要求，結合智能船舶技術發展尚處于起步階段的實際，建議航標船舶自主化在相當一段時間范圍內按照功能對應層級的模式發展。層級相對應的航標船舶類型如表3所示：

5 自主航標船舶智能化發展的關鍵技術

按照自主I-IV層級分類，自主航標船舶可通過對航標船舶的動力機電、通信與導航、靠離泊、航標作業操作、艙室設備等現有設備系統的智能化改造逐步升級船舶的智能程度。航標船舶的自主化升級應重點圍繞船舶感知、航行控制、作業控制、網絡通信、船舶安保等智能模塊系統的構建及整合進行開展（如圖1所示）。

5.1船舶感知

通過應用物聯網技術、傳感器信息融合技術、大數據技術、船載攝像機穩像技術、海面紅外與可見光圖像融合技術、海面弱小目標檢測技術、海面目標模式識別等關鍵技術對航行環境、船舶狀態、設備狀態、尤其是航標狀態等重要數據進行采集、交互、融合、分析，輔助船舶操縱、航標作業控制決策。

5.2 航行控制

通過應用船舶自主氣象導航技術、船舶避碰、避礁和防擱淺一體化技術以及航海信息的智能處理技術、基于態勢感知的智能航行技術、船岸協同下的遠程遙控駕駛技術等關鍵技術，實現為航標船舶在近海港區等交通流量大、情況復雜的水域進行航行、航標作業提供科學、自主、安全、高效的決策[8]。

5.3 作業控制

通過應用船舶動態定位、動載平衡技術、自動排鏈、脫鉤技術、浮標追蹤夾持技術、燈器自動檢修技術、材料檢測等關鍵航標作業技術對航標作業進行智能化控制。

5.4 網絡通信

通過應用船域網、船岸交互、船舶海上自組網、5G移動通訊、衛星通訊技術、智能路由選擇技術、數據智能壓縮技術、船岸一體化信息集成與融合技術等關鍵技術，實現自主航標船舶低延時、低成本、小功耗、數據輕量化傳輸的船-岸、船-船、船-標通信系統的建立。

5.5 船舶安保

對于航標船舶來說，船舶的安保主要集中在航行作業安全、消防、網絡與通訊安全等方面，可通過應用遠程監測技術、故障診斷技術、船 岸-港、船-船、船-標和船舶內部網絡和數據鏈路抗干擾、防阻斷、反竊聽技術、數據加密、防篡改、數據恢復技術、硬件加固技術等安全防護技術保障自主航標船舶安全。

6 結束語

IMO對MASS的四層級分類為航標船舶智能化發展提供了理論基礎。按照目前的船舶智能化總體發展水平，航標船舶的智能發展應在現有MASS四層級分類的框架下找準出發點，以應用標準為基礎，以改造為主要手段，根據各類航標船舶的航行作業特點有針對性地制定發展策略。同時結合航標船舶服務航海保障的實際，按層級、分類別地構建航標船舶海上作業規范等理論體系，在感知、信息、控制、等關鍵智能技術的研究應用方面形成長期規劃，并對其航行及作業的可靠性和穩定性進行長時間真實環境下的反復測試，才能逐步提高航標船舶的智能化水平。雖然這個階段可能需要經歷十年或更多時間，但不可否認的是，隨著船舶智能技術的快速發展和應用，自主航標船舶的出現必將會對海上航海保障工作產生積極深遠的影響。

參考文獻

[1] 中國船級社.自主貨物運輸船舶指南（2018）[M].北京：人民交通出版社，2018：1-72.

[2] 范彥銘.無人機的自主與智能控制[J].中國科學：技術科學，2017，47（3）：221-229.

[3] 陳英俊，孟淑媛，趙福波.航標船技術現狀與創新研究[J].中國海事，2010，10：57-60.

[4] 蘇士斌，劉英策，林洪山，伍蓉暉，周曉瑩.無人駕駛運輸船發展現狀與關鍵技術[J].船海工程，2018，47（5）：56-59.

[5] 范維，許攸.日本率先拉開“智能船舶”國際標準化戰略序幕[J].船舶標準化與質量，2015，4：39-40.

[6] 中國船級社.智能船舶規范（2015）[M].北京：人民交通出版社，2017：1-45.

[7] 工業和信息化部，交通運輸部，國防科工局.智能船舶發展行動計劃（2019-2021）[Z].工信部聯裝〔2018〕288號.北京，2018：1-9.

[8] 高宗江，張英俊，孫培廷，李文華.無人駕駛船舶研究綜述[J].大連海事大學學報，2017，43（2）：1-7.