無人艇技術與自主航行船舶

王興平/ 珠海云航智能技術有限公司，廣東省 珠海市 519000

無人機、無人駕駛汽車已經走入了國內大眾視野，作為四大主要交通工具的無人駕駛船舶研制計劃在2010年前后正式啟動。歐洲通過投入AAWA，MUNIN等項目的研究率先掀起了“無人駕駛”船舶浪潮，此后全球范圍內不斷涌現出無人駕駛船舶的項目，并提出多個無人駕駛船舶測試場。在以安全為核心的船舶工業和航運界，較“無人駕駛”更容易科學的概念是“自主航行船舶”。而在“自主航行船舶”之前，無人艇從上世紀開始，已經經歷了半個多世紀的發展。無人艇與自主航行船舶是否是同一個事物，兩者之間是什么關系，自主航行船舶是否可以透過無人艇技術得以發展等均是是值得研究的課題。

自上世紀以來，無人艇從技術到應用得到了長足的發展，也成為學界研究熱點。在產業端，國內已涌現出100多家從事無人艇研制的單位。

自2010年以來，歐洲先后展開了多項“船舶無人駕駛”研究項目，影響比較大的有AAWA和MUNIN，自這些項目，國際海事組織IMO開始關注船舶領域的無人駕駛，至今年6月，國際海事組織MSC101次會議，通過了“自主船舶試航暫行指南”，標志著船舶與汽車一樣，具備了試航的法規依據。

但，無人艇與無人駕駛船舶(無人駕駛在船舶領域爭議較大，正文均將采用IMO的正式提法自主航行船舶)的概念難以厘清，甚至被許多人等同視之。作為中國無人艇發展的參與者，自主航行船舶的開拓者，有必要從技術、應用和產業前景多個方面闡述無人艇與無人駕駛(自主航行)船舶。

無人艇技術綜述

無人艇概述

無人艇的學名為無人水面艇，英文(Unmanned Surface Vehicle， USV)，又稱水面機器人。水面機器人這個定義準確表述了USV的三個關鍵：無人(在艇)，水面(相對與水下)，機器人(工具，代替人完成特定任務)。水面機器人這個概念，也可以較好地幫助我們理解無人艇與自主航行船舶的區別。

無人艇的第一個顯著特征是小巧靈活，目前最大的無人艇當屬美國的“海上獵人”，該艇長達40m，可持續續航90天。而我們常見的無人艇，艇長大多在1m～8m，排水量也就只有幾十公斤至幾噸。基于小巧靈活和艇上無人的顯著特征，無人艇具有較強的機動性，可以抵達許多傳統作業無法抵達的區域，例如輻射、污染水域、例如淺灘、暗礁水域。國內在這方面已經有了許多的成功案例。

無人艇最先從軍事需求而來，在掃雷、打把等領域逐步開始應用。美國、以色列等國在無人艇軍用領域處于領先地位。進入本世紀以來，中國無人艇率先在民用領域起步，珠海云洲等無人艇企業將無人艇技術應用于環保、海洋調查等領域。而無人艇的軍事應用在中國則正處于起步階段。

無人艇的應用非常廣泛，除開前述應用外，安防巡邏、海上救援、科學實驗等均可用到無人艇。

無人艇七大關鍵技術

關于無人艇的技術論述有許多，本文從參考文獻結合作者的理解，嘗試從7個領域對無人艇技術進行簡要分析。

(1)感知技術

要實現艇上無人，首先就需要對環境(保護目標)有極強的感知能力。最基本的遙控需求，也需要無人艇能傳回航行環境中的障礙物，執行任務更需要感知目標區域和任務狀態。實現自動航行、直至全自主任務，還需要艇上有態勢感知能力—能講環境要素轉化為航行和任務決策的輸入條件，在計算機系統內的語義化。目前，無人艇的感知主要應用雷達、激光雷達、毫米波雷達和視覺技術感知水面環境；水下采用聲吶進行感知。

(2)路徑規劃

無人艇實現自主航行的一個典型特征就是具備路徑規劃能力。一般全局路徑規劃由無人艇操作人員完成，以簡化技術難度。而局部的路徑規劃則由無人艇的避障算法完成。局部路徑規劃的主要算法大部分來源于機器人的路徑規劃，例如A＊算法，人工勢場等。

(3)控制技術

控制技術概念比較豐富。比較寬泛的理解整個“使艇無人航行起來的技術”都可以叫控制技術。而狹義的控制技術，是保持規劃航向航速。舉例而言，一條小型電動無人艇的控制，指的就是控制電機轉速、方向以及舵向，以達到某個航速、航向，直至完成航路點循跡。目前較多采用PID控制。

(4)通信技術

如果說感知、路徑規劃、控制已經可以替代人的觀察、判斷決策和操縱，可以實現無人在艇的航行，那么通信則是控制無人艇、采集數據的通道。無人艇的通信技術通常分為窄帶和寬帶。窄帶主要用于指令傳輸，例如遙控指令、下發航路點等；寬帶主要用于任務數據傳輸，例如視頻信號，任務載荷的實時數據等。目前，一般會采用窄帶+寬帶的通信方式配合，比較有實力的單位會依據任務組建專用通信網絡。

(5)人機交互

作為水面機器人，無人艇的人機交互界面是至關重要的一環。最早的無人艇應用是通過遙控器的方式實現操作人員向無人艇發送指令。近年來，隨著應用場景不斷豐富，無人艇技術不斷提升，帶有無人艇監控、任務規劃、實時控制、任務數據管理的遠程控制中心(站)逐漸成為無人艇的人機交互方式。

(6)載荷技術

前面幾種技術，可以使無人艇具備航行的能力，無人艇的目的并不是航行，而是代替人執行任務。隨著各類涉水設備尤其是傳感器技術的進步，無人艇可以搭載的任務載荷也越來越多，無人艇的難點逐漸從無人艇本身，轉變為無人艇與載荷設備的融合。舉例而言，要實現海底測繪，就需要無人艇根據搭載多波束的要求，具備較好的耐波性、極低的底噪、較高的循跡精度和足夠的巡航時間，并能提出足夠長時間的電能。從產品開發的角度，也看到越來越多的任務載荷和無人艇之間的一體化設計。另一面，為了能搭載更多的設備、具備更多的應用場景，真正讓無人艇平臺化，無人艇也涉及越來越多的模塊化設計。

(7)布放回收技術

布放回收是無人艇大規模應用的一個難點。以海洋調查為例，一般科考船搭載無人艇執行海洋科考任務時，往往需要配備專門的搭載設備，并在原有科考船的布放回收設備上做一點改裝并進行訓練。無人艇在執行任務的時候的確可以把人員解放出來，但是在部分回收的時候，往往需要多人協同，這與“無人”的初衷背離。目前，無人艇的布放回收隨著應用的不斷曾佐，逐步超自動化方向發展。美國曾經演示過槽道式布放回收。

以上七大關鍵技術并不是無人艇技術的全部，無人艇是一個復雜的系統，還涉及到材料技術、動力技術、流體技術等，是一個典型的交叉學科。這也是我們看到目前的無人艇團隊既有長期從事船舶領域工作的，也有從事自動化、信息技術領域的。

無人艇技術現狀與趨勢

無人艇技術從最早的遙控逐漸過渡到“自主航行”，已經經過了好幾代的發展。單就無人艇的航行控制技術而言，已經到了一個比較高的水平。僅國內，就有好多團隊的無人艇可實現高精度的循線航行。但是，無人艇是一個復雜的系統，如前文的討論，無人艇的技術涵蓋面非常廣，從這個角度，目前的無人艇技術尚有諸多問題需要解決。同時，無人艇是一個集成性的技術，涉及到基礎科學。以航行控制而言，其中涉及到環境感知、路徑規劃、控制這三大模塊中的許多算法，仍然處于“自動”到真正高智能的“全自主”過渡階段。

無人艇的任務導向屬性，以及無人艇所處的產業階段，基本決定無人艇的整體技術還處于起步階段。大量的無人艇應用場景尚待開發，這其中涉及到的載荷搭載、無人艇布放回收、無人艇搭載載荷實時任務的工作模式，這些都涉及到大量的技術開發。

除開單艇技術，無人艇編隊協同也是一個重點。無人艇編隊可以賦予無人艇更大的協同效能，彌補無人艇單艇的不足。目前，在無人艇編隊領域，中國處于領先地位。云洲智能的無人艇編隊已實現81條艇的全自主編隊協同，比美軍的蜂群多了好幾倍。

我國的無人艇技術發展，還有另外一個現象值得注意：參與無人艇技術研發的單位眾多，但各家單位之間缺乏合作和交流，導致大量的重復性工作。這里也呼吁更多的無人艇研制單位能協同創新，真正做好產業分工，加速無人艇技術成熟和更大規模應用。

圖1 無人艇七大關鍵技術

無人艇與自主航行船舶

自主航行船舶概述

在大量的新聞報道里面，自主航行船舶都被稱作“無人船”，類似頂層設計的問題實際尚未統一。自MSC98次會議以來，IMO層面的討論會將這類船舶英文定義為“Marine Autonomous Surface Ship”自主航行船舶。而中日韓則用了更為寬泛的概念“智能船舶”(Intelligent Ship)。

不管概念如何，其最為關鍵的特征是“不需要人員在船駕駛的船舶”。

從以上幾個概念的角度，我們可以得出兩個值得探討的問題：

(1)是無人駕駛，還是無人在船？

(2)是無人駕駛，還是無人在船駕駛？

從汽車的自主駕駛我們可以看到：一些特殊用途的汽車，實現無人駕駛實際就成為了陸地(運輸)機器人，這一點類似于無人艇，因為車上真的“沒人有”；一些汽車實現了不需要人的自動駕駛，但上面仍然有乘員或其他人員，這類比較像是我們探討的自主航行船舶—它只是不需要人員駕駛的交通工具，而不一定意味著上面沒有人員。

另外需要注意的是，歐洲國家提出了5級自主航行等級劃分，從0開始的無自動航行能力，一直到最高的L4全自主，中間還包含了L2有人在船的遠程遙控和L3的無人在船的遠程遙控，可以看到這里面“人在回路”是至關重要的一環，“無人”并不意味著“無人”操控。

所以，我們討論時盡量避免這些爭議，將這類船舶統稱為“自主航行”船舶，遠程遙控、全自主只是“自主”水平差異而已。

從現在和未來的船舶技術和產業發展去看，必然會存在非常長的一段時間是“傳統有人駕駛船舶”和“新型自主航行船舶”，也就意味著要么現有船舶會適應面向“自主航行船舶”的規則和生態；要么自主航行船舶適應現有的船舶規則和生態。

很明顯，自主航行船舶在適應現有規則和生態的前提下，才能得到真正的發展。

自主航行船舶關鍵技術

船舶要實現自主航行，關鍵在于實現與駕駛員同等的感知、決策和控制能力。

感知能力包含環境感知能力和船舶感知能力。環境感知能力也就是利用傳感器實現通航環境的態勢感知、目標感知，為航行決策提供基礎。最基本的環境感知涉及導航雷達、AIS和電子海圖的信息融合。船舶航行體系內，還需要感知的信息包含航行管理信息(通常來自于海事部門)，例如禁航通告；來自其他船舶的信息，例如甚高頻(VHF)的喊話，緊急求助信息等；在船舶靠離泊期間，還需要和港口管理單位進行溝通，接受調度。另外，作為安全航行的關鍵，還需要對天氣進行感知。而船舶自身感知能力，涉及到自動化機艙、貨物管理等技術。這一部分技術雖然不一定在自主航行技術的范疇，但卻是自主航行的基礎。

決策技術相較于無人艇實現循跡航行和避碰外，還涉及節能、考慮航行藝術和航行義務(特殊情況下，船舶航行間須遵守的規則，如救援義務)。航行決策是多因素決策。

運輸船舶的操縱性因欠驅動的原因，對駕駛者的要求非常高。也是大型船舶靠離泊需要采用拖輪的根本原因。采用自動控制技術，需要考慮船舶自身的運動參數、考慮潮汐、洋流、甚至風向的影響，在靠離泊區域還要考慮碼頭回旋水域的影響。

自主航行船舶在通信方面的需求，將會隨著自主水平的不同階段而顯著不同。以自主等級劃分來看，L1～L3都意味著對通信有極高的要求和依賴。以目前的通信技術水平，L1～L3的應用將受到限制。而達到L4，實現以高度的船舶智能水平，對通信的要求將大大降低。

圖2 無人艇與自主航行船舶的區別

圖3 自主船舶，在實現自主航行的基礎上，更多關注的是船舶自身的智能化以及與航運體系的對接。

無人艇與自主船舶的關系

無人艇與自主航行船舶之前有著非常緊密的聯系，也有著較大的區別。我們嘗試從以下幾個方面對無人艇與自主航行船舶進行比較分析。

(1)關鍵技術框架類似。無人艇與自主船舶都將實現“全自主航行”定義為最高的自主等級。均以技術替代人員的感知、決策和控制為基本框架。

(2)關鍵技術側重點不同。無人艇除開實現“自主航行”能力，更重要的是要具備執行任務的能力，無人艇的布放回收、任務載荷集成都是至關重要的技術。自主船舶，在實現自主航行的基礎上，更多關注的是船舶自身的智能化以及與航運體系的對接。例如自主船舶的感知技術，一方面可以通過航行保障體系獲得環境感知能力；另一方自主航行船舶又可通過船岸協同，生成航行態勢信息、為其他船舶提供航行保障。

(3)應用環境不同。無人艇的任務環境，更多的是在“人不能去”的區域，這些區域缺乏足夠的環境信息，需要無人艇自身有極強的環境感知能力。而自主船舶應該航行在“航道”中，置于航行保障體系和海事管理體系之下，應是“環境已知”的區域。

(4)管理體制不同。當下，無人艇并沒有具體的法規進行管理，或者說很多情況下，沒有人去干擾無人艇的航行、執行任務。而對于自主船舶，海事部門會依據現有的法規進行管理、船舶檢驗單位按規則進行檢驗認證。無人艇的管理更多是來自于任務單位。

(5)任務不同。 無人艇執行的任務非常多，而自主船舶則是面向航運的。無人艇是機器人屬性，而自主船舶則是運輸工具。

(6)生態和體系不同。 無人艇基本以無人艇研制單位和任務單位形成一套可執行任務的系統，而自主船舶則是整個航運物流體系。自主船舶涉及船舶的設計、建造，船舶運營管理，涉及航道，港口碼頭及倉促物流，還涉及金融和保險；同時，船舶還有成熟的法律、規范和一系列制度。總體上，無人艇是一個高度集成的復雜系統，自主船舶則是一個復雜的體系。

自主航行船舶發展展望

自主航行船舶應用場景展望

船舶實現自主航行的還需要相當一段時間。這里面既有法律法規需要建設，標準需要制定，尚有大量的技術問題需要攻克、技術成熟度尤其是可靠性需要提高；也有應用場景挖掘、條件需要構建等多個方面的因素。

歐洲康斯博格(Rolls-Royce)，Wartsila，ABB等公司于去年公開了渡船、拖輪的自主航行演示，實現了港到港的遠程遙控和自主航行。我們注意到演示的場景均為點到點的渡口環境。

我們認為，在現有法規和技術條件下，船舶實現自主航行的應用，大體上將遵循以下路徑：

(1) 從場景上，渡船等短距離點到點航行場景將是首選，實現分行制的內河例如我國的京杭運河將是船隊級自主航行的應用場景。而真正意義上的海運船舶實現全自主航行尚需要大量工作。

(2)從船舶類型上，公務船及一些特殊任務船舶，比較適合率先應用自主航行技術乃至實現在某些場景下的全自主航行。而真正的運輸船，則尚需要更多的時間。

圖4 Oceanalpha公司的勘探無人艇

(3)從技術上，以提高安全性為首要目的的輔助駕駛技術講率先商用。遠程遙控很可能成為一項技術，而非一個商業成果，真正對船東有價值的技術是以實現減員增效為目標的自主航行。

船舶與航運與汽車工業的區別，決定了自主技術在船舶領域的應用場景將非常復雜，這也是目前為止，船舶領域的自主技術發展仍然沒有步入快車道的重要原因。

我們預計，自主航行的演示將會越來越多，真正實用意義上的自主航行將出現在2025前后，具體取決于技術的測試驗證過程。

自主航行船舶技術路徑

自主航行船舶的發展不可一蹴而就，也沒有太多的時間揮霍。在技術上，自主航行船舶可以將無人艇技術作為部分基礎，實現快速突破。無人艇技術與自主航行船舶技術，在技術框架上是類似的，其中主要的難點在于：

(1)融入高度社會化的航運體系，確保自主船舶遵守航行規則和海事管理法規；

(2)船舶操縱相較于無人艇具有數量級的難度，在船舶靠離泊技術、能耗管理方面，對船舶的運動建模、船舶運動參數的構建提出了完全不同的要求；

(3)自主船舶對技術的可靠性要求完全不同，自主航行船舶技術的任何瑕疵都可能帶來災難性的后果。所以，即便是商業化的無人艇技術應用到船舶自主航行，也需要大量的測試，尤其是實際場景的測試和驗證。

當然，另外的路徑，例如通過機器去模擬人員的操作，可從另外一個層面突破自主航行技術，但由于航行場景的復雜性、不可重復，這類方法可作為有效補充，加速自主航行技術的成熟。

自主航行船舶發展中的困難與建議

經過多年發展的汽車無人駕駛，尚未真正商業應用，同樣，船舶領域的“無人駕駛”，在發展過程中也面臨諸多的困難。

(1)產業資金投入不足。 以多個新聞報道的“全自主航行”船舶項目為例，其中部分夭折，大部分項目延期。這里面的關鍵在于船舶自主航行的投入巨大，而目前整個航運業并不景氣，難以有大量資金投入。

(2)缺乏高效的產業鏈協同。 船舶是一個復雜的體系，自主航行的產業化是典型的“木桶效應”，任何創新可能都涉及整個產業鏈的協同，產、學、研、用、管多等諸多角色都需要積極參與。而角色不同，難以協調一致。

(3)尚有大量關鍵技術需要突破。船舶自主航行剛剛起步，其涉及的技術門類多、難度大。僅以感知技術而言，除開雷達，敵我識別系統(AIS)等傳感器，視覺技術在水面環境的應用就需要解決大量技術難題。諸如此類的問題既需要解決從0到1的突破，更需要解決可靠性和穩定性，以面對不同的航行場景。

(4)測試條件與測試技術匱乏。由于還沒有相關標準，船舶自主航行技術的測試標準也就沒有建立，相關的測試條件也進僅停留在“一片水域”，對于不同場景的構建、不同測試手段的應用，都有大量工作需要完成。

(5)法規制度的調整。 以輔助駕駛技術為例，要真正商用，就需要解決“投入設備和技術的成本”，如何通過“減少人員”得到回報。而這里面就需要修改相關的配員規定，技術要實現價值，必須在制度上有所調整。

結語

我們回顧了無人艇的技術，展望了無人艇和自主航行船舶的發展，總體上不管是無人艇還是自主航行船舶，均有大量的技術需要突破、完善， 也有大量的產業化工作需要做，需要真正從產業鏈著手，構建起產、學、研、用、管的全方位協同創新機制。 ■