船舶智能航行技術發展與展望

李亞斌，王玉

（1．交通運輸部水運科學研究院，北京 100088；2．青島航運發展研究院，山東 青島 266200；3．西南林業大學，云南 昆明 650224）

近年來，智能船舶日益成為全球航運業關注的熱點，而船舶智能航行技術作為智能船舶的核心關鍵技術，是船舶智能化程度的最重要表征，也吸引航運發達國家投入大量人力、物力開展持續的研發。本文針對大型商船的智能航行技術研發、測試與應用等方面最新進展，搜集全球相關領域的發展動態，梳理、分析典型案例，總結技術發展規律，展望未來技術發展方向。

1 船舶智能航行的概念

“船舶智能航行”衍生于船舶智能化過程，目前并未形成業界統一的準確定義。

2012年，由Fraunhofer CML 等8 家機構合作的（Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks）項目，首次提出了“海上無人航行”概念。

2017年MSC 98 屆會議正式使用了“海上水面自主船舶”（Maritime Autonomous Surface Ships，MASS）一詞，此后丹麥在向國際海事組織遞交的報告中將自主船舶定義為“通過自動化程序或系統提供決策支持，取代部分或全部船員操控及駕駛船舶工作，并能實現對船舶的遠程遙控”。

在2018年，國際海事組織將MASS 的自主等級分為4 級，分別為配備自動系統和輔助決策的船舶、有船員在船的遠程遙控船舶、無船員在船的遠程遙控船舶和完全自主船舶，并強調一個航次可由“一個或多個自主等級”完成。

2019年12月3日，中國船級社發布《智能船舶規范》（2020），提出智能航行的基本功能為航路與航速設計和優化，以及有條件的自主航行。

2021年12月，中國航海學會發布了團體標準《船舶智能航行系統等級劃分與技術水平評定》，明確提出“智能航行是由航行環境態勢感知、船舶操縱算法和信息處理等技術裝備或系統全部或部分代替人工實現船舶駕駛操作的航行狀態，包括輔助駕駛、遙控駕駛和自主駕駛三種主要形式”。該定義遵循國際海事組織的MASS 等級劃定原則的基礎上，對智能航行系統的技術水平等級進行了進一步的細分，并給出了基本的評定方法。

2 智能航行技術發展現狀

2.1 歐盟國家

2017年5月起，康斯博格海事集團（Kongsberg Gruppen）和雅苒（Yara）集團聯合建造世界上第一艘全電力推進零排放、自主航行的集裝箱船“Yara Birkeland”號，2021年11月，該船建成并進入兩年的載人運行測試期，計劃之后開啟無人自主航行。該船長79.5 米，寬14.8 米，最大航速13 節，120 TEU，3200載重噸，8 個電池艙總容量達6.8 MWh。該輪計劃航行于挪威南部沿岸12 海里以內水域，往返于37 海里內的三個港口，替代40000 輛燃油卡車。該輪除智能航行功能外，還將聯合自動跨運車和自動門式起重機，實現貨物自動裝卸。運行初期，當地船舶交通管理中心將聯合船東開展該船舶運行與環境監測及緊急情況處理等。

2017年，拖輪運營商Svitzer A/S 與羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司合作，在28 米長的Svitzer Hermod”號拖船開展了遠程操控駕駛測試。船長在遠程作業中心遙控船舶進行離泊、360°旋轉、航行后靠泊等。2021年初，雙方與美國船級社合作，共同研發世界上第一艘滿足當地海事相關標準，能夠在岸遠程遙控開展商業運營的拖輪。

2018年12月，芬蘭渡輪經營商FinFerries 與羅爾斯·羅伊斯聯合在帕爾加斯和瑙沃之間開展“FALCO”號汽車渡輪的自主航行測試。該船長53.8 米，配備兩臺全回轉推進器。測試完成了全程無人工干預的自主航行，并實現自動靠離泊?；爻檀坝纱L在庫爾圖遠控中心遙控駕駛。該船裝配高精度感知系統，實時感知船舶周邊環境并回傳至遠程控制中心，實時監控船舶運行，必要時切換人工遙控駕駛。

2018年4月，瓦錫蘭科技集團在83 米渡輪“Folgefonn”上進行成功完成自動靠離泊系統測試，該系統在離泊位約2000 米處被激活，船舶隨后逐步減速，并啟動全自動船位控制和靠泊操作，直到完全?？坎次?。離泊出港時操作順序相反。自動靠離泊過程中，隨時可切換成手動干預或控制。同年11月份，該船又通過預定義航線和航路控制點，實現了碼頭到碼頭的自主航行測試。在挪威海事局的見證下，全程不間斷地自主航行，訪問該船服務的三個港口。

2018年12月，基于現有船舶操控系統改造，配備了艾波比集團（ABB）的動力定位、環境態勢感知和電力推進等系統的Suomenlinna II 號冰級客渡輪，在無人狀態下通過控制中心遠程遙控駕駛，由碼頭起航，到達指定無船舶海域并返航，完成了遙控駕駛測試。

2.2 日本

2019年7月，日本三井造船等單位，利用“Shioji Maru”號訓練船在開闊水域構建的虛擬碼頭，完成了共54 次自動靠離泊試驗，獲取了較為豐富的測試數據。

2020年2月日本財團發起，40 余家日本企業參加的MEGURI 2040 項目啟動，旨在開展船舶智能航行技術研發與實踐，力爭到2040年50%的日本國內航線船舶實現無人駕駛。2022年1～3月開展了6 型船舶的智能航行測試驗證，包括：

（1）一艘小型旅游船在橫須賀市周圍海域航行1.7km，演示從出發到?？康淖灾骱叫?，包括自主避碰和自動靠離泊。該船依靠光學攝像機、GPS 和AIS 組成的感知系統感知環境信息，并自動連續控制車舵實現自主航行。

（2）222 米長、15500 總噸的“Ro-Pax”號渡輪，從九州Shinmoji 到Iyonada 間240 公里長的航線上開展了全自主航行測試，包括了約7 個小時、最大速度為26 節的航行測試，以及包含轉向、倒車功能的自動靠離泊。

（3）“Mikage”號集裝箱船從福井縣的敦賀至鳥取縣的坂見門，完全自主航行了270 公里，靠泊時還開展了無人機輔助帶纜系泊作業測試。該船智能感知系統由AIS、導航雷達、可見光及紅外相機等，以便夜間使用。

（4）大型汽車渡輪“Sunflower Shiretoko”號從北海道的苫小牧到茨城縣的大來，在大約18 個小時內自主航行了750 公里。該自主航行系統還支持自動靠離泊和陸基遠程遙控航行等功能。

（5）集裝箱船“朱雀”號（95 米，749 總噸）應用自主航行系統，在東京灣和伊瑟灣之間完成了790 公里的往返自主航行測試。該系統包括船端導航系統、岸基監視與遙控系統、船岸通信系統等組成。船隊運行中心對其進行遠程監控與應急操作。東京灣日均交通流量約500 艘次，驗證了繁忙水域船舶智能航行的可行性。

（6）長11.83 米的兩棲船在群馬縣吾妻湖上自主航行約2 公里。除激光雷達、可見光相機、GPS、光纖陀螺儀等感知、導航設備外，該船還配備了水下聲吶，以滿足不同水位的水下避障需求。

2.3 韓國

韓國海洋與漁業部和貿易工業與能源部2020年啟動自主水面船研發項目（Korean Autonomous Surface Ship Project,KASS），計劃用5年時間突破智能航行等船舶核心技術。

2020年10月，韓國三星重工基于38 米長拖船“SAMSUNG T-8”號，對遠程自主航行系統開展自主航行測試。該船裝有雷達、AIS、GPS 及360 度全景影像系統，并通過LTE/5G 移動通信技術，將船舶周邊影像回傳至陸上控制中心實施對船舶的監控。該船在無船員接入下航行至約10 公里外的目的地后安全返航，途中自行躲避1 公里半徑內的他船及障礙物。

2021年9月，該自主船舶航行系統首次完成自主船舶對向航行避碰測試。9200 噸級教學實習船“世界路”號和“SAMSUNG T-8”號，以14 節的航速對遇航行，在最近會遇距離1 海里避讓通過，完成避碰過程。

2.4 俄羅斯

2019年3月起，俄羅斯Sitronics KT 公司牽頭，聯合多個機構，開發了船舶智能航行系統和相關支持系統。在大量虛擬測試的基礎上，2021年5月起智能航行系統安裝于“Robochaya”號挖泥船、“Pola Anfisa”號雜貨船、“Mikhail Ulyanov”號破冰油輪開展了海上自主航行試驗測試。

值得關注的是，2020年12月，俄羅斯政府批準了懸掛該國國旗的船舶，在規定的水域、為期5年多時間，允許開展智能航行試驗的法案。此外，俄羅斯司法部也在推進關于自主船舶運營的國家法案審議工作，該法案規定了自主、半自主船舶的運營規則，船員和岸基操控人員、船東的權責，還明確了“自主船舶可由專門的組織運營”。

2.5 中國

2019年，智慧航海（青島）科技有限公司、珠海云州智能科技有限公司等，分別完成了“智騰”號、“筋斗云0”號小型智能航行實驗測試船艇研發，開展了遙控駕駛、循跡航行、航線自主規劃和自主避碰等實驗驗證。

2019年，國家重點研發計劃項目“基于船岸協同的船舶智能航行與控制關鍵技術”啟動，該項目重點研究通航環境動態重構、航線智能優化、船舶遠程駕駛等關鍵技術，開發了船舶智能感知、遠程駕駛、自主航行、網絡安全風險實時監測等系統和平臺；成果分別在長江干線、長湖申運河及青島沿海開展了測試與應用示范，“智飛”號智能航行集裝箱船就是該項目的成果應用示范船。該船總長約117 米，寬17 米，設計航速12 節，排水量8000 噸，316TEU，具有人工、遠程遙控駕駛和無人自主航行等駕駛模式，可實現航行環境智能感知、航線自主規劃、自主循跡航行、智能避碰、自動靠離泊和遠程遙控駕駛等，并在同船實現直流化和智能化。

3 總結與展望

沿海航區的小型渡船和港作拖輪等船舶，由于操縱性能良好、建改造成本較低，較為適合開展智能航行試驗測試。由于法規及船岸通信保障等因素限制，大型船舶的長航時、長航程智能航行試驗測試則相對滯后。船舶電氣化是 船舶智能航行的重要基礎，不僅可支撐船舶智能航行技術集成融合，而且可提升船舶相關功能系統的冗余度和可靠性。智能船舶主要感知手段有：導航雷達、激光雷達、AIS、可見光與紅外相機等設備。多種感知信息的快速、有效融合，進而獲得正確的態勢認知，對于智能航行十分關鍵，也是研發的難點；激光雷達由于探測距離相對較近等原因，目前在船舶避碰與航行中發揮的作用很有限。在中、日、韓等國的實踐應充分證明，4G/5G 移動通訊是近期船舶智能航行測試及應用的有效通訊手段。沿海5G/700M 網絡單站覆蓋半徑可達50 公里,在船舶智能航行中可大有作為。

短期內商船無人化還難以實現，自主航行或遙控駕駛均要有人監督，在必要時能夠人工操控。但船舶智能航行技術應用推廣，可減輕船員工作強度，降低人為因素導致的航行風險，減少在船船員數量。航行值班可由岸基遠程逐步替代，并通過“一人管多船”的模式產生實際效益與“應用邏輯”。