無人駕駛技術(shù)與智能航運(yùn)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

步曉婷，趙名揚(yáng)，吳煒煌，沈榮成

（1.天津（濱海）人工智能創(chuàng)新中心，天津 300457；2.武漢理工大學(xué)余家頭校區(qū)，湖北 武漢 430063）

航運(yùn)是利用船舶作為運(yùn)載工具，通過海上運(yùn)輸?shù)姆绞絹磉\(yùn)送貨物。目前，全球貿(mào)易中80%-90%的商品比例仰賴海上運(yùn)輸，海上運(yùn)輸在全球貿(mào)易中發(fā)揮著無可替代的作用。進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程、計(jì)算機(jī)硬件取得飛速的發(fā)展，在各領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。人工智能技術(shù)的本質(zhì)是一種基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的機(jī)器化智能，它是一種可以讓計(jì)算機(jī)做出類似人類智能反應(yīng)的技術(shù)探索。海運(yùn)領(lǐng)域伴隨著與新型人工智能技術(shù)的深度結(jié)合，全自動(dòng)碼頭、船只智能配載、智能調(diào)度等技術(shù)的已經(jīng)開始實(shí)際應(yīng)用，未來可能朝著船只無人駕駛、智能解決方案設(shè)計(jì)等方向，不斷從自動(dòng)化到智能化演化發(fā)展。

圖1 智能航運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)

1 船舶無人駕駛技術(shù)

無人駕駛船舶是指只需少數(shù)位于船上或者遠(yuǎn)程控制站的船員即可實(shí)現(xiàn)自主功能的船舶，不僅能夠準(zhǔn)確接收到來自陸地提供的信息和海上航行中的各類船只的各類信息，還能把船長(zhǎng)的高素質(zhì)駕駛技術(shù)智能化，能夠讓整條智能船能夠在沒有船長(zhǎng)的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)安全駕駛[1]。

1.1 無人駕駛發(fā)展特點(diǎn)

隨著無人駕駛汽車領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，無人駕駛技術(shù)在水運(yùn)領(lǐng)域也在不斷探索和嘗試。我國(guó)正在加速對(duì)散貨及集裝箱無人駕駛船舶開展研究。無人駕駛技術(shù)指的是利用智能化以及遠(yuǎn)程控制等高科技手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人船舶的駕駛與操控，是在“智能船舶技術(shù)”的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步突破。無人駕駛系統(tǒng)使用各類傳感器如雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像機(jī)和衛(wèi)星定位以及電腦視覺等技術(shù)來感知船舶周圍環(huán)境。智能控制系統(tǒng)能把傳感器感測(cè)的資料轉(zhuǎn)化成導(dǎo)航信息，障礙物相關(guān)標(biāo)志。通過內(nèi)部算法，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能透過感測(cè)的環(huán)境信息，更新其地圖資訊，讓交通工具連續(xù)追蹤自身位置和感知周圍環(huán)境實(shí)現(xiàn)無人駕駛。

目前，在船舶的設(shè)計(jì)與制造過程中，對(duì)船舶無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用還停留在自動(dòng)導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛階段。無人駕駛應(yīng)當(dāng)具備的主要功能有：具備航路路徑規(guī)劃以及航路優(yōu)化的能力，能夠根據(jù)船舶自身技術(shù)條件和性能，考慮船舶航行任務(wù)、裝載貨物、船舶航行計(jì)劃、天氣等因素對(duì)船舶的航行路線和航速進(jìn)行合理的規(guī)劃，達(dá)到減少能耗的目的并且能夠在航行途中不斷優(yōu)化。具有岸基支持系統(tǒng)、自主航行系統(tǒng)、應(yīng)急處理、自動(dòng)防碰系統(tǒng)和航跡監(jiān)視等系統(tǒng)。

1.2 無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)

無人駕駛船舶系統(tǒng)通過使用在自動(dòng)駕駛汽車和自動(dòng)駕駛儀中類似的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自主航行。利用雷達(dá)、聲納、激光雷達(dá)、紅外和視覺頻譜攝像機(jī)提供數(shù)據(jù)，這些相機(jī)將能夠提供導(dǎo)航使用的數(shù)據(jù)，同時(shí)使用GPS 和AIS數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。其他數(shù)據(jù)，例如氣象數(shù)據(jù)，深海導(dǎo)航以及來自陸上位置的交通系統(tǒng)將有助于船只繪制安全的路線。然后，數(shù)據(jù)將由船舶本身或陸上位置上的人工智能系統(tǒng)處理，提出最佳路線和決策模式。

綜合船橋系統(tǒng)（IBS）為將來的智能船舶提供了相關(guān)的理論和必要的技術(shù)支持。集成駕駛臺(tái)系統(tǒng)在集成更多設(shè)備的基礎(chǔ)上更加強(qiáng)調(diào)認(rèn)知集成，集成駕駛臺(tái)系統(tǒng)中將會(huì)集成更多不同類型的傳感器，同時(shí)使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)來綜合處理來自眾多傳感器的數(shù)據(jù)。專家系統(tǒng)的引入為船舶自主航行和自動(dòng)避碰提供重要支撐。各種不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法以及模糊控制理論的不斷發(fā)展和成熟，也將為其提供更多的理論工具和控制算法。集成駕駛臺(tái)系統(tǒng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算和快速推理能力，處理深層次的信息，起到態(tài)勢(shì)感知、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、決策分析，智慧型導(dǎo)航，自動(dòng)駕駛的作用。

2 智能航運(yùn)系統(tǒng)構(gòu)成

智能航運(yùn)系統(tǒng)由多個(gè)部分組成，包括智能航道、智能港口、智能船舶等[2]。

2.1 智能航道

智能航道指的是利用各類傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)在數(shù)字航道的基礎(chǔ)上，自動(dòng)獲取航道系統(tǒng)相關(guān)信息，通過數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)科學(xué)規(guī)劃航道，保障船舶航行安全。

全息動(dòng)態(tài)航道圖構(gòu)建，利用實(shí)景建模、混合實(shí)現(xiàn)、數(shù)字孿生、GIS 時(shí)空分析等搭建全息航行數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)對(duì)全息場(chǎng)景圖基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、智能化管理。運(yùn)用面向航行場(chǎng)景基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的工程大數(shù)據(jù)采集、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、處理分析、存儲(chǔ)管理與優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析挖掘、可視化分析與決策等關(guān)鍵技術(shù)。以三維可視化圖形引擎技術(shù)為基礎(chǔ)，使用基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、模型化和可視化的通用底層處理技術(shù)，建設(shè)區(qū)域航道、船舶航行監(jiān)測(cè)和決策分析及控制計(jì)算資源池，依托分布式計(jì)算技術(shù)和安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全息航行過程監(jiān)測(cè)及控制智能化。

利用實(shí)景建模、混合實(shí)現(xiàn)、數(shù)字孿生、GIS 時(shí)空分析等，搭建全息航行數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)和全息場(chǎng)景圖。運(yùn)用數(shù)字航道感知技術(shù)，基于船岸協(xié)同下無線自組網(wǎng)、4G/5G、北斗、AIS、VTS、CCTV 等技術(shù)融合，利用衛(wèi)星/5G/NAVDAT/物聯(lián)網(wǎng)的多層次、高冗余的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江干線航道通航環(huán)境動(dòng)態(tài)信息和水上交通狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和低延時(shí)、高速率船岸數(shù)據(jù)交互。

2.2 智能船舶

智能船舶技術(shù)可以定義成一種可以通過有效利用傳感器和互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)手段和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收集有關(guān)船舶自身和船舶周圍海洋環(huán)境、港口、物流等方面數(shù)據(jù)和信息。因此，基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)控制和大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)全智能化的船舶航行、維護(hù)、管理、貨物運(yùn)輸，保障船舶安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和提升船舶可靠性[3]。

智能船舶體現(xiàn)在其信息分析、決策能力上，即能在海量數(shù)據(jù)信息中，提取關(guān)鍵并融合數(shù)據(jù)，然后結(jié)合船舶自身?xiàng)l件綜合評(píng)估分析，實(shí)現(xiàn)該功能離不開高性能的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的支持下做出最合適的決策，控制船上推進(jìn)、導(dǎo)航及其他系統(tǒng)，獲取數(shù)據(jù)的增多，也會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)功能。智能船舶不僅需要實(shí)現(xiàn)自身智能，船岸一體也是關(guān)鍵性的一點(diǎn)，岸上的支援體系建設(shè)也十分重要，沒有岸基支援系統(tǒng)也就無法提供信息支持和遠(yuǎn)程操縱。隨著信息技術(shù)、傳感技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的深入發(fā)展與廣泛應(yīng)用，智能船舶的發(fā)展進(jìn)程定將進(jìn)一步加快。與此同時(shí)，各大海運(yùn)強(qiáng)國(guó)將進(jìn)一步提升對(duì)智能船舶發(fā)展的投入力度，全方位促進(jìn)智能船舶技術(shù)的發(fā)展。在全球脫碳與智能工業(yè)等時(shí)代背景下，智能船舶在國(guó)際航運(yùn)領(lǐng)域的重要性將獲得進(jìn)一步提升。

2.3 智能港口

智能港口基本特征表現(xiàn)為港航設(shè)施和技術(shù)裝備的現(xiàn)代化、計(jì)算機(jī)技術(shù)和港航經(jīng)營(yíng)的深度集成性、港航管理經(jīng)營(yíng)的智能自動(dòng)化技術(shù)、港航經(jīng)營(yíng)管理的協(xié)同一體化、港航管理業(yè)務(wù)的靈活柔性化、港航管理決策的客觀現(xiàn)代化[4]。

智能港口通過全自動(dòng)碼頭，自動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備和智能控制系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無需人工介入的協(xié)同高效作業(yè)。在全智能港口中，AGV 發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，這是一種具備電磁、光學(xué)或者視覺的自動(dòng)導(dǎo)引裝置，它能夠按照規(guī)劃好的引導(dǎo)路線行駛，具備安全防護(hù)和移栽功能，不但能夠自行躲避障礙物，在遭遇各種突發(fā)狀況時(shí)可以做出減速、剎車或繞行各種決策并重新規(guī)劃出最優(yōu)駕駛線路。要想實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)碼頭這樣一個(gè)龐大系統(tǒng)的高效率協(xié)同工作，自然離不開中央控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要人工智能、運(yùn)籌學(xué)決策等理論支持，以解決傳統(tǒng)碼頭工作中的各類難題，提高了自動(dòng)化效率。智能港口仍然在進(jìn)一步的發(fā)展并積極引入前沿的高科技技術(shù)，更好地優(yōu)化自動(dòng)化碼頭的作業(yè)流程，并積極探索5G 在港口陸地和海域等特殊場(chǎng)景的覆蓋和應(yīng)用，利用5G 技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)港口險(xiǎn)情快速報(bào)警，通航船只航行輔助，港口貨物智能化[5]。

3 智能航運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)與展望

通過對(duì)無人駕駛技術(shù)和智能航運(yùn)系統(tǒng)的分析可知，現(xiàn)階段，智能船舶技術(shù)發(fā)展迅速，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、信息和數(shù)字化、自主航行等方面均取得了一系列重要突破，但距離真正的“無人船”時(shí)代還有一定距離。根據(jù)主流的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，智能船舶的發(fā)展分為四個(gè)階段，即互聯(lián)互通、系統(tǒng)整合、遠(yuǎn)程操控和自主航行。其中，船舶的互聯(lián)互通，各種系統(tǒng)整合相對(duì)比較成熟，只是應(yīng)用程度深淺不同，而遠(yuǎn)程控制與自主操作對(duì)于船舶上搭載的智能控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性有較高的要求，目前還未能真正實(shí)現(xiàn)完全自主操作。

隨著行業(yè)向新能源和船舶自主操作方式的邁進(jìn)，新一代船舶將實(shí)現(xiàn)電力化、數(shù)字化和聯(lián)網(wǎng)化。最終，船上任務(wù)會(huì)發(fā)生變化，但船員和船長(zhǎng)仍不可或缺，他們將借助新技術(shù)繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。面向未來的船舶將在數(shù)字化基礎(chǔ)上構(gòu)建，有效地使行業(yè)轉(zhuǎn)向真正的協(xié)作和自動(dòng)化。總之，未來的智能船舶系統(tǒng)將成為集導(dǎo)航（定位、避碰）、控制、監(jiān)視、通信、貨物管理于一體的船舶綜合管理系統(tǒng)，更加強(qiáng)調(diào)信息集成和數(shù)據(jù)融合，并逐步朝著自動(dòng)駕駛、自動(dòng)避碰以及自動(dòng)靠泊的智慧型化和全自動(dòng)化的方向發(fā)展。

當(dāng)前航運(yùn)業(yè)同樣也正處于由自動(dòng)化、信息化向智能化時(shí)代邁進(jìn)的階段。在信息化浪潮的大背景下，船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步在不斷進(jìn)行升級(jí)，船聯(lián)網(wǎng)和岸基支援系統(tǒng)的建設(shè)工作也在不斷完善，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算在水運(yùn)行業(yè)中的運(yùn)用越來越廣泛。接下來，智能船舶控制系統(tǒng)不斷進(jìn)步，海洋環(huán)境、氣象條件、水文數(shù)據(jù)等智能識(shí)別技術(shù)的完善，相關(guān)法律法規(guī)不斷健全，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、VR 等技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，無人駕駛船舶將會(huì)成為可能。當(dāng)無人駕駛船舶成功地開始商業(yè)運(yùn)行后，必將重新定義整個(gè)航運(yùn)行業(yè)。

4 結(jié)語

在當(dāng)下全球碳中和的背景下，航運(yùn)系統(tǒng)智能化是優(yōu)化航運(yùn)效率、提高安全以及節(jié)能減排的必然選擇。本文簡(jiǎn)要概括了無人駕駛技術(shù)以及無人駕駛技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，分析智能航運(yùn)系統(tǒng)的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，展望了新一代航運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。在當(dāng)前各行業(yè)都在往智能化發(fā)展的大浪潮下，人工智能技術(shù)也將不斷推動(dòng)航運(yùn)業(yè)從自動(dòng)化走向信息化、智能化，航運(yùn)業(yè)不久之后進(jìn)入智能化新階段，航運(yùn)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的搭建會(huì)開啟智慧航運(yùn)的新時(shí)代。