無人駕駛技術與智能航運研究進展與發展趨勢

步曉婷，趙名揚，吳煒煌，沈榮成

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

航運是利用船舶作為運載工具，通過海上運輸的方式來運送貨物。目前，全球貿易中80%-90%的商品比例仰賴海上運輸，海上運輸在全球貿易中發揮著無可替代的作用。進入21世紀，計算機技術、軟件工程、計算機硬件取得飛速的發展，在各領域有著十分廣泛的應用。人工智能技術的本質是一種基于計算機科學的機器化智能，它是一種可以讓計算機做出類似人類智能反應的技術探索。海運領域伴隨著與新型人工智能技術的深度結合，全自動碼頭、船只智能配載、智能調度等技術的已經開始實際應用，未來可能朝著船只無人駕駛、智能解決方案設計等方向，不斷從自動化到智能化演化發展。

圖1 智能航運發展趨勢

1 船舶無人駕駛技術

無人駕駛船舶是指只需少數位于船上或者遠程控制站的船員即可實現自主功能的船舶，不僅能夠準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，還能把船長的高素質駕駛技術智能化，能夠讓整條智能船能夠在沒有船長的狀態下，實現安全駕駛[1]。

1.1 無人駕駛發展特點

隨著無人駕駛汽車領域關鍵技術的不斷突破，無人駕駛技術在水運領域也在不斷探索和嘗試。我國正在加速對散貨及集裝箱無人駕駛船舶開展研究。無人駕駛技術指的是利用智能化以及遠程控制等高科技手段，實現對無人船舶的駕駛與操控，是在“智能船舶技術”的基礎上的進一步突破。無人駕駛系統使用各類傳感器如雷達、激光雷達、攝像機和衛星定位以及電腦視覺等技術來感知船舶周圍環境。智能控制系統能把傳感器感測的資料轉化成導航信息，障礙物相關標志。通過內部算法，自動駕駛系統能透過感測的環境信息，更新其地圖資訊，讓交通工具連續追蹤自身位置和感知周圍環境實現無人駕駛。

目前，在船舶的設計與制造過程中，對船舶無人駕駛技術的應用還停留在自動導航和自動駕駛階段。無人駕駛應當具備的主要功能有：具備航路路徑規劃以及航路優化的能力，能夠根據船舶自身技術條件和性能，考慮船舶航行任務、裝載貨物、船舶航行計劃、天氣等因素對船舶的航行路線和航速進行合理的規劃，達到減少能耗的目的并且能夠在航行途中不斷優化。具有岸基支持系統、自主航行系統、應急處理、自動防碰系統和航跡監視等系統。

1.2 無人駕駛關鍵技術

無人駕駛船舶系統通過使用在自動駕駛汽車和自動駕駛儀中類似的技術來實現自主航行。利用雷達、聲納、激光雷達、紅外和視覺頻譜攝像機提供數據，這些相機將能夠提供導航使用的數據，同時使用GPS 和AIS數據作為補充。其他數據，例如氣象數據，深海導航以及來自陸上位置的交通系統將有助于船只繪制安全的路線。然后，數據將由船舶本身或陸上位置上的人工智能系統處理，提出最佳路線和決策模式。

綜合船橋系統（IBS）為將來的智能船舶提供了相關的理論和必要的技術支持。集成駕駛臺系統在集成更多設備的基礎上更加強調認知集成，集成駕駛臺系統中將會集成更多不同類型的傳感器，同時使用數據融合技術來綜合處理來自眾多傳感器的數據。專家系統的引入為船舶自主航行和自動避碰提供重要支撐。各種不同類型的神經網絡，遺傳算法以及模糊控制理論的不斷發展和成熟，也將為其提供更多的理論工具和控制算法。集成駕駛臺系統充分發揮計算機的高速計算和快速推理能力，處理深層次的信息，起到態勢感知、風險評估、決策分析，智慧型導航，自動駕駛的作用。

2 智能航運系統構成

智能航運系統由多個部分組成，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、物聯網、人工智能等技術在數字航道的基礎上，自動獲取航道系統相關信息，通過數據融合，實現科學規劃航道，保障船舶航行安全。

全息動態航道圖構建，利用實景建模、混合實現、數字孿生、GIS 時空分析等搭建全息航行數字化技術平臺以實現對全息場景圖基礎設施數字化、智能化管理。運用面向航行場景基礎設施領域的工程大數據采集、多源異構數據融合、處理分析、存儲管理與優化、數據分析挖掘、可視化分析與決策等關鍵技術。以三維可視化圖形引擎技術為基礎，使用基礎設施數字化、模型化和可視化的通用底層處理技術，建設區域航道、船舶航行監測和決策分析及控制計算資源池，依托分布式計算技術和安全的網絡環境，實現全息航行過程監測及控制智能化。

利用實景建模、混合實現、數字孿生、GIS 時空分析等，搭建全息航行數字化技術平臺和全息場景圖。運用數字航道感知技術，基于船岸協同下無線自組網、4G/5G、北斗、AIS、VTS、CCTV 等技術融合，利用衛星/5G/NAVDAT/物聯網的多層次、高冗余的傳輸網絡，實現長江干線航道通航環境動態信息和水上交通狀態等信息數據的實時采集和低延時、高速率船岸數據交互。

2.2 智能船舶

智能船舶技術可以定義成一種可以通過有效利用傳感器和互聯網等先進技術手段和設備來實現自動收集有關船舶自身和船舶周圍海洋環境、港口、物流等方面數據和信息。因此，基于計算機系統、自動控制和大數據處理等技術，最終實現全智能化的船舶航行、維護、管理、貨物運輸，保障船舶安全、經濟、環保和提升船舶可靠性[3]。

智能船舶體現在其信息分析、決策能力上，即能在海量數據信息中，提取關鍵并融合數據，然后結合船舶自身條件綜合評估分析，實現該功能離不開高性能的數據分析系統，在數據分析系統的支持下做出最合適的決策，控制船上推進、導航及其他系統，獲取數據的增多，也會進一步增強系統功能。智能船舶不僅需要實現自身智能，船岸一體也是關鍵性的一點，岸上的支援體系建設也十分重要，沒有岸基支援系統也就無法提供信息支持和遠程操縱。隨著信息技術、傳感技術與大數據技術等先進技術的深入發展與廣泛應用，智能船舶的發展進程定將進一步加快。與此同時，各大海運強國將進一步提升對智能船舶發展的投入力度，全方位促進智能船舶技術的發展。在全球脫碳與智能工業等時代背景下，智能船舶在國際航運領域的重要性將獲得進一步提升。

2.3 智能港口

智能港口基本特征表現為港航設施和技術裝備的現代化、計算機技術和港航經營的深度集成性、港航管理經營的智能自動化技術、港航經營管理的協同一體化、港航管理業務的靈活柔性化、港航管理決策的客觀現代化[4]。

智能港口通過全自動碼頭，自動運輸設備和智能控制系統的有機結合，實現無需人工介入的協同高效作業。在全智能港口中，AGV 發揮了關鍵性作用，這是一種具備電磁、光學或者視覺的自動導引裝置，它能夠按照規劃好的引導路線行駛，具備安全防護和移栽功能，不但能夠自行躲避障礙物，在遭遇各種突發狀況時可以做出減速、剎車或繞行各種決策并重新規劃出最優駕駛線路。要想實現全自動碼頭這樣一個龐大系統的高效率協同工作，自然離不開中央控制系統，該系統需要人工智能、運籌學決策等理論支持，以解決傳統碼頭工作中的各類難題，提高了自動化效率。智能港口仍然在進一步的發展并積極引入前沿的高科技技術，更好地優化自動化碼頭的作業流程，并積極探索5G 在港口陸地和海域等特殊場景的覆蓋和應用，利用5G 技術優勢實現港口險情快速報警，通航船只航行輔助，港口貨物智能化[5]。

3 智能航運發展趨勢與展望

通過對無人駕駛技術和智能航運系統的分析可知，現階段，智能船舶技術發展迅速，在技術標準化、信息和數字化、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”時代還有一定距離。根據主流的國際標準，智能船舶的發展分為四個階段，即互聯互通、系統整合、遠程操控和自主航行。其中，船舶的互聯互通，各種系統整合相對比較成熟，只是應用程度深淺不同，而遠程控制與自主操作對于船舶上搭載的智能控制系統的可靠性、穩定性有較高的要求，目前還未能真正實現完全自主操作。

隨著行業向新能源和船舶自主操作方式的邁進，新一代船舶將實現電力化、數字化和聯網化。最終，船上任務會發生變化，但船員和船長仍不可或缺，他們將借助新技術繼續發揮關鍵作用。面向未來的船舶將在數字化基礎上構建，有效地使行業轉向真正的協作和自動化。總之，未來的智能船舶系統將成為集導航（定位、避碰）、控制、監視、通信、貨物管理于一體的船舶綜合管理系統，更加強調信息集成和數據融合，并逐步朝著自動駕駛、自動避碰以及自動靠泊的智慧型化和全自動化的方向發展。

當前航運業同樣也正處于由自動化、信息化向智能化時代邁進的階段。在信息化浪潮的大背景下，船聯網技術也隨著計算機技術的進步在不斷進行升級，船聯網和岸基支援系統的建設工作也在不斷完善，大數據、云計算在水運行業中的運用越來越廣泛。接下來，智能船舶控制系統不斷進步，海洋環境、氣象條件、水文數據等智能識別技術的完善，相關法律法規不斷健全，在物聯網、大數據、區塊鏈、VR 等技術不斷發展的背景下，無人駕駛船舶將會成為可能。當無人駕駛船舶成功地開始商業運行后，必將重新定義整個航運行業。

4 結語

在當下全球碳中和的背景下，航運系統智能化是優化航運效率、提高安全以及節能減排的必然選擇。本文簡要概括了無人駕駛技術以及無人駕駛技術在船舶領域的應用，分析智能航運系統的有關關鍵技術，展望了新一代航運系統的發展趨勢。在當前各行業都在往智能化發展的大浪潮下，人工智能技術也將不斷推動航運業從自動化走向信息化、智能化，航運業不久之后進入智能化新階段，航運互聯網生態系統的搭建會開啟智慧航運的新時代。