船舶避碰模式智能化探討

摘? 要：在全球大力發展海洋經濟和國家高度重視海洋強國戰略的大背景下，為了加快現代信息、人工智能等高新技術與航運要素的深度融合，筆者探索智能化的船舶航行避碰模式，期望培育和發展智能航運新業態。如今，自動化駕駛及遠程操控技術已在很多領域嶄露頭角，筆者通過對現有技術分析從而就航海智能化在船舶航行避碰中的運用進行探討 ，旨在更好地保障船舶航行安全。

關鍵詞：船舶航行避碰；區塊鏈；大數據；云計算；通信技術

0 引 言

目前，國際海事組織（IMO）正在推進電子航海（e-Navigation）戰略，旨在增強航海信息化，同時也推動航海科學技術，尤其是船舶駕駛自動化與航海智能化的發展，這樣可以減少人為失誤及減輕航海人員的工作負荷，并在船舶航行避碰方面發揮出卓越的成效。隨著智能化時代的到來，航海技術發展面臨新時代的機遇和挑戰，必須進行改革創新，與時俱進。

1 船舶航行避碰手段的發展歷程

1.1? 20世紀八九十年代的船舶航行避碰手段

在20世紀八九十年代，船舶主要是通過船載雷達、望遠鏡和甚高頻電話（VHF）來處理船舶航行避碰問題，雷達標繪和海圖定位是主要判斷依據。當時，雷達設備的功能也不完善，使用便捷度較低，經常會受到天氣海況的影響。由于沒有雷達自動標繪（以下簡稱ARPA）和船舶自動識別系統（以下簡稱AIS），同時摻雜著人為因素及通訊環境的影響，用甚高頻與他船聯系有時會產生誤會。

1.2 現代船舶的航行避碰手段

隨著船舶大型化及現代化，普遍配備了ARPA、AIS、電子海圖及綜合導航儀等先進設備，顯著提高了船舶間通訊及實時核查周圍通航情況的效率。雷達上捕捉的船舶信息中通常會顯示最近會遇距離（以下簡稱CPA）和抵達最近會遇點的時間（以下簡稱TCPA），不用進行人工雷達標繪，更加直觀地判斷碰撞風險并且減小誤差。可近些來年，每年還是會出現多起由于船舶航行避碰不當而發生的重大海事，主要原因為：

（1）人們過分依賴和信任電子設備，忽視核查數據的準確性；

（2）船舶之間的設備先進化程度差異較大；

（3）船舶大型化且最高船速相對于20世紀八九十年代有了質的飛躍，導致事故的嚴重程度也明顯增加；

（4）人為因素影響仍然占據主導地位，傾向于協調避讓，容易產生誤會。

2 在船舶航行避碰領域中可運用的科學技術

2.1大數據

目前，船舶航行數據和相關資料主要是從全球導航衛星系統、ARPA、AIS、測深儀、計程儀、全球海上遇險與安全系統等設備中獲取的，通過岸基網絡和衛星通信進行船船或船岸傳輸。由這些數據可以得知實時船速、航向、最近會遇距離、抵達最近會遇點的時間、來船過本船船首的距離、來船過本船船首的時間等相關參數。但由于數據傳輸和通信機制需要人工干預，也暴露出數據傳輸延誤甚至發生錯誤的缺點，因此有必要研制智能的船舶綜合數據采集、處理與傳輸系統。引入大數據模塊來收集全球可航水域范圍內所有船舶的實時數據和信息并在最短時間內尋找其相關性，然后進行分析及核準，最后以多種格式或形態直接傳輸到時空高通量的航海智能云數據庫中，同時感知、通信、物聯、智能等方面新技術發展也可以為航海智能云數據庫服務，最重要的是確保數據的時效性、準確性及可追溯性。

2.2云計算

在航海中，目前大多數船舶航行數據是通過AIS得到的。雖然較20世紀八九十年代有了很大改善，但人為因素占據主導地位，仍會產生很多風險，例如：AIS出現故障，船舶不開啟AIS等等。這就需要云計算的“幫助”，首先它能有效兼容各個船舶設備及服務器中傳導出來的并且經過大數據收集整合過的海量航海云數據，然后讓它們進行交互和關聯，形成時空高通量的智能云數據聯絡網，對這些數據進行動態伸縮，實現基礎資源的網絡冗余，不斷進行實時添加、刪除、修改。同時在數據閑置的情況下采取節能措施，給數據平臺“減壓”，提高部分數據利用率，進一步保障高通量云數據的時效性。

2.3區塊鏈

目前，船舶數據在規范性及嚴密性方面是缺乏保障的，一旦出現錯誤的數據就會形成“多米諾骨牌”效應，后果不堪設想。區塊鏈模塊的引入可以解決這個問題，由于區塊鏈采用基于協商一致的規范和協議，這可以使全球船舶數據系統中的所有節點能夠自由安全地交換數據，屏蔽任何人為干預。一旦這些數據經過驗證并添加至區塊鏈，就會永久的存儲起來，除非能夠同時控制住系統中超過51%的節點，否則單個節點上對數據庫的修改是無效的，顯著提高數據的穩定性和可靠性，形成時空高通量的智能云數據信任網。

3 智能化模塊在船舶航行避碰中的運用

未來在船舶設備中可以引入智能化模塊，將時空高通量的智能航海云數據庫同步到這些模塊，然后結合實時氣象海況和周圍船舶情況進行分析，總結出幾套最優航行避碰方案，包括船速、航向等方面的區間范圍以供船方選擇。首先方案不局限于某個區域內單船與單船、單船與多船甚至可以進行自助區域選擇，以單船為中心的某個區域與相鄰區域船舶的會遇預案。在實施方案的過程中可以根據船舶數據的變化及時做出更新，目的是提供實時最優方案，而且還可以增加方案實施后的效果預判功能，通過選擇預計時間節點來完成，這個效果預判是針對整個局面而不只是本船的，所以更加具有參考價值。另外，還需要引入預警功能，我們現在雷達上的預警功能是提示本船與他船之間的碰撞危險，那么智能化的報警功能則可以做到對整個區域范圍內所有船舶的監控，如果在所有船舶采用最優方案的前提下仍然不能避免緊迫危險甚至是事故的發生，就立即對重點船發出預警，這時需要進行人工干預，直到預警消除后再繼續進行智能化操作。

效果流程如圖1所示：

4 實施難點分析

4.1原始數據采集

目前，仍有部分船舶沒有AIS，只能通過雷達來獲取其航行數據，雷達數據獲取的延遲性及錯誤率要遠高于AIS信息數據，有可能會被作為“不可信任的數據”處理。

4.2 智能化航海模塊的全面配備

在初始階段，智能化模塊應用成本肯定會比較高，畢竟前期數據采集和分析都需要投入大量的人力、物力及其他相關資源。在后續的應用過程中，也需要保障船舶數據的時效性和準確性并進行相關系統維護保養。

4.3 現有的雷達及AIS信息無法滿足智能化數據的時效性

航海雷達無法獲取目標船的即時速度和船首向等航行狀態信息，AIS傳輸數據的頻率則根據船舶的運動狀態而變化，短則幾秒，多則幾分鐘，但智能化航行避碰系統是需要高頻率實時更新的航行數據來運作的。

4.4 難以完全實現智能危險識別和避碰決策

人工智能難以解決特殊情況下的避碰局面，例如船舶突然失控、多船會遇等，并且無法直接植入需要有豐富航海經驗才能培養出的“良好的船藝”技術。

4.5智能化系統維護與航行安全保障

任何系統都有失靈的可能，一旦出現類似問題將直接危及船舶航行安全。

5 解決難點的可預期技術模塊

5.1 衛星通信

如今，海上通信技術應用常用的有低頻通信技術應用、中/高頻通信技術的應用、甚高頻海岸電臺（語音通信）、超高頻無線通信、 GMDSS系統等。美國太空探索技術公司正研制星鏈計劃，準備在2019年至2024年間向近地軌道發射12 000顆小型衛星，后續還將發射30 000顆小型衛星，主要可以為光纜和地面基站無法達到的偏遠地區提供網絡服務，未來全球可航水域的所有船舶都可以接收網絡信號。星鏈計劃建成后，會以低廉的價格、更好的網速和互聯網服務用于民用，相當于給全球裝了WIFI。對于無船舶自動識別系統的船舶只需要船員的手機定位就能輕松跟蹤船舶航行數據，從而添加到時空高通量的智能航海云數據庫中。

5.2 升級AIS系統

航海智能化的核心就是數據采集，通過對所采集的數據進行整理和編輯形成云數據，然后進行全世界范圍內的互聯互通，從而打造出船舶航行的云環境。目前，數據主要渠道有：氣象系統、AIS基站、無人機船磁探測、近海雷達光電聯動系統、多普勒近岸雷達系統、海事雷達系統、高頻地波雷達系統等等。其中對于智能化避碰系統最重要的是船舶航行數據，主要由AIS和雷達提供，而目前AIS數據傳輸國際標準是動態數據30 s發送一次，靜態數據每5 min發射一次，顯然無法滿足智能化系統關于數據時效性的要求。另外，信號基站覆蓋率低，信號傳輸距離也短，A級發射距離30 n mile內，而B級只能保證10 n mile。我們可以升級AIS系統，利用類似星鏈計劃中的衛星信號來傳輸船舶數據，星鏈衛星傳遞信號速度是5G的50倍，由于使用的是低軌道衛星，因此可以將延遲控制在25 ～ 35 ms之間。同時，該計劃中的近地軌道衛星信號可以覆蓋全球所有可航水域，這樣就可以保障智能航海云數據庫的時效性及廣覆蓋面。

5.3 加強人工智能自主學習并定期進行系統升級

當遇到特殊情況時需要通過良好的船藝及協調避讓來進行人工干預，面對不同船型、不同水域環境需要采取不同的避讓方案。在每次人工干預后，人工智能通過自主學習來保存方案并上傳至智能云數據庫，后臺數據維護專家團隊進行審核，定期進行方案匯總并制作升級包供用戶下載植入系統，如再遇到類似特殊情況就不需要人工干預了，久而久之智能化航行避碰系統解決問題的能力將會越來越強大。

5.4 AR導航系統

FURUNO ENVISION系列是古野公司探索的最新最先進的“AR導航系統”（現實增強導航系統），它利用對著外部的攝像頭在顯示器上投射其他船舶影像，并且可在圖像上疊加探測到的航行數據，即使在視野很差或者惡劣氣象海況下，依然可以做到。通過調整范圍來控制屏幕物標顯示數量，根據不同的CPA和TCPA用顏色進行劃分，任何情況下都能提供可靠的數據。雖然目前的AR導航系統還屬于初級階段，但是可以預見的是隨著科技的進步，AR導航系統會不斷更新換代，更好地保障智能化航行避碰系統的可靠性。

5.5 智能化航海的航行安全保障

使用智能化航行避碰系統的船舶必須配備備用系統，同時對于收集到的實時數據及時進行備份，確保數據鏈實時完整。另外在未來的很長時間內智能化航行避碰系統只能作為輔助設備，旨在減緩船員們的工作負荷，但船員扎實的航海技術和良好的船藝始終是最好的保障，平時仍要保持嚴格的訓練和學習，做到有備無患。

6 結束語

自從18世紀中葉蒸汽機時代的來臨，船舶發展也歷經了三次工業革命，船舶設備及動力裝置不斷改進，航行安全也有了很大的保障。但時代的發展腳步是永不停歇的，人工智能的問世將引領“工業革命4.0”，如果說前三次工業革命是改善船舶的主體軀干和內能動力，那么第四次工業革命會給船舶裝上“大腦”，將現代智能及信息技術與航行安全相結合，實現船舶航行云環境中的資源共享及互通，給航海智能化夯實堅固的基礎，為我們船舶安全航行保駕護航，當然未來還可以在航海領域的其他方面得以應用，航運業的發展也將逐漸進入嶄新的時代。

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作者簡介：

唐英杰，上海港引航員，（E-mail）745534681@qq.com，15000580421