基于e-航海的無人駕駛船舶技術(shù)

王程博， 張新宇， 李俊杰

(大連海事大學(xué)航海動態(tài)仿真和控制交通行業(yè)重點實驗室，遼寧 大連 116026)

0 引言

近年來，隨著航運業(yè)的發(fā)展，船舶呈現(xiàn)出大型化、專業(yè)化、高速化和智能化特點。e-航海力圖整合現(xiàn)有的航海技術(shù)，最大限度地促進船舶航行安全，提高海上貨物運輸效率；無人駕駛船舶結(jié)合人工智能技術(shù)極大地降低了人為因素對海上運輸安全的影響，提高了船舶航行安全水平。e-航海技術(shù)和無人駕駛船舶技術(shù)的結(jié)合，可有效地促進海上運輸智能化、信息化的發(fā)展，提高海上運輸安全。

目前，國內(nèi)外對e-航海技術(shù)開展了多項研究，并取得了一定的成果。歐盟在波羅的海區(qū)域建立EfficienSea測試系統(tǒng)，研究在日益增大的海上交通密度下，如何推動海上交通安全、高效和可持續(xù)發(fā)展，該項目已經(jīng)開發(fā)出了e-航海海事服務(wù)集的原型系統(tǒng)，同時開發(fā)了一個用于模擬評估航行風(fēng)險的工具[1-3]。瑞典海事局牽頭建立的MONALISA測試項目，旨在通過綠色航線規(guī)劃、船員證書核查、海道數(shù)據(jù)測量和海事數(shù)據(jù)共享，向航運業(yè)提供e-航海服務(wù)，以及船員認可度高的航線計劃交換方法[1-3]。英國、瑞典等11家機構(gòu)在歐洲北海區(qū)域建立了ACCSEAS測試項目,針對降低擁堵海域的航行風(fēng)險來改善北海地區(qū)的通航狀態(tài)，并通過海事信息與數(shù)據(jù)交換，協(xié)調(diào)建立實際測試臺與信息數(shù)據(jù)庫(ACCSEAS GIS)[1-3]。中國海事局和集美大學(xué)發(fā)起上海洋山港e-航海測試項目，為改進VTS(vessel traffic service)的通信功能進行了研究和測試，為中國海域e-航海的用戶需求和差距分析提供依據(jù)[2-3]。天津港復(fù)式航道e-航海試點工程建立了海事服務(wù)集信息服務(wù)系統(tǒng)，為過往船舶提供航行輔助業(yè)務(wù)信息和導(dǎo)航信息等服務(wù)，實現(xiàn)船對船、岸對船之間的信息互動，以提高港口區(qū)域船舶交通組織能力[2-3]。

同時，隨著人工智能與通信技術(shù)的發(fā)展，航運業(yè)中的自動化水平逐漸提高，智能船舶、海上智能運輸及無人駕駛船舶技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的研究也得到廣泛關(guān)注。Fraunhofer CML[4]完成了MUNIN(maritime unmanned navigation through intelligence in net work)項目，驗證了自主船舶的概念，即：主要由自動化車載決策系統(tǒng)引導(dǎo)，由岸邊控制站的遙控操作員控制的船舶。文獻[5]開發(fā)和驗證了自主船橋、自主機房、岸邊操作中心以及連接船對岸上操作員的通信架構(gòu)解決方案。羅爾斯羅伊斯公司和瑞典渡船公司Stena Line AB合作研發(fā)船舶智能感知系統(tǒng)，推出了“高級無人駕駛船舶應(yīng)用開發(fā)計劃”，預(yù)計2020年實現(xiàn)利用遠程支持和特定功能操作，2025年實現(xiàn)近海無人船舶的遠程控制，2030年實現(xiàn)遠洋無人船舶的遠程控制，2035年實現(xiàn)自主遠洋無人船舶[6]。國內(nèi)對無人駕駛船舶的相關(guān)研究較少，2009年至2017年國家海洋局第一海洋研究所、云洲智能科技有限公司、靈鯨科技、哈爾濱工程大學(xué)、武漢理工大學(xué)以及華中科技大學(xué)等國內(nèi)機構(gòu)對無人艇技術(shù)展開了相關(guān)研究，并已經(jīng)在海洋環(huán)境測繪、污染檢測和救助打撈等方面取得了較好的成果[7-11]，而對于無人駕駛貨物運輸船舶的研究還處于初始階段。本文通過分析無人駕駛船舶與e-航海的共性，綜述了無人駕駛船舶在e-航?？蚣芟碌陌l(fā)展思路，為無人船發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 e-航?？傮w技術(shù)架構(gòu)概述

IMO(International Maritime Organization)海上安全委員會(MSC,Maritime Safety Committee)第81次會議上，“七國提案”《e-航海戰(zhàn)略的發(fā)展》被采納，并采用IALA(international association of lighthouse authorities)提出的“e-航?！倍x，即：e-航海是指通過電子的方式，對船上、岸上的海事信息進行協(xié)調(diào)一致的收集、整合、交換、顯示及分析，以增強船舶泊位到泊位的航行能力及其他相關(guān)服務(wù)，提高海上安全和安保水平，并保護海洋環(huán)境?！盵12]

e-航海概念的提出，是為了滿足當(dāng)前船舶導(dǎo)航技術(shù)以及導(dǎo)助航方式的快速發(fā)展，e-航海力圖通過融合現(xiàn)有的船舶導(dǎo)助航技術(shù)及工具，實現(xiàn)海上運輸最優(yōu)化。e-航海技術(shù)框架主要包含三要素：船舶環(huán)境、岸基支持環(huán)境以及通信系統(tǒng)。船舶環(huán)境指的是支持船載傳感器提供的所有信息的收集、整合、交換、顯示與分析；岸基支持環(huán)境指的是支持岸基應(yīng)用程序的岸基技術(shù)服務(wù)，如搜救、VTS、港口和MSI(maritime safety information)服務(wù)等；通信系統(tǒng)是指船-船、岸-船之間的通信設(shè)備與通信鏈路。為此，可將e-航海總體技術(shù)架構(gòu)簡單描述為 “硬幣的三個面”，硬幣的正反兩面分別代表船舶環(huán)境與岸基支持環(huán)境，硬幣的側(cè)面代表鏈接船方與岸方的通信系統(tǒng)[13]。

2 無人駕駛船舶與e-航海的共性分析

e-航海相關(guān)技術(shù)體系主要解決四大問題，即：感知、數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、傳輸[14-17]，而這四大因素也正是實現(xiàn)無人駕駛船舶技術(shù)創(chuàng)新要解決的關(guān)鍵問題。

2.1 感知

e-航海概念中，第一步就是收集船舶內(nèi)部和航行環(huán)境等信息，實質(zhì)上就是感知的過程。感知是實現(xiàn)e-航海的基礎(chǔ)，感知系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)將滿足e-航海發(fā)展的需求，通過相應(yīng)的技術(shù)處理推動船舶自動化、信息化的發(fā)展。感知是無人駕駛船舶的關(guān)鍵技術(shù)，無人駕駛船舶需要依靠人工智能手段，對船舶內(nèi)部數(shù)據(jù)、船舶導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)、航行環(huán)境數(shù)據(jù)(動態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、助航數(shù)據(jù))和岸基支持數(shù)據(jù)等海上運輸相關(guān)信息進行智能感知，輔助無人駕駛船舶安全航行。因此，e-航海和無人駕駛船舶在感知上有一定的共性。對于e-航海技術(shù)和無人駕駛船舶感知技術(shù)來說，需要借助多種設(shè)備儀器，對船舶內(nèi)部信息和船舶外部航行環(huán)境進行感知。

船舶內(nèi)部信息包括機艙內(nèi)主機轉(zhuǎn)速與燃油消耗、船舶貨運設(shè)備的狀態(tài)信息和船舶內(nèi)部各艙室組件狀態(tài)信息。這些信息具有多態(tài)異構(gòu)的特點，因此對這些信息的感知技術(shù)涉及多節(jié)點傳感器采集方法、多態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)[18]。特別是對于貨船，需要利用船載微型傳感器監(jiān)測貨倉和貨物的溫度、濕度、壓力和氣體濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)，保障船舶貨物的安全運輸。對于貨倉和貨物的監(jiān)測所涉及到的感知技術(shù)有：無線通信技術(shù)、射頻識別技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。

船舶航行環(huán)境一般包括航道、水文氣象、通航建筑物和海上目標(biāo)交通狀況等信息。因此，需要采用遙感技術(shù)、視頻檢測等技術(shù)對航道環(huán)境要素感知，以獲取船舶安全通航所需要的信息。這些信息包括航道寬度、航道水深分布和航道交通流量等信息[19]；需要通過水流傳感器、測深儀、風(fēng)向儀等對水文氣象環(huán)境進行感知，以獲得風(fēng)速、風(fēng)向、流速、流向、能見度、濕度、溫度、水深、大氣壓和降水量等信息[20]。

2.2 數(shù)據(jù)

e-航海感知應(yīng)用系統(tǒng)，可采集到大量的海上數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)時代，e-航海岸基支持中心必須建立專業(yè)的數(shù)據(jù)中心，對海事大數(shù)據(jù)進行存儲及挖掘分析，并為各種e-航海應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持服務(wù)及數(shù)據(jù)存取接口[21]。數(shù)據(jù)作為e-航海技術(shù)體系解決的主要問題之一，也驅(qū)動著無人駕駛船舶的發(fā)展，無人駕駛船舶的航行決策以及智能服務(wù)均需要大量的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行智能分析并應(yīng)用，從而保障船舶航行安全。例如，無人駕駛船舶需要對視覺圖像或雷達等傳感器采集到的航行環(huán)境信息進行深度學(xué)習(xí)，將這些數(shù)據(jù)作為無人駕駛系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的輸入進行學(xué)習(xí)，通過對歷史航行數(shù)據(jù)及歷史碰撞事故數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)及預(yù)測后，輸出本船的行為決策命令。

海事數(shù)據(jù)涵蓋面廣且具有多源異構(gòu)特征，如何有效地使用這些數(shù)據(jù)，推進e-航海和無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，是一個亟待解決的問題。傳統(tǒng)的方法有聚類分析、抽樣分析等，尋找數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)以及數(shù)據(jù)和實際的映射關(guān)系。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，與傳統(tǒng)方法不同的是，大數(shù)據(jù)技術(shù)不追求算法的繁瑣性，而追求更高效地對整個數(shù)據(jù)集挖掘有用的信息。目前應(yīng)用在e-航海戰(zhàn)略實施和無人駕駛船舶技術(shù)發(fā)展方面的數(shù)據(jù)分析方法有：深度學(xué)習(xí)法、專家系統(tǒng)和知識計算法，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法構(gòu)建復(fù)雜的模型，并有效地應(yīng)用在船舶交通流量預(yù)測[22]、船舶異常行為預(yù)測[23]和船舶種類識別[24]等方面。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)

感知是技術(shù)基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)要素，而數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)則是核心。2010年， IMO、IALA等國際組織決定，采用IHO(International Hydrographic Organization)的S-100作為e-航海的海上通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[25-26]。目前，國內(nèi)外的e-航海測試系統(tǒng)中的船載系統(tǒng)、岸基系統(tǒng)、船岸直接的通信系統(tǒng)都在采用S-100 進行產(chǎn)品規(guī)范，推動e-航海的建設(shè)。對于無人駕駛船舶來說，不管是數(shù)據(jù)的采集、感知或存取，還是數(shù)據(jù)服務(wù)都應(yīng)該使用統(tǒng)一的海事數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(CMDS)，即數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足岸與船等不同平臺之間的信息交換。

2.4 傳輸

信息傳輸是e-航海技術(shù)架構(gòu)的重要組成部分。目前，海上信息傳輸基本采用物理通信鏈路，通過物理通信鏈路連接船載導(dǎo)助航儀器數(shù)據(jù)與岸基支持服務(wù)[27]。陳亮等[28]提出海上甚高頻寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方法降低了海上信息傳輸?shù)恼`碼率，提高了傳輸效率，促進了e-航海信息傳輸?shù)陌l(fā)展。無人駕駛船舶需要將數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)平臺或用戶之間有效地進行傳輸，包括船對船、船對岸之間的傳輸，因此，e-航海信息傳輸可為無人駕駛船舶的智能通信奠定基礎(chǔ)，無人駕駛船舶技術(shù)系統(tǒng)可直接應(yīng)用e-航海信息傳輸。IMO與IALA提出 “海事云”概念，海事云可以將船舶環(huán)境與岸基支持環(huán)境無縫連接[14]，有效的解決e-航海發(fā)展中的數(shù)據(jù)有效傳輸難題，提高無人駕駛船舶通信的智能化水平。

3 航?？蚣芟聼o人駕駛船舶技術(shù)的發(fā)展思路

e-航海依托解決感知、數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、傳輸這四大問題，由理論走向現(xiàn)實應(yīng)用，e-航海技術(shù)的應(yīng)用為無人駕駛船舶的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，而無人駕駛船舶的發(fā)展也促進了e-航海戰(zhàn)略的實施[29-30]?；趀-航海的無人駕駛船舶系統(tǒng)技術(shù)總體架構(gòu)如圖1所示，它融合了e-航海技術(shù)與無人駕駛船舶技術(shù)，在數(shù)據(jù)中心以S-100為標(biāo)準(zhǔn)，對無人駕駛船舶感知到的信息建立數(shù)據(jù)庫，通過“海事云”向船舶與岸基平臺傳輸信息。

3.1 智能感知

無人駕駛船舶為了更好地保障航行安全，不僅要滿足SLOAS公約中船載設(shè)備的安裝，還需要配備更多的傳感器，對船舶內(nèi)部狀態(tài)信息和航行環(huán)境進行智能感知。航行環(huán)境感知主要是定位與物體識別，在感知階段，隨著e-航海技術(shù)的發(fā)展及基礎(chǔ)設(shè)施的完善，無人駕駛船舶智能感知技術(shù)也需要進一步發(fā)展。

1)擴大感知范圍。目前，海事感知系統(tǒng)大多采用傳感器直接接觸的傳統(tǒng)感知技術(shù)，例如多功能浮標(biāo)加載的潮流傳感器、測深儀等，這些感知技術(shù)的缺點就是傳感面窄，不能進行大范圍信息感知。因此，應(yīng)進一步發(fā)展與創(chuàng)新大范圍感知技術(shù)，比如衛(wèi)星遙感技術(shù)、激光雷達監(jiān)測技術(shù)等，擴大無人駕駛船舶感知范圍，進而為無人駕駛系統(tǒng)智能決策取得足夠的時間。

2)提高海上小型移動目標(biāo)的識別能力。對于無人駕駛船舶來說，雷達等傳感器往往會忽略或過濾掉移動小型物體，因此應(yīng)該結(jié)合多個傳感器，進行智能組合，完成海上移動小型目標(biāo)識別，提高海上小型移動目標(biāo)的識別能力。另一方面，在海上弱小目標(biāo)探測方面，應(yīng)采取船載移動視頻技術(shù)，如電子穩(wěn)像方法[31]，濾除圖像抖動，為海上小型移動目標(biāo)的識別提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

3.2 智能決策

無人駕駛船舶的智能決策是指在給定感知模塊解析出的環(huán)境信息的基礎(chǔ)上控制船舶行為，以保證航行安全。無人駕駛船舶的高層行為可以分為加速、減速、左舵、右舵、直航和緊急停車，智能決策系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)選擇執(zhí)行高層行為。無人駕駛船舶的智能決策系統(tǒng)，按照統(tǒng)一的e-航海岸基系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)中心，匯總各類海事數(shù)據(jù)。海事數(shù)據(jù)中心提供用戶應(yīng)用接口，使無人駕駛船舶的各類應(yīng)用都可以從數(shù)據(jù)中心獲取數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)將提高數(shù)據(jù)驅(qū)動的無人駕駛與人工智能融合的能力。

目前S-100為e-航海通用海事信息標(biāo)準(zhǔn)，因此，無人駕駛船舶智能決策系統(tǒng)應(yīng)組織研究專屬的S-100數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一決策系統(tǒng)內(nèi)各類海事數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為無人駕駛船舶產(chǎn)業(yè)化發(fā)展創(chuàng)造條件。

3.3 智能通信

“海事云”應(yīng)用船聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，實現(xiàn)對船舶、岸基等海事管理要素的全面感知，并通過多種接入方式將感知的信息傳輸至海事支持信息通信網(wǎng)[32]。圖2為海事云基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)由船端、岸端和云端三部分組成?？傮w上，“海事云”整合了船端與岸端信息資源，提升了信息資源的深度開發(fā)與在無人駕駛技術(shù)的綜合利用水平，促進了云計算與海事管理及服務(wù)的深度融合，提高了無人駕駛船舶的智能通信技術(shù)。

4 結(jié)論

本文探討了無人駕駛船舶技術(shù)與e-航海技術(shù)的共性，提出了基于e-航海的無人駕駛船舶系統(tǒng)技術(shù)總體架構(gòu)，探討了無人駕駛船舶智能感知、智能決策和智能通信在e-航海框架下的發(fā)展思路。隨著e-航海的全面實施，無人駕駛船舶與e-航海的共性技術(shù)，感知、數(shù)據(jù)和傳輸應(yīng)以e-航海為基礎(chǔ)，不斷發(fā)展，為無人駕駛船舶智能決策提供服務(wù)。