淺析海上水面自主船舶（MASS）四層級分類下的航標船舶智能化發(fā)展

鄭國旺?孔富鑌?顏昊?劉孜涵

摘 ?要：本文從國際海事組織對海上水面自主船舶層級劃分出發(fā)，結(jié)合當前航標船舶航行作業(yè)、智能船舶技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及問題，通過論述MASS四層級劃分下航標船舶“標準先行，改造為主，梯次推進”的智能化發(fā)展思路，以及對關(guān)鍵技術(shù)的簡要分析，從服務(wù)航海保障事業(yè)的角度，客觀簡要地分析了不同自主層級航標船舶智能化發(fā)展所需經(jīng)歷的階段及相關(guān)軟件、硬件支撐。

關(guān)鍵詞：海上水面自主船舶;自主層級;航標船舶;智能化發(fā)展

1 海上水面自主船舶（MASS）綜述

1.1 MASS的概念及層級劃分

海上水面自主船舶（Maritime Autonomous Surface Ships，簡稱MASS）是指在不同程度上可以獨立于人員干預(yù)運行的船舶。2018年5月，在倫敦舉行的國際海事組織海事安全委員會（MSC）第99次會議上，國際海事組織（IMO）提出了自主程度的初步定義，將自主船的劃分為以下四個層級[1]：

（1）船舶具有自動化程序操作和決策支持的功能;

（2）船舶具備遠程遙控的功能，同時有船員在船;

（3）船舶具備遠程遙控功能，無船員在船;

（4）船舶完全自主。

為方便開展論述，本文將上述四個層級按照順序依次分為自主I級、自主II級、自主III級、自主IV級。

1.2 自主與智能

從一般意義上講，自主與智能是兩個不同范疇的概念。自主是指能夠自己做出決策并決定行動的船舶和/或船上具有控制功能的系統(tǒng)。自主表達的是行為方式，由自身決策完成某行為則稱為“自主”;智能則是完成行為過程的能力，也就是運用的方式方法以及策略是否符合自然規(guī)律或符合人（或某團體）的行為規(guī)則，在千變?nèi)f化的環(huán)境中找到合理的“路徑”完成某項任務(wù)，則稱為是智能的[2]。對于航標船舶來說，由于其航行與作業(yè)的特殊性，在MASS四層級分類下探討自主與智能兩者之間的關(guān)系應(yīng)該是：智能在前，自主在后，兩者相輔相成，因此本文將從自主I-IV級分別對應(yīng)航標船舶不同的智能化程度來展開分析。

2 航標船舶的發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)問題

2.1 航標船舶綜述

航標船是指設(shè)有起放航標的起重機和絞盤等設(shè)備，在航道與其附近的暗礁、淺灘、巖石處進行航標布設(shè)、巡檢、補給、修理、維護作業(yè)的船舶。我國現(xiàn)役航標船中主要船型有大、中型航標布設(shè)船和小型航標巡檢船。大型航標船主要承擔海區(qū)活節(jié)式燈樁及大中型浮標的更換和維護任務(wù);中型航標船主要承擔區(qū)域性中小型浮標的布設(shè)和巡檢維護任務(wù);小型航標巡檢船主要承擔港區(qū)及附近水域航標的日常巡檢維護工作[3]。

2.2 航標船舶作業(yè)模式

近年來，船舶工業(yè)的發(fā)展使得航標船舶的機械化水平顯著提高，海上航標的作業(yè)模式也隨之發(fā)生改變。從最初的“跳標”檢查維護到現(xiàn)在的側(cè)向推進裝置、動力定位、襟翼舵、起重機、絞盤、夾持臂、棄鏈器、制鏈器、電磁吸盤、機械臂手等航標船舶專用設(shè)備設(shè)施的應(yīng)用，航標船舶的作業(yè)模式也已從“人力主導(dǎo)”的傳統(tǒng)作業(yè)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭肆χ鲗?dǎo)-船舶簡單協(xié)作”的半機械化作業(yè)模式，極大地保障了人員的作業(yè)安全，減輕了作業(yè)人員的勞動強度。

2.3 存在的問題

航標船舶作業(yè)模式的轉(zhuǎn)變雖然有效提升了作業(yè)效率，但從船舶航行角度以及目前“人力主導(dǎo)-船舶簡單協(xié)作”的半機械化作業(yè)模式角度出發(fā)，問題依然存在。一是船型老舊。我國現(xiàn)役航標船船型大多為傳統(tǒng)船型，船舶抗風浪能力、耐波性較弱，惡劣的海況下作業(yè)安全無法保證。二是船舶操縱性能差。航標船舶大多航行在交通流量大、海況復(fù)雜的水域，且大部分航標船舶推進方式為主機直接驅(qū)動螺旋槳，船的低速性和操縱性能差、不能滿足航標作業(yè)的特殊需要。三是作業(yè)機械化程度差。姑且不談航標專業(yè)設(shè)備的普及應(yīng)用情況，在航標作業(yè)中，除用吊機的起重能力和絞盤拉力外，大量的海上航標作業(yè)的輔助工作如排鏈、棄鏈、掛標、檢視、擺向控制、浮標燈器拆卸更換等輔助工作依然需要人力操作協(xié)同完成，不僅勞動強度大，還存在較大安全隱患。

3 當前智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新理念、新技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，為船舶自主、智能技術(shù)發(fā)展注入了更強大的動力，智能船舶逐步成為國內(nèi)外研究的熱點[4]。

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國船級社（ABS）在2014年3月批準了一艘2 200 m3的無人駕駛液化天然氣駁船的建造，用于美國沿海水域船對船的LNG轉(zhuǎn)運或LNG散裝運輸。2016年7月，英國勞氏船級社（LR）發(fā)布了智能船舶入級指導(dǎo)文件，基本囊括了自動化船舶入級的各個方面。挪威船級社（DNV-GL）也正在對采用電力推進的無人駕駛船沿挪威海岸線進行貨物運輸?shù)目尚行赃M行研究。

歐盟于 2012 年由 Fraunhofer海運物流和服務(wù)中心領(lǐng)導(dǎo)開展MUNIN（Maritime unmanned navigation through intelligence in network）項目，從技術(shù)、經(jīng)濟和法律三個方面，對海上大型無人駕駛商用散貨船的運行可行性進行了評估。羅爾斯羅伊斯公司（Rolls-Royce Marine）在2016 年公布了其高級無人駕駛船舶應(yīng)用開發(fā)計劃（AAWA），公開了用在無人駕駛船隊遠程監(jiān)控上的岸基操作控制中心的構(gòu)想，并與瑞典渡船公司 Stena Line AB 合作研發(fā)了船舶智能感知系統(tǒng)。日本于2014年1月至2017年3月啟動“智能船舶應(yīng)用平臺項目”（SSAP），由日本船舶機械與設(shè)備協(xié)會（JSMEA）牽頭，聯(lián)合多家造船、配套、航運和檢驗單位共同參與，旨在建立船舶及岸上獲取船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的標準化方法，不斷提高船舶的安全性與環(huán)保性[5]。

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2015年5月，我國提出《中國制造2025》戰(zhàn)略計劃，為智能船舶的發(fā)展指明了方向;中國船級社（CCS）在2016年3月生效《智能船舶規(guī)范（2015）》，在2018年10月發(fā)布《自主貨物運輸船舶指南》;2018年12月，工業(yè)和信息化部、交通運輸部、國防科工局聯(lián)合發(fā)布《智能船舶發(fā)展行動計劃（2019—2021年）》，明確了船舶智能化發(fā)展的總體思路和重點任務(wù)。

2017年12月5日，我國自主研制的全球第一艘通過英國勞氏船級社和中國船級社認證的智能船舶“大智”號在上海正式交付使用。2018年11月，由中國船舶工業(yè)集團有限公司所屬上海外高橋造船有限公司為招商局能源運輸股份有限公司量身訂造的全球首艘40萬噸智能超大型礦砂船（VLOC）“明遠”號在上海命名交付。2019年2月，在巴塞羅那舉行的世界移動通信大會上，珠海云洲智能攜手愛立信、中國移動公司打造的5G無人船亮相，實現(xiàn)了高清視頻實時回傳、VR后端演示、無人船舶遠程控制、遠程控制污水精準取樣等功能，引發(fā)外界關(guān)注。

以目前的智能船舶發(fā)展形勢，不難預(yù)見，未來 30 年內(nèi)自主船、智能船將徹底改變船舶設(shè)計、建造和運營的格局。航標船舶也應(yīng)順應(yīng)時代大潮，在現(xiàn)有的船舶智能技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照IMO對MASS的層級劃分逐步完成智能及自主發(fā)展。

4 MASS四層級分類下的航標船舶智能化發(fā)展思路

從IMO對MASS的層級劃分不難看出自主船的發(fā)展是逐步和階段性的。航標船舶的自主化進程也應(yīng)是分層次、逐步、階段性地開展。相比于遠洋船舶，航標船舶大多航行于近海港區(qū)，種類多，作業(yè)環(huán)境交通流量大、作業(yè)內(nèi)容復(fù)雜。

基于上述航標船舶的作業(yè)特殊性，其自主化程度發(fā)展應(yīng)以航標船舶設(shè)備的機械化、智能化水平為出發(fā)點，兼顧海上航標作業(yè)模式的自主化展開，按照“標準先行、改造為主、梯次推進”的方式，即以應(yīng)用標準為基礎(chǔ)，以改造為主要手段，根據(jù)各類航標船舶的航行作業(yè)特點統(tǒng)籌兼顧有針對性地制定發(fā)展策略，推動航標船舶智能化發(fā)展。

4.1 量體裁衣，標準先行

適合航標船舶自主化發(fā)展的標準或規(guī)范性文件是自主航標船舶建造并投入使用的基礎(chǔ)。我國現(xiàn)有規(guī)范標準發(fā)展尚在起步階段，圍繞智能船舶所涉及的信息感知、通信導(dǎo)航、能效控制、自主航行等關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)現(xiàn)有可供參考的技術(shù)標準主要是中國船級社（CCS）在2016年3月正式生效的《智能船舶規(guī)范（2015）》[6]和2018年10月發(fā)布的《自主貨物運輸船舶指南》，而《智能船舶發(fā)展行動計劃（2019—2021年）》[7]明確將按照“分類實施，梯次推進”的基本原則，積極推進智能船舶規(guī)范、基礎(chǔ)通用標準、船載系統(tǒng)標準、岸基系統(tǒng)標準、網(wǎng)絡(luò)和信息安全標準、測試與驗證標準等智能船舶規(guī)范標準體系的建立，因此不難預(yù)見，針對自主航標船舶的相關(guān)指南或其他具有普適性的指導(dǎo)性標準將會很快出現(xiàn)。

需要注意的是，針對自主航標船舶的標準不應(yīng)只局限于自主航標船的建造?；谧灾骱綐舜?wù)航海保障工作的事實，自主航標船舶的發(fā)展應(yīng)按照自主化層級的不同細化應(yīng)用標準，并兼顧航海保障的一系列行業(yè)執(zhí)行標準，“量體裁衣”才能更符合航海保障工作發(fā)展需要。層級與對應(yīng)標準如表1所示：

4.2 由簡至繁，改造為主

船舶設(shè)備智能化程度的提高是航標船舶自主層級提高的前提。對于航標船舶來說，設(shè)備智能化程度的提高同樣意味著航標作業(yè)模式的改變。相比于直接建造一艘自主II級或以上的航標船舶，技術(shù)改造成本低，對現(xiàn)有航標船舶設(shè)備的逐步改造和智能升級與當前相對落后的半機械化作業(yè)模式更匹配，經(jīng)濟性、實用性更好。因此，通過船舶技術(shù)改造以提高航標船舶設(shè)備的智能化水平在未來一段時間內(nèi)仍是航標船舶自主化發(fā)展的主要方式。層級與對應(yīng)層級設(shè)備改造水平如表2所示：

4.3 由小至大，梯次推進

我國現(xiàn)役航標船舶因承擔作業(yè)性質(zhì)的不同分為大、中、小三種航標船舶。大型航標船（2 000噸級）、中型航標船（800～1 200噸級）主要承擔浮標的更換和維護任務(wù);小型航標巡檢船（拖輪、航標夾持船、17 m級鋼質(zhì)艇）主要承擔航標拖帶、日常巡檢維護工作?；诤綐舜白鳂I(yè)環(huán)境復(fù)雜、大中型航標船作業(yè)過程中對船舶航行作業(yè)穩(wěn)性、作業(yè)精確程度的高要求、小型航標船對作業(yè)效率及故障解決的高要求，結(jié)合智能船舶技術(shù)發(fā)展尚處于起步階段的實際，建議航標船舶自主化在相當一段時間范圍內(nèi)按照功能對應(yīng)層級的模式發(fā)展。層級相對應(yīng)的航標船舶類型如表3所示：

5 自主航標船舶智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

按照自主I-IV層級分類，自主航標船舶可通過對航標船舶的動力機電、通信與導(dǎo)航、靠離泊、航標作業(yè)操作、艙室設(shè)備等現(xiàn)有設(shè)備系統(tǒng)的智能化改造逐步升級船舶的智能程度。航標船舶的自主化升級應(yīng)重點圍繞船舶感知、航行控制、作業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、船舶安保等智能模塊系統(tǒng)的構(gòu)建及整合進行開展（如圖1所示）。

5.1船舶感知

通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器信息融合技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、船載攝像機穩(wěn)像技術(shù)、海面紅外與可見光圖像融合技術(shù)、海面弱小目標檢測技術(shù)、海面目標模式識別等關(guān)鍵技術(shù)對航行環(huán)境、船舶狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、尤其是航標狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)進行采集、交互、融合、分析，輔助船舶操縱、航標作業(yè)控制決策。

5.2 航行控制

通過應(yīng)用船舶自主氣象導(dǎo)航技術(shù)、船舶避碰、避礁和防擱淺一體化技術(shù)以及航海信息的智能處理技術(shù)、基于態(tài)勢感知的智能航行技術(shù)、船岸協(xié)同下的遠程遙控駕駛技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)為航標船舶在近海港區(qū)等交通流量大、情況復(fù)雜的水域進行航行、航標作業(yè)提供科學(xué)、自主、安全、高效的決策[8]。

5.3 作業(yè)控制

通過應(yīng)用船舶動態(tài)定位、動載平衡技術(shù)、自動排鏈、脫鉤技術(shù)、浮標追蹤夾持技術(shù)、燈器自動檢修技術(shù)、材料檢測等關(guān)鍵航標作業(yè)技術(shù)對航標作業(yè)進行智能化控制。

5.4 網(wǎng)絡(luò)通信

通過應(yīng)用船域網(wǎng)、船岸交互、船舶海上自組網(wǎng)、5G移動通訊、衛(wèi)星通訊技術(shù)、智能路由選擇技術(shù)、數(shù)據(jù)智能壓縮技術(shù)、船岸一體化信息集成與融合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)自主航標船舶低延時、低成本、小功耗、數(shù)據(jù)輕量化傳輸?shù)拇?岸、船-船、船-標通信系統(tǒng)的建立。

5.5 船舶安保

對于航標船舶來說，船舶的安保主要集中在航行作業(yè)安全、消防、網(wǎng)絡(luò)與通訊安全等方面，可通過應(yīng)用遠程監(jiān)測技術(shù)、故障診斷技術(shù)、船 岸-港、船-船、船-標和船舶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)鏈路抗干擾、防阻斷、反竊聽技術(shù)、數(shù)據(jù)加密、防篡改、數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)、硬件加固技術(shù)等安全防護技術(shù)保障自主航標船舶安全。

6 結(jié)束語

IMO對MASS的四層級分類為航標船舶智能化發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。按照目前的船舶智能化總體發(fā)展水平，航標船舶的智能發(fā)展應(yīng)在現(xiàn)有MASS四層級分類的框架下找準出發(fā)點，以應(yīng)用標準為基礎(chǔ)，以改造為主要手段，根據(jù)各類航標船舶的航行作業(yè)特點有針對性地制定發(fā)展策略。同時結(jié)合航標船舶服務(wù)航海保障的實際，按層級、分類別地構(gòu)建航標船舶海上作業(yè)規(guī)范等理論體系，在感知、信息、控制、等關(guān)鍵智能技術(shù)的研究應(yīng)用方面形成長期規(guī)劃，并對其航行及作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性進行長時間真實環(huán)境下的反復(fù)測試，才能逐步提高航標船舶的智能化水平。雖然這個階段可能需要經(jīng)歷十年或更多時間，但不可否認的是，隨著船舶智能技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，自主航標船舶的出現(xiàn)必將會對海上航海保障工作產(chǎn)生積極深遠的影響。

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