海上水面自主船舶（MASS）航海保障需求簡析

鄭國旺 邢玉林 王毅

摘 ?要：本文從國際海事組織對海上水面自主船舶（MASS）層級劃分出發(fā)，通過對MASS航行風險和其航行所需的航海保障關鍵技術(shù)分析，對MASS航行的各個階段所需的航海保障服務進行了簡要的分析。

關鍵詞：海上水面自主船舶;航行風險;航海保障

0 引 言

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，并將自主船的劃分為以下4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4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。

當前，海上水面自主船舶發(fā)展處于起步階段，國內(nèi)外在智能船舶標準指南文件的起草、軟件系統(tǒng)開發(fā)以及船舶建造等方面都取得了突破性的進展。2019年12月15日，我國自主研發(fā)的小型自主航行貨船“筋斗云0號”在珠海東澳島首航，對于我國船舶自主航行技術(shù)的研發(fā)、測試、規(guī)范標準制定具有開創(chuàng)性意義。同樣，海上水面自主船舶的出現(xiàn)將為航海保障工作提出更多要求，國際航標協(xié)會（IALA）的e—航海、信息服務及通信（ENAV）委員會在2018—2022年工作計劃中對海上水面自主船舶提出了“視需要，從海上航標的角度就海上自主船舶與IMO進行聯(lián)絡”和“對適用于MASS的新興技術(shù)進行監(jiān)測和報告”的工作任務，與MASS相關的航海保障服務研究也亟待豐富。

1 MASS航行風險分析

MASS的安全性一直以來都是為人矚目的重要議題，國際上對其航行安全的風險評估研究也不在少數(shù)，作為為船舶提供航海保障服務的航海保障機構(gòu)更應在充分認知MASS航行風險的前提下對其航海保障需求進行分析。MASS是船舶行業(yè)未來發(fā)展的趨勢，但歸根結(jié)底仍是船舶，具備一般船舶復雜多樣的航行風險。

船舶航行過程中受到內(nèi)部和外部各種各樣風險因素的影響，這些因素既包含航道維度、交通流、自然環(huán)境等外部風險因素，也包含人為操作的內(nèi)部風險因素，涵蓋了人、船、環(huán)境、管理等各個方面[2]。本文聚焦MASS層級分類及設備智能化程度高的特性，主要從硬件、軟件、管理等內(nèi)部風險和外部環(huán)境風險的角度進行分析。MASS航行風險框架如圖1所示。

1.1 硬件風險

硬件風險包括船舶船齡、速度、噸位、密封性、穩(wěn)性等船舶性能和通導、供電、動力、壓載、排水系統(tǒng)等硬件設施。對于自主I—II級MASS船舶，設備故障可由船員現(xiàn)場及時解決，而對于自主III—IV級的MASS船舶來說一旦出現(xiàn)硬件故障，修理工作無法及時開展，會對其航行安全產(chǎn)生致命影響。

1.2 軟件風險

軟件系統(tǒng)是確保航行數(shù)據(jù)有效交互的重要系統(tǒng)，對于自主III、IV級的MASS來說，軟件風險主要涉及船舶的系統(tǒng)程序，包括導航定位、危險預警、海圖改正、航線設計、工況監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)控和船—船、船—岸信息交互等，準確無誤的信息數(shù)據(jù)有利于及時發(fā)現(xiàn)潛在風險，為船舶安全航行提供決策支撐。數(shù)據(jù)泄露或軟件程序遭受黑客攻擊，將會導致MASS失控甚至失去聯(lián)系。

1.3 管理風險

船舶的定期維護管理、海事機構(gòu)監(jiān)管、航行指揮及人為因素是影響船舶安全航行的主要管理控制因素。對所有在水上航行的MASS來說，船舶硬件的損傷、腐蝕等損耗不可避免，海事機構(gòu)依法監(jiān)管強制執(zhí)行，監(jiān)管缺位、定期維修不到位都會使船舶航行安全風險加劇。對于自主I—III級MASS來說，由人主導的航行指揮失誤極易導致船舶操作上的失誤，從而造成嚴重后果。自主III、IV級MASS相比于一般船舶也更易被海盜、恐怖主義攻擊劫持。

1.4 外部環(huán)境風險

外部環(huán)境風險主要由航道維度、走向等水文因素和海上礙航物、通航密度、氣候等不確定性大且不可控的因素構(gòu)成。所有自主層級的MASS在航行過程中若對地理資料、水文、交通流、氣象等信息掌握不清，缺少及時更新，則遭遇不利航行條件如發(fā)生船舶碰撞、觸損、擱淺、沉沒的風險會相應增大。同時，自主III、IV級MASS對其所航水域助航服務，即航行水域航標配布的完備狀況要求相對更高。

2 適應MASS的導助航服務關鍵技術(shù)

目前的航海保障服務體系可以極大程度滿足自主I—II級MASS的導助航服務需求，但對于自主III或IV級高度智能化、無人化的船舶來說，現(xiàn)有的導助航服務體系仍需在一些關鍵技術(shù)上實現(xiàn)突破，應用新技術(shù)充分辨識MASS航行的顯性和隱形航海保障需求，構(gòu)建起適配各型海上航行船舶的綜合智能航海保障體系才能有效保障其航行安全。從前文所述MASS航行內(nèi)部及外部環(huán)境風險因素分析，結(jié)合航海保障發(fā)展趨勢，本文認為可在通信保障、數(shù)據(jù)處理、船—標、船—船信息交互、應急處置等方面進一步進行技術(shù)研發(fā)。

2.1 通信保障

高度智能化、無人化的MASS對信息通信依賴程度極高，對自主III—IV級MASS來說，任何時刻、任意地點通信中斷或延遲，都會對其安全航行決策的有效執(zhí)行帶來致命影響，在交通繁忙水域甚至會影響到其他船舶的航行安全，釀成海事事故。因此，通信持續(xù)穩(wěn)定高效是保證MASS實時更新海上安全信息，開展一切航行與決策的基本前提。在鞏固和改造傳統(tǒng)通信技術(shù)應用的基礎上加強VDES、NAVDAT、衛(wèi)星通信、5G等技術(shù)研發(fā)，逐步構(gòu)建海上移動通信、公共網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信等多種形式的“多元通信”的信息網(wǎng)絡，在IMO框架要求下統(tǒng)一的通信標準、通信協(xié)議和接口，形成方式多樣的無障礙通信保障，能夠有效保障MASS基本通信需求。

2.2 數(shù)據(jù)處理

全面具體的數(shù)據(jù)分析是為MASS提供安全、準確的航行決策，確保安全航行的主要因素。船舶航行數(shù)據(jù)涵蓋了船舶自身基礎數(shù)據(jù)和航速、航向、位置、載重、設備工況、水文、氣象等航行動態(tài)數(shù)據(jù)，信息量龐大，能夠全方位體現(xiàn)船舶航行動態(tài)。按照IMO為實現(xiàn)e-航海服務而提出的海事服務集（MSP）理念，整合航海保障數(shù)據(jù)資源，按照區(qū)域協(xié)調(diào)的原則建立航海保障數(shù)據(jù)中心，充分利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化信息技術(shù)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合海事測繪S—100數(shù)據(jù)模型和信息標準，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，可為MASS提供適配其航行計劃的航行信息備案、航路生成、航線推薦等功能，同時航行數(shù)據(jù)共享也有助于促進水域通航環(huán)境安全[3]。

2.3 信息交互

航標是MASS能否順利進出港的重要導助航設施。不同自主層級的MASS在進出港過程中對航標的需求不同，如自主I—II級MASS有船員在船的情況下，可由船員對航標進行識別并在船舶進出港過程中實施有效的人工操縱及干預。對于自主III級岸基遙控或自主IV級完全無人的MASS來說，航標尤其是海上浮動標志應能在白晝、黑夜以及各種不同氣象條件如大霧、大雨等能見度不足的情況下均能被MASS有效識別，這就要求船—標之間應有一定程度的信息交互以確保船舶進出港交通安全，也就是說對于自主III或IV級的MASS，航標應有一定的主動發(fā)訊和信息反饋功能。

目前，AIS航標可實現(xiàn)與高自主層級的船舶信息簡單交互和識別，但AIS航標存在時隙復用、信息容量、能源功耗大等問題，加快AIS航標的技術(shù)研究和創(chuàng)新，增強AIS航標的推廣布設力度，在港口及沿岸重要區(qū)域形成AIS航標信號全覆蓋，能夠有效適配各類MASS的航海保障服務需求。

2.4 應急保障

不同于其他船舶，自主III級、IV級MASS船舶如發(fā)生船艙漏水、擱淺、碰撞、遭遇劫持、機械設備故障導致船舶失電或動力喪失等緊急情況時，由于其有限的自我修復能力和應急反應能力，會對自身和海域內(nèi)其他船舶航行作業(yè)安全產(chǎn)生災難性影響。海事和航海保障機構(gòu)應能在多維、多層次的感知、收集和積累海上安全數(shù)據(jù)的基礎上，通過建立船舶事故檔案、大數(shù)據(jù)分析建立船舶風險模型，定期向航行MASS播發(fā)惡劣氣象、航海警告、航線預警、多發(fā)故障類型等預警信息，主動為MASS提供準確、高效、個性化的預警服務。同時MASS的出現(xiàn)也對海事監(jiān)管和航海保障應急反應工作提出了更高的要求，當MASS海損事故不可避免，海事監(jiān)管和航海保障機構(gòu)應在接到遇險事故數(shù)據(jù)的第一時間啟動應急響應，向事故海域其他航海用戶播發(fā)事故信息，分析評估并組織海上應急反應力量開展工作（包括但不限于應急掃測、應急設標和關鍵設備搜尋打撈等應急措施）。

3 MASS航海保障需求分析

以MASS航行一個完整航次為例，可將MASS單次航行為由準備階段—離泊—受限水域航行—開闊水域航行—受限水域航行—靠泊等若干階段組成的閉環(huán)系統(tǒng)。本文將整個航次簡化為航行準備、受限水域航行、開闊水域航行等3個階段進行分析。

航行準備階段是航行的第一階段，該階段是MASS可上傳航行計劃由海事管理機構(gòu)進行審核備案，航行計劃經(jīng)海事監(jiān)管部門審核通過后即可由航海保障機構(gòu)為其提供導助航相關服務，準備階段的主要航海保障需求是氣象預警、智能航路設計以及航線推薦;

受限水域航行主要為港口、航道及交通繁忙水域航行，此一階段航行條件較為復雜，主要的航海保障需求主要為航標導航需求，有效的船—標、船—岸、船—船通信必須得到保障;

開闊水域航行階段主要的航海保障需求為船—船、船—岸通信保障、導航服務、實時數(shù)據(jù)交互更新及處理、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)控、船舶工況監(jiān)測以及航行應急保障服務。MASS船舶航行的航海保障需求流程如圖2所示。

無論哪個階段，有效的通訊船—船、船—岸、船—標通訊和航海保障應急反應力量必須得到全天候保證。

4 結(jié) 語

海上水面自主船舶的出現(xiàn)將極大改變航運界的船舶運營格局，也必然會給航海保障事業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)。航海保障服務機構(gòu)應順應時代發(fā)展趨勢，在充分評估MASS面臨的航行、作業(yè)安全風險基礎上理解其顯性和隱形的航海保障需求，堅持需求導向，以創(chuàng)新驅(qū)動現(xiàn)有的導助航服務體系智能化升級，優(yōu)化適用于各類MASS的航海保障服務流程，搭建起海上航行船舶的綜合智能航海保障體系，更好地為船舶提供全時、全域、全天候的航海保障服務，助力海上通航環(huán)境安全穩(wěn)定。

參考文獻

[1] 中國船級社.自主貨物運輸船舶指南（2018）.北京，2018：1.

[2] 萬子謙. 船舶航行風險的識別、過濾與評估研究[D].哈爾濱工程大學，2017.

[3] 聶乾震.基于e-航海理念的現(xiàn)代化綜合航海保障系統(tǒng)研究[J].中國海事，2016（12）：22-25.