對(duì)船舶極地智能航行的思考

中國(guó)船級(jí)社 賀 辭 鄧林義 曹 晶

相對(duì)于常規(guī)水域航行，極地航行水域存在大量浮冰與冰山，氣象海況復(fù)雜，對(duì)船舶的極地航行造成了較大的操作風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，船舶智能化技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用已然成為促進(jìn)和提升船舶安全及環(huán)保水平、營(yíng)運(yùn)效率及經(jīng)濟(jì)性的重要手段。中國(guó)船級(jí)社于2015年發(fā)布了《智能船舶規(guī)范》，并在2020年升級(jí)修訂。其中，船舶智能航行的功能要求已在多型開(kāi)展了應(yīng)用（見(jiàn)表1），為船舶的航行操作提供決策建議，并取得了初步成效。

表1 智能航行功能實(shí)船應(yīng)用現(xiàn)狀

極地冰區(qū)智能航行是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)的研究任務(wù)，也是亟需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題，本文以現(xiàn)有船舶智能航行方面的研究成果與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)分析與研究極地水域航行環(huán)境的特征，并結(jié)合不同類(lèi)型船舶的航行性能，提出適用于極地水域智能航行的功能要求與建議，進(jìn)一步降低船舶極地航行場(chǎng)景下的操作風(fēng)險(xiǎn)，提高安全性，為未來(lái)船舶極地航行的發(fā)展提供保障。

極地智能航行目標(biāo)

目前，智能船舶功能要求的制定采用了基于目標(biāo)（GBS）的方法。對(duì)于低緯度航線普通貨物運(yùn)輸船舶而言，智能航行的目標(biāo)應(yīng)是確保航行安全的前提下，兼顧航行的經(jīng)濟(jì)性，使得船舶航行更加安全、更加經(jīng)濟(jì)、更加高效、更加環(huán)保。然而，對(duì)于船舶的極地航行，其智能化的目標(biāo)有所差異，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、對(duì)于極地科考船舶，是否安全抵達(dá)預(yù)期位置，完成科考任務(wù)，是其主要目的，航行經(jīng)濟(jì)性不是主要考慮因素。

2、對(duì)于極地貨運(yùn)船舶，極地航線較之于傳統(tǒng)低緯度亞洲-歐洲、亞洲-美洲航線，可以大幅縮短航程及航行天數(shù)，其經(jīng)濟(jì)性在船舶選擇極地航線時(shí)已經(jīng)凸顯。此外，北極水域常年大面積冰雪覆蓋，其航線相對(duì)固定，航線調(diào)整對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響十分有限，同時(shí)頻繁變換航線也將為航行安全埋下隱患。不像低緯度航行，航線有大范圍的調(diào)整空間，可以通過(guò)航線的調(diào)整和優(yōu)化提高經(jīng)濟(jì)性水平。

3、極地水域環(huán)境惡劣，救援及響應(yīng)不及時(shí)，航行過(guò)程中一旦出現(xiàn)事故，對(duì)安全、環(huán)境、極地生態(tài)的影響重大，后果嚴(yán)重。

因此，不同于低緯度航行，船舶極地智能航行的目標(biāo)應(yīng)聚焦于提升極地航行安全和環(huán)保。

極地航行操作風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

船舶的極地水域航行主要存在如下客觀風(fēng)險(xiǎn)：

1、惡劣天氣：極地水域的低溫將對(duì)設(shè)備性能造成影響，尤其是通信導(dǎo)航設(shè)備及安全設(shè)備的性能；極地水域的大霧和大雪天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)能見(jiàn)度的影響嚴(yán)重，增加了航行的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。此外，低溫與霧雪環(huán)境也容易使航行設(shè)備表面積冰，造成設(shè)備損壞或性能降低。

2、浮冰及冰山：極地附近海域常年漂浮隨著季節(jié)變化的海冰和冰山，尤其隨著緯度的增加，氣溫越低，浮冰區(qū)域面積越大，海冰密集度越高，冰層越厚，這些對(duì)于船舶航行帶來(lái)很大的困難，容易發(fā)生碰撞和冰困，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞乃至威脅船舶航行安全。對(duì)于南極航行，則存在冰山和冰架，存在冰崩的危險(xiǎn)。

3、編隊(duì)航行碰撞：船舶在冰區(qū)編隊(duì)破冰航行時(shí)，跟馳船舶由于跟隨距離及速度的把握，有可能造成編隊(duì)船舶前后碰撞的可能。

船舶極地智能航行功能研究

1、極地智能航行范圍

對(duì)于船舶極地智能航行應(yīng)具備的功能和自主化程度，目前國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)船舶自主等級(jí)提出了從輔助決策到完全自主的四個(gè)等級(jí)的劃分，基于此，中國(guó)船級(jí)社《智能船舶規(guī)范》（2020）中也根據(jù)船舶航行實(shí)際，針對(duì)性地提出了相應(yīng)的智能航行功能要求（詳見(jiàn)表2）。

表2 IMO智能船舶自主化程度劃分與CCS智能船舶規(guī)范（2020）智能航行功能對(duì)應(yīng)表

對(duì)于極地智能航行，在操作上存在特殊性和局限性，需要大量的人為介入?yún)⑴c操作決策，且面臨更大的客觀風(fēng)險(xiǎn)。因而自主航行和遙控航行功能對(duì)于極地水域航行船舶暫不適用。

鑒于此，本文立足于實(shí)際，僅從輔助決策的角度，開(kāi)展極地智能航行功能研究。即，為船上人員的航行操作提供決策支持和建議，相關(guān)決策支持功能不取代船長(zhǎng)責(zé)任與權(quán)力，也不改變駕駛員正常職責(zé)和良好船藝的原則。

2、極地智能航行功能建議

通過(guò)結(jié)合極區(qū)的操作特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)于船舶的極地破冰航行以及護(hù)航船舶的極地編隊(duì)航行兩類(lèi)場(chǎng)景，分別提出以下兩項(xiàng)智能功能建議：極地智能航線規(guī)劃；極地智能編隊(duì)航行/護(hù)航?jīng)Q策。

（1）極地智能航線規(guī)劃

目前，極地船舶的航線規(guī)劃是由船上人員綜合考慮船舶設(shè)計(jì)冰級(jí)、操作限制、天氣情況、冰情，以及航行任務(wù)等因素，在開(kāi)航前人工完成策劃。極地智能航線規(guī)劃功能面向冰區(qū)破冰航行的船舶，該功能根據(jù)船舶自身技術(shù)條件和性能（設(shè)計(jì)冰級(jí)、破冰能力、極地服務(wù)溫度、航速限制）、極地科考/航行任務(wù)、船舶吃水情況，并考慮航行水域冰情及風(fēng)、浪、流、涌等環(huán)境因素，在開(kāi)航前自動(dòng)對(duì)極地水域航行航線的航路與航速進(jìn)行規(guī)劃，并在船舶極地航行過(guò)程中不斷根據(jù)外在條件的改變及時(shí)調(diào)整航線規(guī)劃，避開(kāi)航路上的冰山、大型浮冰及其他固定障礙物。其目的旨在借助智能化的手段，在船舶開(kāi)航前和航行中全面考慮極地航次任務(wù)中的各項(xiàng)影響因素，對(duì)航路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃和調(diào)整，更好地保障船舶及船上人員在極地水域航行和作業(yè)的安全；降低人為因素的影響、減輕駕駛?cè)藛T工作負(fù)擔(dān)，降低冰困及碰撞等航行風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述要求，對(duì)規(guī)劃功能、輸入需求、限制條件進(jìn)行了如下研究：

①功能要求：智能航線規(guī)劃的功能既需要全局的航線規(guī)劃，也需要根據(jù)航行中的實(shí)際情況突發(fā)狀況作出調(diào)整，因此，智能航線規(guī)劃應(yīng)需要同時(shí)考慮整體和局部，實(shí)現(xiàn)大尺度和近距離兩種類(lèi)型的規(guī)劃：

◆ 航線大尺度調(diào)整：根據(jù)接收的實(shí)時(shí)冰況及氣象數(shù)據(jù)的更新和航次任務(wù)的變化，對(duì)航線進(jìn)行全局規(guī)劃或大尺度調(diào)整；

◆ 近場(chǎng)航線調(diào)整：根據(jù)航行中實(shí)時(shí)感知獲取的船舶附近的海冰、冰山數(shù)據(jù)及其他環(huán)境信息，進(jìn)行短距離的航線與航速的調(diào)整，繞開(kāi)冰山及其他水面固定障礙物，避免碰撞、冰困等緊迫情況的發(fā)生。

②信息輸入需求：船舶在極地水域的航路規(guī)劃，應(yīng)立足于船舶自身的設(shè)計(jì)參數(shù)與操作性能。船舶性能通常應(yīng)考慮：船舶總布置圖；船體型線圖、中橫剖面及舭龍骨細(xì)節(jié)；靜水力曲線；主機(jī)參數(shù)及軸帶發(fā)電（如設(shè)有）細(xì)節(jié)；主機(jī)工廠試驗(yàn)結(jié)果；船模試驗(yàn)和船舶航行報(bào)告；船舶抗風(fēng)浪等級(jí)；船舶極地水域操作手冊(cè)等相關(guān)船舶設(shè)計(jì)信息。

船舶在極地的航線規(guī)劃與航線調(diào)整離不開(kāi)對(duì)極地天氣變化情況的考量，需要考慮至少如下氣象信息，包括：

◆ 風(fēng)向、風(fēng)速；

◆ 有效波高；

◆ 風(fēng)浪高度、平均周期；

◆ 涌高、涌向和平均周期；

◆ 流速、流向；

◆ 極地氣旋：最大風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速、七級(jí)風(fēng)圈半徑等；

◆ 強(qiáng)冷高壓（寒潮大風(fēng)）預(yù)警；

◆ 冰情；

◆ 極地氣溫。

其中，對(duì)于冰情數(shù)據(jù)，應(yīng)至少對(duì)以下信息納入考慮：

◆ 海冰密集度；

◆ 海冰發(fā)展階段/海冰厚度；

◆ 冰型/浮冰寬度；

◆ 歷史狀態(tài)、限制和冰量；

◆ 浮塊冰、多年冰、冰山情況。

為保障航路規(guī)劃及調(diào)整的正確性、有效性和實(shí)時(shí)性，氣象與海冰數(shù)據(jù)應(yīng)有可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源，且冰情和氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)訂閱/更新，并具備實(shí)時(shí)性和足夠的準(zhǔn)確性。

為了實(shí)現(xiàn)冰山、大型浮冰、淺灘等其他水面固定障礙物的避讓?zhuān)皯?yīng)能夠在航行中實(shí)時(shí)感知下列環(huán)境信息：

◆ 風(fēng)速、風(fēng)向；

◆ 海面能見(jiàn)度；

◆ 環(huán)境溫度；

◆ 船舶位置的實(shí)測(cè)水深；

◆ 周?chē)?海里內(nèi)的冰厚度、冰密集度；

◆ 周?chē)?海里內(nèi)的冰山和大型浮冰，及其他固定障礙物。

③限制條件：船舶的極地航行操作手冊(cè)規(guī)定了船舶極地操作能力和限制，極地船舶的操作應(yīng)遵循操作手冊(cè)中的相關(guān)要求。因此，船舶通過(guò)極地智能航線規(guī)劃功能形成的決策建議不應(yīng)超出船舶極地航行操作手冊(cè)中規(guī)定的操作要求和限制，如：最大冰狀態(tài)、最低溫度、最高緯度等等，以防止超出船舶操作的能力范圍，而發(fā)生冰困等危險(xiǎn)。

從風(fēng)險(xiǎn)防控的角度考慮，極地船舶智能航線規(guī)劃應(yīng)使得極地船盡可能在低風(fēng)險(xiǎn)海域航行，所形成的規(guī)劃航線建議與操作建議應(yīng)至少通過(guò)國(guó)際海事組織（IMO）“冰區(qū)操作能力和限制評(píng)估方法”（POLARIS）評(píng)估，滿(mǎn)足航線風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)總值（RIO）大于等于0。當(dāng)評(píng)估結(jié)果小于0時(shí)，相關(guān)航線應(yīng)由船上駕駛?cè)藛T進(jìn)行特別考慮。

此外，智能航行規(guī)劃功能形成的極地航線，應(yīng)能夠避開(kāi)有冰壓或潛在冰壓區(qū)域，以及社會(huì)和生態(tài)敏感區(qū)域。

（2）極地智能編隊(duì)航行/護(hù)航?jīng)Q策

當(dāng)?shù)捅?jí)船舶穿越冰區(qū)且破冰能力不足時(shí)，通常需要護(hù)航船舶提供破冰護(hù)航作業(yè)。在編隊(duì)航行狀態(tài)下，被護(hù)航船舶跟隨破冰船尾跡航行。如何保障船隊(duì)的通航的安全與效率，以及在護(hù)航過(guò)程中指揮編隊(duì)中各船跟馳速度及與其他船舶的距離，避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)，均由領(lǐng)航船操作人員進(jìn)行決策。

因此，極地智能編隊(duì)航行功能的提出主要面向極地編隊(duì)航行中執(zhí)行破冰護(hù)航任務(wù)的船舶。指在船舶極地編隊(duì)航行，開(kāi)展破冰任務(wù)，開(kāi)辟航道的過(guò)程中，具備智能編隊(duì)航行的護(hù)航船領(lǐng)航船能自動(dòng)根據(jù)船隊(duì)中各被護(hù)航船舶的船寬、動(dòng)力性、冰級(jí)、吃水等因素，確定編隊(duì)航行順序；同時(shí)，根據(jù)編隊(duì)航行實(shí)時(shí)狀態(tài)，及時(shí)形成編隊(duì)中各跟馳船舶航向、跟馳速度，以及與前船的最短安全距離的指令建議，提升整個(gè)編隊(duì)的極地通航安全與效率。

領(lǐng)航船舶為實(shí)現(xiàn)智能編隊(duì)航行功能，應(yīng)能實(shí)時(shí)獲取編隊(duì)中各跟馳船舶如下信息：

◆ 船寬；

◆ 動(dòng)力性能；

◆ 設(shè)計(jì)冰級(jí)；

◆ 船舶吃水；

◆ 實(shí)時(shí)航速；

◆ 航向；

◆ 與護(hù)航船舶間距離；

◆ 與護(hù)航船舶相對(duì)位置；

◆ 與前船間距離；

◆ 與前船的相對(duì)位置。

同時(shí)，領(lǐng)航船舶應(yīng)能至少獲得以下冰情數(shù)據(jù)，作為極地編隊(duì)航行操作決策形成的參考和輸入：

◆ 海冰密集度；

◆ 海冰發(fā)展階段/海冰厚度；

◆ 冰型/浮冰寬度；

◆ 歷史狀態(tài)、限制和冰量；

◆ 浮塊冰、多年冰、冰山情況。

通過(guò)對(duì)船舶在極地水域航行目標(biāo)及相關(guān)航行風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別，對(duì)極地智能航行從船舶獨(dú)立航行及編隊(duì)航行兩個(gè)操作場(chǎng)景，分別提出了基于輔助決策的功能建議。為日后進(jìn)一步開(kāi)展極地航行智能化工作，提升船舶極地水域航行的安全與環(huán)保水平提供借鑒與參考。也為我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)極地航線、開(kāi)展科考、商貿(mào)活動(dòng)等極地事務(wù)提供技術(shù)支持。