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日本智能船项目DFAAS的目标“拼图”

作者:   发布时间:2021年10月13日    浏览量:24   字体大小:  A+   A- 

   由于岛屿众多,人口老龄化问题突出,无人船技术发展对日本至关重要。2021年9月2日,日本邮船下属机构日本海洋科学(JSM)对外公布了DFFAS项目(Designing the Future of Full Autonomous Ship)陆基支持中心及其操作系统。DFFAS项目旨在开发和验证无人操作系统,通过敏感感应海面情况,掌握船舶位置和航线,降低海上事故发生率,缓解日本劳动力。

  “1+30”规模空前

  日本财团(The Nippon Foundation)于2019年10月发起了“无人驾驶船实证实验相关技术开发共同项目”征集,截至2020年6月,共确定五个子项目,包括智能渡轮开发项目、横须贺猿岛无人船项目、无人船未来创造项目、利用国内集装箱船和汽车轮渡进行无人化验证项目、水陆两栖无人技术开发项目。DFFAS项目正是以“无人船未来创造项目”为目标,构建完善的无人操作系统与陆上基础设施的重要保障,进而促进无人集装箱船航行技术在2025年之前实现商业化应用。

  除JSM外,还有30家日本机构和企业参与了“无人船未来创造项目”研发(截至2021年6月),包括:

  日本内航海运船舶管理公司(IKOUS)

  气象情报公司(WNI)

  艺卓公司(EIZO)

  Monohakobi技术研究所(MTI)

  日本电信电话(NTT)

  NTT DoCoMo

  NTT Communications

  Japan Hamworthy

  日本联合造船(JMU)

  今治船厂(Imabari shipyard)

  三和船坞(Sanwa Dock)

  Sky Perfect JSAT集团

  Sunflame

  东京计器(Tokyo Keiki)

  Nabtesco

  日本海运(Nippon Kaiun)

  日本邮船

  铃与海运(Suzuyo Marine)

  日本无线(JRC)

  BEMAC

  pluszero(+zero)

  古野电气(FURUNO)

  本田重工业(Honda Heavy Industries)

  三浦工业(Miura)

  三菱综合研究所(MRI)

  横河电子机器(YDK Technologies)等。

  “1+30”,日本借助如此多的科研力量制定、打造无人船项目,完全可用“宏大”来形容。日本财团在公告中表示,DFFAS项目是一项由在无人船领域拥有丰富国际经验的众多机构、公司及专家开展的开放式合作,涉及无人驾驶所必须的自动航行、陆基支援、远程操纵、通信线路等各系统开发应用,其目标是实现无人船支持日本进入物流社会新时代。

  “由于技术发展阶段的限制和涉及国际间协调等问题,远洋无人船试航仍存在一定障碍,因此,各国当前多选择通过内航自主船舶试航开展功能验证,在船舶及相关设备系统设计建造、船舶运营、海事监管等方面积累经验。”中国船舶工业综合技术经济研究院船舶标准化研究中心工程师冯书桓说,DFFAS项目聚焦小型内航集装箱船在拥挤海域水域自主航行和远程操控就体现了这个特点。“与以往项目聚焦船舶本身不同,该项目参研单位囊括航运、造船、科研机构、海事服务、机械制造商、通导设备商等诸多领域,旨在回应海事工业全产业链智能化发展趋势,打造新的产业生态,为日本航运和造船业在竞争中抢占先机。”

  对此,供职于JSM的DFFAS项目总监桑原悟(Satoru Kuwahara)船长表示认可,他说:“我们的目标不仅是发展技术,而是进行社会应用。为了创新可被行业和社会接受的技术,掌握并响应用户需求非常重要,但用户所需技术不能从单一企业获得,除非与众多企业携手。这是DFFAS项目‘开放创新’理念的初衷,也是我们邀请多方介入的原因。我们的优势在于可将研发系统相互关联,这就意味着多家公司可以作为一个团队朝着同一目标发展。日本海洋科学为此成立项目管理办公室,从用户角度出发进行概念规划和系统设计,主导开发基于算法的无人船导航规划单元,并对无人船航行进行风险评估,与相关方(如政府部门、保险业、托运人等非技术方)进行讨论,进而获得与常规船舶同等的安全证明,以此作为社会实施的基础。”

  抛开日本企业的理念和文化不谈,单就创新和精细而言,日本在大数据/物联网、人工智能、精密电子仪器、气象预报、船舶建造及卫星通信等领域具备世界领先技术水平,而这些领域的佼佼者组成的“1+30”阵容,预计可以较快的速度带动日本智能航运发展。“对DFFAS项目的参与单位进行仔细研究会发现,除传统造船、航运企业和科研机构外,其中还包括海事通导设备制造商,甚至艺卓公司等显示设备制造商,这体现了日本在无人船发展中的总体布局和推动全业态智能发展的决心。未来,日本将继续依托DFFAS项目积极参与国际规则制定,推广自己的技术方案。”冯书桓说。

  “四队”推进改装

  “无人船未来创造项目”示范测试用船为一艘载箱量为200TEU左右的内贸集装箱船(“Suzaku”轮),所搭载智能综合系统将被安置于两个经特殊设计的集装箱内,该船预计于2022年2月在东京湾-伊势湾航线进行近400公里的自主航行,以试验该系统在拥挤水域的实用性。桑原悟船长指出:“陆基支持中心在测试期间负责对船舶的远程监控,并在紧急情况下进行远程操作,包括根据已获批路线/行动计划进行的船舶操纵、紧急状况下的远程操纵、自动化靠泊/离泊作业,以及陆基支持中心通过船岸数据通信系统对船舶运营的追踪。”

  日本联合造船在汇总分析无人船所需技术要素后,主要承担了项目船改造工程,以获得更多的建造评价标准,积累尖端技术。除智能模块外,通信设备和摄像系统被安装在舰桥区域,在具体改造及安装工作完成后,日本联合造船进行各种调试,确定各部件已集成至同一系统。

  值得一提的是,日本联合造船充分利用内部资源,组成四个团队,推进这个里程碑式的项目。“海上物流创新推进部”负责项目整体运作,“船舶海洋设计部”负责无人船实际设计工作,为机器和船体及相关设计提供支持的“海洋工程项目部”和“海洋工程营业部”负责将“Suzaku”轮的无人工程技术。“海上物流创新推进部”小组负责人比留井仁(Hitoshi Hisarai)表示,自主航行将成为重要技术,我们在听取运营方要求后,结合技术、建造等要素设计改装,“未来也要自行开发适合无人航行的最佳船舶。”在比留井仁看来,DFFAS项目不仅仅是无人驾驶系统的开发和实证,它还以整体构想创造为主题,面向更广阔的智能航运领域,“日本联合造船也考虑通过提供方便使用的系统提高无人船的社会认知度,从而得到(扩大)市场认可。”比留井仁还说,如果无人驾驶技术今后得到更广泛普及,造船商业模式也可能发生变化,因为在无人驾驶情况下,利用数据的航运支援和船舶维护将变得更加重要,我们也有必要在同一领域比以往更加努力。日本联合造船公开总结,该公司除进行无人船自动航行系统设计和实船智能系统安装实验外,还参与了支援系统、紧急情况对应系统及通信及综合信息管理系统装配。

  “船岸”协同保障

  为推进实现航运领域无人自主航行,日本国土交通省从2018年度就开始了一系列的实证项目。作为远程操纵船舶项目运营者,日本邮船此前进行了多项试验。2019年,日本邮船完成“有人自动航行船舶”自主航行系统海上测试,项目用船安装了由日本邮船和日本海洋科学共同开发的SSR船舶导航系统——收集现有导航设备中有关船舶周围环境的相关信息,再根据环境条件计算经济指标最佳的航线和航速进行导航,通过雷达和自动识别系统实现船舶避碰。随后,日本邮船根据程序所得最优航线与人工专业判断最优航线之间的差异进行调整,将SSR升级为更先进的船舶导航支持系统。2020年5月,日本邮船成功完成一项远程船舶操纵实验,搭载“有人远距离船舶操纵系统”的项目船(拖轮)由400公里以外的陆基支持中心遥控航行了约12公里。这两项实船试验被认为是日本邮船实现无人船高度安全航行的关键一步。

  针对DFFAS项目,日本邮船充分利用在“有人自主航行船”开发过程中积累的经验和技术,与下属机构致力于修正此前试验暴露的船岸通信问题,进一步改进岸基支持系统。DFFAS项目陆基支持中心由综合展示区和应急响应区组成。“综合展示区收集船上和陆上各种信息,岸上的船长和轮机长可通过查看显示器上的信息来监控多艘所管理船舶的状态并据此创建航线计划,此外,他们还掌握船上难以获取的大范围气象数据等信息。应急响应区的应用场景则是当紧急情况发生时,使岸上的船长能够与船上DFFAS系统连接,还允许船长参与该系统,以获得与船舶相同的信息,如船舶周围图像和雷达信息,以便远程控制船舶航行。”桑原悟船长说,借由陆基支持中心,高效率的航线规划将被智能设定,陆上操作人员可通过全球卫星定位系统实时监视船舶位置。当发生紧急状况时,经验丰富的岸上船长也可在专用设备操控座位切换手动驾驶模式,以配合智能决断。“一旦监控船舶风险状态超过标准设定(如船上装置发生故障难以自动导航),通过远程操纵船舶可维持其安全航行。”

  为确保DFFAS项目测试船“Suzaku”轮及未来无人船的安全运营,日本无线重点设计了避碰机制、远程控制和自动靠泊/离泊等关键功能。日本无线开发并整合了应用软件/算法、AI/云、无线通信、雷达和其它传感器等核心技术,以实现船舶避碰、安全到离港、自动化作业等。而除了这些基于船舶的技术,日本无线还专注于开发陆基设施,比如东京湾-伊势湾航线两端港口之间的信息数据同步,以及船岸之间的云连接。通过这些技术被应用与综合展示区,“Suzaku”轮不仅可以实现船岸通信,陆海之间的所有“人”“物”都可互联,从而提高船岸操作效率、减少人力成本,提高航运自动化水平。

  “海空”无线对接

  古野电气则利用其创新的ENVISION系列AR(增强现实)技术,主攻认知和判断领域,即在“掌握周围情况”后,再“根据结果进行避碰操作”。这是一种来自“观察者”的视觉支持。ENVISION系列AR技术将船舶前方照相机的影像在显示器上放映出来,并在影像上叠加显示船舶航行所需的各种重要信息,这大大降低了船长和船员在恶劣天气/海况及夜间的操纵压力。在岸船长、轮机长和观察员也可以一边确认实时影像、一边进行信息共享,从而实现更高效和更准确的沟通。

  无人船的“自我修正”功能离不开数据传输,在DFFAS项目中,Sky PerfectJSAT集团扮演的是“沟通者”角色。Sky Perfect JSAT集团致力于卫星通信数据控制系统开发,提供带有频段保护功能的船载卫星通信系统(VSAT),使电波在中转时不与其他服务共享,只在制定程序中进行传播,目的是建立无人船航行时所需的通信速度,并根据通信速度和通信量自动控制通信数据,从而进一步提高船岸间通信稳定性。“我们为DFFAS项目提供两套同时与岸基操作中心连接的规格不同的频段保护型VSAT(波长分别为1米和65厘米),并负责连接控制收发数据的Satellite Gate Way系统,通过数据包测量分配功能,将数据恰当地分配给两台VSAT,从而提高通信效率。通过设备警报通知功能,安装在船的服务器可实时监视VSAT通信状况(船内服务器警报信息可变更设定)。而当一台VSAT发生故障时,可向正常的VSAT迂回通信。”Sky Perfect JSAT集团相关人士回复,组合船上搭载的多个通信设备可弥补因延迟、(低)速度、天气、船体屏蔽导致的通信中断等缺点,进而稳定地与岸基操作中心共享自动传输的不可或缺的数据。

  气象情报公司负责气象/航运数据与AI组合,设计自动选定最佳航路的航海计划系统,其中三项核心技术包括最佳安全性和经济性航线配比、物理模型和智能气象海文分析预测、适合高频率航行数据的船舶性能推定。

  日本电信电话和Monohakobi技术研究所将DFFAS项目视为未来IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)的用例之一。IOWN是一种创新光学无线网络概念,通过灵活运用各种光学技术,传递或解析包容性、延展性和无限可能性的信息交流平台。日本电信电话为打造“2030年通讯技术标准”提出了从网路到终端都使用“光”的IOWN构想——半导体、个人电脑、伺服器和的资料传输将由“电传”改为“光传”。在这个构想下,通信延迟将被减少,且能处理更大容量的数据。具体到本次实证试验,日本电信电话旨在解决船舶向前述特殊集装箱信息传输技术,即在较狭窄范围内的频带宽度环境下的信息传输和OTA(Over The Air)技术实用化,在船岸通信控制技术方面,拟通过SDN通信控制提高网络的可视化和运用性。对于陆上无线通信和船舶接收技术支持方面的解决方案,日本电信电话和Monohakobi技术研究所主要研究了船舶与5G/LTE和卫星导航/移动通信之间的有效联结。日本电信电话表示,无人船的安全航行与各种技术(操纵、状态监视、通信等)相关联,为了保证功能可用性,新的通信和基础系统设计/开发异常重要,这些技术是确保无人船实现商业化运营所必要的讨论/解决环节。

  冯书桓总结道:“在无人船领域,日本的发展思路是从船载和船岸通信网络相关的信息基础设施出发,‘自下而上’推动行业智能化转型,同时注重参与国际规则制定、对国内资源进行整合。这在DFFAS项目中均有明显体现。

 

来源:国际船舶网