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知否,知否?——却道“无人船”这边风景独好

作者:燕翔编译   发布时间:2019-04-30    浏览量:1146   字体大小:  A+   A- 

知否,知否?——却道“无人船”这边风景独好
图片来自网络,版权属于原作者

放在2016年之前,说起无人船,很多人依然还觉得是一件很遥远的事情,但是过去的一年里,人工智能和数字通信技术以及无人机、无人车技术的快速发展让无人船的到来可能远比之前预测的要早的多。

近年来,随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新理念、新技术突飞猛进,船舶自动化水平不断提高,无人船艇的实现有了科技支撑,无人船舶航行于全球有了实现的可能性。无人船是船舶行业的未来,数百万船员将弃船上岸,数十万艘船将更新换代,可谓是踏遍青山人未老,“无人船”风景这边独好!

定义

无人船又称无人驾驶船船、海上自主水面船或智能船或遥控船。不同的国家、机构和学者对其定义不尽相同。节选其中具有代表性的几个,如下:

1、知名船级社对无人船的定义

中国船级社(CCS)将无人船定义为智能船舶,是指利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段,自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据,并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理和分析技术,在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶。

美国船级社(ABS)将无人船定义为集成各种传感器、智能导航系统、主推进装置和辅助机械并具有相关逻辑决策能力的船舶。该逻辑决策能力,可以使船舶在没有人员干预的情况下,根据环境变化对任务进行自动调整。

英国劳氏船级社(LR)将无人船视为有网络控制能力的船(cyber enabled ships),并根据网络功能的深浅,分为AL0--AL5六个等级。

挪威-德国劳氏船级社(DNVGL)将无人船定义具有一定程度的自动和自我调控能力的船舶。

2、IMO对无人船的定义

在国际海事组织(IMO)海上安全委员会第99次会议上,对无人船和无人船的自动化程度进行了初步定义。海上水面自主船舶被定义为能在不同程度上可以独立于与人类交互作用独立运行的船舶。

无人船的自动化程度也被划分了如下几个层级:1)具有自动化流程和自动化决策支持的船舶:海员在船上操作和控制船载功能系统。一些操作可实现自动化。2)船上有海员的远程控制船舶:这种船舶需要有人员在另一个地方进行控制和操纵,但船上也需要配备一定数量和功能的海员。3)船上没有海员的遥控船舶:船舶的控制和操作在另一个地方进行,同时船上不用配置海员。4)完全无人的自动船:这类船舶的操作系统能够自主决定并做出反应和行动。

关键技术

综合国内外研究现状,目前无人船研究涉及关键技术主要有以下几个方面:航线自动生成与路径规划技术、环境感知与目标识别技术、自主决策与避障技术以及通信技术等。

1、航线自动生成与路径规划技术

航线自动生成与路径规划技术便是基于环境感知与目标识别下的所给的数据下,利用安装在无人船上的人工智能系统,应用算法进行融合计算,接着分析出静态以及动态目标,对动态目标进行路径预测,从而建立起模型。再根据船体本身所面临的环境情况,人工智能系统自主推理和规划并做出适当的决策,实时进行人工智能控制与修正,从而选择并行走最优、最佳的航线。静态的航线自动生成与路径规划技术大致可分为两类:一类是基于电子海图的航线自动生成与路径规划技术,然后在可航区域中采用智能搜索算法,如Dijkstra算法、A*算法等寻求最短路径;但可航区域的最短路径并不一定是实际可行的航线,规划的最短路径可能在IMO推荐航道中逆向行驶。另一类方法——基于轨迹分析的航线自动生成与路径规划技术,该类方法以船舶历史轨迹为基础,通过轨迹压缩、轨迹聚类等提取实际可航路径。除静态航线自动生成与路径规划技术外,还需解决基于动态环境感知的局部航线自动规划问题。

2、环境感知与目标识别技术

水面尤其海面是一个很复杂的区域,对于无人船来说,要在这个极其复杂的区域进行相关活动的第一关键便是要拥有环境感知的能力。其次要能够用该能力识别固定和移动目标。对于移动目标,不仅要识别检测还要对其轨迹进行追踪,预测该物体下一步的轨迹。环境感知方面,在船上安装电子海图系统进而对岛礁等进行位置判断与识别,进一步的可以利用导航雷达系统对几公里内的海上水面目标进行识别,利用安装在船体上的光电视觉系统对一公里内的目标进行感知、判断与识别,而对于近距离的精细目标和水下一百多米的物体则可以利用船体上的激光雷达和水下声呐系统进行探测。除了这些感知设备要一应俱全之外,其必须还能够协同作业并将各自获取的数据递交给接下来的数据计算与航线规划系统,罗尔斯罗伊斯公司已经和瑞典渡船公司Stena Line AB签署了协议,将合作研发首套船舶智能感知系统,如图所示。

3、自主决策与避障技术

为降低无人船对远程操控人员的依赖,同时扩展多无人船艇协同作战,需要无人船具有较高的自主决策和智能避障能力,以确保无人船艇可以独立地执行中长期远程探测、信息搜集等任务。自主决策与避障技术是无人船艇实现高智能化和全自主型的关键一步,目前已有较多科研机构对船舶智能避碰技术进行了广泛而深入的研究,如图所示。

4、通信技术技术

无人船艇的通信技术主要涉及无线电通信、光学通信、水声通信3个方面,通信对象主要有无人船艇与母船之间、无人船艇之间,通信的内容主要有母船对无人船艇的指令信息、无人船艇实时回传的运动状态信息以及视频信息等,通信媒介在近距离可依靠甚高频通信,远距离可依靠卫星通信。在无人船艇的通信中重点解决超高频扩频通信与卫星通信信号的海上传输抗衰耗技术、抗多普勒频移技术和抗多种干扰技术问题。

发展现状

1、欧盟MUNIN 项目

2012 年至2015 年,来自德国、挪威等的八家研究所共同开展“海上无人驾驶智能网络导航”项目,以无人散货船为对象开展大型无人驾驶船舶的研究,旨在从技术、经济和法律三个方面,对在公海上运行一艘无人驾驶商用船舶的可行性进行评估,具有减少航运公司操作成本和减少污染物排放方面的明显优海上自主水面船与传统的船舶相比,势。

2、挪威“Yara Birkeland”号项目

2017年,康士伯和全球最大化肥制造商挪威Yara集团以及Marin Teknikk公司联手开展了全球首个采用电力推进的零排放无人船项目。“Yara Birkeland”号集装箱无人船长80米,宽15米、能够装载120个20英尺标准集装箱,最大速度13节,电池作为动力且无压载水舱。该船能够在航道中实现避让其他船舶,还配有一套自动系泊系统,停泊和起航都无需人力介入,并在到达终点时实现自行停靠。

3、首个海上无人船测试区在芬兰运营

2017年,全球首个与无人驾驶航运项目相关Jaakonmeri测试区域在芬兰埃乌拉约基市正式运营。北部长约17.85公里,西侧长约7.10公里,公海水域开阔,水深16-60米,提供冬季冰情条件测试,且能联网。

4、首个无人航运公司Massterly在挪威成立

2018年4月,挪威航运巨头威尔森集团和康士伯联手建立全球首家无人船航运公司“Massterly”,设在挪威吕萨克。该公司旨在为无人船提供完整的价值链服务,涵盖设计、开发、控制系统、物流服务和船舶运营。公司将建立陆基控制中心,来监测和运营挪威和其他国家的无人船。

5、日本自主运输系统概念技术项目

2017年5月,日本商船三井(MOL)宣布,与三井造船合作研发的海上自主运输系统概念技术项目,已获得日本国土交通省(MLIT)认可,作为其2017财年交通运输技术开发推进项目。

6、美国军方Sea Hunter项目

美国军方已试验世界上最大无人驾驶船“Sea Hunter”号,船长132英尺,航速大约为30mph,配备多种传感器和先进的光学系统以检测其他船只。未来两年,DARPA将和美国海军在加州海岸进行“SeaHunter”的测试工作,测试主要关注“Sea Hunter”在航海过程中避免碰撞的反应能力。

7、中国船级社与海上自主水面船规范和指南

中国船级社颁布《智能船舶规范》于2016年3月1日正式生效。规范将智能船舶分为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台六大功能模块,是全球首部涵盖了从智能船舶从设计、建造到运营生命周期的船级社规范。同时基于GBS理念编写的《无人水面艇检验指南》。

8、大连海事大学无人船技术与系统联合实验室

2017年7月,由中船工业、中国船级社、水科院和大连海事共建的无人船技术与系统联合重点实验室在大连海事大学正式揭牌成立。该实验室将重点围绕无人船舶设计建造及运营所涉及的共性技术、关键系统和工程装备,以及相关法规和标准开展研究,加强无人船舶、智能船舶领域的深度合作。

9、中船集团绿色海豚项目首船交付

2017年12月,由中船集团旗下中船黄埔文冲船舶有限公司建造的中船Idolphin38800吨智能散货船“大智”轮正式交付使用。该船安装了船舶运行与维护系统(SOMS)和智能航行系统,SOMS系统拥有智能航行、智能机舱、智能能效管理三套子系统。

10、云洲智能“筋斗云”

2017年,云洲智能与珠海市政府、中国船级社和武汉理工大学,共同启动全球首艘投入商业运营的小型无人货船“筋斗云”号项目。项目规划为500吨级无人货船,船身长度为50米,采用电力推进,续航能力可达500海里,预计将在2019年率先在全球范围内实现商业运营。

11、无人船测试区

2018年11月30日云洲智能与珠海市政府、中国船级社、武汉理工大学,正式启用珠海万山无人船海上测试场,这是我国第一个经船级社认可的无人船海上测试基地。通过在规划水域附近岛礁上建设网络、通讯、导航、雷达、光电、自动系泊码头等测试场景系统工程和基础设施,在规划海域设计面向不同船型的多维度的测试和试验场景,如自主避障、协同编队、远程驾驶、自主作业、警戒巡逻、通讯测试等。

12、 IMO在无人船方面的推进行动

2017年7月召开的IMO海安会(MSC)第98届会议,将海上自主水面船(autonomous ships)列入IMO会议议程。IMO秘书长林基泽也在多个场合对“人、船、港”智能化管理表示期待和关注。2018年5月,MSC第99届会议正式宣布将研究并制定相关公约规范解决海上自主水面船(无人船/智能船/智慧船/智能船/自动船等叫法需等业内统一)安全、安保、环保等一系列问题。海安会已经签署了一个监管范围界定的框架性文件,包括对MASS和自动化程度的初步定义。还成立了一个MASS通信协调小组,以监测在本次会议上达成的框架和方法的可行性,并向下一届海安会会议报告。

风景独好的无人船作为航运界的新宠儿正在一步步的走向航运市场,并随之带来航运界的革命风暴。作为船舶主管机关,海事管理机构应该设立专门的海上自主船研究团队,研究海上自主水面船时代国际公约、国内法律法规的修改情况。

评:沉舟侧畔千帆过,无人新船换旧船

最近几年,无人船的信息不绝于耳。这么多信息扑面而来,应该如何客观认识与评价?

首先,无人船逐步替代传统船舶是大势所趋。船岸工资差已经越来越小,不足以弥补船上工作的艰辛和孤单,船员的获得感越来越小,船员短缺现象会越来越普遍。无人船恰好给出解决途径。

其次,无人船现有技术解决方案尚未定型。无数公司从不同的技术路径来给无人船助力,这必将是一个技术和资本的长期角力,船舶智能化还是岸基智能化并不确定,这需要无数公司在与现实的磨合过程中不断迭代出一个可行的路径来。

再次,对现有船舶资产的替代需要时间。明显的阻碍就是现有船舶资产庞大,平均船龄也不超过10年,要让这些船退出市场,最佳方式是随着其不断老化和拆解过程中,用无人船逐步替代。

最后,规则重建需要博弈。随着无人船的逐步到来,对海上航行规则的改变产生了巨大的需求。特别是SOLAS公约,会随着船上船员的不断减少而发生巨大变化,无人船在航行中产生的权责利也需要重新界定,这都需要去挑战运行了几百年的海上航行规则。这些规则的保守势力十分强大,新兴力量也只有集聚了足够的力量,才具有挑战行规的实力。只有无人船真正对传统船舶产生了较强的压力,才会有足够的动力去改规则。

再过三年,无人船将会出现在人们面前。到2025年,一些前瞻的航运公司将在海上运营完全无人驾驶的远洋船舶,然后再过五年,无人船将随处可见。长期来看,航运业正经历根本性的变化,更多的变化仍在孕育之中。向无人船的转变,无疑将彻底改变全球供应链的运作,并创造出新的服务。正如同Uber、Spotify和Airbnb对各自领域所做的那样,无人船必将带来整个运输行业的颠覆。

 参考文献:

[1]刘浏. 浅论无人艇的发展及公安行业应用前景[J]. 中国安全防范技术与应用, 2018(05):26-28.

[2]张树凯, 刘正江, 张显库, et al. 无人船艇的发展及展望[J]. 世界海运, 2015, 38(9).

[3]佚名. 拥抱智能船时代[J]. 中国船检, 2018, No.218(7):51-54.

[4]王楠楠. “云洲希望能成为中国建设海洋强国的一个推动者”——访珠海云洲智能科技有限公司董事长张云飞[J]. 交通建设与管理, 2018, No.463(02):72-75.

来源:海运纵览-国际海事信息研究中心