第14卷第1期 智能系统学报 Vol.14 No.I 2019年1月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jan.2019 D0:10.11992/tis.201806028 网络出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20190104.1612.006html 自主水面货船研究现状与展望 吴青'，王乐，刘佳仑的 (1.武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉430063；2.武汉理工大学智能交通系统研究中心，湖北武汉 430063:3.国家水运安全工程技术研究中心，湖北武汉430063) 摘要：船舶智能化、自主化是水路载运工具的重要发展趋势，与此同时，船舶设计、制造、运营、维护等相关领 域也迎来了新一轮的挑战。基于国际海事组织(international maritime organization,IMO)提出的海事自主水面船 舶(maritime autonomous surface ships,MASS)概，念，对其中自主水面货船进行闸述。首先对水路载运工具进行详 细分类，分析了当前自主水面货船的特点及当前的研究现状。之后提出自主水面货运船舶系统组成，思考自主 水面货船在实船试验、推进方式与能源、智能航行、通信系统、航行规则等方面中面临的挑战，并直面挑战对海 事自主航行水面货船未来发展及应用的多样性做出展望。 关键词：海事自主水面船舶；自主水面货船：测试场：系统组成；智能船舶等级划分：水路载运工具发展 中图分类号：U675.79:TP18文献标志码：A文章编号：1673-4785(2019)01-0057-14 中文引用格式：吴青，王乐，刘佳仑.自主水面货船研究现状与展望J.智能系统学报，2019,141)：57-70. 英文引用格式：WU Qing,WANG Le,,LIUJialun..Research status and prospects of autonomous surface cargo ships[J.CAAI transactions on intelligent systems,2019,14(1):57-70. Research status and prospects of autonomous surface cargo ships WU Qing',WANG Le',LIU Jialun23 (1.School of Logistics Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;2.Intelligent Transport System Re- search Center,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;3.National Engineering Research Center for Water Trans- port Safety,Wuhan 430063,China) Abstract:Intellectualization and autonomy of ships are important development trends of waterway vehicles.Ship design,manufacture,operation,maintenance,and other related fields have ushered in a new round of challenges.On the basis of the concept of Maritime Autonomous Surface Ships proposed by the International Maritime Organization,this article elaborates on maritime autonomous surface cargo ships.First,waterway vehicles are classified in detail,and the characteristics and current research status of autonomous surface cargo ships are analyzed.The system composition of autonomous surface cargo ships is proposed,and the challenges faced by autonomous surface cargo ships are con- sidered in aspects of ship trials,propulsion mode and energy,intelligent navigation,communication system,and naviga- tion rules.Confronting these challenges,the future development of autonomous surface cargo ships and the diversity of its applications are predicted Keywords:maritime autonomous surface ships;autonomous surface cargo ships:test area;system composition:classi- fication of smart ship:development of waterborne vehicles 2015年9月，英国劳氏船级社(LR)、奎纳蒂 术趋势2030》(GMTT2030)报告，把智能船舶列 克集团和南安普顿大学合作推出了《全球海洋技 为未来8个海洋关键技术之一。2017年6月，国 际海事组织海上安全委员会第98届会议于伦敦 收稿日期：2018-06-14.网络出版日期：2019-01-07. 基金项目：国家自然科学基金项目(5170090515). MO总部召开。会议在“无人船、智能船、智慧 通信作者：刘佳仑.E-mail:jialunliu@whut.edu.cn. 船、自动船”等业内多种命名的基础上提出了海
DOI: 10.11992/tis.201806028 网络出版地址: http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20190104.1612.006.html 自主水面货船研究现状与展望 吴青1，王乐1，刘佳仑2,3 （1. 武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063; 2. 武汉理工大学 智能交通系统研究中心，湖北 武汉 430063; 3. 国家水运安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430063） 摘 要：船舶智能化、自主化是水路载运工具的重要发展趋势，与此同时，船舶设计、制造、运营、维护等相关领 域也迎来了新一轮的挑战。基于国际海事组织 (international maritime organization，IMO) 提出的海事自主水面船 舶 (maritime autonomous surface ships，MASS) 概念，对其中自主水面货船进行阐述。首先对水路载运工具进行详 细分类，分析了当前自主水面货船的特点及当前的研究现状。之后提出自主水面货运船舶系统组成，思考自主 水面货船在实船试验、推进方式与能源、智能航行、通信系统、航行规则等方面中面临的挑战，并直面挑战对海 事自主航行水面货船未来发展及应用的多样性做出展望。 关键词：海事自主水面船舶；自主水面货船；测试场；系统组成；智能船舶等级划分；水路载运工具发展 中图分类号：U675.79；TP18 文献标志码：A 文章编号：1673−4785(2019)01−0057−14 中文引用格式：吴青, 王乐, 刘佳仑. 自主水面货船研究现状与展望 [J]. 智能系统学报, 2019, 14(1): 57–70. 英文引用格式：WU Qing, WANG Le, LIU Jialun. Research status and prospects of autonomous surface cargo ships[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2019, 14(1): 57–70. Research status and prospects of autonomous surface cargo ships WU Qing1 ，WANG Le1 ，LIU Jialun2,3 (1. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Intelligent Transport System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan 430063, China) Abstract: Intellectualization and autonomy of ships are important development trends of waterway vehicles. Ship design, manufacture, operation, maintenance, and other related fields have ushered in a new round of challenges. On the basis of the concept of Maritime Autonomous Surface Ships proposed by the International Maritime Organization, this article elaborates on maritime autonomous surface cargo ships. First, waterway vehicles are classified in detail, and the characteristics and current research status of autonomous surface cargo ships are analyzed. The system composition of autonomous surface cargo ships is proposed, and the challenges faced by autonomous surface cargo ships are considered in aspects of ship trials, propulsion mode and energy, intelligent navigation, communication system, and navigation rules. Confronting these challenges, the future development of autonomous surface cargo ships and the diversity of its applications are predicted. Keywords: maritime autonomous surface ships; autonomous surface cargo ships; test area; system composition; classification of smart ship; development of waterborne vehicles 2015 年 9 月，英国劳氏船级社 (LR)、奎纳蒂 克集团和南安普顿大学合作推出了《全球海洋技 术趋势 2030》(GMTT 2030) 报告，把智能船舶列 为未来 8 个海洋关键技术之一。2017 年 6 月，国 际海事组织海上安全委员会第 98 届会议于伦敦 IMO 总部召开。会议在“无人船、智能船、智慧 船、自动船”等业内多种命名的基础上提出了海 收稿日期：2018−06−14. 网络出版日期：2019−01−07. 基金项目：国家自然科学基金项目 (5170090515). 通信作者：刘佳仑. E-mail：jialunliu@whut.edu.cn. 第 14 卷第 1 期 智 能 系 统 学 报 Vol.14 No.1 2019 年 1 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jan. 2019
·58 智能系统学报 第14卷 事自主水面船的概念：海事自主水面船被定义为 在其无人自主驾驶货船项目研究中指出，如果采 能在不同程度上可以独立于与人类交互作用独立 用自主驾驶技术，一艘货船的运行效率将有望提 运行的船舶四。同时，会议将“关于使用海事自主 高，同时碳排放减少。因此，基于以上提高船舶 水面船舶的监管范围界定工作”列入议程。建议 安全性、节能减排、劳动力成本下降的需求，发展 航运界、相关科研院所尽早投入海上自主船的相 自主水面货船对于航运业及国家的发展有重要 关研究，研发不同级别智能化或自动化的船舶。首 意义。 先在港区作业、短程干货运输、小型特种作业船 舶实现半自动化甚至全自动化操作，再考虑远程 1水路运载工具的发展及分类 货物运输的自动化。本文将基于海事自主水面 水路运载工具目前正在从传统机械向半自动 船舶，聚焦其中运输用途的自主水面货船进行概述。 化再到全自动化无人驾驶发展。海事自主水面船 与自主水面货船研究相关的是小型无人水面 舶(maritime autonomous surface ships,MASS)将分 船。无人水面船是智能船舶的高级形式。根据海 阶段实现，在实现“无人操作”之前，具有远程控 军无人水面船总体规划，“无人”被定义为“能够 制或具有部分自主功能的载人船将被长期广泛使 无人操作，也可以载人或测试及评估，具有不同 用。综合水路载运工具的发展过程，提出如图1 程度的自主性”。“水面船舶强调船舶与水面有 所示的水路运载工具发展及分类。 接近且连续的接触。小型无人水面船又称为无人 1.1常规船舶 艇。根据中国船级社无人水面艇检验指南，无 当前绝大多数船舶都属于常规船只，无自动 人艇是无人水面艇的简称，系指一种直接通过自 化，无决策过程，由驾驶人全权操作船舶，系统可 主航行或远程遥控以实现正常航行、操纵及作业 提供驾驶所需的基本信息。 的水面小艇。无人艇可通过搭载各种任务载荷执 1.2智能船舶 行指定任务。无人艇系统包括平台、任务载荷、 通过使用智能传感器监测和控制船舶部件， 通信系统和操作系统。 例如推进和操纵系统，能够实现整船信息感知和 当前无人水面船以无人水面艇的研究为主， 整合，使其具有基于机器学习技术的决策能力。 用于安防、调查、科考等领域。自主水面货船为 可以逐步替代人类角色（减少船员），如系统检测 未来无人航运发展的重要载体，主要负责装载货 和结构疲劳监测。在智能船舶阶段中逐步进行以 物，在海洋上航行，到达目的地港口后卸载货物， 下发展。 再装上新的货物，并前往下一个港口。“货物”是 1)增强驾驶 指船舶运输的所有物品，包括船舶燃料、固体或 通过使用传感器等设备，辅助船员提高感知 液体压载物、船上使用的消耗品、船舶的永久性 和认知能力。给船员提供航行状态及环境等信 装备及备用装备。 息，但并不负责做出决策，仍采用常规人工驾驶， 大量研究表明，人为因素是船舶安全事故发 不减员。系统根据环境信息增强感知能力。人与 生的主要原因，由此导致的事故占总事故的86%~ 系统工作负荷比约为9：1。 96%。船舶一旦发生安全事故，将会造成人员伤 2)辅助驾驶 亡、危险品泄露、交通中断等严重后果，产生不良 采用常规人工驾驶，可以少量减员。系统执 的经济和社会影响，如“东方之星”及“岁月号”沉 行部分如自动加减速驾驶等，可提供简单决策方 船事件。其次，为控制二氧化碳等温室气体的排 案。人与系统工作负荷比约为7：3。 放，国际海事组织建立的全球碳排放交易机制和 3)船端人船协同 船舶能效设计指数(energy efficiency design index, 采用系统驾驶，可适当减员。系统可提供决 EED)正在有序推进，航运业减少温室气体排放 策或控制的引导信息。人与系统工作负荷比约 成为必然的趋势。 为5：5。 随着船舶智能化水平的不断提升，机舱值班 4)岸端人船协同 无人化、辅助驾驶技术、故障自诊断技术的发展 采用系统驾驶，大量减员。系统完成所有驾 使船舶配员逐渐较少，不仅能够解决海上专业人 驶操作及环境监控，提供航行、避障场景自主决 才越来越短缺的困局，同时无需设置船员生活 策。根据系统请求，船长需提供适当干预。人与 区，节省了空间、成本，降低了环境污染。全球最 系统工作负荷比约为3：7。 大船舶设备供应商之一的英国Rolls-Royce公司 5)自主船舶
事自主水面船的概念：海事自主水面船被定义为 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[1]。同时，会议将“关于使用海事自主 水面船舶的监管范围界定工作”列入议程。建议 航运界、相关科研院所尽早投入海上自主船的相 关研究，研发不同级别智能化或自动化的船舶。首 先在港区作业、短程干货运输、小型特种作业船 舶实现半自动化甚至全自动化操作，再考虑远程 货物运输的自动化[2]。本文将基于海事自主水面 船舶，聚焦其中运输用途的自主水面货船进行概述。 与自主水面货船研究相关的是小型无人水面 船。无人水面船是智能船舶的高级形式。根据海 军无人水面船总体规划[3] ，“无人”被定义为“能够 无人操作，也可以载人或测试及评估，具有不同 程度的自主性”。“水面船舶”强调船舶与水面有 接近且连续的接触。小型无人水面船又称为无人 艇。根据中国船级社无人水面艇检验指南[4] ，无 人艇是无人水面艇的简称，系指一种直接通过自 主航行或远程遥控以实现正常航行、操纵及作业 的水面小艇。无人艇可通过搭载各种任务载荷执 行指定任务。无人艇系统包括平台、任务载荷、 通信系统和操作系统。 当前无人水面船以无人水面艇的研究为主， 用于安防、调查、科考等领域。自主水面货船为 未来无人航运发展的重要载体，主要负责装载货 物，在海洋上航行，到达目的地港口后卸载货物， 再装上新的货物，并前往下一个港口。“货物”是 指船舶运输的所有物品，包括船舶燃料、固体或 液体压载物、船上使用的消耗品、船舶的永久性 装备及备用装备。 大量研究表明，人为因素是船舶安全事故发 生的主要原因，由此导致的事故占总事故的 86%~ 96%[5]。船舶一旦发生安全事故，将会造成人员伤 亡、危险品泄露、交通中断等严重后果，产生不良 的经济和社会影响，如“东方之星”及“岁月号”沉 船事件。其次，为控制二氧化碳等温室气体的排 放，国际海事组织建立的全球碳排放交易机制和 船舶能效设计指数 (energy efficiency design index， EEDI) 正在有序推进，航运业减少温室气体排放 成为必然的趋势。 随着船舶智能化水平的不断提升，机舱值班 无人化、辅助驾驶技术、故障自诊断技术的发展 使船舶配员逐渐较少，不仅能够解决海上专业人 才越来越短缺的困局，同时无需设置船员生活 区，节省了空间、成本，降低了环境污染。全球最 大船舶设备供应商之一的英国 Rolls-Royce 公司 在其无人自主驾驶货船项目研究中指出，如果采 用自主驾驶技术，一艘货船的运行效率将有望提 高，同时碳排放减少。因此，基于以上提高船舶 安全性、节能减排、劳动力成本下降的需求，发展 自主水面货船对于航运业及国家的发展有重要 意义。 1 水路运载工具的发展及分类 水路运载工具目前正在从传统机械向半自动 化再到全自动化无人驾驶发展。海事自主水面船 舶 (maritime autonomous surface ships，MASS) 将分 阶段实现，在实现“无人操作”之前，具有远程控 制或具有部分自主功能的载人船将被长期广泛使 用。综合水路载运工具的发展过程，提出如图 1 所示的水路运载工具发展及分类。 1.1 常规船舶 当前绝大多数船舶都属于常规船只，无自动 化，无决策过程，由驾驶人全权操作船舶，系统可 提供驾驶所需的基本信息。 1.2 智能船舶 通过使用智能传感器监测和控制船舶部件， 例如推进和操纵系统，能够实现整船信息感知和 整合，使其具有基于机器学习技术的决策能力。 可以逐步替代人类角色 (减少船员)，如系统检测 和结构疲劳监测。在智能船舶阶段中逐步进行以 下发展。 1) 增强驾驶 通过使用传感器等设备，辅助船员提高感知 和认知能力。给船员提供航行状态及环境等信 息，但并不负责做出决策，仍采用常规人工驾驶， 不减员。系统根据环境信息增强感知能力。人与 系统工作负荷比约为 9∶1。 2) 辅助驾驶 采用常规人工驾驶，可以少量减员。系统执 行部分如自动加减速驾驶等，可提供简单决策方 案。人与系统工作负荷比约为 7∶3。 3) 船端人船协同 采用系统驾驶，可适当减员。系统可提供决 策或控制的引导信息。人与系统工作负荷比约 为 5∶5。 4) 岸端人船协同 采用系统驾驶，大量减员。系统完成所有驾 驶操作及环境监控，提供航行、避障场景自主决 策。根据系统请求，船长需提供适当干预。人与 系统工作负荷比约为 3∶7。 5) 自主船舶 ·58· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
第1期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·59· 能够完全自主航行并避免碰撞，由仅需岸基 ②无人驾驶船舶 操作员到逐步实现无人操作。在自主船舶阶段中 有能力自主航行、自主装卸及靠离泊。整个 逐步进行以下发展。 水上运输过程不需要人力，属于真正的无人自主 ①自主航行船舶 阶段。 系统驾驶，全部减员。根据系统请求，船长可 水路运载工具的发展过程中，尤其是发展到 不做出响应。人与系统工作负荷比约为1：9。能 智能船舶，研究又分为了水上船艇及水下船艇 够完全自主航行并避免碰撞，且在船岸通讯连接 (潜艇)。水上船艇又可分为：1)小型水面艇；2)大 丢失时仍有能力航行。仅需操作员参与港口机 型水面船。随着无人驾驶船舶的发展，船舶的复 动、靠泊和离港工作，能在复杂的航道中航行。 杂性和自主性水平提高，所需的船员人数逐渐减 即只需要岸基操作员，不需要船员。 少至无人。 8 T 6888 常规船 智能船舶 增强驾驶船 i8 辅助驾驶船 水下船艇 i89a88 船端人船协同船 民用艇 i8含8 岸端人船协同船 水面艇（小型） 军用艇 主船 水面船艇 客船 自主航行船 各种货船 无人驾驶船 水面船（大型） 特殊用途船 军用船 图1水路运载工具的发展及分类 Fig.1 Development and classification of waterborne vehicles 2自主水面货船的研究现状及特点 前研究可知，USV的研制大都集中在单体和双 体，仅有少部分为三体船1。早期研制多为单体 2.1无人水面艇研究特点 船，随着技术的发展，双体USV的研制增多，三体 近年来，随着人类对海洋探索与依赖程度的 船也有所涉及，原因是它们具有更高的系统稳定 加深，作为能够代替人进行一系列海上活动的 性，能够降低USV航行时的风险。在单双体船的 USV受到世界各国的青睐，各种类型及用途的 基础上，根据所实现的功能不同，各国研制的 USV得到大范围的研制。根据尺度无人水面艇 USV船体在材质上又有所不同，以硬壳充气艇型 可分为：小型(<1t)中型(K100t)、大型(K1000t)、 居多，主要是因为它们的耐用性和有效载荷能力 超大型(C1000t)。目前小型或者中型无人船，长 更强。 度2~15m,重量1.5~10t,静水航速最大可达 2)按照用途分类 35kn。根据USV的船型特点、用途及推进方 USV在民用、军事领域具有极其广泛的应用 式，又可分类如下。 前景，如：环境监测、气象预报、海洋生物研究、 1)按照船型分类 深水样采集、水文观测、海图绘制、水上水下通信 USV的艇型具有多样化特征，包括滑行艇、 中继、海洋资源勘探与开采、领海监视等。其中 水翼艇、单体船、多体船等型式，为了改进隐身性 USV在民用领域的应用越来越广泛，为海洋勘探 能和平台稳定性，甚至可以设计为半潜式。就当 及船舶航行安全提供保障，同时也为科学研究提
能够完全自主航行并避免碰撞，由仅需岸基 操作员到逐步实现无人操作。在自主船舶阶段中 逐步进行以下发展。 ① 自主航行船舶 系统驾驶，全部减员。根据系统请求，船长可 不做出响应。人与系统工作负荷比约为 1：9。能 够完全自主航行并避免碰撞，且在船岸通讯连接 丢失时仍有能力航行。仅需操作员参与港口机 动、靠泊和离港工作，能在复杂的航道中航行。 即只需要岸基操作员，不需要船员。 ② 无人驾驶船舶 有能力自主航行、自主装卸及靠离泊。整个 水上运输过程不需要人力，属于真正的无人自主 阶段。 水路运载工具的发展过程中，尤其是发展到 智能船舶，研究又分为了水上船艇及水下船艇 (潜艇)。水上船艇又可分为：1) 小型水面艇；2) 大 型水面船。随着无人驾驶船舶的发展，船舶的复 杂性和自主性水平提高，所需的船员人数逐渐减 少至无人。 2 自主水面货船的研究现状及特点 2.1 无人水面艇研究特点 近年来，随着人类对海洋探索与依赖程度的 加深，作为能够代替人进行一系列海上活动的 USV 受到世界各国的青睐，各种类型及用途的 USV 得到大范围的研制。根据尺度无人水面艇 可分为：小型 ( 1 000 t)。目前小型或者中型无人船，长 度 2～15 m，重量 1.5～10 t，静水航速最大可达 35 kn[6]。根据 USV 的船型特点、用途及推进方 式，又可分类如下。 1) 按照船型分类 USV 的艇型具有多样化特征，包括滑行艇、 水翼艇、单体船、多体船等型式，为了改进隐身性 能和平台稳定性，甚至可以设计为半潜式。就当 前研究可知，USV 的研制大都集中在单体和双 体，仅有少部分为三体船[7-13]。早期研制多为单体 船，随着技术的发展，双体 USV 的研制增多，三体 船也有所涉及，原因是它们具有更高的系统稳定 性，能够降低 USV 航行时的风险。在单双体船的 基础上，根据所实现的功能不同，各国研制的 USV 船体在材质上又有所不同，以硬壳充气艇型 居多，主要是因为它们的耐用性和有效载荷能力 更强。 2) 按照用途分类 USV 在民用、军事领域具有极其广泛的应用 前景，如：环境监测、气象预报、海洋生物研究、 深水样采集、水文观测、海图绘制、水上水下通信 中继、海洋资源勘探与开采、领海监视等。其中 USV 在民用领域的应用越来越广泛，为海洋勘探 及船舶航行安全提供保障，同时也为科学研究提 智能船舶 自主船舶 常规船 增强驾驶船 辅助驾驶船 船端人船协同船 岸端人船协同船 自主航行船 无人驾驶船 水下船艇 水面船艇 水面艇 (小型) 水面船 (大型) 民用艇 军用艇 客船 各种货船 特殊用途船 军用船 图 1 水路运载工具的发展及分类 Fig. 1 Development and classification of waterborne vehicles 第 1 期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·59·
·60· 智能系统学报 第14卷 供数据支撑。 tional宣布开发一种100~150TEU、电力驱动、电 3)按照推进方式分类 池储能的的自主集装箱船（见图2(d)。该船将从 USV的推进方式很多，可用传统的螺旋 Yara的Porsgrunn生产工厂向挪威的Brevik和 桨+舵装置、喷水推进器，也有全电力推进，甚至 Larvik运输产品，计划于2018年下半年开始运营 有太阳能、风帆和海洋能等新型环保的推进方 并成为世界上第一台全电动零排放集装箱。 式。总体来说USV的推进方式普遍都为清洁能 源推进，少数采用混合推进，说明当前USV的发 展符合人类社会发展的正确方向，具有较强的发 展潜力。 2.2自主水面货船及测试场的研究现状 (a)AAWA项目 (b)无人集装箱船 1)自主水面货船的研究现状及特点 目前对于自主水面货船的开发处于逐渐增长 的阶段，英国、芬兰、挪威、澳大利亚、法国、德 国、日本、中国等都对自主水面货船相关项目进 (c)ReVolt (d)Yara birkeland 行研究。2012年，由Fraunhofer CML公司、MAR- INTEK公司、Chalmers大学等8家研究机构共同 合作的基于智能航行网络的海上无人驾驶(mari- time unmanned navigation through intelligence in net- works,.MUNN)项目，旨在提出无人货船的概 (e)Hronn”号 ()24TEU内河电动船舶 念并验证其可行性，强调开发的无人货船概念应 像MUNIN(希腊语：乌鸦)一样，具有能够独立和 安全地将货物运往预定目的地的象征意义。 2015年，英国Rolls-Royce公司与芬兰Aalto 大学合作启动了高级自主驾驶船舶应用开发计 (g)240TEU大型内河驳船 (h)“大智”号 (advanced autonomous waterborne applications, AAWA)项目，计划用5~8年时间设计建造一条无 人驾驶的远洋运输船（见图2(a),该项目旨在实 现“远程驾驶”与“自主驾驶”船舶的愿景1。此 外，Rolls-Royce公司开发了无人船舶的蓝本，提 (①“筋斗云”号 G)“白羊座”号 出了无人集装箱船舶概念（见图2(b),并将在 2020年前开始进行海试，远期目标是在2035年实 图2各国自主水面货船研究概念图 Fig.2 Conceptual diagrams of autonomous surface cargo 现跨洋航行。2017年6月20日，Rolls--Royce公司 ships in various countries 和全球拖轮运营商Svitzer公司在AAWA项目的 全球最大的矿业集团一一澳大利亚必和必拓 基础上，在丹麦哥本哈根港成功展示了世界上第 (BHP Billiton)计划在10年内研发超大型自动航 一艘远程操作的商用船，名为“Svitzer Hermod” 号。日本企业在政府的支持下合作推进无人船 行“无人”散货船，用于运输铁矿石和煤炭等各类 的研发进程，目标是到2025年实现自主控制的商 矿产7.2017年，海工船巨头法国Bourbon、英国 业海上运输7。 Automated Ships和挪威Kongsberg Maritime联手 基于研究零排放集装箱的目标，DNV GL集 合作打造全球首艘无人驾驶海工支援船“Hronn” 团在2016年为短距离航运开发电池供电的无人 号（见图2（©）)，主要服务海上能源、科考、水文和 船舶Re Volt(见图2(c)。通过减少船上高维护部 海上水产养殖行业。这艘OSV还可以作为ROV 件的数量来降低运营成本，该船的所述范围将是 和AUV支持船以及守备船，能够与载人船舶合 100 n mile,.然后才需要对电池充电。由于没有船 作为海上平台提供消防支援。 员，与一艘同样大小的传统柴油船相比，ReVolt 内河自主货船研究方面，2018年夏季开始， 在约30年的生命周期里，可以节约3400万美元喝。 荷兰正在设计24TEU内河电动船舶（见图2(f), 2017年春季，挪威公司Kongsberg和Yara Interna- 采用岸基充电、可升降式驾驶台设计，用于阿姆
供数据支撑。 3) 按照推进方式分类 U SV 的推进方式很多，可用传统的螺旋 桨+舵装置、喷水推进器，也有全电力推进，甚至 有太阳能、风帆和海洋能等新型环保的推进方 式。总体来说 USV 的推进方式普遍都为清洁能 源推进，少数采用混合推进，说明当前 USV 的发 展符合人类社会发展的正确方向，具有较强的发 展潜力。 2.2 自主水面货船及测试场的研究现状 1) 自主水面货船的研究现状及特点 目前对于自主水面货船的开发处于逐渐增长 的阶段，英国、芬兰、挪威、澳大利亚、法国、德 国、日本、中国等都对自主水面货船相关项目进 行研究。2012 年，由 Fraunhofer CML 公司、MARINTEK 公司、Chalmers 大学等 8 家研究机构共同 合作的基于智能航行网络的海上无人驾驶 (maritime unmanned navigation through intelligence in networks，MUNIN) 项目[14] ，旨在提出无人货船的概 念并验证其可行性，强调开发的无人货船概念应 像 MUNIN(希腊语：乌鸦) 一样，具有能够独立和 安全地将货物运往预定目的地的象征意义。 2015 年，英国 Rolls-Royce 公司与芬兰 Aalto 大学合作启动了高级自主驾驶船舶应用开发计 划 (advanced autonomous waterborne applications， AAWA) 项目，计划用 5~8 年时间设计建造一条无 人驾驶的远洋运输船 (见图 2(a))，该项目旨在实 现“远程驾驶”与“自主驾驶”船舶的愿景[15]。此 外，Rolls-Royce 公司开发了无人船舶的蓝本，提 出了无人集装箱船舶概念 (见图 2(b))，并将在 2020 年前开始进行海试，远期目标是在 2035 年实 现跨洋航行。2017 年 6 月 20 日，Rolls-Royce 公司 和全球拖轮运营商 Svitzer 公司在 AAWA 项目的 基础上，在丹麦哥本哈根港成功展示了世界上第 一艘远程操作的商用船，名为“Svitzer Hermod” 号 [16]。日本企业在政府的支持下合作推进无人船 的研发进程，目标是到 2025 年实现自主控制的商 业海上运输[17]。 基于研究零排放集装箱的目标，DNV GL 集 团在 2016 年为短距离航运开发电池供电的无人 船舶 ReVolt(见图 2(c))。通过减少船上高维护部 件的数量来降低运营成本，该船的所述范围将是 100 n mile，然后才需要对电池充电。由于没有船 员，与一艘同样大小的传统柴油船相比，ReVolt 在约 30 年的生命周期里，可以节约 3 400 万美元[18]。 2017 年春季，挪威公司 Kongsberg 和 Yara International 宣布开发一种 100~150 TEU、电力驱动、电 池储能的的自主集装箱船 (见图 2(d))。该船将从 Yara 的 Porsgrunn 生产工厂向挪威的 Brevik 和 Larvik 运输产品，计划于 2018 年下半年开始运营 并成为世界上第一台全电动零排放集装箱[15]。 全球最大的矿业集团——澳大利亚必和必拓 (BHP Billiton) 计划在 10 年内研发超大型自动航 行“无人”散货船，用于运输铁矿石和煤炭等各类 矿产[17]。2017 年，海工船巨头法国 Bourbon、英国 Automated Ships 和挪威 Kongsberg Maritime 联手 合作打造全球首艘无人驾驶海工支援船“Hrönn” 号 (见图 2(e))，主要服务海上能源、科考、水文和 海上水产养殖行业。这艘 OSV 还可以作为 ROV 和 AUV 支持船以及守备船，能够与载人船舶合 作为海上平台提供消防支援[19]。 内河自主货船研究方面，2018 年夏季开始， 荷兰正在设计 24 TEU 内河电动船舶 (见图 2(f))， 采用岸基充电、可升降式驾驶台设计，用于阿姆 (a) AAWA项目 (b) 无人集装箱船 (c) ReVolt (d) Yara birkeland (e) “Hrönn”号 (g) 240 TEU大型内河驳船 (h) “大智”号 (i) “筋斗云”号 (j) “白羊座”号 (f) 24TEU内河电动船舶 图 2 各国自主水面货船研究概念图 Fig. 2 Conceptual diagrams of autonomous surface cargo ships in various countries ·60· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
第1期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·61· 斯特丹、鹿特丹、安特卫普航线，计划于2019年 2)自主水面货船测试场的研究现状 投入使用。未来拟建240TEU大型内河驳船（见 各国展开自主水面船舶研究的同时，也在进 图2(g,以替代目前的内河集装箱船。 行测试场的建设，为将来船舶试验研究创造条件。 2018年5月16~25日，MSC第99届会议在 2016年初.DIMECC芬兰合作公司与Rol1s 伦敦IMO总部召开。本届会议开始研究如何在 Royce、ABB、Wartsila、Cargotec、Ericsson、Meyer IMO框架下进行MASS的安全、可靠和环境友好 Turku、Tekes和Tieto公司共同开发无人驾驶船 的运营问题。会议围绕MASS法规梳理的目标、 舶，项目命名为“一个海洋一自治海洋生态系 定义、范围、方法、工作计划进行了深入讨论并通 统”。经过多年的发展，该公司已可以面向业务使 过了一系列法规决议四。我国目前也在进行自主 用提供系统性解决方案。同时，DIMECC公司为 水面货船的研究。考虑到未来船舶智能化的发展 无人船舶测试在芬兰劳马海岸建设测试场，命名 方向和发展趋势，中国船级社(CCS)编制的《智 为“Jaakonmeri测试区”（见图3(a)2。 能船舶规范》（简称《规范》）于2015年12月 1日在中国国际海事会展期间正式对外发布，并 于2016年3月1日生效。CCS智能船舶规范体 系由智能航行、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部分组 成四。2017年6月28日，由海航科技集团发起的 (a)Jaakonmeri测试区(b)特隆赫姆峡湾挪威测试场 无人货物运输船开发联盟成立大会暨第一次理事 会在上海隆重召开21。来自中国船级社(CCS)、 美国船级社(ABS)、中国舰船研究设计中心、沪东 中华造船集团有限公司、中国船舶及海洋工程设 计院(7O8所)、Rolls--Royce船舶、上海船用柴油机 研究所(711所)、瓦锡兰中国有限公司和海航科 (c)挪威山摩尔测试场 (d)挪威奥斯陆峡湾测试场 技集团计划联手建造世界第一艘远洋无人货船。 12月5日，中国自主研发的全球首艘智能船舶 iDolphin38800t智能散货船“大智”轮在中国国际 海事会展上正式发布（见图2(h)。该船具有 110余个智能数据分析模型，能够实现每6h更新 航线，日均油耗降低4%，是全球首艘通过船级社 ()格陵兰岛地区测试场（①珠海万山无人货船测试场 认证的智能船舶2.12月6日，中国船级社、珠 海市政府、武汉理工大学及云洲智能科技有限公 图3各国海上智能船舶测试场 司四方启动首艘小型近海无人货运船“筋斗云” Fig.3 Test area for smart ships in different countries 号（见图2(）)的设计、建造及运营，采用电力推 2016年挪威政府机构和行业机构建立了挪威 进，具备一定条件下的自主靠离泊能力。这艘 自治船舶论坛(norwegian forum for autonomous 500t级无人驾驶船舶有望于2019年在全球率先 ships,NFAS)推广无人航运的概念。此外，挪威 实现商业运营。2018年2月27日，中远海运重工 政府已将特隆赫姆峡湾变成了一个自主船舶试验 旗下南通中远海运川崎建造的中远海运首艘两万 的试验场30，宽3.2~24.1km(见图3(b)。2017年 标箱级集装箱船“中远海运白羊座”号（见图2G) 10月30日，在NFAS的基础上，国际自主船舶组 顺利首航比利时安特卫普港。该船是中国建造的 (international network for autonomous ships, 首制具有完全自主知识产权的2万标箱级集装箱 NAS)在奥斯陆成立，该组织是关于无人驾驶船 船，标志着我国船舶工业技术在这一领域又实现 舶、自主船舶或智能船舶的国家或地区利益组织 新突破2。此船是全球迄今为止第一艘收到劳氏 的非正式小组。同年，挪威陆续在山摩尔（见 船级社LR网络准入船舶(Cyber-enabled ship,. 图3(c)和奥斯陆峡湾（见图3(d)内增设两个 CES)AL3级(LR将AL3定义为“用于自主/远程监 无人船测试场。 视和控制的网络访问（需要机载许可，并且可以 2017年5月，格陵兰岛地区（见图3(e)设立 进行机载覆盖)”)描述性说明的集装箱船2。 试验区。这个区域的船舶流量比特隆赫姆要多
斯特丹、鹿特丹、安特卫普航线，计划于 2019 年 投入使用。未来拟建 240 TEU 大型内河驳船 (见 图 2(g))，以替代目前的内河集装箱船[20]。 2018 年 5 月 16～25 日，MSC 第 99 届会议在 伦敦 IMO 总部召开。本届会议开始研究如何在 IMO 框架下进行 MASS 的安全、可靠和环境友好 的运营问题。会议围绕 MASS 法规梳理的目标、 定义、范围、方法、工作计划进行了深入讨论并通 过了一系列法规决议[21]。我国目前也在进行自主 水面货船的研究。考虑到未来船舶智能化的发展 方向和发展趋势，中国船级社 (CCS) 编制的《智 能船舶规范》(简称《规范》) 于 2015 年 12 月 1 日在中国国际海事会展期间正式对外发布，并 于 2016 年 3 月 1 日生效。CCS 智能船舶规范体 系由智能航行、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部分组 成 [22]。2017 年 6 月 28 日，由海航科技集团发起的 无人货物运输船开发联盟成立大会暨第一次理事 会在上海隆重召开[23]。来自中国船级社 (CCS)、 美国船级社 (ABS)、中国舰船研究设计中心、沪东 中华造船集团有限公司、中国船舶及海洋工程设 计院 (708 所)、Rolls-Royce 船舶、上海船用柴油机 研究所 (711 所)、瓦锡兰中国有限公司和海航科 技集团计划联手建造世界第一艘远洋无人货船。 12 月 5 日，中国自主研发的全球首艘智能船舶 iDolphin 38 800 t 智能散货船“大智”轮在中国国际 海事会展上正式发布 (见图 2(h))。该船具 有 110 余个智能数据分析模型，能够实现每 6 h 更新 航线，日均油耗降低 4%，是全球首艘通过船级社 认证的智能船舶[24]。12 月 6 日，中国船级社、珠 海市政府、武汉理工大学及云洲智能科技有限公 司四方启动首艘小型近海无人货运船“筋斗云” 号 (见图 2(i)) 的设计、建造及运营，采用电力推 进，具备一定条件下的自主靠离泊能力[25]。这艘 500 t 级无人驾驶船舶有望于 2019 年在全球率先 实现商业运营。2018 年 2 月 27 日，中远海运重工 旗下南通中远海运川崎建造的中远海运首艘两万 标箱级集装箱船“中远海运白羊座”号 (见图 2(j)) 顺利首航比利时安特卫普港。该船是中国建造的 首制具有完全自主知识产权的 2 万标箱级集装箱 船，标志着我国船舶工业技术在这一领域又实现 新突破[26]。此船是全球迄今为止第一艘收到劳氏 船级社 LR 网络准入船舶 (Cyber-enabled ship, CES)AL3 级 (LR 将 AL3 定义为“用于自主/远程监 视和控制的网络访问 (需要机载许可，并且可以 进行机载覆盖)”) 描述性说明的集装箱船[27]。 2) 自主水面货船测试场的研究现状 各国展开自主水面船舶研究的同时，也在进 行测试场的建设，为将来船舶试验研究创造条件。 2016 年初，DIMECC 芬兰合作公司与 RollsRoyce、ABB、Wärtsilä、Cargotec、Ericsson、Meyer Turku、Tekes 和 Tieto 公司共同开发无人驾驶船 舶，项目命名为“一个海洋—自治海洋生态系 统”。经过多年的发展，该公司已可以面向业务使 用提供系统性解决方案。同时，DIMECC 公司为 无人船舶测试在芬兰劳马海岸建设测试场，命名 为“Jaakonmeri 测试区”(见图 3(a)) [28]。 2016 年挪威政府机构和行业机构建立了挪威 自治船舶论坛 (norwegian forum for autonomous ships, NFAS) 推广无人航运的概念[29]。此外，挪威 政府已将特隆赫姆峡湾变成了一个自主船舶试验 的试验场[30] ，宽 3.2~24.1 km(见图 3(b))。2017 年 10 月 30 日，在 NFAS 的基础上，国际自主船舶组 织 (international network for autonomous ships, INAS) 在奥斯陆成立，该组织是关于无人驾驶船 舶、自主船舶或智能船舶的国家或地区利益组织 的非正式小组[31]。同年，挪威陆续在山摩尔 (见 图 3(c)) [32] 和奥斯陆峡湾 (见图 3(d)) [33] 内增设两个 无人船测试场。 2017 年 5 月，格陵兰岛地区 (见图 3(e)) 设立 试验区。这个区域的船舶流量比特隆赫姆要多， (a) Jaakonmeri测试区 (b) 特隆赫姆峡湾挪威测试场 (d) 挪威奥斯陆峡湾测试场 (e) 格陵兰岛地区测试场 (f) 珠海万山无人货船测试场 (c) 挪威山摩尔测试场 图 3 各国海上智能船舶测试场 Fig. 3 Test area for smart ships in different countries 第 1 期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·61·
·62· 智能系统学报 第14卷 特别适用于在交通繁忙的环境中测试更多概念性 弱；受外界因素影响明显；岸壁效应明显。船舶 的开发项目。该地区还具有VTS等监管设备，这 在靠离泊作业时，船两舷与水及岸壁作用产生向 将进一步增加作为测试区域的实用性。 岸靠拢的压力差，产生岸推力矩与岸吸力，使船 2018年2月，中国船级社、珠海市政府、武汉 体向岸壁靠拢。一般船岸间距达1.7倍船宽时 理工大学、云洲智能科技有限公司四方启动“珠 便可显出岸壁影响，并且随着航道宽度变窄、水 海万山无人船测试场”（见图3(）)的建设，作为亚 深变浅、船与岸的距离变近、航速变高、船型肥大 洲首个海上无人船测试场，不同于芬兰和挪威建 而程度加大。 设的以“水域”为核心的测试场，“珠海万山无人船 虽然USV与自主货船各有特点，但USV的 测试场”以多手段的评测体系为核心，其中包含了 设备选取及智能控制方法均对自主货船有参考意 实船测试场、模型船测试场、软件仿真环境、半实 义，可作为海事自主水面货船的雏形，为相关研 物仿真环境、评价方法体系、法规验证体系等。 究与发展提供基础。 综上，当前大型自主水面货船处在研究阶段， 同时大型测试场也在建设中。 3自主水面货船系统组成 23无人艇与自主水面货船研究的异同 大型自主水面货船的系统结构是以有动力的 USV具有小型、快速、灵活等特点。目前，载 船体为平台，搭载通讯设备、控制设备和特殊功 荷能力及运输功能较强的USV主要应用于军事 能设备，进行货物运输，主要是通过地面的基站 领域及科研领域，并未涉足运输业。 或母船的控制中心完成自主水面货船的远程控 自主水面货船操纵性特点：质量大，惯性大， 制。自主水面货船系统主要分为船端、岸端、通 余速消失慢；旋回性能较差；小舵角响应极其微 信系统3部分，如图4所示。 数据采集系统 通信系统 雷达相机/红外相机热像仪 电罗径角速度传感器 天线 导航 测深仪声呐 固态雷达声音传感器 制导、导航与 控制系统 如▣■▣e■e。■ 地面站 推进及动力系统 船体 舵&桨 发动机 艏侧推 图4自主水面货船的系统构成 Fig.4 System composition of autonomous surface cargo ships 3.1船端 igation and control,.GNC)。船端通过感知自主水面 船端主要包括船体结构、推进与动力系统、 货船周围环境信息和自身航行姿态信息，通过 数据采集系统及制导导航控制系统(guidance nav-. GNC系统调用对应的任务功能程序模块，实现自
特别适用于在交通繁忙的环境中测试更多概念性 的开发项目。该地区还具有 VTS 等监管设备，这 将进一步增加作为测试区域的实用性[34]。 2018 年 2 月，中国船级社、珠海市政府、武汉 理工大学、云洲智能科技有限公司四方启动“珠 海万山无人船测试场”(见图 3(f)) 的建设，作为亚 洲首个海上无人船测试场，不同于芬兰和挪威建 设的以“水域”为核心的测试场，“珠海万山无人船 测试场”以多手段的评测体系为核心，其中包含了 实船测试场、模型船测试场、软件仿真环境、半实 物仿真环境、评价方法体系、法规验证体系等。 综上，当前大型自主水面货船处在研究阶段， 同时大型测试场也在建设中。 2.3 无人艇与自主水面货船研究的异同 USV 具有小型、快速、灵活等特点。目前，载 荷能力及运输功能较强的 USV 主要应用于军事 领域及科研领域，并未涉足运输业。 自主水面货船操纵性特点：质量大，惯性大， 余速消失慢；旋回性能较差；小舵角响应极其微 弱；受外界因素影响明显；岸壁效应明显。船舶 在靠离泊作业时，船两舷与水及岸壁作用产生向 岸靠拢的压力差，产生岸推力矩与岸吸力，使船 体向岸壁靠拢。一般船岸间距达 1.7 倍 [35] 船宽时 便可显出岸壁影响，并且随着航道宽度变窄、水 深变浅、船与岸的距离变近、航速变高、船型肥大 而程度加大。 虽然 USV 与自主货船各有特点，但 USV 的 设备选取及智能控制方法均对自主货船有参考意 义，可作为海事自主水面货船的雏形，为相关研 究与发展提供基础。 3 自主水面货船系统组成 大型自主水面货船的系统结构是以有动力的 船体为平台，搭载通讯设备、控制设备和特殊功 能设备，进行货物运输，主要是通过地面的基站 或母船的控制中心完成自主水面货船的远程控 制。自主水面货船系统主要分为船端、岸端、通 信系统 3 部分，如图 4 所示。 3.1 船端 船端主要包括船体结构、推进与动力系统、 数据采集系统及制导导航控制系统 (guidance navigation and control, GNC)。船端通过感知自主水面 货船周围环境信息和自身航行姿态信息，通过 GNC 系统调用对应的任务功能程序模块，实现自 通信系统 数据采集系统 雷达 相机/红外相机 热像仪 电罗径 角速度传感器 导航 测深仪 声呐 固态雷达 声音传感器 地面站 制导、导航与 控制系统 船体 推进及动力系统 舵&桨 发动机 艏侧推 天线 图 4 自主水面货船的系统构成 Fig. 4 System composition of autonomous surface cargo ships ·62· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
第1期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·63· 主操控功能。船端控制平台包括多种传感设备、 白天和夜晚监测)、热像仪及角速度传感器、声音 通信设备、执行机构等。 捕获和检测传感器等多种传感器，以检测船舶周 1)船体结构 围环境和自身航行姿态信息。智能终端采集各设 不同船体结构的自主水面货船负载能力不 备数据最终汇总发送至GNC系统，实现信息处理。 同，负载能力强的自主货船能够安装多功能任务 4)GNC系统 包，从而使得单个自主货船可以同时完成更多的 制导、导航与控制分系统，承担全部运动控 作业任务。 制任务。对于自主水面货船来说，GNC系统是自 2)推进与动力系统 主水面货船运动控制的核心系统，支配自主水面 舵、螺旋桨、发动机等是自主水面货船推进 货船的行动。主要功能是连接各类船载传感器 系统中不可缺少的重要设备，其性能直接影响着 执行机构驱动器以及特定任务设备，实现数据预 船舶航行的经济性和安全性。 处理以及协议转换功能。控制系统是自主水面货 舵布置包括单舵、双舵、四舵，种类有Square 船航行中重要的子系统。在自主操纵下，货船必 head、Round head、NACA系列、IFS系列、Wedge 须具备根据外界环境对运动控制进行调整的能 系列、鱼尾舵及襟翼舵等B6。目前舵的研究领域 力，从而降低自主水面货船的航行风险。GNC系 比较先进的是自动舵，其发展共经历机械舵、 统的具体设计要求：具备多种数据接口模式； PD舵、自适应舵、智能舵4个主要阶段，自动控 数据输出方式统一；具备足够的数据处理能力， 制操舵方式比人工操舵方式更加灵敏和准确。 能够融合多源异构传感器信息，进行深度数据 螺旋桨布置包括单桨、双桨及多桨，不同的 分析。 桨舵配合使得船舶产生不同的操纵效果，直接影 3.2岸端 响船舶的运动性能。除船尾安装螺旋桨外，为实 岸基设备用于提供人机界面，实时监控船舶 现自动靠离泊需要安装侧推装置如艏侧推。艏侧 自身和周围环境信息，了解船舶航行动态，并可 推，即艏侧推进器，是一种装在船舶首部的特种 向船端控制平台发送操作指令，实现遥控操纵， 推进器，采用可变或固定螺距桨叶。艏侧推装置 同时实时存储数据信息，用于后期数据分析。常 除了可变螺距桨外，还包括电机或油马达、变距 用岸基设备主要有PC机、岸基雷达、摄像头、射 泵组、重力油泵等。作用是用来提高船舶的操纵 频识别等。为适应自主水面货船多能源换装或补 性，精确保持船位，便于停靠码头，不需要拖船 充需求，岸基应具备接触网式、成组更换式、靠岸 协助。 快充式、无线供电式等能源供给系统。 当前推进方式主流有螺旋桨推进、喷水推 3.3通信系统 进，新型推进方式有吊舱推进、无轴轮缘推进 通信系统包含船舶本身数据间通信及船岸信 等。由于无轴轮缘推进与传统桨舵相比具有全回 息通信。实现船岸之间各数据的稳定传输，是确 转、适量推进、精确控制等特点，与吊舱推进器相 保自主水面货船系统正常稳定工作的基础。利用 比具有推进效率高、减振降噪、防缠绕、正反转改 岸端设备、通信技术以及船载终端等通信设施监 向快、空间利用率高等优点，可以作为海事自主 控航行在港湾和进出港口的船舶，即为船舶交通 货船的优先选择。 服务(vessel traffic service,.VTS)。 目前，船舶动力95%为柴油机动力，当前新 根据任务要求，自主水面货船应具有4种通 型动力源主要有LNG、锂电池、燃料电池、可再 信方式：水下、水上、陆地、太空。水下通信能够 生能源（太阳能、风能）、核能等。自主水面货船 与潜艇通信，水上通信能够进行自身与船船间通 以采用清洁动力源为目标，在保证船舶航行动力 信，陆地指本船与岸站进行通信、空中指本船与 的同时应遵循环保理念。 无人机通信。 3)数据采集系统 综上，自主水面货船系统组成3部分不可或 船端安装有数据采集设备，如GPS和DGPS、 缺，一艘基本自主水面货船应采用智能舵，安装 S波段和X波段雷达（可以在恶劣天气条件下使 艏侧推并具有自动靠离泊能力，选择高效的推进 用)、KA和W波段雷达（可以检测近距离目标）、 方式（如无轴轮缘推进）与节能环保的动力源，采 声呐、罗盘、测深仪、LIDAR(可以识别近距离目 用先进的GNC技术，稳定的通信设备，再配合 标并精确测量距离)、摄像机和红外摄像机（用于 AIS、闭路监控电视、船舶远程识别与跟踪、船舶
主操控功能。船端控制平台包括多种传感设备、 通信设备、执行机构等。 1) 船体结构 不同船体结构的自主水面货船负载能力不 同，负载能力强的自主货船能够安装多功能任务 包，从而使得单个自主货船可以同时完成更多的 作业任务。 2) 推进与动力系统 舵、螺旋桨、发动机等是自主水面货船推进 系统中不可缺少的重要设备，其性能直接影响着 船舶航行的经济性和安全性。 舵布置包括单舵、双舵、四舵，种类有 Square head、Round head、NACA 系列、IFS 系列、Wedge 系列、鱼尾舵及襟翼舵等[36]。目前舵的研究领域 比较先进的是自动舵，其发展共经历机械舵、 PID 舵、自适应舵、智能舵 4 个主要阶段，自动控 制操舵方式比人工操舵方式更加灵敏和准确。 螺旋桨布置包括单桨、双桨及多桨，不同的 桨舵配合使得船舶产生不同的操纵效果，直接影 响船舶的运动性能。除船尾安装螺旋桨外，为实 现自动靠离泊需要安装侧推装置如艏侧推。艏侧 推，即艏侧推进器，是一种装在船舶首部的特种 推进器，采用可变或固定螺距桨叶。艏侧推装置 除了可变螺距桨外，还包括电机或油马达、变距 泵组、重力油泵等。作用是用来提高船舶的操纵 性，精确保持船位，便于停靠码头，不需要拖船 协助。 当前推进方式主流有螺旋桨推进、喷水推 进，新型推进方式有吊舱推进、无轴轮缘推进 等。由于无轴轮缘推进与传统桨舵相比具有全回 转、适量推进、精确控制等特点，与吊舱推进器相 比具有推进效率高、减振降噪、防缠绕、正反转改 向快、空间利用率高等优点，可以作为海事自主 货船的优先选择。 目前，船舶动力 95% 为柴油机动力，当前新 型动力源主要有 LNG、锂电池、燃料电池、可再 生能源 (太阳能、风能)、核能等。自主水面货船 以采用清洁动力源为目标，在保证船舶航行动力 的同时应遵循环保理念。 3) 数据采集系统 船端安装有数据采集设备，如 GPS 和 DGPS、 S 波段和 X 波段雷达 (可以在恶劣天气条件下使 用)、KA 和 W 波段雷达 (可以检测近距离目标)、 声呐、罗盘、测深仪、LIDAR(可以识别近距离目 标并精确测量距离)、摄像机和红外摄像机 (用于 白天和夜晚监测)、热像仪及角速度传感器、声音 捕获和检测传感器等多种传感器，以检测船舶周 围环境和自身航行姿态信息。智能终端采集各设 备数据最终汇总发送至 GNC系统，实现信息处理。 4) GNC 系统 制导、导航与控制分系统，承担全部运动控 制任务。对于自主水面货船来说，GNC 系统是自 主水面货船运动控制的核心系统，支配自主水面 货船的行动。主要功能是连接各类船载传感器、 执行机构驱动器以及特定任务设备，实现数据预 处理以及协议转换功能。控制系统是自主水面货 船航行中重要的子系统。在自主操纵下，货船必 须具备根据外界环境对运动控制进行调整的能 力，从而降低自主水面货船的航行风险。GNC 系 统的具体设计要求：具备多种数据接口模式； 数据输出方式统一；具备足够的数据处理能力， 能够融合多源异构传感器信息，进行深度数据 分析。 3.2 岸端 岸基设备用于提供人机界面，实时监控船舶 自身和周围环境信息，了解船舶航行动态，并可 向船端控制平台发送操作指令，实现遥控操纵， 同时实时存储数据信息，用于后期数据分析。常 用岸基设备主要有 PC 机、岸基雷达、摄像头、射 频识别等。为适应自主水面货船多能源换装或补 充需求，岸基应具备接触网式、成组更换式、靠岸 快充式、无线供电式等能源供给系统。 3.3 通信系统 通信系统包含船舶本身数据间通信及船岸信 息通信。实现船岸之间各数据的稳定传输，是确 保自主水面货船系统正常稳定工作的基础。利用 岸端设备、通信技术以及船载终端等通信设施监 控航行在港湾和进出港口的船舶，即为船舶交通 服务 (vessel traffic service，VTS)。 根据任务要求，自主水面货船应具有 4 种通 信方式：水下、水上、陆地、太空。水下通信能够 与潜艇通信，水上通信能够进行自身与船船间通 信，陆地指本船与岸站进行通信、空中指本船与 无人机通信。 综上，自主水面货船系统组成 3 部分不可或 缺，一艘基本自主水面货船应采用智能舵，安装 艏侧推并具有自动靠离泊能力，选择高效的推进 方式 (如无轴轮缘推进) 与节能环保的动力源，采 用先进的 GNC 技术，稳定的通信设备，再配合 AIS、闭路监控电视、船舶远程识别与跟踪、船舶 第 1 期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·63·
·64· 智能系统学报 第14卷 交通服务等系统，通过大数据、船联网和云计算 感知方式94”。船舶设备供应商，也在尝试具备 等手段，实现对航运船舶的远程、实时、全程监管 AIS和雷达目标融合功能的雷达和电子海图。然 与服务，构成智慧海事监管系统叨。 而，雷达和AIS信号本身并不完善。雷达目标在 密集航道内的虚假率高，一般达40%~50%。AIS 4自主水面货船研究关键技术及挑战 目标则存在最长达180s的延时2。因此，上述 4.1自主水面货船设计及实船测试 “融合功能”只能在理想的环境下（如开阔海域、 船舶在静水、波浪、涌浪条件下做各种运动 目标船舶极端孤立)的情况下发挥作用。综上， 时船舶动力学性能存在较大差异，如何优化设计 对于自主货运船舶，目前的难点在于多传感器的 船型并基于实际动力需求，精确控制动力输出是 融合情况不佳，缺乏对感知信息的深度挖掘，无 当前面临的挑战之一。为精确控制动力输出，应 法形成对航行态势、自身运动特征的准确“感知”。 采用矢量推进器。无轴轮缘推进器作为新型矢量 4.3自主水面货船智能认知技术 推进器的代表，其推广与应用具有先发性优势。 自主水面货船航行系统应具有高度的智能性， 包括感知、认知和决策3部分。智能认知系统主 如何将清洁能源与推进系统相结合并降低新式技 术的成本，提升经济效益，促进技术推广，是自主 要包括视觉系统、听觉系统、感觉系统。环境的 水面货船面临的另一挑战。 认知、知识的学习、决策的制定等主要依赖于人 工智能技术的应用。采用人工智能技术实现自主 中小型无人水面艇由于其成本较低、尺度较 小、研究普适性较强，容易通过实船测试获取相 水面货船图像识别、自然语言识别处理等任务。 关参数与结果。大型自主水面货船的成本远高于 1)自主水面货船图像识别 船舶领域对于图像有极大的需求，由视觉传 小型无人艇且系统组成复杂，相关船舶参数难以 感器、毫米波雷达、前视声呐、侧扫声呐、激光雷 通过仿真或模型试验准确获得。目前绝大多数 达获得的信息，其信息类型大多为图像，采用人 的理论分析和仿真环境下的运动控制算法验证 工智能技术（如神经网络等学习类算法）对这些 仅依据已有标准船型的公开数据，几乎没有相关 数据的认知处理3，可以获取船舶航行态势，辨 实船验证，缺少自主水面货船真实应用效果验证 识碰撞风险，以支持航行决策。 范例。 2)自主水面货船语言识别 4.2自主水面货船智能感知技术 船舶领域对船舶的呼号识别有重要意义。同 自主水面货船数据采集系统主要负责对环 时，无人船舶同有人船舶将在很长的一段时间内 境、设备、系统、货物等复杂信息进行感知收集。 混合存在，解决语义沟通与理解是连接无人船舶 1)对环境状态的感知：主要包括感知气象信 与有人船舶的重要基础。当前对语音语义的研究 息、水文信息、通航环境信息等。 较为广泛。国内外涉及人工智能技术的语音语义 2)对船舶状态的感知：主要包括对船舶航行 识别方法主要基于深度学习或神经网络64咧，但 位置、航速、航向等。 针对船舶语音特点的系统识别研究较少。 3)对设备、系统、货物进行感知：主要包括监 4.4自主水面货船智能航行技术 测设备当前各设备系统的运行状态和货物的存储 智能航行包括航向航速优化、航线规划、智 状态。 能避碰、路径跟随、自动靠离泊等。 如何增强感知的智能性是研究的重点之一。 航速控制主要是控制螺旋桨的转速，航向控 雷达、AIS等常规船用感知设备是船舶的重要感 制主要包含航向的稳定性和机动性两方面内容。 知工具。由于自身工作特性，雷达在近距离存在 根据水文气象情况、船舶运动特性、当前环境是 30m左右的探测盲区B。AIS报文中时常会出现 否有障碍物等进行动态航线规划，采用智能算法 错误。为了保证航行安全，自主船舶还应备激光 进行避碰，运用合适的航向航速实现路径跟随， 雷达、毫米波雷达等设备用于近距离感知。但激 实现安全经济的目标。当船舶停止航行时，应采 光雷达角分辨率有限，远距离成像不清晰。毫米 取自动靠离泊控制。自动靠离泊属于镇定问题， 波雷达也存在扫描范围不足的问题。 对于大型自主水面货船的安全尤为重要。当前大 由于各种传感器存在不同的缺陷，研究人员 型有人货船主要依靠拖轮完成靠离泊50)。如何 在设计自主船舶感知系统时采取了多传感器组合 采用人工智能技术设计实现自主水面货船自动靠
交通服务等系统，通过大数据、船联网和云计算 等手段，实现对航运船舶的远程、实时、全程监管 与服务，构成智慧海事监管系统[37]。 4 自主水面货船研究关键技术及挑战 4.1 自主水面货船设计及实船测试 船舶在静水、波浪、涌浪条件下做各种运动 时船舶动力学性能存在较大差异，如何优化设计 船型并基于实际动力需求，精确控制动力输出是 当前面临的挑战之一。为精确控制动力输出，应 采用矢量推进器。无轴轮缘推进器作为新型矢量 推进器的代表，其推广与应用具有先发性优势。 如何将清洁能源与推进系统相结合并降低新式技 术的成本，提升经济效益，促进技术推广，是自主 水面货船面临的另一挑战。 中小型无人水面艇由于其成本较低、尺度较 小、研究普适性较强，容易通过实船测试获取相 关参数与结果。大型自主水面货船的成本远高于 小型无人艇且系统组成复杂，相关船舶参数难以 通过仿真或模型试验准确获得。目前绝大多数 的理论分析和仿真环境下的运动控制算法验证 仅依据已有标准船型的公开数据，几乎没有相关 实船验证，缺少自主水面货船真实应用效果验证 范例。 4.2 自主水面货船智能感知技术 自主水面货船数据采集系统主要负责对环 境、设备、系统、货物等复杂信息进行感知收集。 1) 对环境状态的感知：主要包括感知气象信 息、水文信息、通航环境信息等。 2) 对船舶状态的感知：主要包括对船舶航行 位置、航速、航向等。 3) 对设备、系统、货物进行感知：主要包括监 测设备当前各设备系统的运行状态和货物的存储 状态。 如何增强感知的智能性是研究的重点之一。 雷达、AIS 等常规船用感知设备是船舶的重要感 知工具。由于自身工作特性，雷达在近距离存在 30 m 左右的探测盲区[38]。AIS 报文中时常会出现 错误。为了保证航行安全，自主船舶还应备激光 雷达、毫米波雷达等设备用于近距离感知。但激 光雷达角分辨率有限，远距离成像不清晰。毫米 波雷达也存在扫描范围不足的问题。 由于各种传感器存在不同的缺陷，研究人员 在设计自主船舶感知系统时采取了多传感器组合 感知方式[39-41]。船舶设备供应商，也在尝试具备 AIS 和雷达目标融合功能的雷达和电子海图。然 而，雷达和 AIS 信号本身并不完善。雷达目标在 密集航道内的虚假率高，一般达 40%~50%。AIS 目标则存在最长达 180 s 的延时[42]。因此，上述 “融合功能”只能在理想的环境下 (如开阔海域、 目标船舶极端孤立) 的情况下发挥作用。综上， 对于自主货运船舶，目前的难点在于多传感器的 融合情况不佳，缺乏对感知信息的深度挖掘，无 法形成对航行态势、自身运动特征的准确“感知”。 4.3 自主水面货船智能认知技术 自主水面货船航行系统应具有高度的智能性， 包括感知、认知和决策 3 部分。智能认知系统主 要包括视觉系统、听觉系统、感觉系统。环境的 认知、知识的学习、决策的制定等主要依赖于人 工智能技术的应用。采用人工智能技术实现自主 水面货船图像识别、自然语言识别处理等任务。 1) 自主水面货船图像识别 船舶领域对于图像有极大的需求，由视觉传 感器、毫米波雷达、前视声呐、侧扫声呐、激光雷 达获得的信息，其信息类型大多为图像，采用人 工智能技术 (如神经网络等学习类算法) 对这些 数据的认知处理[43-45] ，可以获取船舶航行态势，辨 识碰撞风险，以支持航行决策。 2) 自主水面货船语言识别 船舶领域对船舶的呼号识别有重要意义。同 时，无人船舶同有人船舶将在很长的一段时间内 混合存在，解决语义沟通与理解是连接无人船舶 与有人船舶的重要基础。当前对语音语义的研究 较为广泛。国内外涉及人工智能技术的语音语义 识别方法主要基于深度学习或神经网络[46-49] ，但 针对船舶语音特点的系统识别研究较少。 4.4 自主水面货船智能航行技术 智能航行包括航向航速优化、航线规划、智 能避碰、路径跟随、自动靠离泊等。 航速控制主要是控制螺旋桨的转速，航向控 制主要包含航向的稳定性和机动性两方面内容。 根据水文气象情况、船舶运动特性、当前环境是 否有障碍物等进行动态航线规划，采用智能算法 进行避碰，运用合适的航向航速实现路径跟随， 实现安全经济的目标。当船舶停止航行时，应采 取自动靠离泊控制。自动靠离泊属于镇定问题， 对于大型自主水面货船的安全尤为重要。当前大 型有人货船主要依靠拖轮完成靠离泊[50-53]。如何 采用人工智能技术设计实现自主水面货船自动靠 ·64· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
第1期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·65· 离泊是未来发展的重点及难点之一。 究仅针对单一运动类型，对整个船舶从启航到靠 当前船舶模型以水平面三自由度居多，且假 泊没有完整的解决方案，需要一套完整的可变自 设为全对称，与事实有差异，从而使设计的运动 主控制策略。 控制器技术参考性和控制精确性大大降低。如何 综上，自主水面货船智能化的核心是使船舶 增加自主水面货船运动控制模型自由度，构建多 拥有如同人一样的观察、思考和处理问题的能 桨多舵、吊舱、无轴轮缘推进等椎进模型成为自 力，构造一个类似于“人脑”的人工智能集中决策 主水面货船运动控制是否精确的重要因素之一。 系统，完成船舶航行的“感知、认知、决策与控 此外，由于自主水面货船尺度较大，外界环境对 制”，即航行脑系统5，如图5所示。自主水面货 于船舶的影响较无人水面艇更为明显，如何建立 船航行脑系统需要在非确定性信息、非确定性对 更加精确的波浪、涌流干扰模型，是自主水面货 象的条件下，具备船舶操控、不完备信息处理、航 船研究过程中的重点之一。此外当前运动控制研 行规则理解与船间沟通等能力。 雷达 摄像头 GUIDANVE 任务规别 电罗经 路径 位置点 规划 生成 信息 信息 NAVIGATION 考 导航设备 环境感知 多信息融合 其余传感设备 固态雷达 无人货船状态 CONTROL 船舶模型 自适应控制率控制器分配 声音传 角加速度 执行机构 传感器 图5自主水面货船航行脑系统构成 Fig.5 Autonomous surface cargo ships navigating brain system composition 4.5自主水面货船网络及通信技术 保障通信可靠。此外，通信带宽、速率以及费用 船舶网络信息安全与船舶通信技术的提升对 等问题也需要进一步解决。 于自主水面货船的安全航行具有关键作用。目前 4.6自主水面货船能效技术 常用的通信方式有微波通信、卫星通信及基于 自主水面货船应能够智能计算能耗分布，并 GPRS、4G/5G、Zigbee、Bluetooth、Wif等技术的 进行优化及性能评估。通过对船舶航行状态、耗 通信设备551。通信系统可根据应用需要选择 能状况的在线监测与数据的自动采集，对船舶能 对应的通信方式。在近海区域可选用点对点通 效状况、航行及装载状态等进行评估，并通过大 信方式的图传电台，能同时传输视频和数据。 数据分析、数值分析及优化技术，为船舶提供数 在公海的地区，使用卫星连接，保障远距离可靠 据评估和辅助决策，实现船舶能效实时监控、智 通信。 能评估及优化，不断提高船舶能效管理水平。航 自主水面货船航行时，需要保证自身设备之 线规划和航速优化是两种重要的航行决策形式， 间通信顺畅，以及与岸基设备通信顺畅，多船之 直接影响到船舶燃油消耗和企业整体营运利润。 间还要保证相互通信能够避免各种电磁干扰$叭， 对单船来说，降低航速能够有效的降低船舶的能
离泊是未来发展的重点及难点之一。 当前船舶模型以水平面三自由度居多，且假 设为全对称，与事实有差异，从而使设计的运动 控制器技术参考性和控制精确性大大降低。如何 增加自主水面货船运动控制模型自由度，构建多 桨多舵、吊舱、无轴轮缘推进等推进模型成为自 主水面货船运动控制是否精确的重要因素之一。 此外，由于自主水面货船尺度较大，外界环境对 于船舶的影响较无人水面艇更为明显，如何建立 更加精确的波浪、涌流干扰模型，是自主水面货 船研究过程中的重点之一。此外当前运动控制研 究仅针对单一运动类型，对整个船舶从启航到靠 泊没有完整的解决方案，需要一套完整的可变自 主控制策略。 综上，自主水面货船智能化的核心是使船舶 拥有如同人一样的观察、思考和处理问题的能 力，构造一个类似于“人脑”的人工智能集中决策 系统，完成船舶航行的“感知、认知、决策与控 制”，即航行脑系统[54] ，如图 5 所示。自主水面货 船航行脑系统需要在非确定性信息、非确定性对 象的条件下，具备船舶操控、不完备信息处理、航 行规则理解与船间沟通等能力。 4.5 自主水面货船网络及通信技术 船舶网络信息安全与船舶通信技术的提升对 于自主水面货船的安全航行具有关键作用。目前 常用的通信方式有微波通信、卫星通信及基于 GPRS、4G/5G、Zigbee、Bluetooth、Wifi 等技术的 通信设备[55-58]。通信系统可根据应用需要选择 对应的通信方式。在近海区域可选用点对点通 信方式的图传电台，能同时传输视频和数据。 在公海的地区，使用卫星连接，保障远距离可靠 通信。 自主水面货船航行时，需要保证自身设备之 间通信顺畅，以及与岸基设备通信顺畅，多船之 间还要保证相互通信能够避免各种电磁干扰[59] ， 保障通信可靠。此外，通信带宽、速率以及费用 等问题也需要进一步解决。 4.6 自主水面货船能效技术 自主水面货船应能够智能计算能耗分布，并 进行优化及性能评估。通过对船舶航行状态、耗 能状况的在线监测与数据的自动采集，对船舶能 效状况、航行及装载状态等进行评估，并通过大 数据分析、数值分析及优化技术，为船舶提供数 据评估和辅助决策，实现船舶能效实时监控、智 能评估及优化，不断提高船舶能效管理水平。航 线规划和航速优化是两种重要的航行决策形式， 直接影响到船舶燃油消耗和企业整体营运利润。 对单船来说，降低航速能够有效的降低船舶的能 GUIDANVE 路径 规划 位置点 生成 信息 NAVIGATION 环境感知 多信息融合 导航设备 雷达 摄像头 电罗经 …… …… 角加速度 执行机构 传感器 固态雷达 声音传 感器 其余传感设备 无人货船状态 CONTROL 船舶模型 自适应控制率 控制器分配 参 考 路 径 任务规划 1）任务；2）运行状态 3）环境干扰；4）能源 信息 图 5 自主水面货船航行脑系统构成 Fig. 5 Autonomous surface cargo ships navigating brain system composition 第 1 期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·65·
·66· 智能系统学报 第14卷 耗与排放水平。船舶航速优化是一项非常复杂的 线路图》对无人水面船未来5年（近期）、未来 科学决策过程，其实质是不同约束条件下选择最 10年（中期）、未来25年（远期）的技术重点做了 佳航行速度，达到最大程度地降低燃油成本@6。 详细规划。未来5年无人船的技术研发主要集中 4.7自主水面货船智能维护技术 在传感器和通信系统方面，提高在受控区域执行 为保障自主水面货船航行安全，各类设备应 任务的自主性和联网能力：未来10年的技术研发 具备智能维护功能。船舶故障诊断包括主机故障 主要集中在增加作业任务、扩展作业范围；未来 诊断及电力系统故障诊断等。主机系统等是复杂 25年的技术研发主要集中在自动避碰避障等自 的耦合系统，运行状态复杂、故障类型多，因而智 主系统，提高无人船作业的自主性。从控制系统 能故障诊断技术应具有全局搜索能力强、优化速 体系结构、自主决策、模式识别、信息融合、控制 度快、准确性强的特点。如在没有任何人为干预 方法等方面着手研究，以提高海事自主水面船舶 的情况下如何运行及维护柴油发动机是自主水面 的智能化、自适应水平，使船舶能在复杂海洋环 货船智能维护技术难点之 境中长期、可靠、安全、自主地航行并完成各种使 4.8自主水面货船货物管理技术 命任务。 船舶货物的智能管理是利用传感器等感知设 因此，基于自主水面货船面临的挑战以及当 备对货物、货舱和货物保护系统的参数进行自动 前的研究任务，进行如下展望。 采集，并基于计算机技术、自动控制技术和大数 1)加快测试场的建设及自主水面货船的研 据处理、分析，以实现货舱、货物和货物保护系统 制，在未来的研究中广泛开展实船实验，弥补仿 状态的监测、报警、辅助决策和控制。同时还可 真实验的不足，使自主水面货船的功能更加符合 以基于监测和获得的数据，进行货物优化配载和 实际需求，将来更好地投入运营。 自动装卸。如实现矿物状态监测及管理，液货状 2)发挥无轴轮缘推进等先进推进装置的优 态监测及管理功能。 势。中小尺度自主航行船舶(10万t级以下)需要 4.9自主水面货船数据管理技术 增配侧推器并进行精确控制，以实现自主靠离泊 自主水面货船系统由于无人操作，所需设备 等功能。 较多，导致数据存储及处理量大。因此数据轻量 3)推广新型能源的使用。由于不同新能源形 化是解决数据存储及处理、船岸之间通信的重要 式和利用方式之间存在显著差异，需要根据船舶 手段。此外，应加强赛博安全放空保障通信与数 结构和动力系统的构成特点，通过综合分析和优 据安全。 化设计以实现可靠集成和高效运行。 4.10自主水面货船航行标准规范 4)智能感知、认知及控制方面。 普通船舶目前已有成熟的规范体系，由世界 ①根据自主水面货船的工作特点、运动特 海事组织和各国船级社制定，涵盖海上管辖、安 性、使用环境和操控系统的要求，确定航行路径， 全、技术、船员等方面，并在不断完善过程，如关 设计综合导航系统方案，为航行提供可靠的导航 于管辖权的《联合国海洋公约》：技术类法规《国 定位。利用多传感器信息综合技术，开发一种可 际海上避碰规则》、《海员培训、发证和值班标 以处理“不确定性”、“延时”的信息融合、决策方 准国际公约》；海员类《国际劳工公约》、《国 法，为航行提供可靠的姿态运动信息。此外，图 际海上人命安全公约》。关于无人船等智能船 像识别的实时性及应用的广泛性需要进一步加 舶，相关规范有《无人水面艇检验指南》、《智 强，应用基于人工智能的语音语义识别技术，加 能船舶规范》、《智能功能认证与分级》、《无 强其时效性及准确性。 人船安全评估方法》。基于此，自主水面货船的 ②自主水面货船运动控制研究可采用无人 航行也需要有针对性的形成系列标准至国际规 艇与有人货船的控制方法作为参考，结合自主水 则，主要包括技术规则、操作规则（安全速度、瞭 面货船自身的特点进行设计，分别对其航速航向 望和操纵)、豁免、安全配员等，解析船舶系统标 控制、自主避碰与自动靠离泊等方面进行研究。 准，明确责任归属。 运动模型建立方面，增加多桨多舵及多自由度船 5 自主水面货船研究展望 舶模型的建立，从各方面提高运动控制的精确程 度。深入研究自动靠离泊技术并转化为实际应 2013年12月美国国防部发布的《无人系统 用。加强基础控制算法研究，提高控制稳定性
耗与排放水平。船舶航速优化是一项非常复杂的 科学决策过程，其实质是不同约束条件下选择最 佳航行速度，达到最大程度地降低燃油成本[60-62]。 4.7 自主水面货船智能维护技术 为保障自主水面货船航行安全，各类设备应 具备智能维护功能。船舶故障诊断包括主机故障 诊断及电力系统故障诊断等。主机系统等是复杂 的耦合系统，运行状态复杂、故障类型多，因而智 能故障诊断技术应具有全局搜索能力强、优化速 度快、准确性强的特点。如在没有任何人为干预 的情况下如何运行及维护柴油发动机是自主水面 货船智能维护技术难点之一。 4.8 自主水面货船货物管理技术 船舶货物的智能管理是利用传感器等感知设 备对货物、货舱和货物保护系统的参数进行自动 采集，并基于计算机技术、自动控制技术和大数 据处理、分析，以实现货舱、货物和货物保护系统 状态的监测、报警、辅助决策和控制。同时还可 以基于监测和获得的数据，进行货物优化配载和 自动装卸。如实现矿物状态监测及管理，液货状 态监测及管理功能。 4.9 自主水面货船数据管理技术 自主水面货船系统由于无人操作，所需设备 较多，导致数据存储及处理量大。因此数据轻量 化是解决数据存储及处理、船岸之间通信的重要 手段。此外，应加强赛博安全放空保障通信与数 据安全。 4.10 自主水面货船航行标准规范 普通船舶目前已有成熟的规范体系，由世界 海事组织和各国船级社制定，涵盖海上管辖、安 全、技术、船员等方面，并在不断完善过程，如关 于管辖权的《联合国海洋公约》；技术类法规《国 际海上避碰规则》、《海员培训、发证和值班标 准国际公约》；海员类《国际劳工公约》、《国 际海上人命安全公约》。关于无人船等智能船 舶，相关规范有《无人水面艇检验指南》[4] 、《智 能船舶规范》、《智能功能认证与分级》、《无 人船安全评估方法》。基于此，自主水面货船的 航行也需要有针对性的形成系列标准至国际规 则，主要包括技术规则、操作规则 (安全速度、瞭 望和操纵)、豁免、安全配员等，解析船舶系统标 准，明确责任归属。 5 自主水面货船研究展望 2013 年 12 月美国国防部发布的《无人系统 线路图》对无人水面船未来 5 年 (近期)、未来 10 年 (中期)、未来 25 年 (远期) 的技术重点做了 详细规划。未来 5 年无人船的技术研发主要集中 在传感器和通信系统方面，提高在受控区域执行 任务的自主性和联网能力；未来 10 年的技术研发 主要集中在增加作业任务、扩展作业范围；未来 25 年的技术研发主要集中在自动避碰避障等自 主系统，提高无人船作业的自主性。从控制系统 体系结构、自主决策、模式识别、信息融合、控制 方法等方面着手研究，以提高海事自主水面船舶 的智能化、自适应水平，使船舶能在复杂海洋环 境中长期、可靠、安全、自主地航行并完成各种使 命任务。 因此，基于自主水面货船面临的挑战以及当 前的研究任务，进行如下展望。 1) 加快测试场的建设及自主水面货船的研 制，在未来的研究中广泛开展实船实验，弥补仿 真实验的不足，使自主水面货船的功能更加符合 实际需求，将来更好地投入运营。 2) 发挥无轴轮缘推进等先进推进装置的优 势。中小尺度自主航行船舶 (10 万 t 级以下) 需要 增配侧推器并进行精确控制，以实现自主靠离泊 等功能。 3) 推广新型能源的使用。由于不同新能源形 式和利用方式之间存在显著差异，需要根据船舶 结构和动力系统的构成特点，通过综合分析和优 化设计以实现可靠集成和高效运行。 4) 智能感知、认知及控制方面。 ① 根据自主水面货船的工作特点、运动特 性、使用环境和操控系统的要求，确定航行路径， 设计综合导航系统方案，为航行提供可靠的导航 定位。利用多传感器信息综合技术，开发一种可 以处理 “不确定性”、“延时”的信息融合、决策方 法，为航行提供可靠的姿态运动信息。此外，图 像识别的实时性及应用的广泛性需要进一步加 强，应用基于人工智能的语音语义识别技术，加 强其时效性及准确性。 ② 自主水面货船运动控制研究可采用无人 艇与有人货船的控制方法作为参考，结合自主水 面货船自身的特点进行设计，分别对其航速航向 控制、自主避碰与自动靠离泊等方面进行研究。 运动模型建立方面，增加多桨多舵及多自由度船 舶模型的建立，从各方面提高运动控制的精确程 度。深入研究自动靠离泊技术并转化为实际应 用。加强基础控制算法研究，提高控制稳定性、 ·66· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
