智能船舶远程驾驶控制技术研究现状与趋势

　　摘要:阐述智能船舶及其远程驾驶的发展背景。基于目前大多数无人船艇远程控制存在的问题，在分析智能船舶远程驾驶需求和场景的基础上，提出基于人机共融理念的智能船舶远程驾驶框架。针对不同的远程驾驶模式，提出技术等级和相关的关键技术。通过借鉴交叉领域网络控制系统的发展成果，指出网络时延补偿、网络丢包补偿、安全应急、运动模型应用、运动控制、自主决策等关键技术对于实现智能船舶远程驾驶控制的重要性，阐述相关关键技术的发展现状。结合航运的运维特点，针对目前已逐步投入行业应用的船舶感知技术提出有助于实现货船远程驾驶的思考。

　　关键词：智能船舶;远程驾驶;人机共融;船舶网络控制系统

　　0引　言

　　随着人工智能技术的发展，融合了计算机科学、自动化技术和通信技术的智能运载工具成为高新技术领域的研究重点，无人机、无人车、无人船等新型运载工具应运而生。其中，无人船作为水面智能运载工具拓展了船舶航行的场景，为操作者和管理者提供了更便捷、高效和自由的操作选择，在测绘、环保、安防、军事等领域的应用发展迅猛。近年来，无人水面船舶的概念正在与船舶货运相结合，航运业希望通过构建面向行业需求的智能船舶，达成智能化和无人化的目标，进而实现：

　　船舶论文范例：船舶通信导航技术及发展趋势研究

　　1)减少配员。国际航运咨询机构MooreStephen最新发布的航运调查报告显示，标准配员的货船每天需支付的人员成本达5000美元，占总运营成本的44%[1]，且人员成本以每年3%的幅度上涨。随着船舶自动化技术的发展、电子海图显示与信息系统(electronicchartdisplayandinformationsystem,ECDIS)和无人机舱的普及，为实现船舶减员、提升运营收益提供了可能性，远洋货轮船员的现场事务正在逐步减少，仅需完成日常清点、安全管理和避碰干预等工作。

　　2)提高安全性。虽然船舶配备了雷达、自动识别系统(automaticidentificationsystem,AIS)和电子海图(electronicnavigationchart,ENC)等感知设备，但远洋航行的值守工作枯燥，极易造成驾驶员的视觉疲劳。数据显示，80%的船舶安全事故是人为因素造成的。而船舶的智能化意味着人员疲劳和疏忽将不复存在[1]。船舶的智能化将为安全问题的解决提供可靠的保障。

　　3)提高载运效力。运输船舶上与船员生活相关的舱位占据了很大的比例。减少配员，逐步实现无人驾驶，将缩减甚至取消船舶桥楼、生活区和救生设备，增加货运舱容，从而增加载运效力。全球知名船舶设备供应商罗尔斯·罗伊斯公司的研究指出，采用无人驾驶技术的货船运行效力将有望提高20%。

　　4)降低排放。全球碳排放机制、船舶能效设计指数(EEDI)和船舶营运能效指数(EEOI)的应用正在有序推进[2]。我国2013年印发的《大气污染防治行动计划》明确提出了强化移动源污染防治，越来越严格的排放要求迫使船舶做出改进，以降低单位运载量的能耗。智能船舶“无人化”带来的运载效力提升将极大地促进能效政策的实施。由于船舶的运力大、成本低，船舶运输承担了95%的原油运输和99%的铁矿石运输，因而其在货物运输及民生贸易中起到了关键的作用。智能船舶作为智能航运发展范畴中的重要部分，将革新传统船舶的驾驶和运载方式，使传统船舶的载运变得更为灵活，进而借助技术升级使船舶在运载过程中减少船员配备、增加运载效力、降低污染排放，最终巩固航运在运输领域的地位，满足航运业安全、节能、增效等方面的需求。

　　本文将针对货运船舶远程驾驶的需求和场景，提出参考人机共融理念的远程驾驶控制框架和关键技术，结合网络控制系统的研究成果，阐述关键技术的发展状况，并提出有助于实现货船远程驾驶的几点思考。1发展背景随着智能船舶需求的不断明确和技术的持续发展，国际组织、国家和地区性质的海事监管机构、港航企业、高校，以及新型信息产业团队以不同的角色参与到了智能船舶的研发中，实现了跨领域的优势整合。广泛的协作在法规制定、技术研发、应用示范等方面取得了显著的成效。

　　1.1智能船舶及其远程驾驶

　　2012年，欧盟联合启动了“基于网络智能的无人航海”(maritimeunmannednavigationthroughintelligenceinnetworks,MUNIN)项目，旨在实现自主船舶和无人船舶技术，验证自主船舶概念。该项目全面梳理了智能船舶的整体结构和安全性[3-5]、感知技术[6-7]、远程驾驶技术[8]、环境因素风险[9-10]。2015年，芬兰国家技术创新局联合挪威船级社、芬兰阿尔托大学、罗尔斯·罗伊斯公司等多家单位联合启动了“高级自主海上应用”(advancedautonomouswaterborneapplications,AAWA)项目，计划用5~8年的时间设计建造出可以应用于远洋运输的无人船，使之具备远程驾驶、自主驾驶的能力，最终实现船舶的全自主航行[11]。

　　国际海事组织第99次安全会议签署了针对智能自主船舶(MaritimeAutonomousSurfaceShip，MASS)的法规框架，用以提升其应对安全、安保和环境问题的能力，并对MASS的自主等级进行了初步的定义。考虑到智能船舶技术的不断发展和迭代，中国船级社于2019年12月4日发布了《智能船舶规范(2020)》[12]。该规范在《智能船舶规范(2015)》的基础上纳入了国内外智能船舶技术发展和应用的新成果，按照局部应用到全船整体应用、辅助决策到完全自主的发展方向，细化了远程控制操作和自主操作功能要求，对不同的场景和船员在船情况进行了详细的规范，形成了完整的智能船舶规范框架及相应的功能和技术要求。针对不同等级的自主化水平，船舶受控的程度也有所区别。

　　随着船舶自主等级的提升，船舶操作人员和管理人员对船舶控制的参与和相关的控制力逐渐递减。灰色部分表明了该阶段船舶的控制必须具备以操作和管理人员为核心的安全保障。在全自主航行阶段，人员将失去对船舶驾驶的参与和控制力。 船舶的综合船桥、自动化机舱、自动化操纵设备等系统为智能航行提供了基础，但是船舶全自主航行的决策方案和系统并不成熟，很难应对航道狭窄弯曲、感潮河段、船舶交通拥挤、过桥频繁等通航问题。因此，考虑到现有的自主航行系统无法保障智能船舶在所有复杂环境下安全航行，远程驾驶是实现船舶无人化的必要技术支持和手段。

　　1.2远程驾驶实践国际上，各大船舶智能航行团队均将远程驾驶作为智能船舶发展的重要部分，并进行了初步的研发和工程实践。最新成果包括：2017年9月，瓦锡兰公司率先实现了船舶的远程驾驶，通过使用常规卫星通信，在美国加州圣地亚哥控制位于8000km外欧洲北海海域的HighlandChieftain轮进行了4h的远程遥控船舶操作测试，完成了电脑数字输入和手动操纵杆操作，实现了动力定位[13]。2018年12月，ABB公司与芬兰赫尔辛基运输厅合作，在SuomenlinnaII轮渡上实现了远程遥控试验。随后，罗尔斯·罗伊斯公司和Finferries公司合作，实现了拖轮和渡轮的远程控制。

　　2019年9月，挪威船级社与自动化系 统供应商Høglund等合作，在Fannefjord号渡轮上实现了自动系统和轮机设备的远程控制。该系统的总体目标是提供操作优化和提升效率，同时确保安全水平优于或等同于当前的人工操作水平[14]。2019年12月，韩国三星重工在大田控制中心对位于250km外的一艘缩比模型船进行了远程驾驶，演示验证了基于海上避碰规则的自主航行技术和智能航线优化技术。我国智能船舶研发团队在远程驾驶实践方面也取得了一些进展。2019年5月，智慧航海(青岛)科技有限公司在位于青岛蓝谷的智能航运技术创新与综合实验基地，演示了“智腾”号的远程驾驶功能。

　　2019年10月，武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心自主水路交通系统团队赴瓦赫宁根，在荷兰海事研究所等单位代表的见证下，现场展示了基于“航行脑系统”的远程驾驶系统，成功从荷兰瓦赫宁根远程控制了位于中国武汉市汤逊湖的7m长自航模型船[15]，两地相距约8500km。2019年11月，珠海云航智能技术有限公司在13m长的“筋斗云0号”上测试了远程驾驶系统，在船长的指挥下于岸基控制中心完成了船舶的远程离泊和桥区航行。

　　2基于人机共融的船舶远程驾驶

　　2.1无人船艇远程控制现状目前，已投入应用的无人艇在智能航行领域多采用远程遥控和自主航行两种模式。远程遥控用于无人艇进出码头、航行于通航密集区域时，自主航行模式则用于通航环境简单条件下的循迹航行和紧急避障。公开资料显示，无人艇的远程遥控多通过自建的LTE网络，采取远程操作人员实时操作的方式。

　　2.2基于人机共融的船舶远程驾驶框架人机共融就是人与机器人从单一的人类控制机器人，转变为人类与机器人在同一空间共存，既能紧密协调工作、自主实现自身技能又能保证安全而不至于担心机器人失控，这是一种更加自然的作业状态。人机共融的理念和技术促使人与机器在协作领域内进行交互和协同工作。当前，相关应用已经从基础的机械加工和协助，发展成通过相互协作完成不同环境下的复杂任务。人机共融关键技术包括结构设计与动力学设计、共融机器人的环境主动感知与自然交互、智能控制和决策方法、体系构建和操作系统完善等方面[16]。在船舶领域，船体和设备的设计已经较为成熟，船舶的感知系统已广泛应用且日趋成熟。本文将重点对实现船舶远程驾驶的系统网络问题和控制决策关键技术问题进行分析和综述。

　　2.3基于人机共融的船舶远程驾驶等级及关键技术智能船舶远程驾驶作为应急操作手段，在智能系统出现异常或通航环境和航行任务复杂度超越系统智能度的情况下进行人工介入;由于货船的航行受通航规则和进港指南的约束，在特定的区域需要引航员的辅助，通过远程驾驶可以为引航提供条件;还可以为海上救援等精细化操作提供基础;也可以作为船舶航行时航次计划变更的发布端口，以及船舶自主航行出现背离法律法规和危害安全等风险时的最终决策端口。船舶远程驾驶的实现不可避免地将通过通信网络进行数据交换。虽然高速以太网技术、现场总线技术、信息压缩技术的发展为NCS的可靠性和开放性提供了保障，但是受限于通信网络的带宽、通信网络设备软硬件的稳定性、随机变化的通信网络负载和传输机制。

　　3关键技术研究现状近年来，研究人员在NCS领域取得了一系列进展。Tipsuwan等[30]和Hespanha等[31]对网络控制时延、信息丢包等方面的研究成果进行了综述。芮万智等[32]从控制与调度协同、错误识别与系统容错方面对NCS的研究进行了综述。You等[33]从信息理论、网络理论、采样理论等方面进行了分析总结。着眼于控制过程的不确定性和时变随机性，以及由此带来的安全风险，学者们开展了大量的研究工作。同时，与船舶远程驾驶相关的运动建模、运动控制和自主决策技术也有了大量的研究成果。

　　4智能感知技术应用于船舶远程驾驶的思考近年来，船舶的感知技术逐渐成熟，激光雷达、机器视觉等技术的应用极大提高了船舶的态势感知能力;以“电子航海”(e-Navigation)为代表的海事信息系统也为船舶感知航路信息、气象信息等带来了便利;数字孪生技术在海事领域的应用为突破地理限制带来了可能性。融合和应用最新的感知技术将在很大程度上为船舶实现远程驾驶提供保障。

　　5结　语

　　船舶远程驾驶在智能船舶的研究和应用过程中尤为重要，其发展的目的是保障船舶的安全性和可靠性，推进船舶的全自主化发展进程，使未来的航运更加环保和经济。本文着眼于货运船舶远程驾驶的需求和场景，通过分析当前无人船艇远程控制的现状，提出了基于人机共融理念的船舶远程驾驶框架，并分析了该框架下船舶远程控制的关键技术;借鉴交叉领域的发展经验和成果，阐述了网络时延补偿、网络丢包补偿、安全机制、船舶运动模型应用、船舶自主决策、船舶运动控制等方面的关键技术发展现状;结合航运业和货运船舶的特点，针对目前一些正在投入工程应用的感知技术提出了有助于实现货船远程驾驶的思考。

　　我国是世界航运大国，但是和挪威、芬兰、瑞典、英国、荷兰等传统的航运强国相比，在远洋货船信息化技术、相关标准话语权上有明显差距，尤其在减摇鳍、动力定位等高精控制系统的发展和工程应用方面差距明显，我国的船舶工业很难在短时间内实现赶超。但是，船舶智能化发展现状表明，这一轮新的变革核心并非船体、动力装置、导航系统本身的变革，而在于利用信息化手段，借助人工智能技术提高船舶的智能化水平。

　　我国是全球电子信息设备的制造中心，拥有良好的人工智能技术和人才储备，在船舶智能化浪潮中拥有先天优势，有机会实现以增强驾驶、辅助驾驶、远程驾驶、自主驾驶等为代表的阶段性功能，最终呈现智能航运新业态。因此，发展和实践船舶远程驾驶和自主航行技术，既是我国船舶工业在国际竞争中实现赶超的最佳时机，更是我国船舶产业和航运业的发展需求。

　　参考文献：

　　严新平.智能船舶的研究现状与发展趋势[J].交通与港航,2016,3(1):25–28.YANXP.Researchstatusanddevelopmenttrendofintelligentships[J].PublicUtilities,2016,3(1):25–28(inChinese).

　　[1]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.WUQ,WANGL,LIUJL.Researchstatusandprospectsofautonomoussurfacecargoships[J].CAAITransactionsonIntelligentSystems,2019,14(1):57–70(inChinese).

　　[2]RØDSETHØJ,TJORAÅ.Asystemarchitectureforanunmannedship[C]//Proceedingsofthe13thInternationalConferenceonComputerandITApplicationsintheMaritimeIndustries(COMPIT).Redworth:[s.n.],2014.

　　[3]BURMEISTERHC,BRUHNWC,RØDSETHØJ,etal.Canunmannedshipsimprovenavigationalsafety?[C]//ProceedingsoftheTransportResearchArena.Paris:[s.n.],2014.

　　[4]RØDSETHØJ,BURMEISTERHC.Developmentstowardtheunmannedship[C]//ProceedingsofInternationalSymposiumInformationonShips.Hamburg:[s.n.],2012

　　作者：王远渊1,2，刘佳仑*1,3，马枫1,3，王兴平2，严新平1,3