船舶“无人驾驶”可行性研究

艾小波++林联平

【摘 要】 为了减少船舶驾驶员劳动强度及人为误判导致的船舶灾难性后果，提高安全性和经济效益，通过分析船舶智能研究概况和“无人驾驶”船舶的优越性，提出实现船舶“无人驾驶”的必要条件，包括高度智能化的船舶、外部实时环境信息的采集、法规的修订。“无人驾驶”船舶除了可以更安全、更经济外，对解决船员招聘难与船员需求增加的矛盾也有重要意义。

【关键词】 船舶；无人驾驶；智能避碰

世界经济的快速发展使得海上贸易和运输业得到了迅猛发展，科技的进步使得船舶大型化、自动化程度及智能避碰方面也得到了前所未有的发展。然而，由于各种运输船舶数量猛增，且驾驶人员水平参差不齐，海上交通情况变得复杂。虽然目前商船大多都配备了性能优良的避碰设备，但船舶触礁、搁浅及碰撞等事故却时有发生。此类事故不仅造成了大量财产损失，且部分事故导致的溢油事件对海洋环境也造成了严重的破坏，甚至造成人员伤亡等。“无人驾驶”船舶的研究显得日益迫切，其相对传统船舶具有明显的节省人力、节能减耗及更安全等优点。

1 船舶智能避碰的研究概况

科技的发展已经率先造就了船舶“无人机舱”，但国内外对船舶的智能避碰还在持续研究中。国外对船舶自动避碰系统的研究始于20世纪50年代，我国自20世纪70年代末开始研究船舶智能避碰系统，主要依赖经典数学的理论研究，但未能取得良好成效。

20世纪90年代诞生的船舶自动识别系统（AIS）是集网络、通信和信息技术于一体的多学科、高科技的新型航海助航设备和安全信息系统。AIS的引入，使船舶碰撞危险系数的计算更为精确，船舶与船舶之间、船舶与岸台之间的通信更加迅速。传统雷达存在盲区和对弱小回波可能探测不到的缺陷，而AIS则几乎不受天气影响，能自动、准确无误地提供和接收对船舶航行安全十分有价值的信息，如船长、船宽、船舶类型、吨位等静态信息，以及船位、船速、航向、航行状态、转向率、横倾角、吃水等动态信息。

随着科技的进步，针对船舶智能避碰的又一种新型避碰系统――电子海图显示和信息系统（ECDIS）诞生了。该系统主要用于船舶综合导航。该系统在硬件方面集成了大量的航海信息，如目前广泛使用的计程仪、全球卫星定位系统、电罗经、测深仪、AIS等设备提供的信息；在软件方面的基本功能主要有：电子海图系统数据和显示的操作、航次计划和航线设计、航行监控及报警系统、航次记录和回放功能等。

进入21世纪后，英国南安普顿大学在传统的导弹制导原理的基础上，提出了旨在躲避目标而不是捕获目标的两船避碰决策方法。此方法主要是依据他船的距离、方位及相对运动线变化的情况来确定碰撞危险程度，然后作出相应的避碰决策。国内有学者以船舶避碰决策问题为研究对象，引入了多智能体系统（Multi-agent System）的技术和理论，并提出了以多船为目标船的避碰决策支持数字影像区域匹配相关系统（DSMAC），使多船避碰的难度得以缓解，在智能避碰方面的研究取得了较大的突破。

2 “无人驾驶”船舶的优越性

2.1 更安全

如今，每艘商船在最易见处都有“SAFETY FIRST”（安全第一）的标语。由此可见，安全始终是最重要的。海难事故多数都是由人为因素导致的，如船员缺乏责任心而疏于瞭望、判断失误、操作不当等。“无人驾驶”船舶由于配员极少，且随着技术的发展最终达到真正意义上的无人，驾驶员主要起辅助作用和解决突发性问题等，预计海难事故将减少60%以上。最重要的是，即使船舶发生碰撞、海盗劫持、触礁等危险，还可由陆地上远程操控。尤其是在配员极少或无配员时，自动驾驶船舶比人工驾驶更安全，船舶遇到重大事故时可以大大减少船员的伤亡。

2.2 更经济

近年来，船员这一曾经让人向往的职业也越来越缺乏吸引力，海上生活过于单调枯燥、长期远离家人饱受相思之苦等原因，使得不少船员选择放弃海员这一职业，从而导致不少航运企业面临难以招到合适职位船员的困境。随着经济社会的发展，劳动力成本也在持续提高，尤其是高级船员的薪酬也在持续增长。据统计，远洋船舶44%的成本支出与船员有关。一旦“无人驾驶”船舶技术投入运营，商船将无需配备大量船员，不但可以缓解船员短缺的困境，还将为航运企业节省一大笔船员薪水开支。

2.3 更环保

“无人驾驶”技术的发展，将还地球一个更清洁的海洋、更蓝的天空。随着海上交通的日益繁忙，海洋环境也遭到了严重的破坏，大多都是人为造成的污染。“无人驾驶”船舶由于配员极少或者无配员，人为的污染将降到最低程度，而且由于船舶生活区及船员配套相关设施可以大大减少，使得货船重量减轻，能耗减少。预计，一艘“无人驾驶”货船的运营效率将有望提高最多20%，且同时减少20%的碳排放量。

3 船舶“无人驾驶”可行性的必备条件

3.1 高度智能化的船舶

雷达诞生的目的主要是为了避碰，但也因此使驾驶人员过于依赖雷达而疏于瞭望。设备本身也有其局限性，如获取他船信息时间有延迟、易受障碍物和天气的影响等。AIS相对雷达来说，不仅可以接收他船的相关动态和静态信息，还可以同时发送本船的相关信息，比雷达提供的航向、船位、船速等信息更准确，且几乎不受障碍物的影响。ECDIS相比纸质版的海图而言，数据更丰富且能实时检索，更新相关数据也更迅速，功能更广泛，可直观地获取船舶周围相关水域包括水上和水下障碍物等信息数据。将雷达信号源接入后，ECDIS便以电子海图为背景叠加显示雷达图像，并较直观地显示船舶所处周围的实时运动状态；同时，AIS还可以将各配备了AIS的船舶以直观的空间形式在ECDIS上叠加显示。[1] AIS、雷达与ECDIS的有机结合，可使静态信息与动态的避碰信息有机融合，为自动避碰决策系统提供可靠、有效的信息源，对航行危险进行报警，完成自动导航和自动避碰的功能。[2]

无人驾驶船舶除必须具备传统船舶技术外，还应包含水下探测声呐设备、多传感器智能监控系统、自动避碰导航系统，甚至是防海盗技术等。

3.2 外部实时环境信息的采集

智能视频监控系统的最大优点是具有主动智能化，不需要人为干预，且还具备实时性、成本低廉等。因此，其已被广泛应用于各个生活生产领域，同样也可以应用于船舶驾驶，以获取船舶外部实时环境信息。通过船体全方位覆盖的摄像头来获取全景图像，包括船舶周边的鸟瞰画面；再由计算机智能识别和处理视频信号，并结合船舶操纵理论，对船舶碰撞危险局面进行评估研究，采取计算机模拟与实验相结合，建立基于视频信息检测的船舶智能避碰决策系统（见图1）。通过智能视频监控所取得的外部图像信息，在船舶发生海事事故后，还可以作为事实证据，协助取证之用。

图1 视频检测避碰系统

3.3 法规的修订

根据现行法规，船舶所有人（或者其船舶经营人、船舶管理人）应当按照船舶最低配员规则的要求，为所属船舶配备合格的船员，商船必须持有《船舶最低安全配员证书》，在确定船舶最低安全配员标准时应综合考虑船舶的种类、吨位、技术状况、主推进动力装置功率、航区、航程、航行时间、通航环境，以及船员值班、休息制度等因素。因此，目前船舶“无人驾驶”仍属于违法行为，急待国际海事组织（IMO）和各主管机关制定相应的促进“无人驾驶”船舶发展的国际立法和国际公约。

4 结 语

从目前的技术、设备、交通环境等方面来看，实现船舶“无人驾驶”仅仅是时间问题。一旦法规通过修正，“无人驾驶”便可逐步实现。在开阔洋面试行“无人驾驶”，在确保安全的前提下逐步向沿岸和狭水道过渡。为确保安全，针对一些计算机避碰系统难以正确及时处理的突发情况，则可以由驾驶员来解决。欧盟目前开发了一个“海上智能航行”合作项目MUNIN，以验证无人船的可操作性。这预示着船舶由“无人驾驶”到真正的无人驾驶（即不需配备船员）指日可待。

参考文献：

[1] 孟令剑.ECDIS和AIS组合使用的优势和前景[J].航海技术，2007（3）：35-37.

[2] 刘宇宏.船舶避碰智能决策支持系统的设计与实现[J].中国航海，2004（4）：32-37.