自主船舶未来何去何从？

金伟晨 李姗晏/中国船舶集团有限公司第七一四研究所 李夏青/中国船舶集团有限公司

近期，美国船级社（ABS）在《自主船舶白皮书》（简称白皮书）中，结合国际海事组织（IMO）海上自主水面船舶（MASS）监管范围界定（RSE）工作，提出了基于自主船舶发展目标的未来规则框架。

基于这一白皮书相关内容，可以分析出自主船舶未来的发展目标、关键技术问题，从而对研究制定符合我国实际的自主船舶技术发展路线图及其推进措施产生积极作用。

IMO相关法规制修订最新进展

随着船舶行业自主航行发展步伐不断加快，IMO逐渐认识到有必要制定船舶自主运营的相应法规。2017年2月，海事安全委员会第98届会议（MSC 98）接受了开展海上自主水面船舶（MASS）监管范围界定工作的提案，以确定如何在海事组织相关要求中引入MASS安全、可靠和无害环境操作。这项工作原计划于2020年11月的MSC 102会议前完成，但由于新冠疫情，2021年5月在MSC 103会议上才最终完成并确定MASS监管范围。

IMO将船舶自主水平分为四级

IMO在MSC第99届会议上采用了丹麦海事局（DMA）对船舶自主水平的四级分级标准。船员在船且具有自动化流程和决策辅助的船舶（一级）；船员在船的远距离遥控船舶（二级）；远距离遥控的无人船舶（三级）；完全自主船舶（四级）。

IMO完成海上水面自主船舶（MASS）监管范围界定

2021年 5月，IMO在 MSC第103届会议上，完成了海上水面自主船舶（MASS）监管范围界定工作，确定了11个与自主航行法规制定工作高度相关的主题。具体包括：船长、船员或负责人的含义，远程控制站/中心，海员身份的远程操作员，手动操作和船桥警报的规定，要求人员采取行动的规定（火灾、泄漏货物管理、船上维护等），船上证书和手册，信息连通性，网络安全，值班的定义，MASS搜救的意义，船上可用安全操作所需的信息，专业术语。

在此基础上，IMO又从这份清单中确定了可能需要政策干预的4个最高优先级问题。具体如下：

·界定船长、船员或负责人的含义

船长、船员或负责人的角色，在许多规范法规中被提至核心位置。在完全自主和无人驾驶船舶中，需要明确界定他们的含义。

·研究远程控制站/中心的功能

自主船舶的作业可能由岸上的远程控制站/中心进行监测或控制，这是IMO的一个新概念，其功能需要进一步深入研究和审议。

·界定远程操作员的资格、责任和角色

监控或控制自主船舶的远程操作员所需的资格、责任和角色需要被界定，即遥控操作人员是否需要是一名合格海员，又或者他们是否应被视为一名海员。

表1 海上自主水面船舶自主程度等级划分

·构建专业术语库

IMO的海事法规已经有几十年的发展，但自主航行发展的特殊性正在影响整个海事法规体系，缺乏商定后的单独术语库将是未来造成管理混乱的关键因素。

IMO计划2025年前公布相关计划或要求

在MASS监管范围界定工作结束后，IMO开始着手制定有关自主运营的要求，计划于2025年前公布。IMO指出，除2019年6月14日已经公布的《自主船舶试航暂行指南》（MSC.1/Circ.1604）之外，IMO很可能在2025年公布相关计划或要求之前，公布其他暂行指南。

自主船舶设计和运营目标需整体考虑

考虑到IMO监管范围界定工作的最新进展和自主运营船舶未来发展的总体需求，ABS认为，航运业需要对自主船舶的设计和运营目标进行整体考虑。在白皮书中，ABS提出了基于目标的完全自主船舶应用规则框架，并基于《国际海上人命安全公约》（SOLAS公约）和《国际防止船舶污染公约》（MARPOL公约）等相关法规适用条款，确定了10项自主船舶未来发展目标：在无人状态下保持推进系统可用；针对自主船舶重新定义并实现通信、消防与设备安全；实现对船舶水密性的有效监控与自主操作；确保无人状态下的自主避碰；具备自主传递紧急或遇险情况能力；满足环保要求并建立自主报告程序；保持持续的环境监测和态势感知；为实现自主航行目标提供指挥和决策；监测货物状态并确保货物安全；保持与相关方的实时通信。

在无人状态下保持推进系统可用

由于船舶处于无人状态，因此，在失去推进力的情况下，船舶应能够在没有外部援助的情况下迅速重新启动推进装置。对此，白皮书中提出2项具体要求，即保持电力供应的连续性和强大、可靠、适度冗余的推进系统。

重新定义并实现通信、消防与设备安全

对于没有船上人员的完全自主船舶而言，通信安全、消防安全、设备健康状态等必须得到充分关注。船上电力系统的持续工作对于保障推进辅助设备、控制和通信系统的运行至关重要，而船上的无人状态也使得消防理念要根据实际需求重新设计。另外，船舶设计还必须能够防止未经授权人员进入船舶。

实现对水密性的有效监控与自主操作

船舶进水与浸水是影响船舶安全的一个重要因素。对于无人自主船舶，舱底的水系统、海水阀和通风口设计需要得到新的关注，其中舱底水系统和阀门遥控等需要拥有更高的自动化和自主化水平。虽然自主船舶上缺少人员，个别空间通风口需求减少，但在设计上仍应考虑船舶维护或检查期间人员的存在。同时，通风口作为海水进入的关键位置，其关闭或打开必须实现自动化并得到有效监控。

确保无人状态下的自主避碰

对自主船舶而言，航行安全的含义将更加丰富，除了船舶自身的结构与船载系统的安全外，还应具备对于其他船舶、航行环境和海况的感知能力，这要求在满足《国际海上避碰规则公约》（COLREG公约）相关条件外，还需要具备故障时的自主转向能力、接受和理解周围船舶信息的能力、向周围船舶通报航行遇险情况的能力，以及监测航行环境的能力。

具备自主传递紧急或遇险情况能力

对于自主船舶而言，当其处于紧急或遇险情况时，需要具备将自身遇险情况传递给远程操作员或控制中心、附近船舶及相关港口或沿途国家政府机构的能力。白皮书中给出了5种紧急或遇险情形，即失去推进力或操纵受限、船舶进水、发生火灾、丧失导航能力和与岸基控制中心失去联系。若船舶发生以上情况，需迅速做出反应，以保护资产，并警告周围船舶，以便尽量减少碰撞的可能性。

满足环保要求并建立自主报告程序

从白皮书来看，在考虑自主船舶暂不会运载《MARPOL公约》附件二（散装有毒液体物质）和附件三（包装形式的有害物质）所涵盖货物的情况下，其至少应满足《MARPOL公约》附件一（防止油污染条例）和附件四（防止船舶污水污染条例）的相关要求。除此之外，自主船舶还应符合其船旗国和沿途港口关于防止污染的要求，并为完全自主船舶建立报告程序，以满足法规合规性要求。

保持持续的环境监测和态势感知

自主船舶监控和维护船舶设备运转情况、持续态势感知，是其完成自主执行既定任务、向远程操作员通报船舶和关键系统状况的基础。未来自主船舶至少应持续监控以下内容：推进、发电和配电系统，安全/损害程度，稳定性和压载控制（包括完整和破损状态），结构完整性和可靠性，导航和定位（地理定位），环境情况监管，船舶操作情况，网络安全等。

为实现自主航行目标提供指挥和决策

自主船舶未来最关键的系统是中央决策系统，其能否持续观察和分析周围环境、准确决策、执行决定并发出指令和保持通信，决定了船舶的安全和航行目标的实现。因此，在自主船舶的中央决策系统设计中，通常需要单独考虑系统冗余度、可靠性和网络安全。

监测货物状态并确保货物安全

自主船舶需要能够保证其所载货物的安全，货物的储存和保护方式应确保船舶自身和航行环境均不会受到威胁。因此，根据运输货物的特点，未来自主船舶需要配备监控货物状态的装置。

保持与相关方的实时通信

为了实现对船舶的监测与安全管理，一是自主船舶需要始终保持与岸上控制站的通信，二是自主船舶应能够与其他船舶、船上人员、港口人员等进行实时通信，三是对于完全自主和无人驾驶船舶，外部各方还需实现与远程操作员的通信。

解决影响自主船舶发展的关键问题

基于自主船舶发展目标和现有法规基础，以及正在进行的试验和项目，ABS确定了影响自主船舶发展的一些关键问题。

对远程控制中心和操作人员的要求更高

自主船舶将接受远程控制中心和操作人员的监控或控制，这无论对于远洋还是近海作业船舶均是新的控制理念。未来，通信与连接技术、虚拟现实技术等将为各相关主体间的信息互通和远程操控提供便捷。远程控制中心需要计划自主船舶航行的各方面事宜，如，航路点的设置、船上设备的配置、监控航程进程、实时观察船上设备和船体结构的健康状态、对异常和紧急情况做出反应，并需及时与港口的船舶交通服务系统（VTS）和沿途水域内其他船舶等互通信息。

远程操作人员将是远程控制操作的核心，其专业能力是保障自主船舶安全行驶的重要因素。《海员培训、发证和值班标准国际公约》（STCW公约）对船上工作人员的教育、培训和经验（海上服务）提出了明确的要求。对于岸上人员和船舶管理，《国际安全管理（ISM）准则》提供了船舶安全管理和操作的要求。

目前，考虑到海员拥有船舶操作的大部分必要技能和经验，其很可能成为第一批远程操作员。下一步，需要找出当前技能组合和未来所需知识技能之间的差距，以便提升当前海员的技能，使其满足自主和遥控操作带来的新技能需求。

对“5G+卫星网络”的需求更大

船舶与远程控制中心之间的连接对于自主远程控制功能的实现至关重要，这一过程需要考虑带宽、数据完整性、可靠性和延迟等多个涉及数据连通的要素。对于高可靠度要求的自主或远程控制船舶，即使网络不佳或完全中断，验证数据存储完整性、及时恢复损坏数据等功能也应得到保障。

目前有两种主要的通信方法，即通过蜂窝网络和通过卫星网络，分别用于沿海和深远海通信。蜂窝网络依靠基站来提供通信覆盖，其范围受限于基站的可用性，因此只能连接到靠近海岸的船舶。卫星网络则通过卫星和地面站的结合实现对全球的覆盖，其传输从卫星到船舶经过很长的距离，因此延时要高于蜂窝网络，但目前卫星网络却是连接远离海岸船舶的唯一选择。

对于自主船舶，为了监控运行状态并实现航行目标，再加上导航数据交换量巨大，通信设备应具有足够的数据容量以满足功能和性能要求，而传输数据量取决于网络的频率范围，频率越高，可以承载的数据就越多。同时，实施时还应考虑连接速度、环境条件及海上交通产生的影响，若某个覆盖区域（例如繁忙的港口附近）中船舶或其他带宽使用者的数量更多，数据速度便可能更慢，而这需要通过更好的网络基础设施和更多的卫星网络来改善。

5G技术为自主和远程控制操作创造了更大的可能性。5G的速度最高可达到4G的约100倍，延迟率也显著降低，这对于传感器数量显著增加的自主和遥控技术而言非常有用。低延迟特点更有助于机器控制的实现。然而5G技术也存在其自身缺点：由于超高频电波传输距离的限制，其覆盖范围将缩小，大量的基站投资无疑增加了港口水域施工难度。尽管如此，在彼此靠近的船舶之间，利用本地移动自组网来实现快速数据交换是可行的。

网络安全将成为未来核心问题之一

2020年10月，三星重工称其实现了韩国首艘300吨级远程自主航行拖船实船航行 来源：三星重工

随着船舶和海上装置的自动化、智能化水平不断提高，船舶行业已将安全重点从传统的船体、机械和电气领域扩展到软件和网络安全。卫星或蜂窝网络虽然增加了自主和远程控制操作的可能性，但同时也增加了船舶或海上装置网络的脆弱性。网络安全逐渐成为海事利益相关者关注的焦点。

自主船舶操作的安全性在很大程度上取决于软件系统以及船舶的操作系统不会受外部恶意或非恶意干扰。这要求技术人员从船舶的船上系统、通信系统、远程控制/操作员控制系统、人工操作员和其他接口系统（如港口船舶交通系统和其他服务提供商）等方面对网络安全进行全面分析，以确保自主和远程控制操作的信息安全。

评估与验证需模拟测试技术支持

为了按预期实现自主和远程控制功能，软件的质量和可靠性至关重要，但是相关的软件和算法验证仍有许多问题尚未解决。例如：如何定义可靠性？如何跟踪和评估软件做出的决策？如何认可自主决策行为并控制自主学习？如何定义软件故障时的责任人？

自主和遥控功能失效，会对船舶航行任务的实现及安全性产生严重影响。因此，必须在正常和异常操作条件下对自主船舶各项功能和软件系统进行测试和验证，以防止潜在故障发生。

传统的实船验证方法通常成本高、耗时长。使用建模与仿真技术测试软件功能与安全性，可有效发现故障并在部署前完成修复。

目前，模型在环（MIL）、软件在环（SIL）和硬件在环（HIL）仿真技术已广泛用于航空航天、军事和汽车工业中，未来，这些技术也有望在船舶自主和远程控制功能的测试中广泛应用。

人工智能和机器学习需适用性更强的验证框架

目前，人工智能（AI）与机器学习（ML）被用于预测船舶运行参数，如所需的主机功率、船舶识别和跟踪、航线规划和优化等。然而，人工智能的应用却可能在神经网络学习过程中引发故障。例如，在分析无人机机载避碰系统深度神经网络时，系统存在不满足逻辑需求的情况，且系统可能发出导致错误避碰行动的对抗性扰动指令。

因此，建立多源数据收集处理的规范过程，为机器学习制定合理的验证框架，将成为人工智能和机器学习技术在自主船舶领域应用的重要议题。

将显著影响港口效率和海员就业

船上人员的优化配备甚至取消是自主技术应用的关键驱动因素之一，但也是潜在的最具挑战性的问题。

《联合国海洋法公约》（UNCLOS）第94条第4款（b）项要求，所有船舶“由具有适当资格的船长和高级船员负责”。各类公约（SOLAS、MARPOL、STCW）和其他法规也都假定船长会在船上，并且船上有其他船员。

随着自主技术的不断深化，社会对无人航行的接受程度以及可能导致海员失业等问题陷入了深思，一些主要的海事利益相关者对自主船舶和港口运营的影响以及失业风险表示担忧。可见，自主技术还需要在相当长一段时间内应对法律、监管和社会层面的挑战，并提出足够多的措施以确保自主技术的安全性。

研究制定符合我国实际的发展路线图

加快制定技术发展路线图，分步推进实施

ABS白皮书基于全球自主船舶技术发展趋势的分析研究，提出了10项发展目标和若干关键技术问题，对总体把握自主船舶发展具有重要的意义。建议业内在对我国当前自主船舶技术研发与应用现状进行全面摸底分析的基础上，结合IMO船舶自主化程度分级标准和国际自主船舶发展态势，研究制定符合我国实际的自主船舶技术发展路线图并推进实施，分阶段、有侧重地解决关键技术和产业化应用问题，并且加强动态评估，及时调整自主船舶发展计划与目标。

罗尔斯·罗伊斯此前制定的无人航运路线图 图源：罗尔斯·罗伊斯

突破关键核心技术，加强技术储备

根据ABS白皮书对自主船舶发展目标和关键技术的研判，以及我国《智能船舶发展行动计划（2019—2021年）》关于自主船舶技术发展的相关要求，可以确定，船体设计、多源感知、网络与通信及自主航行等关键技术领域是发展自主船舶亟待突破的重点领域。建议业内推动行业优势资源统筹，以聚焦重点进行技术攻关，争取由政府主管部门加大支持力度，集中力量突破全船综合智能管理及控制、船用传感和多源感知数据融合、船岸一体通信和信息安全保障、自主航行与自主避碰等关键技术，加强自主船舶研发应用的技术储备。

推动产业链合作，建立协同发展“生态圈”

白皮书中提出，在自主船舶产业应用的未来，船船之间、船岸之间、船港之间的信息共享与实时通信是重要的基础条件。这意味着，船舶、港口、岸基，乃至船东、船厂都将被纳入自主船舶发展的价值链条中。自主船舶未来的目标实现与商业化应用需要各方协作，共同推进。为此，建议业内推动“官、产、学、研、用”一体化，由政府机构牵头建立造船、航运、配套、数据服务等产业链上下游协同创新与应用的良好机制，使各方共同参与项目研发和产业化推广应用，打造共赢生态。