船舶避碰模式智能化探讨

摘  要：在全球大力发展海洋经济和国家高度重视海洋强国战略的大背景下，为了加快现代信息、人工智能等高新技术与航运要素的深度融合，笔者探索智能化的船舶航行避碰模式，期望培育和发展智能航运新业态。如今，自动化驾驶及远程操控技术已在很多领域崭露头角，笔者通过对现有技术分析从而就航海智能化在船舶航行避碰中的运用进行探讨 ，旨在更好地保障船舶航行安全。

关键词：船舶航行避碰；区块链；大数据；云计算；通信技术

0 引 言

目前，国际海事组织（IMO）正在推进电子航海（e-Navigation）战略，旨在增强航海信息化，同时也推动航海科学技术，尤其是船舶驾驶自动化与航海智能化的发展，这样可以减少人为失误及减轻航海人员的工作负荷，并在船舶航行避碰方面发挥出卓越的成效。随着智能化时代的到来，航海技术发展面临新时代的机遇和挑战，必须进行改革创新，与时俱进。

1 船舶航行避碰手段的发展历程

1.1  20世纪八九十年代的船舶航行避碰手段

在20世纪八九十年代，船舶主要是通过船载雷达、望远镜和甚高频电话（VHF）来处理船舶航行避碰问题，雷达标绘和海图定位是主要判断依据。当时，雷达设备的功能也不完善，使用便捷度较低，经常会受到天气海况的影响。由于没有雷达自动标绘（以下简称ARPA）和船舶自动识别系统（以下简称AIS），同时掺杂着人为因素及通讯环境的影响，用甚高频与他船联系有时会产生误会。

1.2 现代船舶的航行避碰手段

随着船舶大型化及现代化，普遍配备了ARPA、AIS、电子海图及综合导航仪等先进设备，显著提高了船舶间通讯及实时核查周围通航情况的效率。雷达上捕捉的船舶信息中通常会显示最近会遇距离（以下简称CPA）和抵达最近会遇点的时间（以下简称TCPA），不用进行人工雷达标绘，更加直观地判断碰撞风险并且减小误差。可近些来年，每年还是会出现多起由于船舶航行避碰不当而发生的重大海事，主要原因为：

（1）人们过分依赖和信任电子设备，忽视核查数据的准确性；

（2）船舶之间的设备先进化程度差异较大；

（3）船舶大型化且最高船速相对于20世纪八九十年代有了质的飞跃，导致事故的严重程度也明显增加；

（4）人为因素影响仍然占据主导地位，倾向于协调避让，容易产生误会。

2 在船舶航行避碰领域中可运用的科学技术

2.1大数据

目前，船舶航行数据和相关资料主要是从全球导航卫星系统、ARPA、AIS、测深仪、计程仪、全球海上遇险与安全系统等设备中获取的，通过岸基网络和卫星通信进行船船或船岸传输。由这些数据可以得知实时船速、航向、最近会遇距离、抵达最近会遇点的时间、来船过本船船首的距离、来船过本船船首的时间等相关参数。但由于数据传输和通信机制需要人工干预，也暴露出数据传输延误甚至发生错误的缺点，因此有必要研制智能的船舶综合数据采集、处理与传输系统。引入大数据模块来收集全球可航水域范围内所有船舶的实时数据和信息并在最短时间内寻找其相关性，然后进行分析及核准，最后以多种格式或形态直接传输到时空高通量的航海智能云数据库中，同时感知、通信、物联、智能等方面新技术发展也可以为航海智能云数据库服务，最重要的是确保数据的时效性、准确性及可追溯性。

2.2云计算

在航海中，目前大多数船舶航行数据是通过AIS得到的。虽然较20世纪八九十年代有了很大改善，但人为因素占据主导地位，仍会产生很多风险，例如：AIS出现故障，船舶不开启AIS等等。这就需要云计算的“帮助”，首先它能有效兼容各个船舶设备及服务器中传导出来的并且经过大数据收集整合过的海量航海云数据，然后让它们进行交互和关联，形成时空高通量的智能云数据联络网，对这些数据进行动态伸缩，实现基础资源的网络冗余，不断进行实时添加、删除、修改。同时在数据闲置的情况下采取节能措施，给数据平台“减压”，提高部分数据利用率，进一步保障高通量云数据的时效性。

2.3区块链

目前，船舶数据在规范性及严密性方面是缺乏保障的，一旦出现错误的数据就会形成“多米诺骨牌”效应，后果不堪设想。区块链模块的引入可以解决这个问题，由于区块链采用基于协商一致的规范和协议，这可以使全球船舶数据系统中的所有节点能够自由安全地交换数据，屏蔽任何人为干预。一旦这些数据经过验证并添加至区块链，就会永久的存储起来，除非能够同时控制住系统中超过51%的节点，否则单个节点上对数据库的修改是无效的，显著提高数据的稳定性和可靠性，形成时空高通量的智能云数据信任网。

3 智能化模块在船舶航行避碰中的运用

未來在船舶设备中可以引入智能化模块，将时空高通量的智能航海云数据库同步到这些模块，然后结合实时气象海况和周围船舶情况进行分析，总结出几套最优航行避碰方案，包括船速、航向等方面的区间范围以供船方选择。首先方案不局限于某个区域内单船与单船、单船与多船甚至可以进行自助区域选择，以单船为中心的某个区域与相邻区域船舶的会遇预案。在实施方案的过程中可以根据船舶数据的变化及时做出更新，目的是提供实时最优方案，而且还可以增加方案实施后的效果预判功能，通过选择预计时间节点来完成，这个效果预判是针对整个局面而不只是本船的，所以更加具有参考价值。另外，还需要引入预警功能，我们现在雷达上的预警功能是提示本船与他船之间的碰撞危险，那么智能化的报警功能则可以做到对整个区域范围内所有船舶的监控，如果在所有船舶采用最优方案的前提下仍然不能避免紧迫危险甚至是事故的发生，就立即对重点船发出预警，这时需要进行人工干预，直到预警消除后再继续进行智能化操作。

效果流程如图1所示：

4 实施难点分析

4.1原始数据采集

目前，仍有部分船舶没有AIS，只能通过雷达来获取其航行数据，雷达数据获取的延迟性及错误率要远高于AIS信息数据，有可能会被作为“不可信任的数据”处理。

4.2 智能化航海模块的全面配备

在初始阶段，智能化模块应用成本肯定会比较高，毕竟前期数据采集和分析都需要投入大量的人力、物力及其他相关资源。在后续的应用过程中，也需要保障船舶数据的时效性和准确性并进行相关系统维护保养。

4.3 现有的雷达及AIS信息无法满足智能化数据的时效性

航海雷達无法获取目标船的即时速度和船首向等航行状态信息，AIS传输数据的频率则根据船舶的运动状态而变化，短则几秒，多则几分钟，但智能化航行避碰系统是需要高频率实时更新的航行数据来运作的。

4.4 难以完全实现智能危险识别和避碰决策

人工智能难以解决特殊情况下的避碰局面，例如船舶突然失控、多船会遇等，并且无法直接植入需要有丰富航海经验才能培养出的“良好的船艺”技术。

4.5智能化系统维护与航行安全保障

任何系统都有失灵的可能，一旦出现类似问题将直接危及船舶航行安全。

5 解决难点的可预期技术模块

5.1 卫星通信

如今，海上通信技术应用常用的有低频通信技术应用、中/高频通信技术的应用、甚高频海岸电台（语音通信）、超高频无线通信、 GMDSS系统等。美国太空探索技术公司正研制星链计划，准备在2019年至2024年间向近地轨道发射12 000颗小型卫星，后续还将发射30 000颗小型卫星，主要可以为光缆和地面基站无法达到的偏远地区提供网络服务，未来全球可航水域的所有船舶都可以接收网络信号。星链计划建成后，会以低廉的价格、更好的网速和互联网服务用于民用，相当于给全球装了WIFI。对于无船舶自动识别系统的船舶只需要船员的手机定位就能轻松跟踪船舶航行数据，从而添加到时空高通量的智能航海云数据库中。

5.2 升级AIS系统

航海智能化的核心就是数据采集，通过对所采集的数据进行整理和编辑形成云数据，然后进行全世界范围内的互联互通，从而打造出船舶航行的云环境。目前，数据主要渠道有：气象系统、AIS基站、无人机船磁探测、近海雷达光电联动系统、多普勒近岸雷达系统、海事雷达系统、高频地波雷达系统等等。其中对于智能化避碰系统最重要的是船舶航行数据，主要由AIS和雷达提供，而目前AIS数据传输国际标准是动态数据30 s发送一次，静态数据每5 min发射一次，显然无法满足智能化系统关于数据时效性的要求。另外，信号基站覆盖率低，信号传输距离也短，A级发射距离30 n mile内，而B级只能保证10 n mile。我们可以升级AIS系统，利用类似星链计划中的卫星信号来传输船舶数据，星链卫星传递信号速度是5G的50倍，由于使用的是低轨道卫星，因此可以将延迟控制在25 ～ 35 ms之间。同时，该计划中的近地轨道卫星信号可以覆盖全球所有可航水域，这样就可以保障智能航海云数据库的时效性及广覆盖面。

5.3 加强人工智能自主学习并定期进行系统升级

当遇到特殊情况时需要通过良好的船艺及协调避让来进行人工干预，面对不同船型、不同水域环境需要采取不同的避让方案。在每次人工干预后，人工智能通过自主学习来保存方案并上传至智能云数据库，后台数据维护专家团队进行审核，定期进行方案汇总并制作升级包供用户下载植入系统，如再遇到类似特殊情况就不需要人工干预了，久而久之智能化航行避碰系统解决问题的能力将会越来越强大。

5.4 AR导航系统

FURUNO ENVISION系列是古野公司探索的最新最先进的“AR导航系统”（现实增强导航系统），它利用对着外部的摄像头在显示器上投射其他船舶影像，并且可在图像上叠加探测到的航行数据，即使在视野很差或者恶劣气象海况下，依然可以做到。通过调整范围来控制屏幕物标显示数量，根据不同的CPA和TCPA用颜色进行划分，任何情况下都能提供可靠的数据。虽然目前的AR导航系统还属于初级阶段，但是可以预见的是随着科技的进步，AR导航系统会不断更新换代，更好地保障智能化航行避碰系统的可靠性。

5.5 智能化航海的航行安全保障

使用智能化航行避碰系统的船舶必须配备备用系统，同时对于收集到的实时数据及时进行备份，确保数据链实时完整。另外在未来的很长时间内智能化航行避碰系统只能作为辅助设备，旨在减缓船员们的工作负荷，但船员扎实的航海技术和良好的船艺始终是最好的保障，平时仍要保持严格的训练和学习，做到有备无患。

6 结束语

自从18世纪中叶蒸汽机时代的来临，船舶发展也历经了三次工业革命，船舶设备及动力装置不断改进，航行安全也有了很大的保障。但时代的发展脚步是永不停歇的，人工智能的问世将引领“工业革命4.0”，如果说前三次工业革命是改善船舶的主体躯干和内能动力，那么第四次工业革命会给船舶装上“大脑”，将现代智能及信息技术与航行安全相结合，实现船舶航行云环境中的资源共享及互通，给航海智能化夯实坚固的基础，为我们船舶安全航行保驾护航，当然未来还可以在航海领域的其他方面得以应用，航运业的发展也将逐渐进入崭新的时代。

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作者简介：

唐英杰，上海港引航员，（E-mail）745534681@qq.com，15000580421