近日，我國首艘自主航行貨櫃船「智飛」號在青島造船廠有限公司舉行建造開工儀式。該船是我國首艘具有智能航行能力、面向商業運營的運輸貨船，也是目前在建的全球噸位最大的智能航行船舶，計劃於2021年下半年進行測試運營。
智能航運已經成為航運業發展的一個主要方向，船舶自主航行技術是實現智能航運的關鍵技術。近十年來，隨著人工智慧技術及高速處理器的高速發展，自主航行技術的發展已經初具雛形，一些主要組織和廠家在自主航行船舶領域已經取得了成果。那麼，我國自主航行船發展現狀如何？需要解決哪些方面的技術和問題？未來其研發又將走向何方？
「雙智」的探索試驗
在「智飛」號開工建造之前，智慧航海（青島）科技有限公司已經投資建設了自主航行系統試驗船「智騰」號。
2019年5月16日，「智騰」號在青島智能航運技術創新與綜合實驗基地首次亮相。該船船長21米，寬5.4米，設計航速14節，包含自主駕駛系統、態勢感知系統、通導系統、動力控制系統、全船數據平臺、船岸通訊系統；具備自動避碰、自主航行水下避碰、自主靠離泊、自主循跡和自主航行控制功能。
據工作人員介紹，「智騰」號自主駕駛系統核心在於融合水動力特性和控制技術，建立無人船的三自由度操縱模型和控制方法，在螺旋槳、舵和其它推進器之間完成最佳推力分配。在符合推進器硬體約束的條件下使無人船具有位置、艏向的保持和調整能力，實現高速狀態下沿指定航線航行的能力和自主離靠泊能力。
「智飛」號正是在「智騰」號研發測試的基礎上而開工建造的。「『智騰』號為自主航行系統的研發提供測試平臺，加快研發成果轉化。給後期300TEU無人自主航行貨櫃試驗船『智飛』號的建造提供依據和支撐。」該工作人員表示。
「智飛」號總長約110米，型寬約15米，型深10米，設計航速為12節。據了解，該船集成並安裝有交通運輸部水運科學研究院、智慧航海（青島）科技有限公司等多家科研機構和企業完全自主研發的自主航行系統，採用中船重工第七〇四所研發的大容量直流綜合電力推進系統，首次在同一船舶上實現直流化、智能化兩大技術跨越，具有人工駕駛、遠程遙控駕駛和無人自主航行三種駕駛模式，能夠實現航行環境智能感知認知、自主循跡、航線自主規劃、智能避碰、自動靠離泊和遠程遙控駕駛。通過5G、衛星通信等多網多模通信系統，可以與港口、航運、海事、航保等岸基生產、服務、調度控制、監管等機構、設施實現協同。
交通運輸部水運科學研究院學術委員會主任張寶晨表示，「智飛」號還將配備船舶航行輔助系統，以便在人工駕駛模式下為駕駛員提供信息、環境認知、避碰決策、安全預警等全方位的輔助支持。
目前，參與該船智能航行系統和相關技術與設備研發的交通運輸部水運科學研究院、大連海事大學、哈爾濱工程大學和中船重工第七〇四所等多家研發單位的科研人員正在夜以繼日的攻克各種技術難關，努力按計劃完成研究開發任務。
全球加快自主航行船舶研發步伐
船舶自主航行有著至關重要的戰略意義，通過減少駕駛員直至實現無人自主航行，可實現船舶設計建造的革命性突破，同樣載重能力下節約超過20%的建造成本，20%的運營成本，減少15%的燃油消耗並大幅度降低排放。一項研究預測，在未來25年間，每艘無人駕駛船舶將節省燃料、船員用品和薪金700多萬美元。這對於萬億美元的船舶、航運市場而言，空間巨大。
正如AI和自動化在其他領域的應用前景一樣，人們也希望自主航行船舶能夠提高安全性、提高效率，並將人類從不安全、重複性的任務中解放出來。
Allianz的最新研究顯示，75%到96%的海上事故是由人為失誤造成的。如果自主和半自主航行系統能夠幫助減少對人類的依賴，那麼自主航行船隻最終可能會讓海上航行變得更安全。即使船上依然有船員，從船上的傳感器收集的數據與AI算法相結合，將有助於船員做出更明智的決定。
2017年國際海事組織（IMO）海上安全委員會第98次會議（MSC 98）上，就已經將「自主無人船舶」納入為新增議題。
無人船分為遠程遙控船與自主航行船，歐洲的智能船舶研發主要集中在這一板塊。他們更傾向於從小型船舶（如拖船、渡船）開始實踐，優先研發遠程操控、自主航線規劃、自主避碰等技術。2018年11月，由瓦錫蘭動態定位系統的自主控制器控制航速、預定義航跡和航向位置的85米長渡船「Folgefonn」號自動靠泊系統試驗成功。該船從離開碼頭，駛離港口，駛向下一個停泊港口，到進港的整個靠泊過程實現了自動化操作，沒有人為幹預。2017年6月，羅·羅也曾展示一艘遙控商船，這艘長28米、名為「Svitzer Hermod」的拖船安裝了以羅·羅動力定位系統為關鍵設備的遙控系統，實現了停靠、解鎖、360度旋轉等智能操控。
回顧國內，2017年年底，珠海萬山啟動建設了亞洲首個無人船海上測試場，該測試場可就自主感知、避障、遠程控制、協同控制等自主船舶相關項目，為國內外的科研機構、企事業單位開展第三方測試服務。青島、珠海兩個智能船舶實驗基地一南一北，遙相呼應，為我國無人船的研發提供了有力的實驗場地支撐。2018年12月工信部等三部委發布《智能船舶發展行動計劃（2019—2021年）》。2019年5月七部委聯合印發《智能航運發展指導意見》，「智騰」號首次亮相；7月發布《數字交通發展規劃綱要》，組織實施國家重點科研計劃《基於船岸協同的船舶智能航行與控制關鍵技術》項目；12月，中國自主研發的首艘具備自主航行功能的「筋鬥雲0」號貨船在珠海首航，成功完成首次自主貨船貨物運載。今年，「智飛」號開工建造……這無一不預示著中國也正在加快規劃部署智能航運未來發展。
武漢理工大學船舶與海洋工程學科首席教授吳衛國表示，與國外相比，國內的智能船舶發展在技術研發與市場應用等方面雖均處於初級階段，但目前國內也正在積極開展智能船舶領域的研究探索。
船舶行業轉型升級的積極嘗試
從自主航行船舶的發展現狀來看，遠程遙控結合部分自主控制功能已經成為自主航行船舶發展的主要方向。
遠程遙控可以實現船隊集群管理、監控船舶狀態合理配置資源、控制船舶維護維修、收集數據優化運營效率等功能，同時結合大數據、物聯網、雲共享等技術可以極大提高船舶的運營效率及降低能源消耗。在完全自主航行技術成熟之前，自主航行船舶在複雜水域、交通密集、惡劣天氣、設備損壞等情況下，其自主航行系統無法滿足船舶安全的操控需求，需要依靠遠程遙控功能切換到人工操控來保障船舶的運營安全。所以，遠程遙控結合部分自主控制的自主航行船舶在未來很長一段時間內將是自主航行船舶商業化運營的主要形式。
但遠程遙控技術在船舶上的實現也存在一些技術難點，如船舶大部分的工作區域需要通過衛星進行船岸通信，衛星通信的方式具有易受到天氣狀況幹擾、通信帶寬小和通信延時大的缺陷。對此，有專家建議，未來衛星通信技術的研究重點應集中於衛星多頻段通信技術、數據壓縮技術、數據提取技術、網絡安全技術等，通過這些技術可以有效的解決衛星通信的技術瓶頸，促進遠程遙控技術在自主航行船舶上的發展。
此外，自主航行技術應用船型的選擇是由營運需求、技術實現和經濟成本所決定的。選擇在小型船舶上應用自主航行技術可以更快地實現船舶完全自主化航行，自主航行技術在商業中也可以快速得到應用。選擇在大型船舶上應用自主航行技術，實現遠洋自主航行，可以有效的降低勞動強度、改善工作環境、減少人力資源。不同的組織應該根據應用的需求來選擇自主航行技術應用的船型。
也有業內人士表達了對自主航行船舶發展前景的擔憂。由於存在重大的安全問題，特別是在擁擠水域作業的大多數船舶通常體積更為龐大，完全自主航行的船舶在沒有船員的情況下自主作業之前，還有大量的測試工作要做，也有大量的規章制度需要整理。
除了確保船舶安全外，還需要就共同水域的管理問題達成一項決議。現有的國際公約是在假定船上有船員的情況下制定的。作為回應，國際海事組織（IMO）啟動了評估和更新公約的工作，以確保在AI取代人類成為船長的新現實下的安全。
此外，在人們對自主航行船舶的快速跟蹤研究、開發和法規更新產生重大興趣之前，該行業可能會從陸地上有關自動駕駛汽車的決策中吸取教訓，然後將其應用於自動駕駛船舶上。未來幾年自動駕駛汽車的採用和普及，可能會給在海上尋找同樣解決方案的公司帶來更大壓力。
張寶晨指出，從全球範圍來看，智能航運技術發展已處於初期階段，未來十五年是發展關鍵期。雖然我國造船訂單量已穩居世界第一，但是一直存在「大而不強」的問題，船舶智能化作為一種新趨勢給了中國「彎道超車」的機會。在此次技術革命中，一定要抓住機會趕超。