王鸿东，张子祥，易 宏

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引 言

随着网络传输与通信技术、智能传感器技术、智能控制技术等高新领域不断取得突破，越来越多“无人化”科技产品问世，并从军用领域向民用领域逐渐铺开。传统交通工具如飞机、汽车、列车等均已实现遥控或一定程度上的自主行驶，并为大众所熟知与使用。无人货船由于使用环境相对复杂，相关技术尚不成熟，所以至今还没有进入实用化阶段。

本文将从无人货船的研发现状出发，介绍无人货船在航行表现上优于传统货船的原因，并重点分析研发无人货船必须解决的相关技术问题，为后续的实际工程研究提供参考。

1 无人货船的现状

在船舶领域，用于军事装备和科学考察的无人船技术已经有了较多的应用。比较早的军用无人船舶有美国研发的“斯巴达”高速无人船和以色列研发的“保护者”高速无人船等[1]。科学考察方面，我国研发的“天象一号”无人船是世界上第1艘用于气象探测的无人船，出色地完成了青岛奥帆赛对特定区域的数据测量任务[2]。亦有多功能无人船如我国研发的“领航者”，可以为科学考察、紧急搜救、巡逻侦察等多种任务提供水上平台。

相比军事装备和科学考察用无人船，对于无人货船的开发较晚。直到近几年，无人货船的话题被迅速炒热，世界上已经有多个组织宣称开始研发无人货船。2014年，有媒体报道罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）正在完善无人化跨洋货船的设计，目标是把控制航向的工作全部交给岸上的操控团队[3]；2年后，罗尔斯·罗伊斯海洋创新部副总裁称真正可用于商业使用的远程控制船舶将在2020年前出现。在挪威，康斯伯格海事（Kongsberg）与化肥制造商雅苒国际（YARA）合作研发世界上首艘零排放的自动行驶货船“Yara Birkeland”，计划在2018年下半年载人操纵货船运送货物，2019年进行远程操控航行，2020年期待可以实现完全的自动驾驶。澳大利亚矿业集团必和必拓（BHP Billiton）正在投资建造自主航行无人散货船队，船舶动力将由该集团自产的天然气提供；集团期望在10年内将船队建造完成，用于运输铁矿石、煤炭等矿物资源到世界各地[4]。在中国，“筋斗云”小型无人货船计划2018年底下水，2019年投入珠海海岛间的物资运输，将为中国的海岛物资补给提供良好的解决方案[5]。

除了无人货船本体的设计建造之外，无人船的相关规范与法律也正在制定和修改。中国船级社（CCS）于2015年发布了《智能船舶规范》。2017年英国劳氏船级社（LR）发布了无人海上系统规范《LR Code for Unmanned Marine Systems》。国际海事组织海上安全委员会（IMO Maritime Safety Committee）已经接收了9个成员国在无人船领域确定立法范围的方案；国内立法程序也已在美国、英国等国展开[6]。

总体而言，无人货船已经成为世界各国继无人舰艇、无人科考船之后下一个发展目标，有潜力在未来的10～20年内逐渐取代传统货船，在世界航运界掀起一场新的革命。

2 无人货船的优势

2.1 人力成本下降

在航运企业的成本中，人力成本在企业总成本中占有很大的比重，且所占的比重有不断上升的趋势。在20世纪50年代，船员薪酬成本只占船舶经营成本的15% ～ 20%；到了90年代，船员薪酬成本升至经营成本的35% ～ 50%[7]；近几年，人力成本已达到企业成本的 50% ～ 60%[8]。

无人货船将显著降低运营成本。基于先进的网络、传感器技术和友好的人机交互，岸基控制中心中的一个人便可以同时监控多艘船的运行情况。当船舶出现意外状况，控制中心将迅速成立一支分工明确的团队解决问题。这种运营模式不仅降低了每艘船平均的人力成本，而且极大地改善了“船员”的工作环境，提高了工作效率。

2.2 燃油成本降低

为了保证船员的生命安全，在长期的航行中传统货船需要储备大量的食物、淡水和救生设备；为了使船员的生活更加舒适，部分管道系统和给排水系统是必要的。可见人的因素大大限制了货船的载货能力。无人货船则无需考虑布置这些船舱和多余的管道，设计变得更加紧凑。因此，在相同情况下，无人货船单位载重量的耗油量低于传统货船。

《国际防止船舶造成污染公约》对燃油品质提出了较高的要求，使原本走低的国际原油价格并没有降低航运业的运营成本：中远海运集装箱运输有限公司在2015年因进入排放控制区更换燃油增加支出1.8亿元[9]。在这种情况下，罗尔斯·罗伊斯称无人货船将节约12%～15%的燃油，无人货船的经济性与绿色环保可见一斑。

2.3 传统海盗行为很难奏效

无人货船不存在被传统海盗劫持的问题。即使货船被海盗成功控制，无人化使得海盗在谈判桌上筹码大大减少。更何况要获得无人货船的控制权是不容易的：货船将有技术条件感知入侵者，做出报警、剥夺手动控制权限和高速脱离危险区域的动作。不可否认，海盗们还有彻底破坏船只这一选项，但对海盗来说损坏货船也没有任何收益。鉴于以上原因，海盗将会渐渐认识到抢劫无人货船毫无意义，针对无人货船的海盗活动将随之渐渐消亡。

2.4 人为事故可以避免

人为因素对海上事故的影响非常大。1993–2002年中，我国发生的海上事故中，存在人为因素的事故比例超过92%[10]；国际海事组织则认为人为因素导致的事故约占80%。人为因素占如此大比重的原因主要有：海员工作条件艰苦，心理和生理上不适应海上漂泊；海员缺少中高级培训，知识、技能、经验不足；船用设备设计不合理，不适合船员使用；操作程序不清晰，指令没有得到完整贯彻[11]。

为了提高航行的安全性，用计算机代替人是大势所趋。无人货船航行的安全性不再受“人”这一复杂因素所影响，而仅仅与传感器误差、计算机运算能力、算法能力等客观可控的因素有关。随着技术的进步和实践经验的不断积累，无人货船在海上的安全性将很快赶上传统货船，并最终超越传统货船。

3 无人货船亟待解决的问题

3.1 船岸通信系统

卫星通信范围几乎覆盖全球，传输质量较高，所以远洋货轮的船岸通信主要都是通过卫星通信实现的。对于传统货船来说，卫星通信系统只要满足全球海上遇险与安全系统（GMDSS）的相关规定即可；在满足规定的情况下，对具体卫星通信设备的选型主要取决于航行中对通信流量大小的需求、硬件设备的价格和流量的价格。但对无人货船来说，卫星通信系统仅仅满足相关规定是远远不够的，需要从高效性、可靠性和安全性3个方面来考虑。

为了更直观地观察无人货船的运行状况，在必要的情况下，控制中心可以直接收看船载摄像机拍摄的实时视频，而需要同时调用的摄像机可能不止一台。例如当无人货船发现海盗登上船只后，控制中心将需要调用1台瞭望用摄像机观察海盗快艇的位置，数台舱内摄像机跟踪海盗动向。实际上在传统货船中基于卫星通信的远程监控已经有所应用[12]，而上述这种特殊情况就对船岸通信系统的带宽提出了更高的要求。

无人货船在正常运行过程中，需要定时向岸基控制中心反馈运行状况；当无人货船判断运行出现问题时，将向岸基控制中心发送实时信息并准备接收控制中心的操纵指令。不比传统货船即使与大陆失去联系也有船员进行操纵，无人货船的船岸通信系统失灵，货船将在茫茫大洋中陷入不受监视、不受控制的状态。单就卫星通信系统来说，自然干扰有日凌、雨衰和电离层闪烁等[13]。非常矛盾的是，船只遭遇的危险海况往往伴随着狂风暴雨，既是最需要通过船岸通信系统发送数据接收指令的时候，也正是卫星通信系统受干扰最严重的时候。如果无人货船的自主决策能力还不足以应对复杂海况，那么就必须提高船岸通信系统的可靠性，尽可能保证在极端情况下的信息通畅。

船岸通信系统的安全是必须考虑的因素。前文提到过无人货船的广泛应用将逐渐消灭传统的海盗行动，但可能带来新一代“黑客海盗”。据报道，有安全研究员发现通过公共互联网就能直接连入一部分现有的大型船只和飞机的通信系统，实现控制和修改控制程序[14]。这就意味着，“黑客海盗”可能不用亲自登上无人货船就能获得完全的控制权，除了带来巨额经济损失，还伴随着利用无人货船实施恐怖袭击事件的危险可能性。劳氏船级社等组织已经开始重视这一问题，在第二版的信息化船舶入级指导文件中增加了网络安全的内容[15]。由此看来，无人货船船岸通信系统的安全性至关重要。

3.2 感知系统

无人货船需要一整套成熟的感知系统观察外部航行环境和诊断内部设备状态，能够实现这一功能的感知系统主要依托的技术有传感器测量技术和多传感器信息融合技术。其中，多传感器信息融合技术在感知系统中处于核心地位，也是研究的重点。

如果说无人货船上安装的大量传感器替代传统货船上船员的五官，输出了各种物理测量值，那么多传感器信息融合技术就是替代船员的大脑，可以把这些不同种类的测量值整合成对目标对象更加高品质的描述。典型的感知过程如图6所示。

当无人货船的安全性评估单元要求当前的航行海况，货船上的多种传感器开始工作：风速仪与风向仪、浪高仪、流速仪测量并分别反馈风、浪、流情况，瞭望用摄像机反馈空中云层和海面波浪的图像。评估单元接收到反馈信息后利用多传感器信息融合技术，按照一定的流程，利用一定的算法，综合分析所有传感器的测量数据，进行评估与决策。

虽然多传感器信息融合在很多领域得到成功应用，但是还没有形成统一的理论框架，绝大部分工作都是针对特定的应用领域展开的[16]。在无人货船上，应用多传感器信息融合技术主要涉及2个工作方面：一是信息融合系统的设计，涉及到数据融合模型、传感器等资源的管理与调度、信息融合数据库、信息融合算法的评价标准、信息融合系统效能评估方法和其他一些信息融合的优化问题等[17]。二是信息融合算法的设计。在工程实践中并不存在完美的信息融合算法，必须结合实际问题进行具体分析，根据实际需要进行选择。在人工智能技术越来越受到重视的今天，可以预见多传感器信息融合技术也将越来越向智能化的方向靠拢[16]。

3.3 自主决策系统

无人货船的自主决策主要体现在船载计算机对航线的自主规划和对航行行为的自主控制。

远洋货轮从经济性和安全性的角度来看，总是希望能走一条烧油少、时间短、海况佳的航线。因为影响航线规划的最主要、最复杂因素是水文气象，所以航线规划终究归结到气象导航。对于传统货船来说，通过气象导航得到最优航线的过程通常是专业的气象导航公司与船长不断协商的过程：气象导航公司依船东的要求，在货船出发前根据气象资料事先规划好航线，并且在航行过程中根据更新的气象资料向货船发出航线修正信息；船长在按预定航线航行的过程中，遇到预定航线与本人经验或者实际海况不相符时，可以向气象导航公司提出异议，和公司充分交流后沿着一条双方均认可的航线继续行驶[18]。

这是一种互补的导航模式：气象导航公司因为掌握大量最新气象数据，有能力对长期的航线做出比较好的规划；船长对当前实际船况和海况熟悉，可以从航行的舒适性等其他方面对已有航线规划进行补充与修正。但这种导航模式有缺点：1）价格高昂，直接导致部分船东不愿意使用气象导航公司的服务转而让船长自行判断航线。2）保密性差，气象导航公司可以获得货船的出发港、目的港、出发时间等信息，不适合特殊用途的船舶。3）气象导航公司对船况不熟悉，导致实际航行效果不佳。

针对以上问题，有研究尝试根据货船上可以接收到的气象传真图、可以实际测量的海况和历史统计资料，利用船载计算机自行实时计算最佳航线；实验证明这种自主规划的航线比气象导航公司提供的航线路程更少，时间更短。该研究的作者认为，这种规划方法的效果受到了货船获取水文气象资料信息手段不足的限制，提高收集水文气象资料的能力将成为之后的研究方向[19]。到了今天，有待进一步开发的感知技术使气象传真图、实际海况、历史统计资料的大量采集、存储和综合分析成为可能。对无人货船来说，需要成熟的感知系统为航线的自主规划提供基础支持。此外，随着计算机计算能力的提升和智能算法种类的增加，为无人货船最优化航线的方式也值得进一步探索，使航线的计算更优化，使航线本身更加满足船东的实际要求。

对航行行为的自主控制指的是，无人货船的计算机根据感知系统反馈的结果，自行向主机、舵机等执行器发送指令的行为。无人船的自主控制已经有一部分研究成果，在仿真程序和实际海试中已经可以实现航线跟踪和自主避障功能[19–21]，但这些实验成果一般只适用于风平浪静的理想海况。无人货船面临的主要环境威胁是突发的恶劣海况。

传统货船在大风大浪中，能依靠船长的经验技术度过难关。而无人货船在遇到恶劣海况时，前文提到过，恰恰船岸通信系统最容易失灵，使岸基控制中心的工作人员无法介入操作。这就意味着，无人货船在感知到恶劣海况后，如果通信中断，必须自行采取一套应对动作，如通过调整航速和改变航向避免谐摇、冲浪、稳性损失等危险情况。这就给研发无人货船的自主控制系统提出了挑战。

3.4 人机交互

无人货船的所有自主能力，都是在程序预先规定的范围内实现功能的。在程序触碰不到的范围，比如海面上出现无法被识别出的物体，或者诊断系统发现异常的测量值却无法确定原因时，还是要依靠人介入进行处理。至少在现有的自主技术条件下，所有无人系统只能处于“人机协作系统”的阶段，更强的自主能力只能带来人与计算机分工种类和工作量大小的变化。所以，开展无人货船人机交互系统的研究非常有必要。

人机交互系统的优点有：人机交互系统通过合理的人机任务分配，有助于充分利用无人货船的自主能力和人的主观能动性，可以加快任务执行速度，减少工作人员，降低失误率；人机交互系统将整合无人货船的运行信息，向控制人员提供无人货船的运行状况、自主决策结果和决策背后的原因，不仅提高无人货船自主决策可理解性，而且能增强控制人员对自主决策的信任，使人机协作更加顺畅；人机交互系统将发展成采用自然用户界面，允许基于手势识别、语音识别、人脸表情识别等更加人性化的交互方式，可以减少控制人员的工作强度，提高人机交互效率并降低培训控制人员的时间与经济成本。

人机交互系统的重要发展方向是自然用户界面的研发，尤其是语音方面。在罗尔斯·罗伊斯对无人货船的宣传视频中，岸基控制中心的操作人员能直接以人机对话的方式向无人货船执行一些操作。自然语言是人下达指令最自然的方式，设计者们自然希望能实现以自然语言为载体的人机交互。实现这一功能需要的技术有自动语音识别（将声音信息转换为文本信息）和自然语言理解（将文本信息转换为计算机理解的表述）。尽管SIRI等商业语音助手已经进入人们的日常生活中，但是要实际应用在无人货船的人机交互系统上风险还比较大，相关技术还有待进一步发展

4 结 语

从科技发展的角度来看，无人货船作为大量高新技术的载体，其研发将带动一大批相关技术，尤其是船舶通信、感知、控制技术的创新和实用化。从经济发展的角度来看，世界经济已经出现了向好的态势，同时中国提出的“一带一路”倡议正在加紧实施，可以预期国际海上运输将变得越来越频繁，无人货船运营成本低，安全性高的特点将在实际应用的对比中凸显。此外，无人货船将作为新兴的高附加值船型，在世界船市中开辟新的市场。我国越早掌握相关设计和建造技术，在无人货船领域就越有话语权，就越容易获得更多的订单。现如今，无人货船的研发正如火如荼地进行。几年后，第一批无人货船将下水试航。相信相关技术问题将在试航中得到解决，在10 ～ 20年内真正实现实用化，并取代传统货船。

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