第14卷第1期 智能系统学报 Vol.14 No.I 2019年1月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jan.2019 D0:10.11992/tis.201806028 网络出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20190104.1612.006html 自主水面货船研究现状与展望 吴青'，王乐，刘佳仑的 (1.武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉430063；2.武汉理工大学智能交通系统研究中心，湖北武汉 430063:3.国家水运安全工程技术研究中心，湖北武汉430063) 摘要：船舶智能化、自主化是水路载运工具的重要发展趋势，与此同时，船舶设计、制造、运营、维护等相关领 域也迎来了新一轮的挑战。基于国际海事组织(international maritime organization,IMO)提出的海事自主水面船 舶(maritime autonomous surface ships,MASS)概，念，对其中自主水面货船进行闸述。首先对水路载运工具进行详 细分类，分析了当前自主水面货船的特点及当前的研究现状。之后提出自主水面货运船舶系统组成，思考自主 水面货船在实船试验、推进方式与能源、智能航行、通信系统、航行规则等方面中面临的挑战，并直面挑战对海 事自主航行水面货船未来发展及应用的多样性做出展望。 关键词：海事自主水面船舶；自主水面货船：测试场：系统组成；智能船舶等级划分：水路载运工具发展 中图分类号：U675.79:TP18文献标志码：A文章编号：1673-4785(2019)01-0057-14 中文引用格式：吴青，王乐，刘佳仑.自主水面货船研究现状与展望J.智能系统学报，2019,141)：57-70. 英文引用格式：WU Qing,WANG Le,,LIUJialun..Research status and prospects of autonomous surface cargo ships[J.CAAI transactions on intelligent systems,2019,14(1):57-70. Research status and prospects of autonomous surface cargo ships WU Qing',WANG Le',LIU Jialun23 (1.School of Logistics Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;2.Intelligent Transport System Re- search Center,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;3.National Engineering Research Center for Water Trans- port Safety,Wuhan 430063,China) Abstract:Intellectualization and autonomy of ships are important development trends of waterway vehicles.Ship design,manufacture,operation,maintenance,and other related fields have ushered in a new round of challenges.On the basis of the concept of Maritime Autonomous Surface Ships proposed by the International Maritime Organization,this article elaborates on maritime autonomous surface cargo ships.First,waterway vehicles are classified in detail,and the characteristics and current research status of autonomous surface cargo ships are analyzed.The system composition of autonomous surface cargo ships is proposed,and the challenges faced by autonomous surface cargo ships are con- sidered in aspects of ship trials,propulsion mode and energy,intelligent navigation,communication system,and naviga- tion rules.Confronting these challenges,the future development of autonomous surface cargo ships and the diversity of its applications are predicted Keywords:maritime autonomous surface ships;autonomous surface cargo ships:test area;system composition:classi- fication of smart ship:development of waterborne vehicles 2015年9月，英国劳氏船级社(LR)、奎纳蒂 术趋势2030》(GMTT2030)报告，把智能船舶列 克集团和南安普顿大学合作推出了《全球海洋技 为未来8个海洋关键技术之一。2017年6月，国 际海事组织海上安全委员会第98届会议于伦敦 收稿日期：2018-06-14.网络出版日期：2019-01-07. 基金项目：国家自然科学基金项目(5170090515). MO总部召开。会议在“无人船、智能船、智慧 通信作者：刘佳仑.E-mail:jialunliu@whut.edu.cn. 船、自动船”等业内多种命名的基础上提出了海
DOI: 10.11992/tis.201806028 网络出版地址: http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20190104.1612.006.html 自主水面货船研究现状与展望 吴青1，王乐1，刘佳仑2,3 （1. 武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063; 2. 武汉理工大学 智能交通系统研究中心，湖北 武汉 430063; 3. 国家水运安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430063） 摘 要：船舶智能化、自主化是水路载运工具的重要发展趋势，与此同时，船舶设计、制造、运营、维护等相关领 域也迎来了新一轮的挑战。基于国际海事组织 (international maritime organization，IMO) 提出的海事自主水面船 舶 (maritime autonomous surface ships，MASS) 概念，对其中自主水面货船进行阐述。首先对水路载运工具进行详 细分类，分析了当前自主水面货船的特点及当前的研究现状。之后提出自主水面货运船舶系统组成，思考自主 水面货船在实船试验、推进方式与能源、智能航行、通信系统、航行规则等方面中面临的挑战，并直面挑战对海 事自主航行水面货船未来发展及应用的多样性做出展望。 关键词：海事自主水面船舶；自主水面货船；测试场；系统组成；智能船舶等级划分；水路载运工具发展 中图分类号：U675.79；TP18 文献标志码：A 文章编号：1673−4785(2019)01−0057−14 中文引用格式：吴青, 王乐, 刘佳仑. 自主水面货船研究现状与展望 [J]. 智能系统学报, 2019, 14(1): 57–70. 英文引用格式：WU Qing, WANG Le, LIU Jialun. Research status and prospects of autonomous surface cargo ships[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2019, 14(1): 57–70. Research status and prospects of autonomous surface cargo ships WU Qing1 ，WANG Le1 ，LIU Jialun2,3 (1. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Intelligent Transport System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan 430063, China) Abstract: Intellectualization and autonomy of ships are important development trends of waterway vehicles. Ship design, manufacture, operation, maintenance, and other related fields have ushered in a new round of challenges. On the basis of the concept of Maritime Autonomous Surface Ships proposed by the International Maritime Organization, this article elaborates on maritime autonomous surface cargo ships. First, waterway vehicles are classified in detail, and the characteristics and current research status of autonomous surface cargo ships are analyzed. The system composition of autonomous surface cargo ships is proposed, and the challenges faced by autonomous surface cargo ships are considered in aspects of ship trials, propulsion mode and energy, intelligent navigation, communication system, and navigation rules. Confronting these challenges, the future development of autonomous surface cargo ships and the diversity of its applications are predicted. Keywords: maritime autonomous surface ships; autonomous surface cargo ships; test area; system composition; classification of smart ship; development of waterborne vehicles 2015 年 9 月，英国劳氏船级社 (LR)、奎纳蒂 克集团和南安普顿大学合作推出了《全球海洋技 术趋势 2030》(GMTT 2030) 报告，把智能船舶列 为未来 8 个海洋关键技术之一。2017 年 6 月，国 际海事组织海上安全委员会第 98 届会议于伦敦 IMO 总部召开。会议在“无人船、智能船、智慧 船、自动船”等业内多种命名的基础上提出了海 收稿日期：2018−06−14. 网络出版日期：2019−01−07. 基金项目：国家自然科学基金项目 (5170090515). 通信作者：刘佳仑. E-mail：jialunliu@whut.edu.cn. 第 14 卷第 1 期 智 能 系 统 学 报 Vol.14 No.1 2019 年 1 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jan. 2019
·58 智能系统学报 第14卷 事自主水面船的概念：海事自主水面船被定义为 在其无人自主驾驶货船项目研究中指出，如果采 能在不同程度上可以独立于与人类交互作用独立 用自主驾驶技术，一艘货船的运行效率将有望提 运行的船舶四。同时，会议将“关于使用海事自主 高，同时碳排放减少。因此，基于以上提高船舶 水面船舶的监管范围界定工作”列入议程。建议 安全性、节能减排、劳动力成本下降的需求，发展 航运界、相关科研院所尽早投入海上自主船的相 自主水面货船对于航运业及国家的发展有重要 关研究，研发不同级别智能化或自动化的船舶。首 意义。 先在港区作业、短程干货运输、小型特种作业船 舶实现半自动化甚至全自动化操作，再考虑远程 1水路运载工具的发展及分类 货物运输的自动化。本文将基于海事自主水面 水路运载工具目前正在从传统机械向半自动 船舶，聚焦其中运输用途的自主水面货船进行概述。 化再到全自动化无人驾驶发展。海事自主水面船 与自主水面货船研究相关的是小型无人水面 舶(maritime autonomous surface ships,MASS)将分 船。无人水面船是智能船舶的高级形式。根据海 阶段实现，在实现“无人操作”之前，具有远程控 军无人水面船总体规划，“无人”被定义为“能够 制或具有部分自主功能的载人船将被长期广泛使 无人操作，也可以载人或测试及评估，具有不同 用。综合水路载运工具的发展过程，提出如图1 程度的自主性”。“水面船舶强调船舶与水面有 所示的水路运载工具发展及分类。 接近且连续的接触。小型无人水面船又称为无人 1.1常规船舶 艇。根据中国船级社无人水面艇检验指南，无 当前绝大多数船舶都属于常规船只，无自动 人艇是无人水面艇的简称，系指一种直接通过自 化，无决策过程，由驾驶人全权操作船舶，系统可 主航行或远程遥控以实现正常航行、操纵及作业 提供驾驶所需的基本信息。 的水面小艇。无人艇可通过搭载各种任务载荷执 1.2智能船舶 行指定任务。无人艇系统包括平台、任务载荷、 通过使用智能传感器监测和控制船舶部件， 通信系统和操作系统。 例如推进和操纵系统，能够实现整船信息感知和 当前无人水面船以无人水面艇的研究为主， 整合，使其具有基于机器学习技术的决策能力。 用于安防、调查、科考等领域。自主水面货船为 可以逐步替代人类角色（减少船员），如系统检测 未来无人航运发展的重要载体，主要负责装载货 和结构疲劳监测。在智能船舶阶段中逐步进行以 物，在海洋上航行，到达目的地港口后卸载货物， 下发展。 再装上新的货物，并前往下一个港口。“货物”是 1)增强驾驶 指船舶运输的所有物品，包括船舶燃料、固体或 通过使用传感器等设备，辅助船员提高感知 液体压载物、船上使用的消耗品、船舶的永久性 和认知能力。给船员提供航行状态及环境等信 装备及备用装备。 息，但并不负责做出决策，仍采用常规人工驾驶， 大量研究表明，人为因素是船舶安全事故发 不减员。系统根据环境信息增强感知能力。人与 生的主要原因，由此导致的事故占总事故的86%~ 系统工作负荷比约为9：1。 96%。船舶一旦发生安全事故，将会造成人员伤 2)辅助驾驶 亡、危险品泄露、交通中断等严重后果，产生不良 采用常规人工驾驶，可以少量减员。系统执 的经济和社会影响，如“东方之星”及“岁月号”沉 行部分如自动加减速驾驶等，可提供简单决策方 船事件。其次，为控制二氧化碳等温室气体的排 案。人与系统工作负荷比约为7：3。 放，国际海事组织建立的全球碳排放交易机制和 3)船端人船协同 船舶能效设计指数(energy efficiency design index, 采用系统驾驶，可适当减员。系统可提供决 EED)正在有序推进，航运业减少温室气体排放 策或控制的引导信息。人与系统工作负荷比约 成为必然的趋势。 为5：5。 随着船舶智能化水平的不断提升，机舱值班 4)岸端人船协同 无人化、辅助驾驶技术、故障自诊断技术的发展 采用系统驾驶，大量减员。系统完成所有驾 使船舶配员逐渐较少，不仅能够解决海上专业人 驶操作及环境监控，提供航行、避障场景自主决 才越来越短缺的困局，同时无需设置船员生活 策。根据系统请求，船长需提供适当干预。人与 区，节省了空间、成本，降低了环境污染。全球最 系统工作负荷比约为3：7。 大船舶设备供应商之一的英国Rolls-Royce公司 5)自主船舶
事自主水面船的概念：海事自主水面船被定义为 能在不同程度上可以独立于与人类交互作用独立 运行的船舶[1]。同时，会议将“关于使用海事自主 水面船舶的监管范围界定工作”列入议程。建议 航运界、相关科研院所尽早投入海上自主船的相 关研究，研发不同级别智能化或自动化的船舶。首 先在港区作业、短程干货运输、小型特种作业船 舶实现半自动化甚至全自动化操作，再考虑远程 货物运输的自动化[2]。本文将基于海事自主水面 船舶，聚焦其中运输用途的自主水面货船进行概述。 与自主水面货船研究相关的是小型无人水面 船。无人水面船是智能船舶的高级形式。根据海 军无人水面船总体规划[3] ，“无人”被定义为“能够 无人操作，也可以载人或测试及评估，具有不同 程度的自主性”。“水面船舶”强调船舶与水面有 接近且连续的接触。小型无人水面船又称为无人 艇。根据中国船级社无人水面艇检验指南[4] ，无 人艇是无人水面艇的简称，系指一种直接通过自 主航行或远程遥控以实现正常航行、操纵及作业 的水面小艇。无人艇可通过搭载各种任务载荷执 行指定任务。无人艇系统包括平台、任务载荷、 通信系统和操作系统。 当前无人水面船以无人水面艇的研究为主， 用于安防、调查、科考等领域。自主水面货船为 未来无人航运发展的重要载体，主要负责装载货 物，在海洋上航行，到达目的地港口后卸载货物， 再装上新的货物，并前往下一个港口。“货物”是 指船舶运输的所有物品，包括船舶燃料、固体或 液体压载物、船上使用的消耗品、船舶的永久性 装备及备用装备。 大量研究表明，人为因素是船舶安全事故发 生的主要原因，由此导致的事故占总事故的 86%~ 96%[5]。船舶一旦发生安全事故，将会造成人员伤 亡、危险品泄露、交通中断等严重后果，产生不良 的经济和社会影响，如“东方之星”及“岁月号”沉 船事件。其次，为控制二氧化碳等温室气体的排 放，国际海事组织建立的全球碳排放交易机制和 船舶能效设计指数 (energy efficiency design index， EEDI) 正在有序推进，航运业减少温室气体排放 成为必然的趋势。 随着船舶智能化水平的不断提升，机舱值班 无人化、辅助驾驶技术、故障自诊断技术的发展 使船舶配员逐渐较少，不仅能够解决海上专业人 才越来越短缺的困局，同时无需设置船员生活 区，节省了空间、成本，降低了环境污染。全球最 大船舶设备供应商之一的英国 Rolls-Royce 公司 在其无人自主驾驶货船项目研究中指出，如果采 用自主驾驶技术，一艘货船的运行效率将有望提 高，同时碳排放减少。因此，基于以上提高船舶 安全性、节能减排、劳动力成本下降的需求，发展 自主水面货船对于航运业及国家的发展有重要 意义。 1 水路运载工具的发展及分类 水路运载工具目前正在从传统机械向半自动 化再到全自动化无人驾驶发展。海事自主水面船 舶 (maritime autonomous surface ships，MASS) 将分 阶段实现，在实现“无人操作”之前，具有远程控 制或具有部分自主功能的载人船将被长期广泛使 用。综合水路载运工具的发展过程，提出如图 1 所示的水路运载工具发展及分类。 1.1 常规船舶 当前绝大多数船舶都属于常规船只，无自动 化，无决策过程，由驾驶人全权操作船舶，系统可 提供驾驶所需的基本信息。 1.2 智能船舶 通过使用智能传感器监测和控制船舶部件， 例如推进和操纵系统，能够实现整船信息感知和 整合，使其具有基于机器学习技术的决策能力。 可以逐步替代人类角色 (减少船员)，如系统检测 和结构疲劳监测。在智能船舶阶段中逐步进行以 下发展。 1) 增强驾驶 通过使用传感器等设备，辅助船员提高感知 和认知能力。给船员提供航行状态及环境等信 息，但并不负责做出决策，仍采用常规人工驾驶， 不减员。系统根据环境信息增强感知能力。人与 系统工作负荷比约为 9∶1。 2) 辅助驾驶 采用常规人工驾驶，可以少量减员。系统执 行部分如自动加减速驾驶等，可提供简单决策方 案。人与系统工作负荷比约为 7∶3。 3) 船端人船协同 采用系统驾驶，可适当减员。系统可提供决 策或控制的引导信息。人与系统工作负荷比约 为 5∶5。 4) 岸端人船协同 采用系统驾驶，大量减员。系统完成所有驾 驶操作及环境监控，提供航行、避障场景自主决 策。根据系统请求，船长需提供适当干预。人与 系统工作负荷比约为 3∶7。 5) 自主船舶 ·58· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
第1期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·59· 能够完全自主航行并避免碰撞，由仅需岸基 ②无人驾驶船舶 操作员到逐步实现无人操作。在自主船舶阶段中 有能力自主航行、自主装卸及靠离泊。整个 逐步进行以下发展。 水上运输过程不需要人力，属于真正的无人自主 ①自主航行船舶 阶段。 系统驾驶，全部减员。根据系统请求，船长可 水路运载工具的发展过程中，尤其是发展到 不做出响应。人与系统工作负荷比约为1：9。能 智能船舶，研究又分为了水上船艇及水下船艇 够完全自主航行并避免碰撞，且在船岸通讯连接 (潜艇)。水上船艇又可分为：1)小型水面艇；2)大 丢失时仍有能力航行。仅需操作员参与港口机 型水面船。随着无人驾驶船舶的发展，船舶的复 动、靠泊和离港工作，能在复杂的航道中航行。 杂性和自主性水平提高，所需的船员人数逐渐减 即只需要岸基操作员，不需要船员。 少至无人。 8 T 6888 常规船 智能船舶 增强驾驶船 i8 辅助驾驶船 水下船艇 i89a88 船端人船协同船 民用艇 i8含8 岸端人船协同船 水面艇（小型） 军用艇 主船 水面船艇 客船 自主航行船 各种货船 无人驾驶船 水面船（大型） 特殊用途船 军用船 图1水路运载工具的发展及分类 Fig.1 Development and classification of waterborne vehicles 2自主水面货船的研究现状及特点 前研究可知，USV的研制大都集中在单体和双 体，仅有少部分为三体船1。早期研制多为单体 2.1无人水面艇研究特点 船，随着技术的发展，双体USV的研制增多，三体 近年来，随着人类对海洋探索与依赖程度的 船也有所涉及，原因是它们具有更高的系统稳定 加深，作为能够代替人进行一系列海上活动的 性，能够降低USV航行时的风险。在单双体船的 USV受到世界各国的青睐，各种类型及用途的 基础上，根据所实现的功能不同，各国研制的 USV得到大范围的研制。根据尺度无人水面艇 USV船体在材质上又有所不同，以硬壳充气艇型 可分为：小型(<1t)中型(K100t)、大型(K1000t)、 居多，主要是因为它们的耐用性和有效载荷能力 超大型(C1000t)。目前小型或者中型无人船，长 更强。 度2~15m,重量1.5~10t,静水航速最大可达 2)按照用途分类 35kn。根据USV的船型特点、用途及推进方 USV在民用、军事领域具有极其广泛的应用 式，又可分类如下。 前景，如：环境监测、气象预报、海洋生物研究、 1)按照船型分类 深水样采集、水文观测、海图绘制、水上水下通信 USV的艇型具有多样化特征，包括滑行艇、 中继、海洋资源勘探与开采、领海监视等。其中 水翼艇、单体船、多体船等型式，为了改进隐身性 USV在民用领域的应用越来越广泛，为海洋勘探 能和平台稳定性，甚至可以设计为半潜式。就当 及船舶航行安全提供保障，同时也为科学研究提
能够完全自主航行并避免碰撞，由仅需岸基 操作员到逐步实现无人操作。在自主船舶阶段中 逐步进行以下发展。 ① 自主航行船舶 系统驾驶，全部减员。根据系统请求，船长可 不做出响应。人与系统工作负荷比约为 1：9。能 够完全自主航行并避免碰撞，且在船岸通讯连接 丢失时仍有能力航行。仅需操作员参与港口机 动、靠泊和离港工作，能在复杂的航道中航行。 即只需要岸基操作员，不需要船员。 ② 无人驾驶船舶 有能力自主航行、自主装卸及靠离泊。整个 水上运输过程不需要人力，属于真正的无人自主 阶段。 水路运载工具的发展过程中，尤其是发展到 智能船舶，研究又分为了水上船艇及水下船艇 (潜艇)。水上船艇又可分为：1) 小型水面艇；2) 大 型水面船。随着无人驾驶船舶的发展，船舶的复 杂性和自主性水平提高，所需的船员人数逐渐减 少至无人。 2 自主水面货船的研究现状及特点 2.1 无人水面艇研究特点 近年来，随着人类对海洋探索与依赖程度的 加深，作为能够代替人进行一系列海上活动的 USV 受到世界各国的青睐，各种类型及用途的 USV 得到大范围的研制。根据尺度无人水面艇 可分为：小型 (< 1 t)、中型 (< 100 t)、大型 (< 1 000 t)、 超大型 (> 1 000 t)。目前小型或者中型无人船，长 度 2～15 m，重量 1.5～10 t，静水航速最大可达 35 kn[6]。根据 USV 的船型特点、用途及推进方 式，又可分类如下。 1) 按照船型分类 USV 的艇型具有多样化特征，包括滑行艇、 水翼艇、单体船、多体船等型式，为了改进隐身性 能和平台稳定性，甚至可以设计为半潜式。就当 前研究可知，USV 的研制大都集中在单体和双 体，仅有少部分为三体船[7-13]。早期研制多为单体 船，随着技术的发展，双体 USV 的研制增多，三体 船也有所涉及，原因是它们具有更高的系统稳定 性，能够降低 USV 航行时的风险。在单双体船的 基础上，根据所实现的功能不同，各国研制的 USV 船体在材质上又有所不同，以硬壳充气艇型 居多，主要是因为它们的耐用性和有效载荷能力 更强。 2) 按照用途分类 USV 在民用、军事领域具有极其广泛的应用 前景，如：环境监测、气象预报、海洋生物研究、 深水样采集、水文观测、海图绘制、水上水下通信 中继、海洋资源勘探与开采、领海监视等。其中 USV 在民用领域的应用越来越广泛，为海洋勘探 及船舶航行安全提供保障，同时也为科学研究提 智能船舶 自主船舶 常规船 增强驾驶船 辅助驾驶船 船端人船协同船 岸端人船协同船 自主航行船 无人驾驶船 水下船艇 水面船艇 水面艇 (小型) 水面船 (大型) 民用艇 军用艇 客船 各种货船 特殊用途船 军用船 图 1 水路运载工具的发展及分类 Fig. 1 Development and classification of waterborne vehicles 第 1 期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·59·
·60· 智能系统学报 第14卷 供数据支撑。 tional宣布开发一种100~150TEU、电力驱动、电 3)按照推进方式分类 池储能的的自主集装箱船（见图2(d)。该船将从 USV的推进方式很多，可用传统的螺旋 Yara的Porsgrunn生产工厂向挪威的Brevik和 桨+舵装置、喷水推进器，也有全电力推进，甚至 Larvik运输产品，计划于2018年下半年开始运营 有太阳能、风帆和海洋能等新型环保的推进方 并成为世界上第一台全电动零排放集装箱。 式。总体来说USV的推进方式普遍都为清洁能 源推进，少数采用混合推进，说明当前USV的发 展符合人类社会发展的正确方向，具有较强的发 展潜力。 2.2自主水面货船及测试场的研究现状 (a)AAWA项目 (b)无人集装箱船 1)自主水面货船的研究现状及特点 目前对于自主水面货船的开发处于逐渐增长 的阶段，英国、芬兰、挪威、澳大利亚、法国、德 国、日本、中国等都对自主水面货船相关项目进 (c)ReVolt (d)Yara birkeland 行研究。2012年，由Fraunhofer CML公司、MAR- INTEK公司、Chalmers大学等8家研究机构共同 合作的基于智能航行网络的海上无人驾驶(mari- time unmanned navigation through intelligence in net- works,.MUNN)项目，旨在提出无人货船的概 (e)Hronn”号 ()24TEU内河电动船舶 念并验证其可行性，强调开发的无人货船概念应 像MUNIN(希腊语：乌鸦)一样，具有能够独立和 安全地将货物运往预定目的地的象征意义。 2015年，英国Rolls-Royce公司与芬兰Aalto 大学合作启动了高级自主驾驶船舶应用开发计 (g)240TEU大型内河驳船 (h)“大智”号 (advanced autonomous waterborne applications, AAWA)项目，计划用5~8年时间设计建造一条无 人驾驶的远洋运输船（见图2(a),该项目旨在实 现“远程驾驶”与“自主驾驶”船舶的愿景1。此 外，Rolls-Royce公司开发了无人船舶的蓝本，提 (①“筋斗云”号 G)“白羊座”号 出了无人集装箱船舶概念（见图2(b),并将在 2020年前开始进行海试，远期目标是在2035年实 图2各国自主水面货船研究概念图 Fig.2 Conceptual diagrams of autonomous surface cargo 现跨洋航行。2017年6月20日，Rolls--Royce公司 ships in various countries 和全球拖轮运营商Svitzer公司在AAWA项目的 全球最大的矿业集团一一澳大利亚必和必拓 基础上，在丹麦哥本哈根港成功展示了世界上第 (BHP Billiton)计划在10年内研发超大型自动航 一艘远程操作的商用船，名为“Svitzer Hermod” 号。日本企业在政府的支持下合作推进无人船 行“无人”散货船，用于运输铁矿石和煤炭等各类 的研发进程，目标是到2025年实现自主控制的商 矿产7.2017年，海工船巨头法国Bourbon、英国 业海上运输7。 Automated Ships和挪威Kongsberg Maritime联手 基于研究零排放集装箱的目标，DNV GL集 合作打造全球首艘无人驾驶海工支援船“Hronn” 团在2016年为短距离航运开发电池供电的无人 号（见图2（©）)，主要服务海上能源、科考、水文和 船舶Re Volt(见图2(c)。通过减少船上高维护部 海上水产养殖行业。这艘OSV还可以作为ROV 件的数量来降低运营成本，该船的所述范围将是 和AUV支持船以及守备船，能够与载人船舶合 100 n mile,.然后才需要对电池充电。由于没有船 作为海上平台提供消防支援。 员，与一艘同样大小的传统柴油船相比，ReVolt 内河自主货船研究方面，2018年夏季开始， 在约30年的生命周期里，可以节约3400万美元喝。 荷兰正在设计24TEU内河电动船舶（见图2(f), 2017年春季，挪威公司Kongsberg和Yara Interna- 采用岸基充电、可升降式驾驶台设计，用于阿姆
供数据支撑。 3) 按照推进方式分类 U SV 的推进方式很多，可用传统的螺旋 桨+舵装置、喷水推进器，也有全电力推进，甚至 有太阳能、风帆和海洋能等新型环保的推进方 式。总体来说 USV 的推进方式普遍都为清洁能 源推进，少数采用混合推进，说明当前 USV 的发 展符合人类社会发展的正确方向，具有较强的发 展潜力。 2.2 自主水面货船及测试场的研究现状 1) 自主水面货船的研究现状及特点 目前对于自主水面货船的开发处于逐渐增长 的阶段，英国、芬兰、挪威、澳大利亚、法国、德 国、日本、中国等都对自主水面货船相关项目进 行研究。2012 年，由 Fraunhofer CML 公司、MARINTEK 公司、Chalmers 大学等 8 家研究机构共同 合作的基于智能航行网络的海上无人驾驶 (maritime unmanned navigation through intelligence in networks，MUNIN) 项目[14] ，旨在提出无人货船的概 念并验证其可行性，强调开发的无人货船概念应 像 MUNIN(希腊语：乌鸦) 一样，具有能够独立和 安全地将货物运往预定目的地的象征意义。 2015 年，英国 Rolls-Royce 公司与芬兰 Aalto 大学合作启动了高级自主驾驶船舶应用开发计 划 (advanced autonomous waterborne applications， AAWA) 项目，计划用 5~8 年时间设计建造一条无 人驾驶的远洋运输船 (见图 2(a))，该项目旨在实 现“远程驾驶”与“自主驾驶”船舶的愿景[15]。此 外，Rolls-Royce 公司开发了无人船舶的蓝本，提 出了无人集装箱船舶概念 (见图 2(b))，并将在 2020 年前开始进行海试，远期目标是在 2035 年实 现跨洋航行。2017 年 6 月 20 日，Rolls-Royce 公司 和全球拖轮运营商 Svitzer 公司在 AAWA 项目的 基础上，在丹麦哥本哈根港成功展示了世界上第 一艘远程操作的商用船，名为“Svitzer Hermod” 号 [16]。日本企业在政府的支持下合作推进无人船 的研发进程，目标是到 2025 年实现自主控制的商 业海上运输[17]。 基于研究零排放集装箱的目标，DNV GL 集 团在 2016 年为短距离航运开发电池供电的无人 船舶 ReVolt(见图 2(c))。通过减少船上高维护部 件的数量来降低运营成本，该船的所述范围将是 100 n mile，然后才需要对电池充电。由于没有船 员，与一艘同样大小的传统柴油船相比，ReVolt 在约 30 年的生命周期里，可以节约 3 400 万美元[18]。 2017 年春季，挪威公司 Kongsberg 和 Yara International 宣布开发一种 100~150 TEU、电力驱动、电 池储能的的自主集装箱船 (见图 2(d))。该船将从 Yara 的 Porsgrunn 生产工厂向挪威的 Brevik 和 Larvik 运输产品，计划于 2018 年下半年开始运营 并成为世界上第一台全电动零排放集装箱[15]。 全球最大的矿业集团——澳大利亚必和必拓 (BHP Billiton) 计划在 10 年内研发超大型自动航 行“无人”散货船，用于运输铁矿石和煤炭等各类 矿产[17]。2017 年，海工船巨头法国 Bourbon、英国 Automated Ships 和挪威 Kongsberg Maritime 联手 合作打造全球首艘无人驾驶海工支援船“Hrönn” 号 (见图 2(e))，主要服务海上能源、科考、水文和 海上水产养殖行业。这艘 OSV 还可以作为 ROV 和 AUV 支持船以及守备船，能够与载人船舶合 作为海上平台提供消防支援[19]。 内河自主货船研究方面，2018 年夏季开始， 荷兰正在设计 24 TEU 内河电动船舶 (见图 2(f))， 采用岸基充电、可升降式驾驶台设计，用于阿姆 (a) AAWA项目 (b) 无人集装箱船 (c) ReVolt (d) Yara birkeland (e) “Hrönn”号 (g) 240 TEU大型内河驳船 (h) “大智”号 (i) “筋斗云”号 (j) “白羊座”号 (f) 24TEU内河电动船舶 图 2 各国自主水面货船研究概念图 Fig. 2 Conceptual diagrams of autonomous surface cargo ships in various countries ·60· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
第1期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·61· 斯特丹、鹿特丹、安特卫普航线，计划于2019年 2)自主水面货船测试场的研究现状 投入使用。未来拟建240TEU大型内河驳船（见 各国展开自主水面船舶研究的同时，也在进 图2(g,以替代目前的内河集装箱船。 行测试场的建设，为将来船舶试验研究创造条件。 2018年5月16~25日，MSC第99届会议在 2016年初.DIMECC芬兰合作公司与Rol1s 伦敦IMO总部召开。本届会议开始研究如何在 Royce、ABB、Wartsila、Cargotec、Ericsson、Meyer IMO框架下进行MASS的安全、可靠和环境友好 Turku、Tekes和Tieto公司共同开发无人驾驶船 的运营问题。会议围绕MASS法规梳理的目标、 舶，项目命名为“一个海洋一自治海洋生态系 定义、范围、方法、工作计划进行了深入讨论并通 统”。经过多年的发展，该公司已可以面向业务使 过了一系列法规决议四。我国目前也在进行自主 用提供系统性解决方案。同时，DIMECC公司为 水面货船的研究。考虑到未来船舶智能化的发展 无人船舶测试在芬兰劳马海岸建设测试场，命名 方向和发展趋势，中国船级社(CCS)编制的《智 为“Jaakonmeri测试区”（见图3(a)2。 能船舶规范》（简称《规范》）于2015年12月 1日在中国国际海事会展期间正式对外发布，并 于2016年3月1日生效。CCS智能船舶规范体 系由智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效 管理、智能货物管理和智能集成平台六大部分组 成四。2017年6月28日，由海航科技集团发起的 (a)Jaakonmeri测试区(b)特隆赫姆峡湾挪威测试场 无人货物运输船开发联盟成立大会暨第一次理事 会在上海隆重召开21。来自中国船级社(CCS)、 美国船级社(ABS)、中国舰船研究设计中心、沪东 中华造船集团有限公司、中国船舶及海洋工程设 计院(7O8所)、Rolls--Royce船舶、上海船用柴油机 研究所(711所)、瓦锡兰中国有限公司和海航科 (c)挪威山摩尔测试场 (d)挪威奥斯陆峡湾测试场 技集团计划联手建造世界第一艘远洋无人货船。 12月5日，中国自主研发的全球首艘智能船舶 iDolphin38800t智能散货船“大智”轮在中国国际 海事会展上正式发布（见图2(h)。该船具有 110余个智能数据分析模型，能够实现每6h更新 航线，日均油耗降低4%，是全球首艘通过船级社 ()格陵兰岛地区测试场（①珠海万山无人货船测试场 认证的智能船舶2.12月6日，中国船级社、珠 海市政府、武汉理工大学及云洲智能科技有限公 图3各国海上智能船舶测试场 司四方启动首艘小型近海无人货运船“筋斗云” Fig.3 Test area for smart ships in different countries 号（见图2(）)的设计、建造及运营，采用电力推 2016年挪威政府机构和行业机构建立了挪威 进，具备一定条件下的自主靠离泊能力。这艘 自治船舶论坛(norwegian forum for autonomous 500t级无人驾驶船舶有望于2019年在全球率先 ships,NFAS)推广无人航运的概念。此外，挪威 实现商业运营。2018年2月27日，中远海运重工 政府已将特隆赫姆峡湾变成了一个自主船舶试验 旗下南通中远海运川崎建造的中远海运首艘两万 的试验场30，宽3.2~24.1km(见图3(b)。2017年 标箱级集装箱船“中远海运白羊座”号（见图2G) 10月30日，在NFAS的基础上，国际自主船舶组 顺利首航比利时安特卫普港。该船是中国建造的 (international network for autonomous ships, 首制具有完全自主知识产权的2万标箱级集装箱 NAS)在奥斯陆成立，该组织是关于无人驾驶船 船，标志着我国船舶工业技术在这一领域又实现 舶、自主船舶或智能船舶的国家或地区利益组织 新突破2。此船是全球迄今为止第一艘收到劳氏 的非正式小组。同年，挪威陆续在山摩尔（见 船级社LR网络准入船舶(Cyber-enabled ship,. 图3(c)和奥斯陆峡湾（见图3(d)内增设两个 CES)AL3级(LR将AL3定义为“用于自主/远程监 无人船测试场。 视和控制的网络访问（需要机载许可，并且可以 2017年5月，格陵兰岛地区（见图3(e)设立 进行机载覆盖)”)描述性说明的集装箱船2。 试验区。这个区域的船舶流量比特隆赫姆要多
斯特丹、鹿特丹、安特卫普航线，计划于 2019 年 投入使用。未来拟建 240 TEU 大型内河驳船 (见 图 2(g))，以替代目前的内河集装箱船[20]。 2018 年 5 月 16～25 日，MSC 第 99 届会议在 伦敦 IMO 总部召开。本届会议开始研究如何在 IMO 框架下进行 MASS 的安全、可靠和环境友好 的运营问题。会议围绕 MASS 法规梳理的目标、 定义、范围、方法、工作计划进行了深入讨论并通 过了一系列法规决议[21]。我国目前也在进行自主 水面货船的研究。考虑到未来船舶智能化的发展 方向和发展趋势，中国船级社 (CCS) 编制的《智 能船舶规范》(简称《规范》) 于 2015 年 12 月 1 日在中国国际海事会展期间正式对外发布，并 于 2016 年 3 月 1 日生效。CCS 智能船舶规范体 系由智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效 管理、智能货物管理和智能集成平台六大部分组 成 [22]。2017 年 6 月 28 日，由海航科技集团发起的 无人货物运输船开发联盟成立大会暨第一次理事 会在上海隆重召开[23]。来自中国船级社 (CCS)、 美国船级社 (ABS)、中国舰船研究设计中心、沪东 中华造船集团有限公司、中国船舶及海洋工程设 计院 (708 所)、Rolls-Royce 船舶、上海船用柴油机 研究所 (711 所)、瓦锡兰中国有限公司和海航科 技集团计划联手建造世界第一艘远洋无人货船。 12 月 5 日，中国自主研发的全球首艘智能船舶 iDolphin 38 800 t 智能散货船“大智”轮在中国国际 海事会展上正式发布 (见图 2(h))。该船具 有 110 余个智能数据分析模型，能够实现每 6 h 更新 航线，日均油耗降低 4%，是全球首艘通过船级社 认证的智能船舶[24]。12 月 6 日，中国船级社、珠 海市政府、武汉理工大学及云洲智能科技有限公 司四方启动首艘小型近海无人货运船“筋斗云” 号 (见图 2(i)) 的设计、建造及运营，采用电力推 进，具备一定条件下的自主靠离泊能力[25]。这艘 500 t 级无人驾驶船舶有望于 2019 年在全球率先 实现商业运营。2018 年 2 月 27 日，中远海运重工 旗下南通中远海运川崎建造的中远海运首艘两万 标箱级集装箱船“中远海运白羊座”号 (见图 2(j)) 顺利首航比利时安特卫普港。该船是中国建造的 首制具有完全自主知识产权的 2 万标箱级集装箱 船，标志着我国船舶工业技术在这一领域又实现 新突破[26]。此船是全球迄今为止第一艘收到劳氏 船级社 LR 网络准入船舶 (Cyber-enabled ship, CES)AL3 级 (LR 将 AL3 定义为“用于自主/远程监 视和控制的网络访问 (需要机载许可，并且可以 进行机载覆盖)”) 描述性说明的集装箱船[27]。 2) 自主水面货船测试场的研究现状 各国展开自主水面船舶研究的同时，也在进 行测试场的建设，为将来船舶试验研究创造条件。 2016 年初，DIMECC 芬兰合作公司与 RollsRoyce、ABB、Wärtsilä、Cargotec、Ericsson、Meyer Turku、Tekes 和 Tieto 公司共同开发无人驾驶船 舶，项目命名为“一个海洋—自治海洋生态系 统”。经过多年的发展，该公司已可以面向业务使 用提供系统性解决方案。同时，DIMECC 公司为 无人船舶测试在芬兰劳马海岸建设测试场，命名 为“Jaakonmeri 测试区”(见图 3(a)) [28]。 2016 年挪威政府机构和行业机构建立了挪威 自治船舶论坛 (norwegian forum for autonomous ships, NFAS) 推广无人航运的概念[29]。此外，挪威 政府已将特隆赫姆峡湾变成了一个自主船舶试验 的试验场[30] ，宽 3.2~24.1 km(见图 3(b))。2017 年 10 月 30 日，在 NFAS 的基础上，国际自主船舶组 织 (international network for autonomous ships, INAS) 在奥斯陆成立，该组织是关于无人驾驶船 舶、自主船舶或智能船舶的国家或地区利益组织 的非正式小组[31]。同年，挪威陆续在山摩尔 (见 图 3(c)) [32] 和奥斯陆峡湾 (见图 3(d)) [33] 内增设两个 无人船测试场。 2017 年 5 月，格陵兰岛地区 (见图 3(e)) 设立 试验区。这个区域的船舶流量比特隆赫姆要多， (a) Jaakonmeri测试区 (b) 特隆赫姆峡湾挪威测试场 (d) 挪威奥斯陆峡湾测试场 (e) 格陵兰岛地区测试场 (f) 珠海万山无人货船测试场 (c) 挪威山摩尔测试场 图 3 各国海上智能船舶测试场 Fig. 3 Test area for smart ships in different countries 第 1 期 吴青，等：自主水面货船研究现状与展望 ·61·