淺析船舶智能航行駕駛模式與對外信息交互協同

張寶晨， 于巧嬋，2， 徐加慶， 佟寶琳， 魏長庚

(1．交通運輸部水運科學研究所， 北京 100088； 2.天津大學， 天津 300354； 3.中國海事服務中心， 北京 100029)

智能航運作為交通強國的重要支撐，是航運業未來發展的必然趨勢[1]。船舶智能航行技術是智能航運發展的先導技術，也是國際智能航運技術競爭的焦點。研究智能航行各種駕駛模式下的信息交互與協同，不僅有利于認識智能航行的船船、船岸協同關系，而且對于發展智能航行技術和構建基于船岸協同的智能航行與控制系統具有重要意義。

本文對智能航行駕駛模式和不同駕駛模式在其發展初級階段的綜合運用與轉換進行深入分析和預測，進而揭示智能航行不同駕駛模式下船船、船岸之間信息交互內容和方式的變化與特點，為優化船船、船岸信息交互效率，提升船舶智能航行的安全水平提供技術理論支撐。

1 船舶航行駕駛模式分析

2018年5月，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)海上安全委員會第99次會議提出了海上自主水面船舶(Maritime Autonomous Surface Ships, MASS)自主程度四個等級劃分的概念，為智能航行技術及其駕駛模式的研發和應用提供了基礎性國際通用依據。

根據國內外的案例調查，無人駕駛是現行國際公約和國家立法所不允許的，目前安裝智能航行系統的船舶主要有三種形式：一是符合現行公約與法律法規標準的常規船舶(以下簡稱“常規船舶”)加載輔助駕駛系統，二是常規船舶加載遙控駕駛系統，三是常規船舶加載同時具有遙控駕駛和自主駕駛功能的智能航行系統。國家重點研發計劃項目“基于船岸協同的船舶智能航行與控制關鍵技術”(2018YFB1601500)的預研試驗平臺“智騰”輪和成果集成平臺“智飛”輪同時具有人工、遙控和自主三種駕駛模式，三個模式之間可以互相轉換?；谡{查研究和項目開展的試驗，我們越來越深刻地認識到：第一，輔助駕駛的船舶控制與操作始終是由船上的駕引人員完成的，本質上依然是人工駕駛；第二，在智能航行技術高度成熟可靠之前，即使國際國內立法允許無人駕駛，為了保證安全，智能航行船舶仍可能選擇保留人工駕駛模式，以便在需要時讓在船船員接管船舶的控制與操作;第三，是否保留船舶的多種駕駛模式，除了取決于智能航行技術的成熟度和可靠性，還會受到其他因素的影響，比如從行業治理角度出發的安全冗余考量、岸基支持完善性的考量、市場成熟度的考量、以及船東偏好等。[3]因此，從長遠來看，不僅無人船和有人船將長期共存[2]，而且智能航行的各種駕駛模式也可能長期共存。

基于上述調研與分析，近些年船舶應用智能航行技術的方式主要有三種：① 人工駕駛模式+輔助駕駛功能；② 人工駕駛模式+遙控駕駛模式，兩個模式之間可以相互轉換；③ 人工駕駛模式+遙控駕駛模式+自主駕駛模式，三個模式之間可以相互轉換。兩種或三種駕駛模式之間相互轉換，是智能航行技術發展與應用初期的必經階段。

在駕駛模式轉換的情況下，在船船員發揮的作用決定了駕駛模式轉換后船舶所處的本質狀態。對于遙控駕駛有兩種情形：一是對遙控操作員提供支持，如瞭望、觀察環境與交通動態等；二是在需要時接管船舶的控制與操作。第一種情形下，船舶的控制與操作仍然掌握在遙控操作員手中，本質上仍然是遙控駕駛；第二種情形下，船舶的控制與操作掌握在在船船員手中，實際是回到了人工駕駛模式。對于自主航行模式有兩種情形：一是發揮觀察驗證作用；二是在需要時接管船舶的控制與操作。情形一依然處在自主航行狀態之下，本質依然是自主駕駛；情形二是回到人工駕駛模式，本質上不再是智能航行或機器駕駛[4]。

基于“智騰”和“智飛”兩艘船舶的案例，參考其他交通方式無人駕駛發展過程與趨勢[5]，綜合考慮不同駕駛模式轉換情況下在船船員應該和可能發揮的作用，我們將人工駕駛模式和智能航行駕駛模式的8種具體情形梳理見表1。

表1 不同船舶駕駛模式下具體情形與編碼

2 船舶航行活動、行為及相關方分析

一艘船舶駛離一個港口泊位到駛入下一個港口泊位的全過程即一次完整的船舶航行，包括離泊、出港、港外航行、進港、靠泊五個環節。由于所處環境不同，船舶受外部干擾和對外部條件依賴的程度明顯不同，業界通常把港外航行、進出港航行、靠離泊作為劃分一次完整航行不同階段的基本方法。這三個階段具體的航行活動和行為有一致的方面，但其差異是明顯的。經過深入的調研和咨詢航行經驗豐富的船長，我們將這三個階段的各種航行活動與行為詳細梳理為23項，并給出每項活動與行為的相關方，見表2。

表2 船舶航行活動、行為及相關方

3 智能航行的船船協同關系分析

3.1 兩船、多船協同行為

從表2可見，可構成船船關系的活動與行為一共有19項，其中惡劣海況操船、過橋、過閘等活動其本質都是船船間的避碰行為。因此，通過梳理，把港外航行、進出港航行、靠離泊三個階段的船船交互(包括兩船交互和多船交互)內容歸納為避碰、救助，特殊的是港外航行階段增加多船之間的編隊航行[7]、進出港航行和靠離泊階段的拖船協助,見表3。

表3 兩船、多船交互內容

3.2 船船協同關系分析

3.2.1遙控駕駛船舶與他船的協同關系

非完全遙控駕駛模式下本船與他船的關系取決于本船船員發揮的作用，在RM模式下船員接管船舶控制與操作，該船處于人工駕駛模式，與他船之間的關系和人工駕駛模式下的船船關系一樣。如果在船船員只發揮監視、輔助瞭望等作用，即不接管船舶的控制與操作(R1)，該船總體上仍處于遙控駕駛模式之下，其與他船之間的關系與完全遙控駕駛模式下(R2)的船船關系基本一樣。

圖1 RM駕駛模式下的船船協同關系

遙控駕駛模式R1、R2下本船與他船之間的協同行為、協同時機、協同信息、協同方式如圖2所示。

圖2 R1、R2駕駛模式下的船船協同關系

3.2.2自主駕駛船舶與他船的協同關系

完全自主駕駛模式A的協同關系，其與他船間的協同行為、協同時機、協同信息、協同方式如圖3所示。

圖3 A駕駛模式下的船船協同關系

非完全自主駕駛船舶的船船關系取決于在船船員發揮的作用。當在AM模式下船員接管船舶控制與操作后，該船進入人工駕駛模式，與他船之間的關系和人工駕駛模式下的船船關系一樣。當在AR模式下遙控操作員接管船舶控制與操作后，該船處于完全遙控駕駛模式，與他船之間的關系和完全遙控駕駛模式下的船船關系一樣。

4 智能航行的船岸協同關系分析

4.1 岸端信息交互對象

人工駕駛模式下，船舶在航行過程中會與岸上多個部門和機構交互信息，交互對象包括船舶經營或管理公司、航海保障或航行安全信息提供機構、海事監管機構、港口調度中心、船舶代理或港口服務機構等。

智能航行駕駛模式下，船舶能否直接與上述機構交互信息取決于人工駕駛船舶的交互手段和方式是否還適用?；凇爸秋w”號的案例分析，船舶轉換為遙控駕駛模式后，無論船上是否有人，原來人工駕駛模式下的交互手段和方式都可以照常使用并滿足使用需求；轉換為自主駕駛模式后，原來人工駕駛模式下的交互手段和方式不能適應船上沒有船員這一現實情況，與港口調度中心、船舶代理或港口服務機構之間有關本船的信息交互可能要由船舶經營或管理公司直接承擔，與航行有關的信息再由公司以結構化的數字方式與船上交互。

4.2 自主駕駛模式下船舶與船舶經營或管理公司的信息交互與協同

船舶與船舶經營或管理公司的信息交互與協同涉及船舶運行的方方面面，如航行計劃、運輸任務、能源補給、故障處理等，其中也涉及與航行安全相關的非緊急信息。這些信息在有人駕駛時，可以通過電話、電報、郵件等多種便捷方式傳遞。在自主駕駛模式下，這些信息需要以結構化的數字方式實現船岸交互。來自港口調度中心、船舶代理與港口服務機構的與自主駕駛船舶相關的非緊急信息，也可以由船舶經營或管理公司處理后以結構化的數字方式進行船岸交互后實現協同。

4.3 自主駕駛模式下船舶與海事監管機構、航海保障或航行安全信息提供機構的信息交互與協同

海事監管機構根據監管和治理需要，會對進出港和通過特定水域的情況實施報告制度和交通組織管理[8]，也會對緊急情況采取其他必要的監管措施，這些活動的信息交互即時性和行動協同性都很強，不宜通過船舶經營或管理公司中轉信息。無論處在自主駕駛模式的船舶上是否有人，因為決策是由智能航行系統做出的，信息交互方式只能是結構化的數據交換。與航海保障或航行安全信息提供機構的信息交互，包括海圖信息、三維立體空間地理信息、導助航信息、航行安全動態信息(如岸基感知的環境與動態信息、航路氣象水文信息等)的實時交互[9]，貫穿于整個航行過程，且交互時機因信息的作用和性質而異。以往的聲光交互方式需要轉變為結構化的數字交互，具體交互和協同情況如表4所示。

表4 自主駕駛船舶與海事監管機構、航海保障或航行安全信息提供機構的信息交互與協同

由于很多信息是航行過程中自主決策的輸入，準確性、即時性、統一數據標準、規范數據采集都至關重要。

5 結束語

船舶智能航行有輔助駕駛、遙控、自主三種駕駛模式，其中的部分或全部與人工駕駛模式同船配置可能是智能航行技術發展與應用初期的必經階段。船舶智能航行過程中有23項活動、行為與船船、船岸協同有關。遙控駕駛模式下船舶對外船船、船岸信息交互與有人船的對外信息交互類似。自主駕駛模式下船舶對外信息交互和協同受到交互方式的影響而發生變化，結構性數字交換成為基本的交互方式，人工駕駛模式下船舶與港口調度中心、船舶代理或港口服務機構的信息交互轉由船舶經營或管理公司實施。自主駕駛模式下船舶與海事監管機構、航海保障或航海安全信息提供機構之間的直接信息交互必不可少，但交互方式等有明顯變化。