近年來(lái)，隨著IoT(物聯(lián)網(wǎng))、大數(shù)據(jù)、傳感器、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各大航運(yùn)強(qiáng)國(guó)都加速了船舶自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)和實(shí)船驗(yàn)證。中國(guó)自主研發(fā)的世界上最大噸級(jí)智能航行集裝箱船“智飛”號(hào)于2022年4月在山東青島港首航，挪威Yara公司研發(fā)的世界上第一艘純電動(dòng)無(wú)人駕駛集裝箱船“Yara Birkeland”于2021年11月在奧斯陸峽灣開(kāi)啟首航，2022年5月舉行了隆重的命名儀式，即將進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)。日本財(cái)團(tuán)發(fā)起的“MEGURI2040”項(xiàng)目分別于2022年1-3月，成功完成了6個(gè)船型的自主航行示范試驗(yàn)，向著日本國(guó)土交通省提出的在2025年實(shí)現(xiàn)海上自主水面船(MASS)實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)更進(jìn)了一步。

作為“MEGURI2040”項(xiàng)目參與者之一的日本郵船集團(tuán)(NYK)，一直是船舶自動(dòng)化技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新的主力。2022年3月，NYK提出的“完全自主船行動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行系統(tǒng)APExS-auto”獲得船級(jí)社的原則性認(rèn)可(AiP)，這是其研發(fā)的“載人自主船行動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行系統(tǒng)APExS”的升級(jí)版。

APExS系統(tǒng)全稱為Action Planning and Execution System，是一個(gè)自主船概念設(shè)計(jì)框架，旨在為自主船設(shè)計(jì)提供整體思路和指導(dǎo)思想。

● APExS系統(tǒng)的概念提出

由于海上交通事故原因的90%與人為因素有關(guān)，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)可以協(xié)助船員進(jìn)行船舶航行操縱，減少人為因素(疏于瞭望、船藝不佳等)導(dǎo)致的碰撞、擱淺等事故，顯著提高航行安全，并減輕船員的工作負(fù)荷。

在2018年舉行的國(guó)際海事組織(IMO)海上安全委員會(huì)第99屆會(huì)議上，IMO將MASS的自主程度分為四個(gè)等級(jí)，分別為：

等級(jí)1：船舶配備自動(dòng)化處理和決策支持功能；

等級(jí)2：海員在船，具備遠(yuǎn)程遙控功能；

等級(jí)3：海員不在船，具備遠(yuǎn)程遙控功能；

等級(jí)4：完全自主船。

2016年6月，日本國(guó)土交通省發(fā)布“海事生產(chǎn)性革命”(i-Shipping和j-Ocean)發(fā)展戰(zhàn)略，計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)MASS的實(shí)際應(yīng)用。為制定自主船的標(biāo)準(zhǔn)和安全要求，收集評(píng)估方法、應(yīng)急措施等數(shù)據(jù)，國(guó)土交通省于2018年5月開(kāi)展自主船研發(fā)與應(yīng)用示范工程，包括自動(dòng)船操縱功能、遠(yuǎn)程船舶操縱功能、自動(dòng)靠離泊功能三大板塊，面向全社會(huì)公開(kāi)招聘實(shí)船驗(yàn)證實(shí)施者。

針對(duì)IMO自主船的等級(jí)劃分，日本郵船集團(tuán)旗下的MTI公司和海洋科學(xué)公司(JMS)聯(lián)合開(kāi)展了載人自主船研發(fā)，其得以實(shí)現(xiàn)的核心系統(tǒng)為“行動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行系統(tǒng)”(APExS)。MTI公司攜“載人自主船行動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行系統(tǒng)”與14家合作伙伴一起入選為國(guó)土交通省遠(yuǎn)程船舶操縱功能版塊的實(shí)施者，APExS的概念就此提出。

● APExS系統(tǒng)的功能

“載人自主船行動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行系統(tǒng)APExS”的功能目標(biāo)，是為船員的態(tài)勢(shì)感知和決策判斷提供必要支持。它具有信息集成和顯示功能、信息分析并制定行動(dòng)計(jì)劃功能、支持船舶操縱和執(zhí)行功能。通過(guò)使用該系統(tǒng)，除了減輕船員的負(fù)擔(dān)外，還具有與包括陸地和其他船只在內(nèi)的遠(yuǎn)程對(duì)象共享信息，實(shí)現(xiàn)“人”“物”互聯(lián)的作用。

表1 APExS的功能

● APExS系統(tǒng)的分類

APExS系統(tǒng)可以分為以下三類(見(jiàn)表2)，分別用于假設(shè)的載人自主船舶、遠(yuǎn)程控制船舶和完全自主船舶的操作模式。

表2 APExS的分類

● APExS系統(tǒng)的工作流程

圖1顯示了APExS系統(tǒng)的工作流程，其中，APExS系統(tǒng)的核心部分是行動(dòng)計(jì)劃單元(APU)。如圖所示，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)首先通過(guò)多元傳感器(電子海圖、ARPA等)進(jìn)行航行數(shù)據(jù)收集和信息整合，然后通過(guò)APU對(duì)信息進(jìn)行分析和集成，以此制定出行動(dòng)計(jì)劃方案，顯示(緊迫時(shí)通過(guò)聲光音效報(bào)警)給船上的航行操縱人員(人機(jī)共融)進(jìn)行核實(shí)確認(rèn)和批準(zhǔn)(必要時(shí)進(jìn)行修正)，在行動(dòng)計(jì)劃經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)之后，控制單元/執(zhí)行器(主機(jī)、舵機(jī)等)予以執(zhí)行。

圖1 APExS系統(tǒng)的工作流程圖

● APExS系統(tǒng)的人機(jī)分工

APExS系統(tǒng)的特點(diǎn)是人機(jī)共融，船員與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高度協(xié)作。因此在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，明確船員與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行中的各自職責(zé)分工非常重要。在航行階段、啟停階段、靠離泊階段，大部分工作都由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成，船上船員只在核實(shí)和批準(zhǔn)行動(dòng)計(jì)劃方案時(shí)獨(dú)力擔(dān)當(dāng)，其他步驟都主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)承擔(dān)。這與傳統(tǒng)的由船員負(fù)責(zé)分析、計(jì)劃、執(zhí)行的任務(wù)模式大為不同。

APExS系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程操控中心，但遠(yuǎn)程操作員的職責(zé)是向APExS系統(tǒng)輸入附加信息(航行通警告、海盜風(fēng)險(xiǎn)、突發(fā)狀況等)，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)制定行動(dòng)計(jì)劃予以輔助。正常情況下，他們不直接操縱船舶，也不參與行動(dòng)計(jì)劃的核實(shí)。他們只提供服務(wù)，因此被稱為“遠(yuǎn)程禮賓”(Remote Concierge)。圖2顯示了船舶操縱任務(wù)中的人機(jī)分工。

如圖2所示，與船舶操縱相關(guān)的任務(wù)決策可以分為以下五種：

1.信息收集與集成：基于多元傳感器等信息，本船(位置、船頭方向、航速)、他船(位置、船頭方向、航速)、地理信息、天氣/海況(風(fēng)向、風(fēng)速、波向、波高、海流等)情況。

2.狀況分析：根據(jù)獲得的信息，掌握當(dāng)前和未來(lái)的情況及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

3.制定行動(dòng)計(jì)劃：根據(jù)分析結(jié)果，制定適當(dāng)?shù)男袆?dòng)計(jì)劃(航行路線、航速、船體姿態(tài))。

4.核實(shí)、批準(zhǔn)：綜合判斷行動(dòng)計(jì)劃是否合適，必要時(shí)進(jìn)行更正，予以批準(zhǔn)。

5.執(zhí)行、控制：按照批準(zhǔn)的行動(dòng)計(jì)劃來(lái)控制執(zhí)行器(主機(jī)、舵機(jī)等)。

圖2 船舶操縱任務(wù)中的人機(jī)分工

● APExS系統(tǒng)的場(chǎng)景應(yīng)用

具體來(lái)說(shuō)，APExS系統(tǒng)可在以下場(chǎng)景中發(fā)揮作用：

1.防碰撞防擱淺支持：制定并提出行動(dòng)計(jì)劃，來(lái)支持船舶安全航行，防止航行中的碰撞或擱淺。根據(jù)不同的航行區(qū)域而選用不同的數(shù)據(jù)分析參數(shù)，比如在公海、沿海水域、擁擠海域或航道內(nèi)。

2.啟停支持：制定和提出用于停船或開(kāi)船的行動(dòng)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)拋錨、停泊、系泊、緊急制動(dòng)、重啟制動(dòng)等情況。

3.靠泊、離泊支持：制定和提出行動(dòng)計(jì)劃，用于靠泊和離泊支持，通過(guò)使用不同的執(zhí)行裝備，如主機(jī)、舵機(jī)、推進(jìn)器、拖船等的輔助，來(lái)調(diào)整船舶的具體位置和姿態(tài)。

● APExS-auto系統(tǒng)

APExS-auto系統(tǒng)是APExS系統(tǒng)的升級(jí)版，即“完全自主船行動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行系統(tǒng)”(Action Planning and Execution System for Full Autonomous)。除了具有APExS的全部功能以外，APExS-auto將行動(dòng)計(jì)劃方案由船員進(jìn)行核實(shí)批準(zhǔn)這一步驟也交由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，此時(shí)船上不再配有船員，整個(gè)航行任務(wù)將主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成，遠(yuǎn)程操作員的作用是為船載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供支持和接管后備，完全自主船的愿景得以實(shí)現(xiàn)。

圖3顯示了APExS-auto系統(tǒng)、APExS系統(tǒng)和目前有人船，在與船舶操縱相關(guān)的五種任務(wù)決策中的人機(jī)分工和工作流程對(duì)比。

圖3 APExS-auto、APExS和目前模式的工作流程對(duì)比圖

● 設(shè)計(jì)運(yùn)行區(qū)域ODD、對(duì)方接管Fallback機(jī)制和最小風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)MRC

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不會(huì)包羅萬(wàn)象，也不會(huì)萬(wàn)無(wú)一失，總有失控、失靈、超出設(shè)計(jì)范圍的特殊情況出現(xiàn)。因此，在研發(fā)自主船行動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行系統(tǒng)時(shí)，必須將系統(tǒng)之外的設(shè)計(jì)區(qū)域(即ODD之外)和替代措施(Fallback機(jī)制)一并考慮到。

1.設(shè)計(jì)運(yùn)行區(qū)域ODD

根據(jù)日本船級(jí)社《船舶自動(dòng)化/自主操作指南—AOS/ROS的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、安裝和操作》中的定義，設(shè)計(jì)運(yùn)行區(qū)域(Operation Design Domain，ODD)是指，自動(dòng)操作系統(tǒng)(Automated Operation System，AOS)或遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)(Remote Operation System，ROS)能夠正常工作時(shí)的區(qū)域。ODD的設(shè)計(jì)參數(shù)包括并不限于以下因素：航行區(qū)域等地理因素，氣象、海況、時(shí)區(qū)(白天/夜晚)等環(huán)境條件，船舶交通擁堵程度，交通系統(tǒng)支持環(huán)境(包括港口基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi))等。

當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或執(zhí)行器(轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)等)因故障、網(wǎng)絡(luò)攻擊等不可預(yù)知的事件而失效，任務(wù)信息源的一部分甚至全部缺失，即使通過(guò)人工輸入附加信息的方式進(jìn)行修正，依然無(wú)法進(jìn)行正確分析、制定行動(dòng)計(jì)劃和控制執(zhí)行時(shí)(即ODD范圍之外)，對(duì)方接管Fallback機(jī)制和最小風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)MRC被啟動(dòng)。

2.對(duì)方接管Fallback機(jī)制和最小風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)MRC

Fallback后退運(yùn)行，又稱對(duì)方接管機(jī)制，是指當(dāng)出現(xiàn)超出ODD范圍之外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常工作的情況時(shí)，所采取的使風(fēng)險(xiǎn)最小狀態(tài)(Minimum Risk Condition，MRC)的措施。

最小風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)(MRC) 是指維持目標(biāo)任務(wù)執(zhí)行所必需的最低功能的狀態(tài)，即在超出設(shè)計(jì)運(yùn)行區(qū)域ODD范圍時(shí)，進(jìn)行人工干預(yù)以調(diào)整回預(yù)期狀態(tài)。當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)偏離ODD時(shí)，必須通過(guò)Fallback來(lái)保持MRC。

以載人自主船為例，如表3所示，船舶狀態(tài)隨著內(nèi)外部條件和環(huán)境因素的不斷變化而改變，分為四類情形：系統(tǒng)正常、主動(dòng)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程接管、獨(dú)立接管。

❖ 系統(tǒng)正常：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

❖ 主動(dòng)監(jiān)測(cè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做出的決策和指令需要經(jīng)過(guò)陸上遠(yuǎn)程操作人員的核實(shí)才能執(zhí)行。

❖ 遠(yuǎn)程接管：陸上遠(yuǎn)程操作人員全面接管船舶，進(jìn)行船舶操縱。

❖ 獨(dú)立接管：自主船的船長(zhǎng)啟動(dòng)最小風(fēng)險(xiǎn)控制(MRC)，實(shí)施應(yīng)急操作。

表3 船舶狀態(tài)和Fallback機(jī)制

● 自主船的設(shè)計(jì)方法：基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)

在自主船的設(shè)計(jì)過(guò)程中，日本郵船集團(tuán)提出將自主船作為一個(gè)系統(tǒng)體系(System of Systems，SoS)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用了基于模型的系統(tǒng)工程的開(kāi)發(fā)方法。

基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)開(kāi)發(fā)方法，將自主船視為一個(gè)系統(tǒng)體系(SoS)，進(jìn)行系統(tǒng)化的概念設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。日本郵船集團(tuán)的設(shè)計(jì)思想是, 基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)，通過(guò)模型表達(dá)復(fù)雜的思想，通過(guò)確定模型的層次結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)模型，可以在模型中的不同層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，在模型上重復(fù)仿真，從而并行推進(jìn)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。與傳統(tǒng)方法的先創(chuàng)建技術(shù)思想、元素和規(guī)范，最后驗(yàn)證成品相比，MBSE方法最大限度地減少了開(kāi)發(fā)過(guò)程中的返工，大大提高了研發(fā)效率。

圖4 基于模型設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)方法與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法對(duì)比

● 實(shí)船驗(yàn)證遠(yuǎn)程船舶操縱功能

作為日本國(guó)土交通省遠(yuǎn)程船舶操縱功能版塊的實(shí)船驗(yàn)證實(shí)施者，日本郵船集團(tuán)旗下的MTI公司與14家合作伙伴，分別于2020年1月和12月，開(kāi)展了兩次以拖輪“吉野丸”(Yoshina Maru)為對(duì)象的遠(yuǎn)程船舶操縱實(shí)船實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證“載人自主船行動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行系統(tǒng)” APExS的實(shí)際效果。

“吉野丸”在東京灣內(nèi)航行，從橫濱市本牧港駛往橫須賀港，航程約12公里。岸基遠(yuǎn)程操控中心位于400公里以外的西宮市(大阪市附近)。

第一次航行實(shí)驗(yàn)中，遠(yuǎn)程操控中心的工作人員使用拖輪上的傳感器和攝像機(jī)獲取環(huán)境信息，以制定航線計(jì)劃和行動(dòng)計(jì)劃(避碰路線計(jì)劃)，經(jīng)由拖輪船長(zhǎng)評(píng)估、確認(rèn)和批準(zhǔn)執(zhí)行。此次實(shí)驗(yàn)的目的是，對(duì)遠(yuǎn)程導(dǎo)航拖輪按照制定的航線計(jì)劃和行動(dòng)計(jì)劃來(lái)完成任務(wù)的條件進(jìn)行確認(rèn)和評(píng)估。

第二次航行實(shí)驗(yàn)中，完成了對(duì)以下兩個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)：(1)設(shè)備故障或船岸通信中斷時(shí)的船舶響應(yīng)功能和安全功能測(cè)試；(2)船舶遠(yuǎn)程控制的可用通信寬帶對(duì)數(shù)據(jù)通信量的優(yōu)化測(cè)試。

通過(guò)實(shí)船驗(yàn)證，展示了遠(yuǎn)程操控中心對(duì)船舶的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知和制定航線計(jì)劃、行動(dòng)計(jì)劃的可行性，證明了自主船概念設(shè)計(jì)框架APExS系統(tǒng)的實(shí)用性，也為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全指南的制定積累了數(shù)據(jù)。

● 對(duì)我國(guó)智能船發(fā)展的啟示

日本在當(dāng)前國(guó)際規(guī)則背景和技術(shù)發(fā)展階段之下，圍繞無(wú)人船發(fā)展做出的技術(shù)研發(fā)和戰(zhàn)略規(guī)劃對(duì)中國(guó)具有重要的借鑒意義。

1.依托自主船科研項(xiàng)目和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同步修訂法規(guī)、制定標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)要抓住“智飛”號(hào)等智能船試航和運(yùn)營(yíng)所積累數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)的機(jī)遇期，同步開(kāi)展法規(guī)規(guī)范化、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，深度參與IMO法規(guī)和ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)等國(guó)際規(guī)則的制定工作，在國(guó)際平臺(tái)上積極發(fā)聲，“占位置、搶布局、重競(jìng)爭(zhēng)”，在面向未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中掌握主動(dòng)。

2.開(kāi)放心態(tài)，加強(qiáng)多方合作、力量整合和總體布局。自主船是多設(shè)備、多系統(tǒng)、多功能耦合的復(fù)雜集合體，涉及到軟件、硬件、數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)橫跨多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。中國(guó)應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備配套商、造船廠、船級(jí)社、衛(wèi)星服務(wù)、海事服務(wù)、氣象公司、通導(dǎo)設(shè)備商、機(jī)械制造商、科研機(jī)構(gòu)等海事工業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)調(diào)與合作，并與政府部門(mén)、保險(xiǎn)業(yè)、托運(yùn)人、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等非技術(shù)方積極溝通，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、合作共贏，提升中國(guó)船舶工業(yè)影響力。

3.使用基于模型的系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行自主船設(shè)計(jì)。MBSE使用系統(tǒng)建模語(yǔ)言及支持軟件，建立動(dòng)態(tài)可執(zhí)行的系統(tǒng)模型，通過(guò)在計(jì)算機(jī)中對(duì)系統(tǒng)模型的全系統(tǒng)仿真、隨時(shí)仿真和全周期仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的問(wèn)題并加以修改。目前它已廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域，在賽博－物理系統(tǒng)、無(wú)人系統(tǒng)和智能系統(tǒng)的研制中大顯身手。航運(yùn)業(yè)引入本方法進(jìn)行自主船設(shè)計(jì)，可以極大的提高研發(fā)效率，發(fā)展前景廣闊。