严新平：货物传输船舶智能航行研究的现状与展望

一下午的报告非常精彩，前面很多嘉宾都讲了人工智能发展的一些现状和一些非常深的关于人工智能方面的理论和进展，我今天给大家带来一个工业应用的话题，就是货物传输船舶智能航行研究的现状与展望，因为我们学校在交通领域有长期的人才培养和研究工作。

主要从五个方面，其实关于背景刚才几位嘉宾的演讲已经把我们带入到人工智能发展的热点，可以说未来的社会智能共享和协同个性都是非常重要的特征，其中人工智能应该说有很多应用，在交通运输领域当中的应用也不例外。未来交通运输行业肯定会出现无人化、电力化、智能化，从交通基础设施来讲会出现网联化、韧性化、绿色化，从应用管理来说会越来越从个性交通，以及共享和网络化情况的出现。

我们可以看看国外在智能航运或者智能船舶方面发展的情况，比如英国今年4月份由Rolls—Royce与新加坡海工和船舶中心达成战略合作，要开发智能船的技术公司，同时和印度轮渡公司达成协议要开发船舶的智能感知系统。另外欧洲也有这样的计划，海工的好几家，包括英国、法国、挪威的企业联手开发全球首艘海工支援船。芬兰宣布在2025年将研制第一艘无人自主航行运输船舶。这是在世界上大家比较认可的无人船发展的路线图，首先是在内陆船，然后是沿海船，再就是远洋船，远洋船发展分两个阶段，一种是远程控制的远洋船，一种是实现自主航行的无人远洋船。

应该说，我国也非常重视智能船的开发，在两年前的海事展上，中国有三大海事展，比较著名的是上海海事展，每两年举办一次，由中国船运社颁发了智能船舶规范体系，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板块。我国特别重视智能船的发展，工信部有一个高精度船舶专项，2016年高精度船舶专项里面设立了智能船舶1.0专题，试图通过智能船共性技术、关键设备及系统开发，开展我国无人船舶货运的研究。今年6月份，海航集团联合若干个国内外企业成立了无人货物船舶联盟，我们讲到无人船，可能有不少同志认为无人艇很成熟，它是用于15米以下的测量、环境检测采样或者是安保的无人船，我们这里指的是无人货运船舶，所以海航集团有运输公司、造船企业，所以他们想在国内率先开展这样的研究。前两天我们刚刚在上海成立了无人货运船舶海航联盟专家委员会，我们学校是专家委员会的成员，专门讨论这方面的规范和要求。

第二，关于货运智能船舶航行的一些技术要求。通常来讲对于货运船舶智能航行的要求包括八个方面，首先是船体整船智能船的设计，信息感知、航线规划、自主航行、遇险预警救助技术、状况检测和故障诊断，能效控制技术、通信导航技术。

近年来智能车发展很热闹，智能车通过各种传感器感知外部通行环境，最后通过电子地图实现路径优化和自动运行。这是谷歌公布的关于智能车外部环境感知之后形成的运动图像，用于保证车辆能够自动的获取前方的障碍和避免来往车辆，从而可靠安全的运行。智能车是两维运动，有前后和左右。对于智能船来说是三维，不只有前后、左右，船是海上的浮动体，所以它是三维的运动空间，包括非抑制性、不确定性，以及船舶的大吨位带来的惯性。另外还不同的航区和不同气候条件下，船舶都有不同的运动动力学，所以船舶的运动属于三维空间，它的特性和船舶本身装载货物的多少以及航行的环境和当时的气候条件，以及运动速度，多方面的因素耦合叠加以后形成动力学模型。另外人工智能在船舶航行运用中面临样本不足，另外单纯的基于参数运动的模型，包括深度学习，很难直接应用到驾驶行为过程中，实现智能驾驶。

对于运输船舶从智能航行功能分类需求来说也有等级划分，通常划分分7级，不同级别根据智能船功能的逐步实现来加以描述的。在7级划分下，从常规驾驶到正常驾驶到远程驾驶最后到自主驾驶，分成四大类，这里面也有不同的要求，比如正常驾驶是安全性，自主驾驶是减员，船舶运输当中最大的成本是人力成本，如果能把船员移植到岸上操作可以很大的提升效率。

实现货物船舶的无人化、智能化，要设计、研制一套具有“人脑”功能的“人工智能”系统，完成从对外部环境的感知到形成航行态势的分析，到最后的决策，能够完成各种船舶驾驶的辅助无人系统我们称之为航行脑，这是我们开发过程中提出的概念，提出航行脑搭载在船舶上实现无人驾驶和自主航行。

第三，航行脑系统开发的基本情况。我给大家描述一下船长怎么开船，船上有两部分最重要的人员，一是负责开船的船长和大副、二副、三副，这时驾驶部的人，还有一部分人员负责船上的各种设备，特别是动力设备，他们是轮机人员。在船舶航行过程中由船长通过他眼睛的遥望以及耳朵听到的信息，另外再借助搭载的雷达、声纳、AIS、GPS等信息，进行对讲，来往船只保持多少距离，实现航行过程。这样的过程在开船的时候轮机人员不干扰驾驶任允，他们不仅要感知外部环境，还要感知内部装载设备的功能，在这个基础上形成认知，就是对我在这样的状况下我的航行安全与否，如果不安全我们采取什么措施，安全怎么行走。然后再操作。所以这样的过程我们认为要用计算机进行实现的话，我们要有一套能力真正模拟人脑驾驶船舶的软件，这里面包括对各种视觉、听觉、感觉和运动系统的感知，最后特别重要的是要遵守航行规则，这是形成自主驾驶的过程。

航行脑的功能就是感知空间、认知空间、决策空间。这三部分构成过程中，最中间的是强化感知，学习船长的驾驶经验，最后实现船舶的自主决策和控制。这里面我们也做了一个描述，刚开始的时候实现动力系统和外部环境的感知，这时候大部分是靠人开船，最后过渡到远程操控为主，最后百分之百的实现人工智能驾驶船。

第二进行态势认知，包括历史数据和经验进行深度的加工和描述，对航行的环境和态势作出安全与否的判断。第三是决策，包括如何避撞避碰，特别是狭窄水域，比如进出港的时候船舶怎么靠岸、离岸。目前我在东湖里面有这样一条三体船做实验，它可以感知外部的信息。感知和决策之后通过学习，包括驾驶的经验，实现操作模型的建设。

第四，在真正的船上是怎么做的，我们选择非常典型的场景就是渡船。渡船有很多特殊性，包括它容易受到配载的影响，横渡的时候与过往船舶交汇，同时渡船是24小时行驶，驾驶员会容易疲惫。国外也在做这样事情，英国罗罗公司和瑞典轮渡公司在做这样的系统，这是我们构建的基于船岸协同的渡船智能航行的技术方案，这是在驾驶台呈现的开发系统。我们搭载了有关的通信设备和信息采集模块，主要是雷达如何把目标进行识别，这是航行环境的掌握，另外我们利用CCTV对前方图象和运动船舶的跟踪和分析，通过激光雷达对过往船舶进行分析，在这个基础上进行集成，辅助驾驶，这是我们做出的实际场景和三维形成场景的对比。在此基础上我们要做航线的选择，同时要对环境进行深度的感知，更好的规避障碍。这是实现障碍物的还原与重构、预警和穿越提醒。

第五，未来智能船舶的构架思考，未来智能船舶将由全新的架构构架，就是船体、动力、推进、航行脑。传统的船舶大部分是用柴油机带动螺旋桨，未来的智能船应该是电力推进，这样的方式才能更加保证动力系统的可靠和能效的管理，尤其要利用岸基能源实现电力推进。

货物运输船舶的智能化来自于减少配员、降低排放、提高效益的现实需求，某种程度上比汽车“无人化”更紧迫。发展方向是从增强辅助驾驶到远程驾驶辅助，到全自主航行，最后是从内河到沿海到远洋，最后包括全新的船舶构架，谢谢大家！