“无人”关前几座山？

丁宝喜

虽然海上自主水面船的发展，引起了航运界的极大的关注，很多自主船项目也都在进行中，许多小型的无人艇也已经初步应用在安防、航测、环保等领域。但是，在真正的海上自主船的发展方面，仍然存在着诸多技术壁垒，阻碍着这一新兴科技真正服务航运界的步伐。

人工智能技术壁垒

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。根据中科院自动化研究所研究员王金桥的解释，“人工智能的发展分为弱人工智能、强人工智能、超人工智能三个阶段。其中，弱人工智能阶段是指机器看起来智能，但并不真正拥有智能；只有在强人工智能阶段，机器才能真正推理和解决问题，甚至具有自我意识；超人工智能阶段的机器则在所有领域都比最聪明的人类更强”。

当今时代，世界上主流科研集中在弱人工智能上，并且一般认为这一研究领域已经取得可观的成就，例如智能机器人、无人机、智能家居、人脸识别系统等。强人工智能方面，虽然Alpha Go运用最新的深度学习算法，可视为人工智能领域的重大突破，但以推理和决策能力为特征的技术仍处在瓶颈期，有待业界突破。而超人工智能则是强人工智能的下一发展阶段，更是遥遥无期。

根据中国船级社发布的《智能船舶规范》，自主船舶的智能具有以下特点：一是具有感知能力；二是具有记忆和思维能力，即能够存储感知到的外部信息及由思维产生的知识，同时能够利用已有的知识对信息进行分析、计算、比较、判断、联想、决策；三是具有学习能力和自适应能力，即通过与环境的相互作用，不断学习积累知识，使自己能够适应环境变化 ；四是具有行为决策能力，即对外界的刺激做出反应，形成决策并传达相应的信息。显然，真正的海上水面自主船对人工智能技术的需求大部分属于强人工智能的范畴。结合具体实例，现阶段人工智能技术无法有效解决海上自主水面船发展的困境：

1、难以实现智能危险识别和避碰决策。人工智能难以识别无人驾驶船舶与不按避碰规则显示号灯号型和不配备AIS船载设备（或虽然配备AIS船载设备但不开启AIS）的船舶的真实动态和与之形成的碰撞危险。

2、人工智能难以解决遵守《避碰规则》的无人驾驶船舶与不遵守《避碰规则》的船舶之间的避碰问题，正所谓“秀才遇到兵，有理讲不清”。

图1: 2011-2016事故原因分布图

3、人工智能难以识别《避碰规则》第二条第2款所述的多船会遇等“特殊情况”形成的碰撞危险，并按照“海员通常做法”进行智能避碰决策和采取“最有助于避碰”的行动。

4、人工智能难以“深入学习”《避碰规则》第二条第2款所述的有丰富航海经验和避碰专家学者难以解释清楚的“良好的船艺”。

综上，人工智能技术的发展，是横亘在海上自主水面船发展道路上的第一个技术壁垒。未来，海上自主水面船的能否发展成功，将很大程度上取决于强人工智能技术能否取得突破。

动力装置稳定性

1、海上自主水面船对动力装置稳定性要求高

机舱被称为船舶的心脏，在传统的船舶机舱中，燃油系统、滑油系统、控制空气系统、冷却水系统、辅机系统和主动力装置系统是必不可少的。而主推进动力装置的稳定运行，依赖于其他系统的稳定运行，对船舶安全有着至关重要的影响。除了客船和部分小型船舶外，大部分的远洋货船只有一套主推进装置。由于燃油质量、部件自然磨损、机械应力、振动以及材料疲劳强度的原因，主推进装置和辅助机械需要进行定期维修。同时，系统的冗余增加了主推进动力装置及各辅助系统的故障率。虽然，近年来，随着材料工艺、造船工艺、计算机技术和自动化技术的进步，船舶越来越先进，船舶机械故障率有了大幅度的下降。但是，机械故障仍是导致海上事故的重要原因之一。根据图2．1欧洲海事局的事故调查年鉴数据，从2011～2016年期间，机器故障导致的事故，占到了25%。

如果说把强人工智能机器人当作海上自主水面船的大脑，动力装置则可视为其心脏。海上自主水面船的发展，除了需要解决大脑问题外，还需要解决心脏问题。传统的船舶上，由于有专门的轮机部技术人员，除了可以通过日常巡检解决发现小的机械故障，还可以通过吊缸、封缸等措施解决重大机械故障。与之相比，在海上自主水面船时代，船上由于几乎或者没有配备船员，机器设备的维修保养将是个难题。动力装置的稳定性，是海上自主水面船发展路上的又一技术壁垒。

2、解决路径

智能机舱：船舶智能机舱相关技术涉及众多学科，如传感器技术、人工智能技术、计算机软件技术等。根据中国船级社发布的《船舶智能机舱检验指南》，智能机舱由机械设备状态监测与健康评估系统、辅助决策系统和视情维护系统组成。未来海上自主面船，机舱智能化是个必然选择。智能机舱，利用大数据分析技术、智能诊断技术，做到尽早发现、及时处理潜在故障，保证船舶在航行过程中的安全可靠以“大智”号为例，该船采用了WINGD的全球首台W5X52型机。该型机是首台满足中国船级社CCS智能机舱入级符号要求的智能应用机，能根据不同气候、不同品质燃油进行自动优化，自动平衡各缸压力和输出功率，延长维修间隔。

纯电池推进技术：机舱系统的冗余，是导致船舶机械事故的重要原因。除了加装各种传感器和控制系统外，通过改变传统动力装置的形式也是一种提高安全性的方法。

图2 国际海事卫星通讯示意图

纯电池推进技术，通过免除燃油系统、冷却水系统以及相关辅助机械的配备，直接将电能转化为机械能，使得机舱较电力推进船舶更为简洁高效。传统的铅酸电池，能量密度低，十分笨重，对环境腐蚀性强，循环使用寿命短，自放电大，显然不满足未来海上自主水面船的技术要求；超级电容技术，虽然具有高电流容量、使用寿命长的特点，但低能量密度和高昂的价格，也限制了其广泛应用；而融合铅酸蓄电池技术和超级电容技术于一体的超级蓄电池技术，仍旧不能解决低能量密度的缺点，应用仍旧限于新能源汽车领域。针对上述情况，锂电池技术，尤其引起业界极大关注的石墨烯电池，是未来海上自主水面船可靠电池推进装置的希望。

据介绍，石墨烯电池，利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。石墨烯具有高电导率、超大比表面积、高化学稳定性等优异的物理和化学特性．不仅可以直接用作锂离子电池负极材料，还可以与其它储锂材料复合，以提高电极材料的综合性能。但是，现阶段技术，仍未突破具有高比容量、高工作电压、大比功率以及长循环寿命的石墨烯复合电极材料。

远程操纵可靠性

1、远程操纵存在延时性问题

根据Rolls-Royce 的AAWA项目展示，岸基控制中心在未来的海上自主水面船时代有着至关重要的作用。未来，海上自主水面船的控制、监视以及远程诊断服务，依赖于岸基控制中心与身处大洋身处的海上自主水面船的顺畅通讯。

现阶段，远洋船舶与岸基总部的联系，依靠的是国际海事卫星的船舶C面站。图2展示的是国际海事卫星通讯环节。

船舶通过海事卫星与岸基进行通讯的基本流程是：首先，船载卫星终端先海事卫星发送通讯请求。等到卫星通讯信道后，船舶C站将通讯数据上传至海事卫星。随后，海事卫星将接收到的数据转至陆地中继站，中继站通过处理后，再转至岸基办公室。反之，岸基通讯中心与船舶通讯亦是如此。船载设备产生的数据大小和上载速率不尽相同，以表1为例。

表1 船载设备数据大小及上载、压缩速率

国际海事通讯卫星的信道数量与宽度都有限制，综合考虑数据上载、传输、下载、回传、接收、信道排队等环节，从船舶发出信号，到岸上控制中心给出指令，再到船舶接到指令采取行动，整个过程至少需要150秒时间。海上自主水面船，集成各种先进传感器，随之会产生海量数据。同时，由于免除了海员的配备，在恶劣海况下或者遭遇紧急情况需要做出紧急决策时，海上自主水面船与岸基控制中心的实时通讯显得至关重要。综上，如何破解紧通讯的延时问题，使得可靠控制海上自主水面船成为一个挑战。

2、“大数据”对卫星带宽和可靠性是个考验

每一代海事卫星系统都有带宽限制，以第四代海事卫星系统和第五代海事卫星系统的技术指标为例：

第四代海事卫星，每一颗卫星支持1个全球波束、19个宽带波束，193个窄点波束，每一个窄点波束一般含6～8个信道，最多25个信道；每个信道频宽200kHz、支持492kbps传输宽带，信道总数630个；

第五代卫星系统使用Ka频段，宽带5GHz，采用多点波束和频率复用技术，上下行传输速率达到5Mbps和50Mbps，能适用高清视频传输的需要。

海上自主水面船，不同的系统集成了不同数量的先进传感器，大量传感器的使用会产生大量的数据。虽然，不重要的数据可通过滚动记忆的方式定期擦除，以解决数据冗余问题。但是，如图3所示，跟船舶航行安全、动力装置监控、应急救生、自动避碰、远程监控、远程控制、安全通信和远程维修等有关的数据，需要通过海事卫星进行通讯交互。

在海上自主水面船的初级阶段，现阶段的海事通讯卫星系统或许能满足信道和带宽需求。但是，在未来大规模的海上自主水面船时代，海事卫星通讯的数据堵塞的问题将不可避免。数据的堵塞，将会降低海上自主水面船的远程操纵的可靠性。如何突破海事卫星系统的带宽限制问题，是需要解决的另外一个技术问题。

图3 未来海上自主水面船数据产生及交互示意图

表2 常见的海事网络攻击形式

表3 容易遭受网络攻击的船载系统

信息传输安全性

随着船舶智能化水平的提升，船舶的控制系统、通讯导航系统、信息管理系统及设备逐渐通过网络实现互通互联，船舶与外界联系也日益频繁。在通过互联网与外界交换信息和数据的过程中，黑客利用船载设备软件薄弱性这一特点，对船舶关键系统或者航运公司进行攻击。根据英国劳氏船级社《2017年网络完全简报》，网络黑客攻击对航运界的影响越来越大。报告列举了以下具有代表性的事例：2010年，一海上石油平台被工业控制恶意软件关闭；2011年，伊朗国家航运公司(IRISL)成为网络攻击的受害者，造成了巨大的损失，与运费、装载时间表和货物细节相关的数据被毁损，导致了财务损失近年来；2012年，恶意的虚假GPS信号影响了超过100艘远洋船舶；2014年，因GPS数据堵塞，美国一些港口不得不关闭；2017年，名为NotPetya的勒索软件袭击了马士基航运，导致其多处办事机构及部分业务板块的计算机网络系统出现故障，在线预订等服务中断，部分码头业务一度被迫关闭，造成了2．5亿～3亿美元的经济损失。

为评估航运业网络攻击的性质，评估哪些船舶和系统容易遭受攻击，波罗的海航运公会（BIMCO）和HIS Fairplay 网站联合发起了海事网络安全匿名调查。调查结果显示，航运业遭受的网络攻击形式主要有网络钓鱼、鱼叉式网络钓鱼（针对特定人士或者机构）、恶意软件、应用程序攻击、暴力破解（穷举密码空间）、拒绝服务、协议攻击、中间人攻击、信息盗窃、已知漏洞和其他形式，每种攻击形式在所占的具体比例详见表4．2。

其中，恶意软件、网络钓鱼（包括鱼叉式）、信息盗窃和拒绝服务较为常见。至于哪些船舶系统容易遭受攻击，报告指出，电子海图显示与信息系统（ECDIS）、航行数据记录仪(VDR) 、综合驾驶台系统(IBS) 、定位系统(GPS)、 驾驶台航行值班报警系统(BNWAS)、全球海上与安全系统(GMDSS)、货物控制系统机舱监视和控制系统比较容易遭受网络攻击，详情见表3。

根据上文的分析，未来海上自主航行船会产生大量数据，其中关键数据会通过海事通讯卫星传输到岸上控制中心，岸上控制中心再通过海事卫星回传至船舶端。黑客可能选择在通讯期通讯环节中的任何一环对船舶或者岸基控制中心进行多种形式的网络攻击。为确保未来海上自主水面船的安全，网络安全问题必须得到解决。

1、传统方法应对挑战

为有效的解决网络安全问题，遵循传统对抗黑客的技术的思路，对船载设备、岸基控制设备进行网路安全认证，对日常运行操作进行风险评估和管理，是航运界正在开展的工作。中国船级社（CCS）、英国劳氏船级社（LR）、美国船级社（ABS）、挪威-德国劳氏船级社（DNV-GL）等各大船级社，相继颁布了各自的网络安全规则和信息技术安全控制规范。以中国船级社为例，其颁布的《船舶网络系统要求及安全评估指南》已于2017年7月20日开始生效。该指南针对船舶网络建设、船舶网络系统产品安全评估过程的提出相关要求。此外，在2018年的3月26日，三星重工的智能船舶解决方案获得美国船级社（ABS）网络安全认证，成为全球首家智能船舶网络安全技术供应商。三星重工的这一技术通过了美国船级社建议的16项测试项目的严格审查，包括物理安全（防盗、防火和防止其他外部威胁）、操作系统安全、访问控制、安全控制和渗透测试，满足美国船级社船舶和海洋工业网络安全规则和ISO27000系列信息技术安全控制实践规范要求。获得ABS的认可意味着智能船舶运营商目前可以使用三星重工的解决方案来保护船舶数据、数据网络和储存，免受内部和部网络攻击，帮助下一代船舶全面应对。

在IMO层面，2017年7月份召开的海上安全委员会（MSC）第98次会议以技术通函的形式通过了《海事网路安全管理导则》（MSC-FAL．1/Circ．3），导则鼓励各国政府确保不迟于2021年1月1日之后的首次年度符合证明审核时，在安全管理系统应反映网络风险管理相关内容。

2、量子卫星通讯技术

传统的对抗网络黑客攻击的方法，是目前比较行之有效的。但会陷入一种困境，黑客技术与反黑客技术交互超越。为解决这一困境，量子卫星通讯技术可以为海上自主水面船信息传输安全提供一种新方案。

在经典世界， 存储源只能处于0 或1 状态。而传统的信息传输，是数据0和1编码和解码的过程。而黑客技术，也是根据这种原理开展。在传统光通信中，一个光脉冲表达一比特信息，在这个一比特光脉冲中可能含有成千上万个光子，把一路信号从其中分离出，而又做到不对光脉冲产生严重的影响，原则上是完全可行的，由此可达到窃取信号用于窃听的目的。但在量子世界，某一个存储源可以处于两个状态的相关叠加。量子的不确定性，使密钥完全随机产生，保证了加密内容不可破译。在分发量子密钥时，为了利用光子的量子性质，一个比特的信息只由“一个”光子携带，而由于量子具有不可分割性，因此“分割”这一个光子是不可行的，也就是说分割这一个比特的信息也是不可行的，由此也就阻止了分流信号的窃听方法。除了光量子的不可分割性的保证，编码方式的事先约定，及在传输比特串中选取子串作为密钥都降低了被窃听的可能性，所以量子密码通讯的保密度要比传统的优越。所以，量子通讯技术是解决未来信息传输安全的一项新技术。

但是，量子通讯技术的发展，也存在一些难题。首先，在量子通信的传输中，因为信号无法放大，远距离传输损耗过大、与环境的耦合会使纠缠品质下降，所以距离受限。目前量子通信在传输速率和传输距离方面都存在一定的局限性，现有的技术条件下量子通信很难超过传统通信方式的通信速率和通信距离，其百公里传输距离、Mb级别传输速率的通信效能还远不及光纤通信的效能。至2008年，欧盟正式开通了涵盖8个用户的量子密码网络体系，迈出了密钥分配方案的重大一步。当下，国外科学家已经将光纤量子密钥分配的通信距离扩展到了300km 以上，最高传输速率超过1Mb。其次，在现有技术条件下，理论上的理想的量子通信协议还难以实现，其中单光子的生成以及量子控制等核心技术仍然不完善，因此其保密性还难以达到理论效果。

综上，量子通讯技术未来能否取得突破，对海上自主水面船的信息传输安全有着重要的意义。

人工智能可靠性、动力装置稳定性、远程操作可靠性和信息传输安全性是横亘在海上自主水面船前的四大技术壁垒。在这些技术壁垒未能安全破除前，真正意义上的海上自主水面船时代无从谈起。