无人艇技术与自主航行船舶

王兴平/ 珠海云航智能技术有限公司，广东省 珠海市 519000

无人机、无人驾驶汽车已经走入了国内大众视野，作为四大主要交通工具的无人驾驶船舶研制计划在2010年前后正式启动。欧洲通过投入AAWA，MUNIN等项目的研究率先掀起了“无人驾驶”船舶浪潮，此后全球范围内不断涌现出无人驾驶船舶的项目，并提出多个无人驾驶船舶测试场。在以安全为核心的船舶工业和航运界，较“无人驾驶”更容易科学的概念是“自主航行船舶”。而在“自主航行船舶”之前，无人艇从上世纪开始，已经经历了半个多世纪的发展。无人艇与自主航行船舶是否是同一个事物，两者之间是什么关系，自主航行船舶是否可以透过无人艇技术得以发展等均是是值得研究的课题。

自上世纪以来，无人艇从技术到应用得到了长足的发展，也成为学界研究热点。在产业端，国内已涌现出100多家从事无人艇研制的单位。

自2010年以来，欧洲先后展开了多项“船舶无人驾驶”研究项目，影响比较大的有AAWA和MUNIN，自这些项目，国际海事组织IMO开始关注船舶领域的无人驾驶，至今年6月，国际海事组织MSC101次会议，通过了“自主船舶试航暂行指南”，标志着船舶与汽车一样，具备了试航的法规依据。

但，无人艇与无人驾驶船舶(无人驾驶在船舶领域争议较大，正文均将采用IMO的正式提法自主航行船舶)的概念难以厘清，甚至被许多人等同视之。作为中国无人艇发展的参与者，自主航行船舶的开拓者，有必要从技术、应用和产业前景多个方面阐述无人艇与无人驾驶(自主航行)船舶。

无人艇技术综述

无人艇概述

无人艇的学名为无人水面艇，英文(Unmanned Surface Vehicle， USV)，又称水面机器人。水面机器人这个定义准确表述了USV的三个关键：无人(在艇)，水面(相对与水下)，机器人(工具，代替人完成特定任务)。水面机器人这个概念，也可以较好地帮助我们理解无人艇与自主航行船舶的区别。

无人艇的第一个显著特征是小巧灵活，目前最大的无人艇当属美国的“海上猎人”，该艇长达40m，可持续续航90天。而我们常见的无人艇，艇长大多在1m～8m，排水量也就只有几十公斤至几吨。基于小巧灵活和艇上无人的显著特征，无人艇具有较强的机动性，可以抵达许多传统作业无法抵达的区域，例如辐射、污染水域、例如浅滩、暗礁水域。国内在这方面已经有了许多的成功案例。

无人艇最先从军事需求而来，在扫雷、打把等领域逐步开始应用。美国、以色列等国在无人艇军用领域处于领先地位。进入本世纪以来，中国无人艇率先在民用领域起步，珠海云洲等无人艇企业将无人艇技术应用于环保、海洋调查等领域。而无人艇的军事应用在中国则正处于起步阶段。

无人艇的应用非常广泛，除开前述应用外，安防巡逻、海上救援、科学实验等均可用到无人艇。

无人艇七大关键技术

关于无人艇的技术论述有许多，本文从参考文献结合作者的理解，尝试从7个领域对无人艇技术进行简要分析。

(1)感知技术

要实现艇上无人，首先就需要对环境(保护目标)有极强的感知能力。最基本的遥控需求，也需要无人艇能传回航行环境中的障碍物，执行任务更需要感知目标区域和任务状态。实现自动航行、直至全自主任务，还需要艇上有态势感知能力—能讲环境要素转化为航行和任务决策的输入条件，在计算机系统内的语义化。目前，无人艇的感知主要应用雷达、激光雷达、毫米波雷达和视觉技术感知水面环境；水下采用声呐进行感知。

(2)路径规划

无人艇实现自主航行的一个典型特征就是具备路径规划能力。一般全局路径规划由无人艇操作人员完成，以简化技术难度。而局部的路径规划则由无人艇的避障算法完成。局部路径规划的主要算法大部分来源于机器人的路径规划，例如A＊算法，人工势场等。

(3)控制技术

控制技术概念比较丰富。比较宽泛的理解整个“使艇无人航行起来的技术”都可以叫控制技术。而狭义的控制技术，是保持规划航向航速。举例而言，一条小型电动无人艇的控制，指的就是控制电机转速、方向以及舵向，以达到某个航速、航向，直至完成航路点循迹。目前较多采用PID控制。

(4)通信技术

如果说感知、路径规划、控制已经可以替代人的观察、判断决策和操纵，可以实现无人在艇的航行，那么通信则是控制无人艇、采集数据的通道。无人艇的通信技术通常分为窄带和宽带。窄带主要用于指令传输，例如遥控指令、下发航路点等；宽带主要用于任务数据传输，例如视频信号，任务载荷的实时数据等。目前，一般会采用窄带+宽带的通信方式配合，比较有实力的单位会依据任务组建专用通信网络。

(5)人机交互

作为水面机器人，无人艇的人机交互界面是至关重要的一环。最早的无人艇应用是通过遥控器的方式实现操作人员向无人艇发送指令。近年来，随着应用场景不断丰富，无人艇技术不断提升，带有无人艇监控、任务规划、实时控制、任务数据管理的远程控制中心(站)逐渐成为无人艇的人机交互方式。

(6)载荷技术

前面几种技术，可以使无人艇具备航行的能力，无人艇的目的并不是航行，而是代替人执行任务。随着各类涉水设备尤其是传感器技术的进步，无人艇可以搭载的任务载荷也越来越多，无人艇的难点逐渐从无人艇本身，转变为无人艇与载荷设备的融合。举例而言，要实现海底测绘，就需要无人艇根据搭载多波束的要求，具备较好的耐波性、极低的底噪、较高的循迹精度和足够的巡航时间，并能提出足够长时间的电能。从产品开发的角度，也看到越来越多的任务载荷和无人艇之间的一体化设计。另一面，为了能搭载更多的设备、具备更多的应用场景，真正让无人艇平台化，无人艇也涉及越来越多的模块化设计。

(7)布放回收技术

布放回收是无人艇大规模应用的一个难点。以海洋调查为例，一般科考船搭载无人艇执行海洋科考任务时，往往需要配备专门的搭载设备，并在原有科考船的布放回收设备上做一点改装并进行训练。无人艇在执行任务的时候的确可以把人员解放出来，但是在部分回收的时候，往往需要多人协同，这与“无人”的初衷背离。目前，无人艇的布放回收随着应用的不断曾佐，逐步超自动化方向发展。美国曾经演示过槽道式布放回收。

以上七大关键技术并不是无人艇技术的全部，无人艇是一个复杂的系统，还涉及到材料技术、动力技术、流体技术等，是一个典型的交叉学科。这也是我们看到目前的无人艇团队既有长期从事船舶领域工作的，也有从事自动化、信息技术领域的。

无人艇技术现状与趋势

无人艇技术从最早的遥控逐渐过渡到“自主航行”，已经经过了好几代的发展。单就无人艇的航行控制技术而言，已经到了一个比较高的水平。仅国内，就有好多团队的无人艇可实现高精度的循线航行。但是，无人艇是一个复杂的系统，如前文的讨论，无人艇的技术涵盖面非常广，从这个角度，目前的无人艇技术尚有诸多问题需要解决。同时，无人艇是一个集成性的技术，涉及到基础科学。以航行控制而言，其中涉及到环境感知、路径规划、控制这三大模块中的许多算法，仍然处于“自动”到真正高智能的“全自主”过渡阶段。

无人艇的任务导向属性，以及无人艇所处的产业阶段，基本决定无人艇的整体技术还处于起步阶段。大量的无人艇应用场景尚待开发，这其中涉及到的载荷搭载、无人艇布放回收、无人艇搭载载荷实时任务的工作模式，这些都涉及到大量的技术开发。

除开单艇技术，无人艇编队协同也是一个重点。无人艇编队可以赋予无人艇更大的协同效能，弥补无人艇单艇的不足。目前，在无人艇编队领域，中国处于领先地位。云洲智能的无人艇编队已实现81条艇的全自主编队协同，比美军的蜂群多了好几倍。

我国的无人艇技术发展，还有另外一个现象值得注意：参与无人艇技术研发的单位众多，但各家单位之间缺乏合作和交流，导致大量的重复性工作。这里也呼吁更多的无人艇研制单位能协同创新，真正做好产业分工，加速无人艇技术成熟和更大规模应用。

图1 无人艇七大关键技术

无人艇与自主航行船舶

自主航行船舶概述

在大量的新闻报道里面，自主航行船舶都被称作“无人船”，类似顶层设计的问题实际尚未统一。自MSC98次会议以来，IMO层面的讨论会将这类船舶英文定义为“Marine Autonomous Surface Ship”自主航行船舶。而中日韩则用了更为宽泛的概念“智能船舶”(Intelligent Ship)。

不管概念如何，其最为关键的特征是“不需要人员在船驾驶的船舶”。

从以上几个概念的角度，我们可以得出两个值得探讨的问题：

(1)是无人驾驶，还是无人在船？

(2)是无人驾驶，还是无人在船驾驶？

从汽车的自主驾驶我们可以看到：一些特殊用途的汽车，实现无人驾驶实际就成为了陆地(运输)机器人，这一点类似于无人艇，因为车上真的“没人有”；一些汽车实现了不需要人的自动驾驶，但上面仍然有乘员或其他人员，这类比较像是我们探讨的自主航行船舶—它只是不需要人员驾驶的交通工具，而不一定意味着上面没有人员。

另外需要注意的是，欧洲国家提出了5级自主航行等级划分，从0开始的无自动航行能力，一直到最高的L4全自主，中间还包含了L2有人在船的远程遥控和L3的无人在船的远程遥控，可以看到这里面“人在回路”是至关重要的一环，“无人”并不意味着“无人”操控。

所以，我们讨论时尽量避免这些争议，将这类船舶统称为“自主航行”船舶，远程遥控、全自主只是“自主”水平差异而已。

从现在和未来的船舶技术和产业发展去看，必然会存在非常长的一段时间是“传统有人驾驶船舶”和“新型自主航行船舶”，也就意味着要么现有船舶会适应面向“自主航行船舶”的规则和生态；要么自主航行船舶适应现有的船舶规则和生态。

很明显，自主航行船舶在适应现有规则和生态的前提下，才能得到真正的发展。

自主航行船舶关键技术

船舶要实现自主航行，关键在于实现与驾驶员同等的感知、决策和控制能力。

感知能力包含环境感知能力和船舶感知能力。环境感知能力也就是利用传感器实现通航环境的态势感知、目标感知，为航行决策提供基础。最基本的环境感知涉及导航雷达、AIS和电子海图的信息融合。船舶航行体系内，还需要感知的信息包含航行管理信息(通常来自于海事部门)，例如禁航通告；来自其他船舶的信息，例如甚高频(VHF)的喊话，紧急求助信息等；在船舶靠离泊期间，还需要和港口管理单位进行沟通，接受调度。另外，作为安全航行的关键，还需要对天气进行感知。而船舶自身感知能力，涉及到自动化机舱、货物管理等技术。这一部分技术虽然不一定在自主航行技术的范畴，但却是自主航行的基础。

决策技术相较于无人艇实现循迹航行和避碰外，还涉及节能、考虑航行艺术和航行义务(特殊情况下，船舶航行间须遵守的规则，如救援义务)。航行决策是多因素决策。

运输船舶的操纵性因欠驱动的原因，对驾驶者的要求非常高。也是大型船舶靠离泊需要采用拖轮的根本原因。采用自动控制技术，需要考虑船舶自身的运动参数、考虑潮汐、洋流、甚至风向的影响，在靠离泊区域还要考虑码头回旋水域的影响。

自主航行船舶在通信方面的需求，将会随着自主水平的不同阶段而显著不同。以自主等级划分来看，L1～L3都意味着对通信有极高的要求和依赖。以目前的通信技术水平，L1～L3的应用将受到限制。而达到L4，实现以高度的船舶智能水平，对通信的要求将大大降低。

图2 无人艇与自主航行船舶的区别

图3 自主船舶，在实现自主航行的基础上，更多关注的是船舶自身的智能化以及与航运体系的对接。

无人艇与自主船舶的关系

无人艇与自主航行船舶之前有着非常紧密的联系，也有着较大的区别。我们尝试从以下几个方面对无人艇与自主航行船舶进行比较分析。

(1)关键技术框架类似。无人艇与自主船舶都将实现“全自主航行”定义为最高的自主等级。均以技术替代人员的感知、决策和控制为基本框架。

(2)关键技术侧重点不同。无人艇除开实现“自主航行”能力，更重要的是要具备执行任务的能力，无人艇的布放回收、任务载荷集成都是至关重要的技术。自主船舶，在实现自主航行的基础上，更多关注的是船舶自身的智能化以及与航运体系的对接。例如自主船舶的感知技术，一方面可以通过航行保障体系获得环境感知能力；另一方自主航行船舶又可通过船岸协同，生成航行态势信息、为其他船舶提供航行保障。

(3)应用环境不同。无人艇的任务环境，更多的是在“人不能去”的区域，这些区域缺乏足够的环境信息，需要无人艇自身有极强的环境感知能力。而自主船舶应该航行在“航道”中，置于航行保障体系和海事管理体系之下，应是“环境已知”的区域。

(4)管理体制不同。当下，无人艇并没有具体的法规进行管理，或者说很多情况下，没有人去干扰无人艇的航行、执行任务。而对于自主船舶，海事部门会依据现有的法规进行管理、船舶检验单位按规则进行检验认证。无人艇的管理更多是来自于任务单位。

(5)任务不同。 无人艇执行的任务非常多，而自主船舶则是面向航运的。无人艇是机器人属性，而自主船舶则是运输工具。

(6)生态和体系不同。 无人艇基本以无人艇研制单位和任务单位形成一套可执行任务的系统，而自主船舶则是整个航运物流体系。自主船舶涉及船舶的设计、建造，船舶运营管理，涉及航道，港口码头及仓促物流，还涉及金融和保险；同时，船舶还有成熟的法律、规范和一系列制度。总体上，无人艇是一个高度集成的复杂系统，自主船舶则是一个复杂的体系。

自主航行船舶发展展望

自主航行船舶应用场景展望

船舶实现自主航行的还需要相当一段时间。这里面既有法律法规需要建设，标准需要制定，尚有大量的技术问题需要攻克、技术成熟度尤其是可靠性需要提高；也有应用场景挖掘、条件需要构建等多个方面的因素。

欧洲康斯博格(Rolls-Royce)，Wartsila，ABB等公司于去年公开了渡船、拖轮的自主航行演示，实现了港到港的远程遥控和自主航行。我们注意到演示的场景均为点到点的渡口环境。

我们认为，在现有法规和技术条件下，船舶实现自主航行的应用，大体上将遵循以下路径：

(1) 从场景上，渡船等短距离点到点航行场景将是首选，实现分行制的内河例如我国的京杭运河将是船队级自主航行的应用场景。而真正意义上的海运船舶实现全自主航行尚需要大量工作。

(2)从船舶类型上，公务船及一些特殊任务船舶，比较适合率先应用自主航行技术乃至实现在某些场景下的全自主航行。而真正的运输船，则尚需要更多的时间。

图4 Oceanalpha公司的勘探无人艇

(3)从技术上，以提高安全性为首要目的的辅助驾驶技术讲率先商用。远程遥控很可能成为一项技术，而非一个商业成果，真正对船东有价值的技术是以实现减员增效为目标的自主航行。

船舶与航运与汽车工业的区别，决定了自主技术在船舶领域的应用场景将非常复杂，这也是目前为止，船舶领域的自主技术发展仍然没有步入快车道的重要原因。

我们预计，自主航行的演示将会越来越多，真正实用意义上的自主航行将出现在2025前后，具体取决于技术的测试验证过程。

自主航行船舶技术路径

自主航行船舶的发展不可一蹴而就，也没有太多的时间挥霍。在技术上，自主航行船舶可以将无人艇技术作为部分基础，实现快速突破。无人艇技术与自主航行船舶技术，在技术框架上是类似的，其中主要的难点在于：

(1)融入高度社会化的航运体系，确保自主船舶遵守航行规则和海事管理法规；

(2)船舶操纵相较于无人艇具有数量级的难度，在船舶靠离泊技术、能耗管理方面，对船舶的运动建模、船舶运动参数的构建提出了完全不同的要求；

(3)自主船舶对技术的可靠性要求完全不同，自主航行船舶技术的任何瑕疵都可能带来灾难性的后果。所以，即便是商业化的无人艇技术应用到船舶自主航行，也需要大量的测试，尤其是实际场景的测试和验证。

当然，另外的路径，例如通过机器去模拟人员的操作，可从另外一个层面突破自主航行技术，但由于航行场景的复杂性、不可重复，这类方法可作为有效补充，加速自主航行技术的成熟。

自主航行船舶发展中的困难与建议

经过多年发展的汽车无人驾驶，尚未真正商业应用，同样，船舶领域的“无人驾驶”，在发展过程中也面临诸多的困难。

(1)产业资金投入不足。 以多个新闻报道的“全自主航行”船舶项目为例，其中部分夭折，大部分项目延期。这里面的关键在于船舶自主航行的投入巨大，而目前整个航运业并不景气，难以有大量资金投入。

(2)缺乏高效的产业链协同。 船舶是一个复杂的体系，自主航行的产业化是典型的“木桶效应”，任何创新可能都涉及整个产业链的协同，产、学、研、用、管多等诸多角色都需要积极参与。而角色不同，难以协调一致。

(3)尚有大量关键技术需要突破。船舶自主航行刚刚起步，其涉及的技术门类多、难度大。仅以感知技术而言，除开雷达，敌我识别系统(AIS)等传感器，视觉技术在水面环境的应用就需要解决大量技术难题。诸如此类的问题既需要解决从0到1的突破，更需要解决可靠性和稳定性，以面对不同的航行场景。

(4)测试条件与测试技术匮乏。由于还没有相关标准，船舶自主航行技术的测试标准也就没有建立，相关的测试条件也进仅停留在“一片水域”，对于不同场景的构建、不同测试手段的应用，都有大量工作需要完成。

(5)法规制度的调整。 以辅助驾驶技术为例，要真正商用，就需要解决“投入设备和技术的成本”，如何通过“减少人员”得到回报。而这里面就需要修改相关的配员规定，技术要实现价值，必须在制度上有所调整。

结语

我们回顾了无人艇的技术，展望了无人艇和自主航行船舶的发展，总体上不管是无人艇还是自主航行船舶，均有大量的技术需要突破、完善， 也有大量的产业化工作需要做，需要真正从产业链着手，构建起产、学、研、用、管的全方位协同创新机制。 ■