海上自主水面船发展及 航海保障相关需求探讨

摘  要：国际海事组织（IMO）在2017年召开的海上安全委员会第98届会议（MSC98）上提出了“海上自主水面船舶”（ MASS）的概念，得到业界响应并付诸实践行动。本文对MASS概念、分类分级和相关技术进行了综述，对国内外目前发展状态进行阐述，分析了MASS对航海保障服务的影响，提出了未来航海保障针对MASS发展思路和建议。

关键词：海上自主水面船;航海保障;需求

1 概 述

1.1 概念由来和定义

2017年，在国际海事组织（International Maritime Organization， IMO）海上安全委员会（Maritime Safety Committee，MSC）第98届会议上，英国、丹麦等9国提出IMO应增加对海上自主水面船舶（Maritime Autonomous Surface Ships，MASS）的研究，提出了MASS的概念。

2018年12月MSC100会议在法规梳理的术语中，MASS 被界定为可以独立于人际互动而营运的具有不同等级的船舶。IMO是MASS的倡导和组织者，其发布的相关公约、标准和指导性意见是业界最高级别文件。

1.2 分类分级

2018年12月MSC100会议为便于法规梳理的进程，将船舶自主等级分为4级：

Ⅰ级——具有自动化处理和决策支持的船舶。船员在船上，以操作和控制船上的系统和功能。某些操作可以自动，且有时可无人照看，但有船员在船上，以准备好进行控制。

Ⅱ级——船员在船上的遥控船舶--船舶从另一位置进行控制和操作。船员可以在船上，以控制和操作船上的系统和功能。

Ⅱ级——无船员在船上的遥控船舶。船舶从另一位置进行控制和操作。无船员在船上。

Ⅳ级——完全自主船舶。该船舶的操作系统能自动地作出决策和确定其操作行动。

应当注意到，在单次航行期间，MASS可能以一个或多个自主等级营运。

1.3 相关技术

自主航行主要是指实现船舶的自主离泊、出港、航线优化、锚泊、进港、靠泊的全部或部分过程，三大先决技术为态势感知、运动控制和智能决策。态势感知作为自主航行的核心技术之一，是实现船舶自主航行的基础。而自主船从建造到正常运营，还涉及信息感知技术、通信导航技术、能效控制技术、航线规划技术、状态监测与故障诊断技术、遇险预警救助技术、自主航行技术和货物管理等关键技术。

2 发展状态

MASS一般指20 m以上无人船，而无人船即是智能船，对应于MASS的III—IV级，欧洲的智能无人船舶研发更倾向于从小型船舶（如拖船、渡船）开始实践，优先研发远程操控、自主航线规划、自主避碰等技术。从自主航行船舶的发展现状来看，远程遥控结合部分自主控制功能已经成为自主航行船舶发展的主要方向。

2.1 IMO框架下MASS的发展

2017年MSC98会议上，提出MASS概念，同意在法规梳理与适用性研究中考虑智能船舶的不同等级;2018年5月MSC99会议成立MASS 工作组，给出了仅用于法规梳理的临时术语，拟议自主等级包括四级;2018年MSC100会议在MSC99的4个船舶自主等级的基础上作了更简洁表述，明确了应先对相关IMO强制性文件开展梳理，在法规梳理的术语中MASS 被界定为可以独立于人际互动而营运的具有不同等级的船舶; 2019年MSC101会议批准了IMO海上安全委员会MSC.1/Circ.1604 《MASS试航暂行指南》通函;2021年5月线上MSC103会议审议通过智能船法规梳理第二阶段工作报告，继续开展智能船术语的制定，首先制定高优先级的、概念性的术语。

2018年5月，在MSC99会议之前组织召开“海上自主水面船及IMO法规会间研讨会”，提出：海事组织有必要建立监管框架，最好在早期阶段制定和执行临时行动纲领，并建立具体监管;2019年9月在伦敦召开第一次工作组会议，主要审议 MASS 法规梳理工作;2021年5月，船舶温室气体减排第8次会间工作组会议批准了立法范围界定的结果和法律委员会关于MASS的公约的差距分析，认为MASS需要在《联合国海洋法公约》的法律框架内运作。

2.2 MASS国外发展

法规与规划

2018年6月，日本船级社发布自主操作指南，2020年2月发布了《自主操作/无人驾驶船舶指南——自主操作系统/远程操作系统的设计研发、安装和操作》。英国劳氏船级社（简称LR）2017年2月，出版了《无人海上船舶系统设计规范》，提出了设计、建造和服务要求准则。2016年2月，LR发布了自主船舶的分级标准的分类方法，将自主船分为7个级别。英国海事协会2019年11月发布了新版本《自主船舶行业行为守则》。2019年 5月2日，美国船级社（ABS）发布其第一版《船舶和海上设施智能功能指南》，为智能技术应用的工程審查和检验提供依据; 2020年4月，ABS发布了《自主咨询指南》。2018年，丹麦在向MSC 99届会议递交船舶自主化等级划分，该划分方法各级别船舶之间可以相互转化：M级（现场控制有人船）、R级（遥控有人船）RU级（遥控无人船）、A级（全自主无人船）。

研发进展与成果

日本

2017年5月，三井航运公司与三井造船株式会社联合开发的自主远洋运输系统技术，计划在2025年打造出大型无人驾驶船队;2020年6月，NYK集团公司等22家日本公司启动“完全自主船舶项目的未来设计”（DFFAS）项目，以船舶示范试验推进到2025年的实际应用。

挪威

2017年，康士伯海事集团联手建造世界上第一艘实现零排放、全电推、自主航行的集装箱船“YARA Birkeland”号。2020年3月， “Bast?Fosen VI”号渡轮在满载乘客和车辆的情况进行下，完成了“世界首次渡轮自适应通航”从码头到码头的全自动化操作航行。

英国

2015年，罗尔斯·罗伊斯公司（R-R公司）发起“高级自主水运应用”（AAWA）计划，开发了一套安全导航和避免碰撞的电子集成系统;2017年展示了全球第一艘遥控商船“Svitzer Hermod”号;2018年联合启动了名为“更安全的自动导航船舶（SVAN）”的项目，展示了全球第一艘无人驾驶渡轮 “Falco”号;2021年6月搭载了先进AI技术和边缘计算系统的 “五月花”号自主导航横跨大西洋海测，见图1。2017年，英国3家船企联手打造全球首艘无人驾驶海工支援船“Hronn”号。

美国

2019年2月，美国海军 “海洋猎人”号反潜无人舰从加州自行开往夏威夷后再返回，树立无人船自主航行的里程碑，见图2。

芬兰

2018年12月，瓦锡兰公司通过 “Folgefonn”号渡轮对自动岸到岸Dock-to-Dock航行解决方案进行测试，利用一系列轨迹和航点定位来控制船舶的航行，在3个港口之间实现完全不间断的自主航行和靠泊;2016年初发起了智能船舶研发计划，旨在创造一个“智能船舶运输生态环境（One Sea-Autonomous Maritime Ecosystem）”，在2025年之前创造一个适合自主船只使用的环境。

韩国

2015年制定“智能船 X.0”计划，通过物联网、大数据、虚拟现实等信息通信技术（ICT）促进船—岸间的信息融合; 2019年8月，韩国政府将在未来3年投资1 300亿韩元在韩国蔚山建立一个新的先进的自主船舶研究设施，在2023年开始运营。2019年10月，海洋事务和渔业部和贸易、工业和能源部投资1 600亿韩元启动了一个自主船舶项目，计划在2025年前开发一艘3级（L3）自主作业船。

意大利

2020年7月，普利亚地区批准了远程综合海洋远程环境监测计划（MARIN）计划，该计划在3年内总投资超过600万欧元，开发一个多功能无人驾驶海上平台。瑞典2019年12月，RISE研究院主导 “Prepare Ships”研究项目，将开发和验证协作弹性导航解决方案，实施并演示具有高精度定位的航道地理围栏，以提高安全性和改进决策。

欧盟

2012年9月，8家机构联合开展的海上智能无人驾驶航行网络（MUNIN）项目计划，项目总预算380万欧元，用以验证自主航行和自主船舶的可行性为，研究相关的关键技术和法律法规。

测试场建设

2016年10月，挪威海事局和挪威海岸管理局共同在特隆赫姆峡湾建立了世界上第一个自主船舶测试区，斯托夫乔登测试区和霍顿测试区随后相继开放。英国在普利茅斯建立了英国自主中心，MASS测试区部署已基本覆盖全国沿海，且快速增长，见图3。2017年8月，芬兰Jaakonmeri自主船舶测试区正式对外开放，2017 年 5 月，丹麦格陵兰地区设立自主船舶试验场，侧重于测试繁忙水域中高度智能概念的自主船舶研发项目。2018年8月，大湖区智能船舶联盟与海上自主研究基地在密歇根理工大学大湖研究中心同期揭牌成立，同时启动了《智能船舶行动计划》，将在美国和加拿大制定统一的标准和智能船舶监管框架，为智能船舶研究提供专项资金和测试场。

此外，由挪威海事局、挪威海岸管理局、挪威工业和NTNU海洋工程系共同倡导的挪威自主船舶论坛（NFAS）搭建了自主船合作平台。2017年10月30日，在NFAS的基础上，国际自主船舶网在奥斯陆成立。

图1 “五月花”号横渡大西洋海测

图2 “海洋猎人”号无人舰

2.3 MASS国内发展

法规与规划

2015年，中国船级社（CCS）正式对外发布《智能船舶规范》，2019年12月，CCS发布2020改版，新版规范保持原有规范框架，形成了完整的智能船舶規范框架及相应的功能/技术要求。2018年9月， CCS发布《自主货物运输船舶指南》（2018）。2019年1月，工信部联合交通部、国防科工局联合发布了《智能船舶发展行动计划（2019-2021年）》，提出了3年9项重点任务。2019年5月，交通运输部、中央网信办、发展改革委等多部委联合发布了《智能航运发展指导意见》;7月，交通运输部发布《数字交通发展规划纲要》，组织实施国家重点科研计划《基于船岸协同的船舶智能航行与控制关键技术》项目，这无一不预示着中国正在加快规划部署智能航运未来发展。

研发进展与成果

国内研制成功中国第一艘无人驾驶海上探测船“天象一号”，为北京奥运会的青岛奥帆赛提供气象保障服务，这也是世界上首次应用无人船进行气象探测。

2017年11月，由广州文冲船厂建造的全球首艘智能商船“大智”号交付，该安装了船舶运行与维护系统和智能航行系统，实现了智能航行、智能机舱、智能能效管理等功能。2015年下水海测的“智腾”号是我国首艘满足MASS 需求的自主航行试验船，达到 MASS 第三阶段“周期性无人在船”的要求，未来可进一步达到 MASS 第四等级“完全自主”船舶的功能要求。 2019年11月交付的“筋斗云0”号小型无人货船，实现了自主货船远程遥控、自主循迹、会遇避碰和遥控靠离泊，最终将实现MASS四个等级的自主航行，见图4。

研发团队、成果和相关活动：

由交通运输部水运科学研究院牵头的《基于船岸协同的船舶智能航行与控制关键技术》项目正在组织实施，计划在2018—2022年内开展面智能优化及自主航行系统开发方面的研究。2018年，中远海运特种运输股份有限公司发布了《智慧航运发展行动纲要》，力求沿着“人—船—货”“箱—船—港”等要素，开展智能船2.0的前期研究。 2018年5月，在青岛建设智能航运技术创新与综合试验基地，其智能船舶试验项目计划5年内完成具备自主航行系统一艇三船的建造。

2018年11月，首届自主船舶发展（万山）论坛在万山无人船海上测试场启动，期间正式成立了中国无人船产业创新发展联盟，联盟将致力于探讨无人船实现产业化发展将面临的技术、经济和法律等多方面的问题。2020年2月18日，交通运输部正式公布了无人船舶系统及设备关键技术交通运输行业重点实验室认定，由大连海事大学、中国船级社和交通运输部水运科学研究院共同开展。

测试场建设

2018年11月，亚洲首个无人船海上测试场正式启用，可就自主感知、避障、远程控制、协同控制等自主船舶相关项目进行测试服务。同年5月，智能航运实验技术基地蓝谷测试场启用，为航行锚泊、码头作业、无人艇实验等测试功能区，陆域配套建设智能船舶运控中心及相关监控、通信设备。

3 自主船发展对航海保障服务的影响

自主船时代来临，传统的视觉航标、纸海图和VHF语音发布助航信息等航海保障（简称“航保”）手段作用将削弱，取而代之的应该是根据无人船的操控系统要求、工作特点、运动特性来提供相应的助航服务。

航标服务

自主船时代传统的水上目视航标必将失去助航的意义，甚至构成碍航威胁，自主船如何获得必要助航航标信息，对航标服务提出新要求。

我国从20世纪90年代开始数字航标建设，海上浮标的遥测遥控率已达100%，航标信息数字化播发自主船感知航标将成为新途径。数字化航标技术的包括虚拟和无线电航标，如无线电导航台、无线电指向标、差分全球定位系统（DGNSS）、船舶自动识别系统（AIS）等。目前，AIS基站信号已基本覆盖我国沿海近岸主要通航水域及部分封闭水域，依托AIS基站设置的AIS虚拟航标设置快捷，成本低廉，且易于被船用ECDIS识别，自主船时代AIS虚拟航标将发挥巨大作用。

测绘服务

自主船时代纸海图都再无用武之地，电子海图是必需要素。2018年8月29日，东海航海保障中心正式向全球用户发行中国沿海电子海图（除珠三角电子海图），中国海事航海图书在线服务平台可以免费下载基础图和更新包，电子海图服务也将是航保自主船时代主打产品，推送产品服务方式，还有探索空间。

电子海图基础数据来源于海洋测量，高精细测量才有高精度海图编绘产品，精细、精密化海道测量将是MASS对海事测绘基本需求。

海上通信服务

目前，海上常用的无线通信方式有微波、卫星、GPRS及4G/5G、Zigbee、Bluetooth、Wifi 等，自主船时代传统的VHF语音通信将失去作用。未来航保的通信服务要加强甚高频数据交换系统（VDES）、甚小口径卫星终端站（VSAT）、卫星通信等大带宽、高速度、高频率、高可靠性的海上通信链路建设。同时，NAVDAT系统是GMDSS现代化建设和“e-航海”建设中为海上船舶提供宽带通信服务的关键系统，NAVDAT系统联网播发，可实现A2海区的高速通信，可解决岸—船数字通信，数字安全信息的快速推送。

此外，自主船对海上安全信息MSI捕获和识别基于数字格式，海岸电台播发的航行警告、气象警告、气象预报、电子海图更新等有关航行安全的信息服务应向数字化推进。

4 结论与建议

MASS发展对航保既是机遇，也是挑战，顺应新技术发展要求，我们可以在一下几个方面深入研究和应对。

4.1 标准先行

普通船舶目前已有成熟的规范体系，并在不断完善，新生MASS更需要有针对性的系列标准至国际规则。目前，国内现有可供参考的技术标准主要是中国船级社《智能船舶规范》和《自主货物运输船舶指南》，制定国内MASS规范标准是当务之急。

MSC100确定了MASS的公约适用性梳理工作中国承担了SOLAS第V章“海上航行安全”的梳理部分，航海保障部门应密切跟踪国际公约梳理进展，结合航保业务特点编写公约修改提案，同时，加强国家和行业标准制修订。

4.2 航海保障服务智能化

大信息量交换是自主船船正常运营基础，构建统一调配的航海保障信息共享大平台，从而未来更好服务和支撑保障MASS发展。平台能够为船舶提供动态的航线计划，实现基于AIS、ECDIS、水深数据模型以及环境管理工具的船舶积极动态的航线计划; MSI数字化播发，以及AIS虚拟标播发;电子海图及更新服务。通过云计算对大量数据进行深度挖掘、筛选加工，利用公网、甚高频、卫星链路等为用户提供个性化定制服务。

开展智能航保服务新业态研究应用，加快“陆海空天底”综合智能航保体系战略研究和发展建设，陆地、水下、水上和空中提供多种导助航方式，最终形成“陆海空天底网”六位一体的智能化保障和服务模式。

4.3 航海保障服务产品优化

为满足自主航高新需求，在提供普通船舶传统航海保障服务的基础上，建议在以下几个方面丰富和优化产品服务：

（1）持续做好高精度差分北斗、GPS卫星导航服务;

（2）完善AIS基站补点建设，做好系统和设备升级;

（3）海上浮标全覆盖虚拟播发;

（4）电子海图智能推送和更新;

（5）进一步验证VDES、NAVDAT系统，提交相关国际标准;

（6）充分利用海上浮标资源，推广e-航海试点工程多功能标经验，多点采集风、浪、流等环境信息;

（7）开展三维电子海图服务，结合虚拟的水上环境实景模型，为MASS岸基控制中心管理船舶和人员培训提供支撑;

（8）開展智能数据中心建设，通过信息互通、数据共享，共同推动航海保障全要素服务;

（9）建设虚拟仿真系统，为人员培训提供服务。

4.4 协同研发

纵观国内外外MASS案例，一个共同的特点便是依靠行业生态链，生态链协调发展，才能有效推进MAAS进步。航海保障正置生态链支撑保障节点，智能航保为自主船提供了可供分析、处理和决策的外部信息材料。航海保障部门在自主研究基础上，应加强与科研院校合作，开展联合攻关，由其在标准规范修制定方面。参与、推动试验区建设，提前谋划，为试验区、测试场提供全要素航海保障服务。加强与港航、船舶用户合作，掌握用户需求变化，以便未来为用户提供有效、高质量航海保障服务。

作者简介：

张淑静，高级工程师，（E—mail）544532504@qq.com，18920280516