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横在“无人船”前的“三座大山”

中国船舶人才网 发布时间: 2017/2/6 11:13:55 文章来源:

“无人船”的优势

随着近年来大数据、云计算、虚拟现实和人工智能技术的迅速发展,无人驾驶船舶的概念开始引起国际海事界的高度关注。2015年12月,中船集团在其智能船舶发展论坛上发布一项名为I-Dolphin的设计方案。该设计方案以一艘载重量为3.88万吨级散货船为母船,利用大数据和信息技术,对船舶的总体性能及状态进行实时监测、评估、分析,从而为航行操控和航线选择提供优化解决方案,尽最大可能减少因人为操作失误而引发的安全事故。

从目前中船集团对外公布的设计方案来看,这艘智能船不仅将配备常规船舶所必须的动力、操作与居住系统,还将在船舶航行期间通过卫星信号与岸上实现船舶航运状态与设备运行状况的实时通讯,并通过专家系统对船舶的实际运行情况进行综合分析,进而确定船舶的操作策略并判断船上设备是否需要进行保养。中船集团专家表示,理论上I-Dolphin是一艘能够自主“思考”的船舶,无需船员操作即可实现自主航行。然而考虑到受目前通讯技术与自动化控制技术制约可能产生的额外风险,I-Dolphin上依然会配备足够的船员,以便在船舶自动化系统发生故障时能够控制船舶。

与中船集团的I-Dolphin设计方案相比,罗尔斯•罗伊斯公司于去年3月发布的一项名为“智能化桥楼”的概念已经在一艘名为“StrilLuna”号的海工船上成功运用。目前该公司已经在挪威完成了一项用于船舶的远程导航虚拟现实系统的测试。该系统通过安装在船上的摄像头与传感器将船舶360°视野实时传回控制中心,并通过三维动画与虚拟现实技术在控制中心的显示屏上展示给船舶操作者,操作者可在岸上控制中心,通过操作手柄轻松实现包括发动机控制与货物搬运在内的各种船舶操作。从某种意义上来说,全球首艘“无人船”“StrilLuna”号已经问世。

与有人驾驶的船舶相比,“无人船”的优势是显而易见的。一方面,船上的绝大多数设备,如救生、消防、防污染与生活设施很大程度上是为船上工作人员服务的,这些设备不仅需要占据船上宝贵的空间,还将增加船东的营运成本,特别是救生、消防、防污染等设备在船舶正常营运中基本不会被利用,但为了确保这些设备的有效性,船东每年都需支付不菲的维护保养费用。如果未来船舶能够实现无人驾驶,这些设备就可省却,由此产生的经济效益不言而喻。另一方面,随着现代船舶性能的不断提升,由于船员疲劳与不良情绪而导致的操作性失误已成为危害船舶航行安全的最主要因素。在“无人船”的设计方案中,船舶的操纵主要是通过专家决策系统与远程遥控系统在劳动条件更好的岸上进行操作,从而从根本上减少人为因素对船舶航行安全的影响。

中船集团在其智能船发布会上宣称中国制造的首艘智能船将于年内问世,而罗尔斯•罗伊斯公司高级副总裁OskarLevander在阿姆斯特丹“自动航行科技研讨会”上则认为至少在2020年左右才会有全尺寸的“无人船”在海上航行。然而无论是采用人工智能方案还是远程遥控方案,以先进的计算机、数据传输与虚拟现实技术为依托的“无人船”,在问世前还需要翻越信息传输安全性、动力装置稳定性和远程操纵可靠性“三座大山”。


翻越“三座大山


信息传输的安全性

提升信息传输的安全性是“无人船”投入商业运营前所必须解决的问题。

未来的“无人船”上所运用的实时数据传输、人工智能与远程控制技术等,在给船舶驾驶带来种种便利的同时也为海盗的抢劫提供了更多选择。在去年3月的“RSA加密算法安全大会”上,VerizonRISK安全团队披露了一个非常有趣的案例。一群海盗在劫持了某航运企业的货船后并没有针对船上人员和船舶本身索要赎金,而是迅速找到目标集装箱,抢走箱内的贵重货物后扬长而去。

VerizonRISK安全团队在调查中发现,海盗在实施抢劫前已成功入侵这家企业的提单管理系统,对于船舶载运货物的情况了如指掌,并提前精确锁定了抢劫目标。

从这个角度来看,未来的海盗可能无需再冒着被大浪卷入海底的风险登船抢劫,只需雇佣黑客通过攻击智能船的控制系统即可成功控制船舶。

信息与数据安全将是未来航运业发展过程中必须考虑的问题。目前人类在陆上互联网系统的防范方面已积累了非常丰富的经验,未来的“无人船”控制系统完全可以借鉴这些经验以确保船舶数据传输过程中的安全。然而不仅仅是船舶控制系统,未来航运企业的自身信息系统安全等级的提升也非常重要。不少航运企业早已配备了先进的网管系统,可以在系统上实时查看货物与船舶的状态,甚至船上某一具体设备的运转状况,然而目前这些系统大多处于“裸奔”状态。

未来海盗如果无法破解“无人船”的控制系统,也可以攻击航运企业的船队管理系统,通过数据分析准确筛选出那些机械设备已存在故障的船舶,以提高抢劫过程中登船的成功率。


力装置的稳定性

提升船舶动力装置运行的稳定性也是未来“无人船”需要重点突破的技术障碍,持续稳定的推进动力是船舶航行安全的重要保障。

在社会道路上行驶的“无人车”一旦发生事故可以方便地获得维修保障,但是海洋特有的恶劣环境决定了在海上航行的“无人船”一旦发生故障将很难获得及时维修。因此“无人船”动力装置的稳定性就显得尤为重要。

目前已在民用船舶上广泛采用的低速柴油机动力装置运动结构复杂,低速稳定性不高,在恶劣海况、低速航行等特殊情况下依然需要船员手动进行操作,在设备发生故障的情况下更是如此。

从这个意义上来看,单台柴油机动力装置将难以满足未来“无人船”对于动力装置稳定性的要求。

与单机单桨的常规货船相比,采用双机双桨布置方案的船舶在动力装置总体稳定性与推进冗余度方面显然更具优势。然而低速柴油机的工作原理决定了其在负载突变的工况下难以稳定运转。

采用不同类型的柴油机并车驱动推进器可能是一种适合未来“无人船”的动力布置方案。此类船舶将采用不同类型的两种主机联合驱动推进器,在正常海况下使用经济性更好的低速二冲程柴油机驱动,而当主推进柴油机失效时可采用可靠性更高的四冲程柴油机作为应急动力装置,以确保船舶在航行过程中不至失去动力。

电力推进也是未来“无人船”可能选择的动力布置方案之一,与柴油机直接驱动推进器的方案相比,电力推进的稳定性与冗余度无疑更高,在技术上更容易实现远程遥控。然而在目前人工成本尚可接受的大背景下,与增加一套推进系统或采用电力推进所需支付的额外费用相比,船东显然更倾向于雇佣船员进行操作。


远程操纵的可靠性

远程操纵的可靠性也是未来“无人船”需要解决的关键技术问题。海上恶劣的环境条件与海水巨大的阻力决定了船舶的操纵远不如汽车和飞机那样灵活,与早已实现一人驾驶的飞机、火车和汽车相比,船舶是目前公认的人类最难驾驭的交通工具。目前已实现无人化的“StrilLuna”号是一艘能在恶劣海况下穿浪运行的海工船。这类船身瘦小灵活且配备了大功率推进系统与首尾辅助推进装置的海工船本身操纵性能较强,因此比较容易实现远程遥控。而普通远洋货轮受经济方面的制约在操纵性方面远不及设备先进的海工船,航行中的操作相对海工船而言复杂很多。因此大型船舶航行过程中对于船舶状态的控制更多是根据船长的经验现场决策,如采用远程控制或人工智能的方式进行操作必然会增加船舶航行中的风险。

作为“无人船”概念前身的“无人机舱”与“一人桥楼”技术在远洋运输船舶上的实践经验也充分说明了“无人船”概念的真正实现还需要相当长的时间。

“无人机舱”又称“周期性无人值班机器处所”,是一种通过各类传感、信号与控制系统取代轮机管理人员对船舶机舱内设备的运行状况进行自动监测与控制的设计概念,目前已在大部分远洋货轮上广泛采用。尽管这类船舶的机舱设备已实现高度自动化,然而船舶在大风浪与航道内航行期间机舱依然容易发生需要轮机员人工排除的机械故障,船长通常都会倾向于安排人员在机舱值班。

“一人桥楼”是一种驾驶台的自动化设计理念,主要通过电子集成技术将操作船舶的所有面板集中布置在驾驶员触手可及的范围内,从而实现像驾驶汽车或者飞机那样操纵船舶。然而驾驶船舶所需要的操作动作远超过飞机和汽车,实践中很难依靠一个人独立完成。为确保船舶航行安全,几乎所有配备“一人桥楼”的船舶在实践中依然保持了两人值班的管理制度。

然而,即使未来横在“无人船”面前的信息传输安全性、动力装置稳定性以及远程操纵可靠性“三座大山”被成功搬走。一向保守的航运业以及航运相关行业基于安全考虑,对于“无人船”的认可度也未必会有相应的提升。尽管“无人船”的设计方案可以在最大程度上降低人为因素的风险,但同时也给船舶带来了更多未知的风险。与此同时,与“无人船”配套的海事法规的出台也是一个漫长的过程。

从这些方面来看,航运业在未来很长一段时间内都难以实现“无人化”。然而,随着船舶自动化水平的不断提升,船舶所需配员的逐渐减少依然是未来航运业的大势所趋。

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