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自主无人驾驶商船及其对智能航行实施的贡献:MUNIN展望

Hans-ChristophBurmeister，WilkoBruhn，Oslash;rnulf JanRoslash;dseth，ThomasPorathe

1. 引言

无人驾驶运输系统在某些运输航段已经是最先进的，在海洋领域也是如此，出于研究目的的自主操作的水下交通工具已经在实践中使用了几年。将这一理念应用于商船为应对日益增长的海上运输的可持续性需求提供了一个可能的整体解决方案。在欧盟内部，MUNIN项目(通过网络中的智能进行海上无人驾驶导航)为深海航行中的无人驾驶干散货船开发了一个概念。船舶本身将处于自主模式，允许其在一定的自由度内独立行动，但可从岸上的控制站进行持续监控。该项目包括对预期概念的验证、对技术和法律可行性的评估以及成本效益分析。在导航方面，MUNIN特别注重开发用于自动了望的先进集成传感器系统、包含COLREGs和恶劣天气下安全操作的自主导航系统、安全可靠的船岸通信架构以及以人为中心的岸上监测站设计。

在开展这些活动的同时，海事组织于2005年发起了电子导航倡议。尽管开发完全无人驾驶的船舶超出了目前智能航行的范围，但两种努力之间有几个相似之处，因此MUNIN可能有助于优化智能航行解决方案的某些领域。该文件的基础是对智能航行的简短介绍、其确定的用户需求、差异和解决方案，以及对MUNIN项目、其架构和运行模式的概述。然后，本文详细概述了在MUNIN内部开发的解决方案如何解决已确定的用户需求，以及项目如何支持优化智能航行解决方案的开发。

1. 智能航行

电子导航是海事组织于2005年发起的一项倡议，旨在通过现代技术提高航行安全。电子导航项目的范围被界定为'通过电子手段统一收集、整合、交流、展示和分析船上和岸上的海洋信息，以加强泊位间导航和相关服务，促进海上安全和安保以及保护海洋环境'。智能航行预计在以下三个领域取得进展:

1）船载导航系统

2）岸上船舶交通信息管理

3）船对船、船对岸和岸对岸通信基础设施

因此，据指出，例如，船上导航系统可以受益于更好地集成自己的船舶传感器和标准用户界面，而岸上管理可以受益于无缝信息传输提供的更全面但易于理解的数据。从那时起，几个研究项目开始调查与优先问题有关的特殊问题，如ACCSEAS项目、MONALISA项目、AVANTI项目或EfficienSea项目等。然而，为了理解MUNIN的可能贡献，智能航行的过程必须在高层次上概括:

2.1确定用户需求

在智能航行过程的开始，用户需求被收集在一个世界范围的调查中。2009年，它们在提交给第五十五届航行安全会议的报告中提出。虽然整个调查详细调查了十多个问题，但下面仅提及与MUNIN项目相关的几个结果。

关于通信和岸上支持，除其他外，该报告概述说，高级船员们因过多的报告要求而感到偏离了他们的航行职责，这些要求应当统一，并应避免重复报告，以便有更多的时间用于航行任务，提高安全性。此外，高级船员们将赞成使用宽带卫星通信进行船岸通信，以保持重要安全通信的甚高频频道畅通。此外，大多数受访者还赞成沿海利益攸关方对海上交通进行更具战略性的协调。

关于船员的直接工作环境和导航显示，该报告除其他外概述了更少但更相关和必要的信息的需求，这些信息应以更简单和更直观的方式呈现。这将有助于避免信息过载到船员身上，并且仍然确保在任何情况下保持高度的情景意识。此外，一个新的中央警报管理系统，包括优先级问题，已被与会者作为一个理想的工具。

2.2差异分析的结果

继续这项工作，在智能航行倡议内进行了详细的差异分析，以确定目前的状况，确定与预期状况的差异，并找到实现这一状况的手段。结果已最终确定并提交给2012年第五十八届航行安全会议(海事组织航行安全会议，2012年)。它包含一个列表，将用户差异分为不同的操作领域，并提出了在操作、技术、监管和培训领域需要解决的智能航行解决方案。除其他外，这包括以下确定的差异:

通信和信息

∘ 缺乏量化可靠性参数的评估程序(例如，电子定位系统的具体评估)；

∘ 缺乏提供量化可靠性信息的自动评估功能；

∘ 数据/语音通信的可靠性不足；

∘ 海事组织标准海洋通信短语使用不足；

∘ 缺乏良好的人机界面的沟通手段；

∘ 船岸带宽限制；

船舶操作

∘ 缺乏有效和统一的手段来评估所显示信息的准确性和合理性

∘ 缺乏量化可靠性参数的评估程序(例如，电子定位系统的具体评估)；

∘ 导航显示器上缺乏操纵信息/数据(机舱电报)；

∘ 观察通道计划的功能操作缺乏标准化。用户要求对所提供的功能级别和操作方式进行标准化；

∘ 自动识别系统数据不准确；

岸上服务

∘ 缺乏统一的领域意识表现，以提高盟军和其他支援服务的态势意识；

∘ 没有使用能够管理增加的信息量的流量监控工具；

∘ 缺乏程序，使岸基当局能够监测船上导航系统的质量以及信息质量和通信的有效性；

2.3优先的智能航行解决方案

由于建议的解决方案数量很多，因此需要进一步分析风险和成本效益比，以确定初始解决方案的优先级。因此，目的不是限制智能航行的范围，而是在第一个实施阶段从最有希望的解决方案开始。基于这一结果，第五十九届航行安全会议决定优先考虑以下五个主要解决方案(海事组织航行安全，2013年):

S1:改进、协调和用户友好的驾驶台设计，

S2:标准化和自动化报告的手段，

S3:提高驾驶台设备和导航信息的可靠性、回弹性和完整性，

S4:通过通信设备接收的图形显示中可用信息的集成和显示，

S9:改善VTS服务组的通信。

可以看出，大多数解决方案都提到了改善包括岸上用户在内的每个利益相关方之间沟通的问题，因为这是已确定的主要差异之一。

1. 经济模式

旨在开发无人驾驶和自主船舶操纵的概念，MUNIN是一个由欧洲委员会第七框架计划资助的研究项目，对无人驾驶船舶进行技术、法律和经济可行性研究。它的基本假设是“无人驾驶船舶系统可以在洲际航行中自主航行，至少和有人驾驶船舶一样安全有效”。这应在项目中借助集成模拟环境进行测试，以便进行实时概念测试。 虽然这个名字是网络信息中海上无人驾驶航行的首字母缩略词，但它也指的是古挪威神话中的一个角色。穆尼，意为记忆或头脑，是奥丁神的乌鸦之一，白天独立飞行于世界各地，晚上将收集到的东西分发给主人。像乌鸦一样，无人驾驶的船将会自动环游世界，但会安全返回港口。

3.1 MUNIN的愿景和理念

开发无人驾驶和自动驾驶船舶的基本动机是为了实现更可持续的海上运输业的目标。由于全球运输中很大一部分是通过海运进行的，这可能被认为是当今全球经济的主要驱动力之一。 目前，航运公司之间的激烈竞争给海运各方带来了巨大的经济压力。与此同时，国际立法越来越多地要求减少船舶的生态影响。这种降低成本和减少排放的迫切需要让航运公司得出结论，减速措施可能是应对当前挑战的解决方案的一部分。然而，这具有增加航行时间的不利附加效果，因此对航海人员产生了更高的需求。尽管缺乏合格的船长、高级船员、轮机员甚至是评级，但大多数团体都认为，从长远来看，这些将会出现实际短缺，尤其是在欧洲，在一定程度上被当前的航运危机所掩盖。

无人驾驶和自动驾驶船舶的发展代表了应对海运行业三大挑战的综合解决方案:

1) 尽可能降低运营费用，以促进高效的国际贸易，

2) 减少环境影响和温室气体排放

3) 去除琐碎的操作任务，让船员从事更高要求和更有趣的工作，以吸引和留住航海专业人员。

虽然慢速航行会降低燃料成本和温室气体排放，但由于航行时间较长，成本会更高，这反过来又会影响船员成本、船舶租金以及技术故障和相关停租罚款的可能性。除了租船，自动驾驶船舶将解决另外两个问题:船员成本被消除，必要的可靠性增强将大部分避免停租。第三，它也将为水手们打开新的专业视角。这一概念设想的是高度合格的岸基职位，而不是几个月不在家的情况。 据此，自主船只被描述为装备有“模块化控制系统和通信技术以实现无线监控和控制，包括先进的决策支持系统和远程自主操作能力”的船舶。在MUNIN中调查的用例是一艘在洲际贸易中运营的干散货船。这种类型的贸易对MUNIN概念具有很大的吸引力，因为额外的货物管理要求很低，对降速措施的吸引力很大，干散货船通常从一点到另一点运输货物，与集装箱船等其他船只相比，导致长时间不间断的深海航行。这是一个重要的特征，因为船舶不会无人驾驶地从一个泊位到另一个泊位，而是从(深海)引航点到(深海)引航点。在进港、靠泊和离泊期间，船员仍将在船上，并将熟练地操纵船舶，即便MUNIN的先进技术可能对他们有所帮助。在(深海)引航员点，该船上控制小组将与引航员一起被接起，控制权将移交给船上自主导航系统，该系统按照预定的航行计划自主操纵船舶。然后，一个新的实体，岸基控制中心，将不断监测和控制自主操作，甚至可能在特殊情况下接管直接遥控。

3.2 MUNIN结构

尽管今天的船舶已经高度自动化，但是一些新的系统和进一步的集成努力对于在MUNIN环境中实现无人和自主操作是必要的，例如，增强船上值班人员的认知任务，并弥补船舶和物理上不相连的监控人员之间的差距。然而，某些地区的卫星带宽有限，通信成本高，使得直接和带宽密集型遥控解决方案缺乏吸引力。因此，MUNIN提出了一个概念，即船舶通过船上的新系统在一定范围内自主运行。超出规定限值的监控功能由岸上控制中心的操作员执行。根据Bruhn等人2013年对当今流程的详细任务分析，MUNIN概念定义了以下系统和实体(另见图1中的气泡):

1）高级传感器模块，通过不断融合现有导航系统(如雷达和自动识别系统)的传感器数据，结合现代日光和红外摄像机，完成船上的了望任务；

2）自主导航系统，该系统遵循预先定义的航行计划，但具有一定的自由度，可以根据立法和良好的航海技术自主调整路线，例如，由于出现碰撞情况或重大天气变化；

3）自主发动机和监控控制系统，该系统在保持最佳效率的同时，丰富了船舶发动机自动化系统的某些故障预测功能，并且还负责额外安装的作为方向舵和推进冗余的泵式喷射器；

4）海岸控制中心，由熟练的航海人员和轮机员持续监测和控制自主操作的船舶；

图1：MUNIN的愿景

因此，后者代表技术控制回路中的人为因素。其中包括某些职位:

1) 海岸控制中心操作员，他从桌面隔间站同时监控几艘自主船只的船只操作，并通过给出高级命令(如更新航行计划或自主系统的操作范围)来控制船只；

2) 海岸控制中心工程师，在出现技术问题时协助操作员，并负责基于状态的维护系统的船舶维护计划，确保技术系统对于下一次自主航行的足够可靠性；

3) 海岸控制中心情报室小组，在某些情况下，该小组可以通过无人驾驶船桥的海岸边复制品接管对一艘船的直接远程控制，该复制品包括远程操纵支持系统，该系统确保直接控制中的适当情况意识，而不管船员和船之间的物理距离；

对于船载系统，选择了冗余架构。这种架构方法一方面确保船只总是由岸上的人监控，例如通过定义自治系统的操作限制。另一方面，这些操作限制和自主系统的结合也使运营商的负载最小化，从而允许一个运营商监控多艘船舶，同时降低通信要求和成本，因为即使只有低容量的L波段信道可用，受限远程控制仍然是可能的。此外，MUNIN在船舶上安装自动操作系统的方法也有助于在船上实施故障安全功能，这确保了在可能的通信中断期间航行和操纵的安全。

3.3 MUNIN的操作模式

运行时，无人驾驶船舶的模式可分为五种不同的状态(另见图2):

1) 有人操作，

2) 自主执行，

3) 自主解决问题，

4) 远程操作

5) 故障安全。

图2：MUNIN的操作模式

因此，有人操作代表船由船上的正常船员操纵的模式，例如在靠泊和靠近期间就是这种情况。当船员离开船时，船的状态切换到自主执行，船上的自主系统不断测量船的状况并观察环境，以确定船是否仍能遵循预定的航行计划。此外，它为海岸控制中心提供定期数据更新，使其能够在必要的情况下执行监测任务。如果需要在船舶规定的操作自由范围内进行偏离，船舶将变为自主控制，在这种情况下，它可以自行改变航行计划以确保安全，例如，由于交叉船舶或天气条件的变化。基于海岸

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