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International Journal of e-Navigation and Maritime Economy 1 (2014) 1 – 13

自主无人船及其对E航海的贡献

摘要：

虽然海事组织为了提高航行安全，老早就划定了航行项目的范围，目的是改进船和岸的合作。但是欧盟FP7项目成员MUNIN，另辟蹊径，开发了新概念，这个概念是针对于干散货船的，不用说他肯定和载人船一样安全，要不然我的展开就没意义了。E航海这个概念很注重人为因素对航运的影响，而MUNIN更针对无人船舶。所以文章的开始，你可能觉得两者很矛盾，但是他们都是为了航行过程更安全。在介绍完E航海和MUNIN观点之后，本文将用两个示例来演示MUNIN如何解决E航海的不足，和他如何解决了E航海的需求。所以，本文用MUNIN观点来展示，我是如何解决，优化，改进了E航海的难题的。

关键词：无人船、自主航行、E航海、海上安全

介绍：

无人驾驶运输系统在某些领域上已经成熟了，在海洋领域也是这样，再过上几年研究，如果无人驾驶运输船这种东西，一旦实现，就可以满足日益增长的海上大量运输需求，成为一个非常有潜力的运输体。引用自（Ruuml;rdseth 和 Burmeister，2012 年）。在欧盟内部，MUNIN项目（通过网络来海上无人导航），早就给远洋无人船开发了一个概念。就是船本身是自动航行的，而且允许他在一定的自由度内运动。但是必须被岸上监控站监控（摘自Ruuml;rdseth，2013年）。这个项目由以下组成：

1：实验预期的概念

2：评估法律可行性还有成本收益的分析。

在导航方面，MUNIN致力于开发高级的传感器系统来实现自动观察，结合避碰规则和恶劣天气的导航系统，从而架构安全可靠的船岸通信和陆上监测站。（来自Burmeister 2014年）。

在开展这些活动的同时，国际海事组织于2005年发起了 lsquo;E航海倡议rsquo;。尽管开发无人船超出了目前E航海的范围，但两者都有共同点，可是我因为研究的重点还是偏向E航海的，因此MUNIN大概率上会早早解决E航海的某些难题。来自（Burmeister and Roslash;dseth, 2014）。本文的介绍基线是沿着对E航海、用户需求、缺点和解决方案，以及 MUNIN 项目、其体系结构和运营模式的概述。然后，本文详细介绍了 MUNIN是如何满足用户需求的，以及我如何实施E航海方案的。

二. E航海

E航海是国际海事组织于2005年开始的一项倡议，旨在通过现代技术提高航行安全。E航海项目的范围被定义为lsquo;是指通过电子的方式，对船上、岸上的海事信息进行协调一致的收集、整合、交换、显示及分析，以增强船舶泊位到泊位的航行能力及其他相关服务，

提高海上安全和安保水平，并保护海洋环境rsquo;（国际海事组织，海上安全委员会2009年）。E航海在以下三个领域取得了进展：

bull;G 岸上导航系统，

*G 岸基船舶交通信息管理

bull;G 船对船、船对岸和岸对岸通信基础设施。

有明眼人一眼就看出来根本需求，船上导航系统擅长船舶传感器研究和标准用户界面的优化，岸上管理组织则需要获取不间断，而且准确的信息。自那时以来，若干研究项目早就针对各个需求展开了调查，例如ACCSEAS、MONALISA、AVANTI或EfficienSea。但是，为了让大家更好理解 MUNIN 可能做出的贡献，我必须在更深层次上阐述E航海过程。

2.1. 目标需求已经摸清

E航海进程开始阶段，用户需求是在一次世界范围的调查中收集的。2009年，第55届导航会议（国际海事组织航行安全分委会2009）的报告中就已经提出。虽然整个调查详细调查了十多个问题，但下文仅提及和我的课题相关的一些问题。

关于通信和岸上支援，报告简单说了一些情况，但由于报告要求过于繁琐，主管机关感觉这会分散驾驶员航行职责，所以要化繁为简，避免出现重复报告的情况，来让驾驶员有更多的时间精力用在航行任务，来提高安全性。此外，有些参会者鼓励使用卫星通信系统进行船岸通信，留出来甚高频频段用在重要的安全通信上。此外，大多数代表也赞成基站途经国家对海上交通进行经济效益方面的协调，毕竟经济上要合理（比如基站维护需要钱，适当收过路费之类）。

根据高级船员的工作环境和导航情况，报告简述了看起来小，实际上可能更相关，更必要的信息，我觉得这些信息最好简单直接地来展示。这将有助于避免折磨高级船员来处理大量信息，但无论如何，危险状况肯定要避免发生。此外，与会者还提到了一个新的中央警报管理系统，它能解决优先次序问题，我觉得这是个好的系统。

2.2. 差距分析结果

我们话题继续，我把lsquo;E航海倡议rsquo;和我的项目组进行了详细的差距分析，以确定我目前的研究状况，通过对比和预期的差距，我找出了解决办法。我们将最终确定结果提交给2012年第58届NAV会议（国际海事组织航行安全分委会2012）。它是用清单展开的，它将用户在不同方面的职务加以区分，并提出了在职务、技术、管理和培训领域需要解决的E航海解决方案。除此之外，这还包括以下不足：

o缺乏提供量化可靠性信息的自动评估功能；

o数据/语音通信的可靠性不够；

o未充分使用国际海事组织标准的海上通信用语（SMCP）；

o通信方式缺乏良好的人机界面；

o岸到船的带宽有限制；

ЬG船舶操作缺乏协调的手段来评估所示信息准确性和合理性；

o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）；

o导航显示器上缺乏操纵信息/数据（机舱电报）；

o遵循航道计划航行的功能操作缺乏标准化。用户对所提供的操作规范和操作方式要求是要具有标准化；

o AIS数据不够准确；

ЬG海岸服务

o缺乏统一的领域地区显示的提示，以提高其他国家和地区的来航关注度；

o没有使用能够让管理人员引起足够重视的水平/数量的交通监测工具；

o缺乏使岸上管理者能够监测航行质量的程序

o船上系统以及信息质量使得通信不可靠；

2.3 E航海优先要解决的问题

由于提出的解决方案数量很多，我进一步分析了这些方案的风险和成本效益比，以确定启动解决方案的优先次序。因此，我们的目标不是限制E航海的范围，而是首先在实施阶段，从最有可能解决的解决方案开始。根据这一共识，第59届航海会议决定优先考虑以下五个主要解决方案（国际海事组织2013）：

ЬG S1：改进、协调和高级驾驶员友好的驾驶台设计，

ЬG S2：采用标准化和自动化报告的方法，

ЬG S3：提高驾驶台设备和导航信息的可靠性、可恢复性和完整性，

ЬG S4：用通信系统提供的图形信息来提示哪些可用

ЬG S9：改进VTS服务组合的通信。

可以看出，大多数解决方案都提到改善驾驶台值班人员（包括岸上用户）之间的沟通问题，这就说明我们找对了差距，选对了目标。

III. 经济模型

MUNIN是由欧盟委员会第七个框架计划资助的一个研究项目，旨在开发无人驾驶和自主船舶操作的概念，为无人驾驶船舶进行技术、法律和经济可行性研究。它的基本概念是“无人驾驶船舶系统能够自主地进行洲际航行，至少与有人驾驶船舶一样安全有效”。我会在这个项目里，通过综合仿真环境进行测试，以便进行概念测试。

我起的这个名字是lsquo;通过网络智能进行海上无人驾驶导航rsquo;的缩写，它也确实提到了古挪威神话中的一个人物。MUNIN，意为记忆或心灵，是奥丁神的乌鸦之一，白天独立飞行于世界各地，晚上它把他收集的东西给他的主人。像乌鸦一样，无人驾驶的飞船将在世界各地自主航行，但将安全返回港口。

3.1.MUNIN的目标和基础理论

发展无人驾驶和自主船舶的基本动机是为了贡献给可持续的海运业。由于全球货运中很大一部分是通过海运进行的，因此我的理论很可能会被认为是当今全球经济的主要推动力之一。

目前，航运企业之间的激烈竞争给海运各方带来了很大的经济压力。同时，国际立法对减少船舶生态影响的要求越来越高，这就势必要你减少排放，降低成本。航运公司得出结论，慢速航行至少可以解决一部分难题。然而，这显然的操作，增加了航行时间，提高了海船人员需求。尽管缺乏合格的高级船员，甚至更缺少培训这方面的人，特别是在欧洲，问题被航运业不景气掩盖了，但大多数缔约国都认为，从长远来看，这个缺人的情况客观真实存在（波罗的海国际航运工会 2010）。

航运业以下三大挑战可以通过发展无人驾驶和智能船舶来实现：

ЬG尽可能降低运营费用，以促进高效的国际贸易，

ЬG减少环境影响和温室气体排放

ЬG取消琐碎的操作任务，释放船员能动性，从而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

虽然慢速航行将减少燃料成本和温室气体排放，但由于航行时间较长，这将导致更高的成本，进而影响船员成本、增加船舶租用费用、提高了技术故障的可能性，相应会提高停租惩罚的可能性。船若已经被包了，当我没说。

自主船舶将解决另外两个问题：一是船员成本可以清零，而且可靠性增强，二停租惩罚基本上会不复存在。第三，它也将为船员们打开新的专业视角。想象一下，让你当一个在岸上工作的高级操作员，而不是海上几个月不回家的人（Roslash;dseth 2012年）。

据此，智能船舶被描述为配备“模块化控制系统和通信技术以实现无线监控的船舶，包括拥有先进的决策支持系统和远程自主操作能力”摘自（Waterborne TP 2011）。MUNIN调查的使用案例是一艘在洲际贸易中运营的干散货船。这类贸易对MUNIN概念很匹配，因为货物管理要求很低，很多船会选择慢速航行，干散货船通常是把货物从一个地点运到另一个地点，与集装箱船等其他船舶相比，相对来说远洋航行时间较长。这是一个重要的特点，这对实验有好处。实验中船舶将不是在无人驾驶驾驶的情况下从一个泊位驶向另一个泊位，而是从（深海）某个起始点驶向（深海）结束点。在进、靠泊和离泊过程中，尽管mumin的先进技术可能会帮助他们，但仍会有一名船员在船上，并将和以前一样操作船只。在（深海）起始点，该船上控制小组将协同引航员，并将控制权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作船舶。让您想不到的是，一个新的实体大脑，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直接远程控制。

3.2. MUNIN组成结构

尽管目前船舶已经高度自动化，但仍需要一些新的系统和进一步的改进工作，以使无人驾驶和自主操作能够实际运营，例如，要船上值班人员增加操作任务，迎合船舶与千里之外的监测人员之间的操作步骤。摘自（Porate 2014年，Walther2014年）。然而，某些地区卫星带宽有限，通信成本高，使得直接的、带宽密集型的远程控制解决方案不允许实现。因此，MUNIN提出了一个概念，即船舶在一定范围内由船上的新系统自主操作。超出规定范围的监测和控制功能由岸上控制中心的操作员执行。根据Bruhn等人2013年对当今航行过程的详细任务分析，MUNIN概念定义了以下系统分支结构（另请参见图1参考图片）：

ЬG先进的传感器模块，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，执行船舶上的瞭望任务；

ЬG一种自动导航系统，它遵循预设的航行计划，但有一定的自由度，可根据要求调整航线，并具有良好的自主航行能力，比如，发生碰撞情况或重大天气变化的情况下；

ЬG一个自动的发动机和监控系统，它在保持最佳效率的同时，增加了船舶发动机自动化系统的故障预测功能，舵和额外安装的泵喷射如果出了毛病也能检测到；

ЬG海岸控制中心由熟练的航海高级船员和轮机员组成，职责是持续监测和控制自主船舶；

下面介绍的是技术控制回路中的人的职务和名称列表（来自Porata和Costa，2014年）：

ЬG岸控中心操作员，从一个地面操作站同时监控多艘自动船的船舶运行，并通过发出最新的航行计划，或者系统方面的最新高级命令来控制船舶；

ЬG岸控中心工程师，协助操作人员处理技术问题，并根据当前实际航行情况，维护系统，从而维护航行计划，航路计划，确保技术系统在下一次自主航行中可以信赖；

ЬG岸控中心监控小组，在某些情况下，相当于夺权驾驶室最高统治，让无人驾驶船直接被遥控，他就相当于一个远程操纵支持系统，确保时刻清醒来能够随时控制，不管岸上船员和船舶多远都得不掉链子；

对于加载系统，选择了多层架构（Roslash;dseth，2013）。这种架构（architecture）方法确保船舶一方面始终由岸上的人监控，例如通过已经写好的自主系统，来完成限制操作。另一方面，这些限制操作和自主系统的结合也使操作者的负荷最小化，从而允许一个操作者监视多艘船，同时降低通信要求和成本，即使只有低容量L波段信道可用，也差不多够用来实现远程操控了（Roslash;dseth，2013）。此外，MUNIN在船舶上安装自动操作系统这一操作，也有助于在船上实现故障自我排除功能，在通信中断期间，保证了航行和操作的安全（Roslash;dseth和Tjora，2014）。

3.3. MUNIN 操作模式

在运行时，无人驾驶船舶的模式可分为五种

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