全球第一艘无人自主船成功跨越大西洋_黄民雄.pdf

NAVIGATION航海5全球第一艘无人自主船成功跨越大西洋全球第一艘无人自主船成功跨越大西洋文/上海港引航站 黄民雄 张 珂 邵军华 陆悦铭图 1 自主航行中的“五月花 400”号备受关注的全球第一艘无人自主航行船“五月花 400”（MAYFLOWER 400）号（见图 1），2022 年 4 月 27 日从英国普利茅斯港启航，2022 年 6 月 30 日抵达美国马萨诸塞州的普利茅斯港外，完成了历史性的横跨大西洋的壮举。一、制造全球首艘无人自主航行船的设想航海史上记载着“五月花”号跌宕起伏的横跨大西洋航程。英国三桅木质帆船“五月花”（MAYFLOWER）号，估计船长 27.4 33.5 m,船宽约 7.6 m，吃水约 3.35 m，排水量约 180 t，于 1615 年下水，归克里斯托弗琼斯(CHRIS-TOPHER JONES)船长所有。“五月花”号主要用于近海商业贸易，来往于英国、法国、挪威、德国、西班牙等欧洲国家之间。2020 年是“五月花”号抵达北美大陆 400 周年。早在2016 年，英国非营利海洋研究机构 ProMare 联合创始人法诺夫（Brett Phaneuf）先生（见图 2）参加了一个会议。法诺夫还是一家潜水集团有限责任公司的创始人和首席执行官，该公司设计和生产有人和无人水下航行器。在讨论如何纪念即将到来的“五月花”号越洋航行 400 周年时，有人建议建造一艘“五月花”号的复制品。法诺夫则认为，1957年英国已经建造了一艘仿制船，并用了 53 天时间航行到美国马萨诸塞州的普利茅斯，现在仍然停留在那里，因此不支持再建造一艘复制船。同时，他建议做一件大胆、勇敢和创新的事情为 21 世纪建造一艘无人驾驶、自动航行的船，即无人自主航行船，沿着当初的“五月花”号航线跨越大西洋。该船还可以在航行期间和为未来很长一段时间内进行重要的海洋科学研究，以唤起人们对“五月花”号跨越大西洋的开拓精神的回忆。无人自主航行船，顾名思义，就是船舶航行既没有船长和船员操控，也不接受远程遥控，一切靠本船自主感知、决策和行动。新造的“五月花”号船舷上书写了“MAYFLOWER 400”的船名，所以笔者在本文称其为“五月花 400”号。如果一艘自主航行的船需要加燃料，那么她的航行时间、距离、用处和可到达水域范围等就十分有限。因此，这艘未来的船只将利用来自太阳的能量转动螺旋桨和通过电池存储多余的能量；晚上，使用电池存储的能量；船上设置帆，便能够利用风力；还配有柴油发电机作为应急的后备动力源。图 3 法诺夫提出的无人自主航行概念船当法诺夫提出建造无人自主航行船概念（如图 3 所示）时，国 际 商 业 机 器 公 司（International Business Machines 图 2 法诺夫在“五月花 400”号的船舱中NAVIGATION航海6Science Compartment科普舱Corporation，简称 IBM）表示对此愿景很感兴趣，愿意担任首席技术和科学合作伙伴。1969 年，IBM 助美国国家航空与航天局首次登月，实现人类登月梦想。IBM 是全球最大的信息技术和业务解决方案公司之一，其自动化、人工智能（Artificial Intelligence，缩写为 AI）、强大的服务器、云和边缘计算技术可以为该船的“虚拟船长”提供“智慧”，以“指导”该船在海上安全航行进行实时决策。这位虚拟的船长，称其为“AI 船长”。IBM 气象公司的气象数据也来帮助 AI船长做出导航决策，以避开潜在的危险风暴等恶劣天气，即使在最恶劣的天气条件下仍能处于最佳航行状态。“五月花 400”号首先是一艘研究船，跨越大西洋仅仅是其任务之一，她还将在气象学、海洋学、生物学、海洋污染和海洋哺乳动物保护以及自主导航等领域进行持久的、开创性的研究，执行收集海洋数据、气象数据、帮助保护海洋未来的任务。英国费舍尔潘达（FISCHER PANDA）公司的电力驱动系统和发电机提供应急动力。包括英国普利茅斯大学、伯明翰大学、自主航行专家 MSubs 等跨越三大洲的 10 多个国家的 30多家组织积极参与该项目，并组建了“五月花 400”号团队。普利茅斯大学处于海洋和海洋研究的前沿，是全球微塑料研究的权威机构，它将收集和分析“五月花 400”号横渡大西洋时的水样，以掌握更多关于微塑料污染及来源、分布和潜在影响，全球变暖、海洋酸化进程的信息。研究还包括海洋哺乳动物监测、海平面测绘等项目。伯明翰大学负责在“五月花 400”号中使用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实技术。英国 VERIPOS 公司使用地球同步卫星提供高度可靠、厘米级精度的精确定位服务。利物浦大学、纽卡斯尔大学和普利茅斯海洋实验室等高校和研究机构也参与。铱星通信股份有限公司（IRIDIUM COMMUNICATIONS INC）和泰勒斯集团（THALES GROUP）为“五月花 400”号提供实时通信技术。惯性测量单元（IMU）为“五月花 400”号提供关键导航数据。在船上安装了一种可以收集海洋化学数据并提供即时自动分析的电子“舌头”，采集包括海水 pH 值和铁的浓度，以评估水质中的营养物质、盐度和化学成分，确定变化的环境如何影响浮游生物的生长。该船还配备了全息显微镜，用于计算和成像水中的颗粒，它可以作为一种检测微塑料和浮游生物的手段。安装的水听器可以捕捉并记录鲸鱼和海豚的声音，以衡量它们的种群、数量和分布。包括劳斯莱斯（ROLLS ROYCE）、霍尼韦尔（HONEYWELL）、ABB 集团和瓦锡兰（WARTSILA）等大型企业给予经济上的支持。2016 年 10 月起，“五月花 400”号团队开始设计，有多个设计初稿，图 4、图 5 是其中的 2 个版本。图 4 2017 年，设计的“五月花 400”号图 5 后期设计的“五月花 400”号担心船帆对“五月花 400”号雷达、摄像机等感知设备的影响，“五月花 400”号团队进行了提高雷达、摄像机等感知设备的高度和取消船帆的修改。二、“五月花 400”号的内部结构和自主航行原理船上安装了 50 多个感知设备，如雷达、GPS、气象、海拔高度和水深等的探测器，以及用于向 IBM 计算机视觉系统发送视觉信息的 6 个高清船载摄像头和 15 个分析数据的边缘计算设备等，如图 6 所示。图 6“五月花 400”号剖面图及主要设备布置NAVIGATION航海7技术人员可利用计算机系统识别包括货船、渔船、水中漂浮物等潜在的危险物；使用通过 IBM 计算机视觉技术生成的推理算法和模型，接受超过200多万张航海图像的学习、训练，能识别浮标、冰山、海洋垃圾、桥梁和其他危险物；对附近航行船舶使用相关的海事法规进行评估，生成指示“不安全”局面的风险，并给出遵守海事法规的操纵建议。AI 船长根据各方面的信息和建议，预测未来的变化，以确定如何避免危险，能够在霎那间作出关键的决策，包括指示船舶改变航向、速度等。同时，继续以 24 h/7 d 的方式全天候评估环境，验证所采取决策的正确性，必要时修改决策假设“五月花 400”号航行在公海上，但当前卫星连接暂时中断。此时，前方有 2 艘船舶发生碰撞，还有部分货物散落在海面上。“五月花 400”号 AI 船长将使用以下技术和流程来自动评估当前状况，并作出行动决策。首先是识别包括船舶、货物等障碍物并评估当前环境。“五月花 400”号的雷达检测到航行路径前方 2.5 n mile 处存在不同的水面以上障碍物；船载摄像头将视觉输入信息提供给 IBM 计算机视觉系统，通过与前期收集和保存的航海图像比对，视觉系统识别出该障碍物为：一艘货船、一艘渔船和未完全沉入水中的货物等；船舶自动识别系统（AIS）获取货船和渔船的船名、尺度、移动速度及航向、所载货物种类等信息；GPS 导航系统提供本船的当前位置、航速及航向、计划航线等信息；海图服务器提供其选定航线及附近水域包括水深、航标等地理空间信息；气象传感器提供当地当时天气数据，IBM 气象公司预测并提供所航行水域天气数据；姿态传感器根据随海浪波动起伏的变化评估当前的海况；回声测深仪提供实际水深测量数据；船舶管理系统提供本船电池电量、功耗、通信数据、科学有效载荷等运行数据。接着是评估、比较不同的船舶操纵方案。IBM 公司根据运营决策管理系统（Operational Decision Manager,ODM），按照1972年国际海上避碰规则以及国际海上人命安全公约等国际规定，也包括地方规则，对邻近的其他船舶进行风险评估，对“危险”的情况进行具体的提示和给出避让的建议；“五月花 400”号的 AI 船长对来自 ODM 的提示和建议、计算机视觉输入的信息、当前天气状况以及天气预报信息进行消化吸收，并对几种避险方案进行风险评估。最后是确定操纵方案，如采取转向或减速、转向和减速相结合、停船等措施，必要时还可启动发电机以增加航速，为避免意外航行危险采取最佳行动并对船舶操纵发出指令。由于船舶航行是一个不断变化的动态环境，AI 船长还将不断重新评估周围状况，并根据状况的变化，瞬时更新对“五月花400”号的操纵指令。最重要的是，AI船长能够和其他的附近船只进行语音通信，用甚高频无线电话来通报航向、航速等避让措施的改变。三、“五月花 400”号建造及下水为了这艘史无前例无人自主航行船的稳定性、降低空气阻力、确保太阳能面板浮出水面接受足够的阳光等，ProMare 公司最后确定将其设计成一艘由 3 个刚性船体组成的三体船，1 个主船体和 2 个用于船舶稳定的船体。2019 年10 月，波兰格但斯克的 Aluship Technology 造船公司被选为船体制造商，该造船公司以其制造铝合金船体和框架而闻名，此前曾为大型游艇和海上建筑物提供过铝合金和钢铝结构。该船还使用了可承受长期在海上航行冲击的复合材料，以减轻船体的质量，见图 7。图7“五月花400”号船体在波兰格但斯克的造船公司建造中2020 年 3 月 24 日，3 个船体建造完毕，作为公路运输的大件货物，启程前往英国普利茅斯。3 个船体运到英国普利茅斯后，立即开始合拢和雷达、摄像头等大量感知设备的安装及调试工作，于 2020 年 9 月 14 日使用轮式起重机将其送入普利茅斯湾中，见图 8。图 8“五月花 400”号进入普利茅斯湾由于无人自主航行船舶的技术太过复杂、为自动避碰设计的程序需要较长时间和受到新冠疫情的影响，英国原计划2020年9月16日启航的“五月花400”号只能是在这个日子举行命名仪式，横渡大西洋的计划被延迟，这是“五月花”号离开这座海洋城市400周年的纪念日。该船长15 m，宽6.2 m，重约4.5 t，可提供NAVIGATION航海8Science Compartment科普舱最大速度 20 kn 和平均速度 10 kn 的船速及搭载 700 kg 的实验器材放在研究舱中，跨越大西洋约需3周时间。在命名仪式上，一位政要将一瓶普利茅斯杜松子酒倒入水中，见图 9。图 9“五月花 400”号的命名仪式在美国那一边，原本有一个庆祝“五月花”号启程 400周年的活动，也因“五月花 400”号横渡大西洋的计划和新冠疫情的影响而取消。四、“五月花 400”号的“智慧”和海上测试在“五月花 400”号下水之前，“五月花 400”号团队的工作一刻都没有停歇。为了让“五月花 400”号在最短时间内抵达北美马萨诸塞州普利茅斯这一总体任务目标，还能遵循1972 年国际海上避碰规则国际海上人命安全公约等规定和地方规则而安全航行，“五月花 400”号团队在英国普利茅斯湾设置大量的摄像头，拍摄大量航海图像以及开源数据库来建立和训练该船的人工智能模型。该团队还使用 IBM Power AC922 进行机器学习；作为一个整体，还使用 IBM Powerai Vision 的计算机视觉技术，便于 AI 船长能够独立检测和分类船只、岛屿、浮标、鲸鱼和其他障碍物，还有陆地、残骸、防波堤和其他危险漂浮物等，以达到“五月花 400”号能够依据所处的环境及时识别风险、就本船和与周围物体的关系做出最佳的决策，然后在最短的时间内采取相应和正确的行动。AI 船长的测试首先在普利茅斯海洋实验室提供的载人船只“普利茅斯探索”（PLYMOUTH QUEST）号上进行，以评估其航行的完全自主性，并且进行了不断的修正和完善。“五月花 400”号船下水后，该团队立即开始对她进行了广泛的测试，首先在相关船舶的陪伴下，去指定海上测试水域，针对在“普利茅斯探索”号上测试过的 AI 船长，进行修正后，在“五月花 400”号进行测试；其次是测试其操纵性能，以正确获取船舶的转向、加速和减速数据，如使用不同舵角的新航向距离及旋回圈大小，加速和减速的冲程等，便于 AI 船长作出操纵决策时参考。最后是测试其完成相关科研任务的能力。五、一波三折的“五月花 400”号越洋航行“五月花 400”号通过半年多的海上试验及 AI 船长的不断修正和完善，越洋航行的时机成熟，ProMare 和 IBM决定实施越洋航行。2021 年 6 月 15 日 4：00，“五月花400”号离开普利茅斯港开始自主航行横渡大西洋。从英国普利茅斯到美国东海岸的马萨诸塞州普利茅斯的航程较靠近“泰坦尼克”号的沉没处，不过选择在这个季节越洋，不可能遇到任何冰山，天气也比较好。正常情况下，“五月花 400”号使用太阳能电池板从太阳汲取能量，一方面为螺旋桨旋转提供动力，多余的能量给电池充电，充电后的电池供晚上、阴天或太阳能提供的能量不足时使用。如果电池没有储存电能，又遇上晚上或阴天，只能是自动启动发电机以转动螺旋桨给电池充电。但是，6 月 17 日晚，“五月花 400”号的推进系统发生了故障，导致航行速度减慢。经过远程评估，认为没有人工干预是不可能修复的。于是，安排一艘支援船在 6 月 19日与“五月花 400”号会合，并在将其拖回。6 月 24 日，“五月花 400”号回到英国普利茅斯的干船坞中，最后确定是其发电机排气系统的柔性金属接头断裂引起的。在发电机排气系统的柔性金属接头断裂后，“五月花400”号只能完全依靠太阳能，而当时是晚上又遇到不良天气和波涛，意味着她储存的太阳能不够时，无法通过启动发电机来转动其螺旋桨和继续其航程，首次横渡大西洋受挫。不过，在 15 日到 19 日的 3 天时间里，“五月花 400”号以7 kn 的平均速度向西西南方向自主航行了 450 n mile，在这段航程中，AI 船长保持了良好的态势感知能力，展示了其正确评估局面、识别和避让危险物及正确处理的能力。“五月花 400”号接受了彻底的检查和修理，更换了相关设备；升级了边缘计算设备，以增加其处理能力；增加了太阳能电池板，以获取更多的太阳能。9 月 7 日，“五月花400”号重新下水，继续其海上测试和科研计划。根据IBM气象公司提供的气象数据，2022年4月27日5：30，“五月花 400”号从英国普利茅斯再次出发。但在其航程中又遇到了麻烦，航行了约 1 932 km 后的 5 月 6 日再次发生机械故障，不得不去在北大西洋中东部、葡萄牙管制的亚里斯亚群岛的奥尔塔进行检查和修理。发现是发电机与电池组的连接断开了，所以无法给电池充电和继续其航程。修复和等待了航路中两个严重低气压天气系统造成的恶劣天气后，于 5 月 20 日离开奥尔塔向目的地驶去。5 月 28 日，NAVIGATION航海9又发现“五月花 400”号的发电机启动器电池的充电电路有故障，与船上的导航计算机失去了联系，该船被迫转向加拿大新斯科舍省的哈利法克斯，作为最近的可行港口以解决故障。随后于 6 月 5 日进港，尽管没有到达目的地，但完成了跨越大西洋的自主航行，成为跨越大西洋自主航行船的第一艘。本航次用时 40 天。由于新冠疫情和机械故障问题，跨越大西洋的计划延误了近 2 年。六、“五月花 400”号抵达目的地在加拿大修复机械设备故障后的 6 月 27 日，“五月花400”号启航。6 月 30 日，“五月花 400”号航行至离美国马萨诸塞州的普利茅斯海岸约 20 n mile 处。按照美国海岸警卫队对无人船管理的规定，“五月花 400”号只能被拖进普利茅斯港，最后停靠在复制品“五月花”（MAYFLOWER）号的外侧（见图 10），完成了从英国普利茅斯到美国普利茅斯的自主航行和横跨大西洋的历史性壮举。图 10“五月花 400”号停靠在复制品“五月花”号的外侧现在的“五月花”号是“五月花”号的复制品。她是英国人经过详细的研究，制造的一艘尽可能和原船相近的帆船；是为纪念“五月花”号运送清教徒去开发北美的历史功绩而建并送给美国人的，于 1956 年 9 月 22 日下水。1957年 4 月 20 日，从英国普利茅斯起航，共有 33 名船员，也遭遇了猛烈的狂风；同年 6 月 13 日，抵达目的地。目前，她作为展览船和博物馆船停靠在普利茅斯，供游客参观。“五月花 400”号航程结束后，“五月花 400”号团队的科技工作者们立即开始检查船上航行的数据，以便深入研究 AI 船长的决策能力；研究通过不同传感器获取的数据并进行评估，必要时可调整和更新相关程序。“五月花 400”号团队并不认为已经掌握了所有答案，认为从这次跨越大西洋中学到很多东西。目前的“五月花 400”号在执行科学考察任务。七、自主航行船的未来目前来看，自主航行船将带来的直接效益是：因为可以减少船员，那么节省了船员成本和减少船员生病或受伤的风险；让人工智能系统担任“助理”，就是在驾引人员旁边增加“一双眼睛、两只耳朵”，可以时刻保持清醒和警觉，并且永不分心，以此降低人为错误带来的风险；因为减少船员住舱和其他生活空间，相应增加了装载货物的空间，为航运业创造了可持续发展的动力。“安全、绿色、低碳、智能、高效”是航运业发展的新趋势，见图 11、图 12。“五月花 400”号的成功越洋和进一步完善完全自主的人工智能系统及应用程序，将来会影响航运、石油和天然气、通信、安全和国防、科学考察、污染治理、渔业和水产养殖等多种行业，并促进它们发展。图 11 仅仅利用船帆的跨大西洋货船图 12 无人自主航行集装箱船“YARA BIRKELAND”号尽管 AI 船长能够引导“五月花 400”号跨越大西洋，但她仍受到机械问题的困扰，当船上没有任何人时，显然无法进行所需的机械设备修复。大连海事大学原校长吴兆麟教授告诉笔者：“五月花400 号无人自主航行船的实践证明，因为船舶在航行期间难免出现各种故障及问题，智能船舶的近阶段只能是减少船员而不能完全取代船员，还做不到完全自主。大势所趋，任重道远。”