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自主船舶的定义及其自主水平的界定

周翔宇 吴兆麟 王凤武 刘正江

周翔宇, 吴兆麟, 王凤武, 刘正江. 自主船舶的定义及其自主水平的界定[J]. 交通运输工程学报, 2019, 19(6): 149-162. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2019.06.014
引用本文: 周翔宇, 吴兆麟, 王凤武, 刘正江. 自主船舶的定义及其自主水平的界定[J]. 交通运输工程学报, 2019, 19(6): 149-162. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2019.06.014
ZHOU Xiang-yu, WU Zhao-lin, WANG Feng-wu, LIU Zheng-jiang. Definition of autonomous ship and its autonomy level[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2019, 19(6): 149-162. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2019.06.014
Citation: ZHOU Xiang-yu, WU Zhao-lin, WANG Feng-wu, LIU Zheng-jiang. Definition of autonomous ship and its autonomy level[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2019, 19(6): 149-162. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2019.06.014

自主船舶的定义及其自主水平的界定

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2019.06.014
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2018YFC0810402

详细信息
    作者简介:

    周翔宇(1992-), 男, 内蒙古通辽人, 大连海事大学工学博士研究生, 从事海上智能交通与航海安全保障研究

    刘正江(1959-), 男, 江苏如皋人, 大连海事大学教授, 工学博士

  • 中图分类号: U664.8

Definition of autonomous ship and its autonomy level

More Information
  • 摘要: 梳理了自主船舶的发展历程, 明确了自主船舶的定义, 规范了自主船舶的中英文表述, 基于船舶自主化演变路径, 分析了船舶自动化、智能化和自主化的关系; 总结了当前国际上6家权威机构提出的自主水平分级标准, 分析了其分级依据的实质与局限性; 以具体的任务情景为对象, 参考《STCW公约》有关海员适任标准中规定的7项职能, 提出了一种基于航海实践的自主水平分级方法, 依据不同的水域条件、操作复杂程度、独立于人的干预程度等因素确定任务情景等级, 并通过标定方程的计算结果确定船舶整体自主水平; 以2艘搭载自主航行技术的测试船舶为例, 对比了不同机构的自主水平分级结果。研究结果表明: 自主水平分级依据的关键在于能否独立于人的干预完成相应的任务或实现相应的功能, 而不是取决于船舶自动化水平或决策地点; 基于航海实践的自主水平分级方法能够更为客观地反映船舶的自主水平, 有效避免了由于单一功能的自主实现导致船舶整体自主水平认定不准确的弊端, 该方法科学、合理。

     

  • 图  1  船舶发展演变

    Figure  1.  Evolution of ship development

    图  2  LR与DMA自主水平分级标准的关系

    Figure  2.  Relationship between LR and DMA of autonomy level taxonomy

    图  3  自主水平分级依据

    Figure  3.  Taxonomy basis of autonomy levels

    图  4  自主船舶的发展路线

    Figure  4.  Development route of autonomous ships

    图  5  ALNP分级标准与自主船舶发展路线的关系

    Figure  5.  Relationship between taxonomy by ALNP and development route of autonomous ships

    图  6  “Folgefonn”号自动靠离泊试验

    Figure  6.  Autodocking test of Folgefonn Ferry

    图  7  “Falco”号自主航行试验

    Figure  7.  Autonomous navigation test of Falco Ferry

    图  8  “Falco”号渡轮航行路线

    Figure  8.  Navigation path of Falco Ferry

    表  1  自主船舶的定义

    Table  1.   Definitions of autonomous ship

    出处 时间 英文原文 中文译文
    MUNIN[10] 2012年 Next generation modular control systems and communications technology will enable wireless monitoring and control functions both on and offboard. These will include advanced decision support systems to provide a capability to operate ships remotely under semi or fully autonomous control. 下一代模块化控制系统和通信技术在船载或船外将实现无线监控和控制功能, 包括先进的决策系统以提供在半自主或全自主控制下远程操纵船舶的能力。
    Bertram[2] 2016年 An autonomous ship is a ship that “has systems based on automated software that may advice human operators, or at the highest level of autonomy replace human decision making and action”. 自主船舶是指“具有基于自动化软件的系统, 可以向操作人员提供建议或在最高自主等级中取代人的制定决策和采取行动”的船舶。
    ABS[20] 2016年 Marine vessel with sensors, automated navigation, propulsion and auxiliary systems, with the decision logic to follow mission plans, sense the environment, adjust mission execution for the environment, and operate without human intervention. 配备传感器、自动导航、推进和辅助系统的船舶, 并具备遵循任务计划、感知环境、根据环境调整任务执行且无需人为干预的决策逻辑。
    NFAS[21] 2017年 An autonomous ship is a ship, that has some level of automation and self-governance. 自主船舶是具有一定自动化和自治等级的船舶。
    BV[22] 2017年 Ship having the same capabilities as those of a smart ship and including autonomous systems capable of making decisions and performing actions with or without human in the loop. An autonomous ship may be manned with a reduced crew or unmanned with or without supervision. 自主船舶具有与智能船舶相同的能力, 并且包括在有人或无人的情况下能够制定决策并执行行动的自主系统。自主船舶可以实现减少船员配备、无人驾驶或无人监督。
    DMA[23] 2017年 Ships capable of providing—via automatic processes—decision-support or a possibility of taking over parts of or the entire human control and management of the ship, irrespective of whether the control is exerted from the ship or from somewhere else. 通过自动过程能够提供决策支持或可能接管的由部分或全部人员控制和管理的船舶, 而不论是从船上还是其他地方施加控制。
    IMO 2018年 Maritime autonomous surface ship (MASS) is defined as a ship which, to a varying degree, can operate independent of human interaction. 海上自主水面船舶被定义为在不同程度下, 可以独立于人的干预的船舶。
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    表  2  LR自主水平分级标准

    Table  2.   Taxonomy of autonomy levels by LR

    自主水平 描述
    AL0 手动(无自主功能): 所有行动和决策均由手动执行, 即船员控制船舶所有行动。
    AL1 船载决策支持: 控制人员执行所有在船操作, 但决策支持工具可以提供选项或以其他方式影响其选择的操作。
    AL2 船载或岸基决策支持: 控制人员执行所有在船操作, 但决策支持工具可以提供选项或以其他方式影响其选择的操作; 数据可以由船上或船外的系统提供。
    AL3 控制人员监督和授权执行: 由控制人员监督在船决策和行动的自主执行, 控制人员有权对高影响力决策进行干预; 数据可以由船上或船外的系统提供。
    AL4 控制人员监督执行并有权干预: 由控制人员监督所有决策和行动的自主执行; 控制人员有权对高影响力决策进行干预。
    AL5 受监督的自主: 由系统制定的决策和采取的行动很少受到监督或无监督。
    AL6 完全自主: 由系统制定的决策和采取的行动不会受到监督。
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    表  3  NFAS自主船舶分类

    Table  3.   Classification of autonomous ships by NFAS

    类别 描述
    AAB 船舶手动驾驶, 船员可以立即干预正在进行的活动。
    PUB 驾驶台无船员, 但船舶仅能在开阔水域或良好天气的情况下有限的时间运行; 船员在船, 遇到问题时可随时前往驾驶台。
    PUS 驾驶台无船员, 船舶可长时间运行, 如在深水航道航行, 或在进港、离港阶段, 由登船队登船或护卫船抵进以控制船舶。
    CUS 船舶专为全天候无人驾驶设计, 除非处于紧急情况, 否则船上无人被授权控制船舶。(注: 此阶段仍有可能有人在船, 如乘客或维修人员)
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    表  4  NFAS操作自主水平分级标准

    Table  4.   Taxonomy of operational autonomy levels by NFAS

    操作自主水平 描述
    决策支持 船员直接控制船舶操作, 并持续监督所有操作, 无自主功能。
    自动化 船舶具有更先进自动化系统, 无需人工干预即可完成某些预定操作, 如动力定位或自动靠离泊。自动操作遵循预编程序执行, 发生任何意外事件或事件已完成将请求人工干预。船员或岸基控制中心(Shore Control Centre, SCC)可随时直接或远程控制。
    受限自主 船舶在大多数情景可自主运行, 解决预定义选项的常见问题, 如避碰等。如果在限制范围内无法自主执行, 系统会请求人工干预。船员或SCC将保持持续监督, 并在系统请求时立即介入。
    完全自主 船舶自主处理所有情景, 将不存在船员和SCC。
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    表  5  NFAS自主水平分级标准

    Table  5.   Taxonomy of autonomy levels by NFAS

    自主水平 有人驾驶台 无人驾驶台(有船员在船) 无人驾驶台(无船员在船)
    AAB/PUB PUB PUS/CUS
    决策支持 直接控制(无自主) 远程控制 远程控制
    自动化 自动化驾驶台 自动化船舶 自动化控制
    受限自主 受限自主 受限自主
    完全自主 完全自主
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    表  6  DMA自主水平分级标准

    Table  6.   Taxonomy of autonomy levels by DMA

    自主等级 描述
    M 配备自动系统和辅助决策的手动操纵船舶
    R 有船员在船的远程控制船舶
    RU 无船员在船的远程控制船舶
    A 完全自主船舶
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    表  7  MASRWG自主水平分级标准

    Table  7.   Taxonomy of autonomy levels by MASRWG

    自主等级 描述
    0 载人: 船舶由船上操作人员控制。
    1 操作: 在操作控制下, 操作人员控制所有认知功能。操作人员通过无线电或电缆与无人驾驶船舶直接相连, 并制定所有决策, 指导和控制所有任务功能。
    2 决策: 在直接控制下, 无人驾驶船舶具有一定程度的推理和响应能力。系统可以感知环境、报告船舶状态, 并向操作人员提供行动建议, 但由操作人员授权决策。无人驾驶船舶仅能在命令或允许的情况下采取行动。
    3 委托: 无人驾驶船舶被授权执行某些功能。系统可以感知环境、报告船舶状态、定义行动和报告意图。在一定时间内, 操作人员可以否决系统的意图, 否则船舶将采取相应的行动。无人驾驶船舶具有自主决策的能力, 并与操作人员共享决策。
    4 监控: 无人驾驶船舶将感知环境、报告状态、制定决策、采取行动和报告行动, 操作人员可以对事件进行监控。
    5 自主: 无人驾驶船舶将感知环境、报告状态、制定决策、采取行动, 并在系统能力和限制的范围内提供最大程度的独立性和自我判断。船载系统在由其确定的情况下调用自主功能, 而无需通知其他的外部单位或操作人员。
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    表  8  BV自主水平分级标准

    Table  8.   Taxonomy of autonomy levels by BV

    自主等级 描述
    0 人工操作: 人工制定所有决策和控制所有功能。
    1 人工决策: 系统提供决策支持, 人工制定决策并采取行动。
    2 人工授权: 系统决策, 但需要人工授权执行。在一定时间内, 可以进行人工干预。
    3 人工监督: 系统无需等待人工授权即可决策、执行。但人员会被告知系统的决策和行动。
    4 完全自主: 系统无需通知控制人员即可进行决策、执行。仅在紧急情况下才会通知人员。
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    表  9  自主船舶任务情景

    Table  9.   Task scenarios of autonomous ships

    航行 货物装卸和积载 维护和修理 应急操作和应急处置
    自主导航 自主装卸 无线电/网络通信自主保持 设备和系统发生故障时的自主应急操作
    自主保持船舶姿态
    自主操纵 开敞水域
    受限水域
    软件自主维护
    港口水域
    避台操纵
    靠离泊
    自主避碰 两船避碰 不包括渔船、失控船和受限船 自主积载 硬件自主维护 发生海上事故时的自主应急处置
    仅包括充分配备AIS等船载设备的渔船、失控船和受限船
    包括未充分配备AIS等船载设备的渔船、失控船和受限船 软件自主维修
    多船避碰 不包括渔船、失控船和受限船
    仅包括充分配备AIS等船载设备的渔船、失控船和受限船
    包括未充分配备AIS等船载设备的渔船、失控船和受限船 硬件自主维修
    避免不协调的避碰行动
    背离规则的避碰行动
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    表  10  任务情景等级划分

    Table  10.   Classification for levels of task scenarios

    dij 1 2 3 4 5 6 7
    1 自主导航 自主操纵(开敞水域) 自主避碰(两船避碰, 不包括渔船、失控船和受限船) 无线电/网络通信自主保持 软件自主维护
    2 自主保持船舶姿态 自主操纵(受限水域) 自主操纵(港口水域) 自主避碰(两船避碰, 仅包括充分配备AIS等船载设备的渔船、失控船和受限船) 自主避碰(多船避碰, 不包括渔船、失控船和受限船) 自主积载 硬件自主维护
    3 自主操纵(避台操纵) 自主操纵(靠离泊) 自主避碰(两船避碰, 包括未充分配备AIS等船载设备的渔船、失控船和受限船) 自主避碰(多船避碰, 仅包括充分配备AIS等船载设备的渔船、失控船和受限船) 自主装卸 软件自主维修
    4 避免不协调的避碰行动 背离规则的避碰行动 自主避碰(多船避碰, 包括未充分配备AIS等船载设备的渔船、失控船和受限船) 硬件自主维修 设备和系统发生故障时的自主应急操作 发生海上事故时的自主应急处置
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    表  11  “Folgefonn”号自主水平分级结果

    Table  11.   Classification results for autonomy level of Folgefonn Ferry

    方法 ALNP LR NFAS DMA MASRWG BV IMO
    分级结果 M AL3 自动化驾驶台 M 0 2 M
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    表  12  “Falco”号渡轮自主水平分级结果

    Table  12.   Classification results for autonomy level of Falco Ferry

    方法 ALNP LR NFAS DMA MASRWG BV IMO
    分级结果 P AL4 受限自主 A 5 3 A
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  • 收稿日期:  2019-06-08
  • 刊出日期:  2019-12-25

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