全球第一艘无人自主船成功跨越大西洋_黄民雄.pdf
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1、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
2、,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
3、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 40
4、0”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 Compar
5、tment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。
6、“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
7、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
8、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
9、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 IB
10、M 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
11、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
12、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
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