航运业作为荷兰经济发展的支柱产业之一，从鹿特丹港到内陆地区约40%以上的运输是由内河船舶完成的。随着航运业自动化、数字化、智能化需求的不断攀升，荷兰许多组织和公司致力于以船舶自主航行技术为牵引，发展智能航运。为迎接这一挑战，行业迫切需要一种全新的组织运营模式来发展荷兰的近海和内河航运，包括船舶、港口和作业任务的自动化及其数字信息交互。2021年11月荷兰智能航运平台(Netherlands Forum Smart Shipping，SMASH)发布了智能航运路线图，提出了面向2030年荷兰智能航运发展愿景。
荷兰智能航运发展路线图总体介绍
数字革命正在从根本上改变航运，人工智能、数据支持的远程控制与自主操作逐步成为现实，目前国内外都在进行相关研究。为有效促进全荷兰范围的研究联系，在荷兰海事部门主导下，荷兰智能航运平台应运而生，将政府、公司、高校、研究所等机构聚集在一起，面向智能航运开展研究，增强荷兰在该领域的国际地位。2021年11月荷兰智能航运平台发布了智能航运路线图，描绘了智能航运技术的5种应用场景，分别是内河货船、内河渡船、近岸海船、远洋海船和无人船，同时提出了10个研发领域，如图1和图2所示，包括技能和行业认可、责任与保险、立法、通信与安全、技术实施和市场接受度、航道船闸和桥梁、港口、导航和制导、船舶内部系统、远程和岸基控制。
图1 荷兰智能航运发展的五大应用场景
图2 荷兰智能航运发展的十大研发领域
智能航运技术的应用场景及研发领域
目前由于船员数量短缺，亟需通过船舶自动化、智能化技术，减少船舶驾驶员配置。荷兰智能航运平台提出了面向2030年的智能航运发展愿景，涵盖技术实施与市场接受度、技能和行业认可、责任与保险、立法、通信与安全、港口、航道船闸与桥梁、船舶内部系统、远程与岸基控制和导航与制导等研发领域。预计到2030年，荷兰25%的船舶将达到IMO第3阶段和CCNR第4阶段。随着大量的智能化设备和船舶投入运营，法律法规的制定需要与技术的发展同步进行，荷兰需逐步确定智能船舶功能需求、岸基支持、与基础设施的信息交互等以确定相关水路法规体系。
面向荷兰智能航运2030发展愿景提出的五大应用场景，本文梳理了在迈向智能化的过程中不同研发领域要开展的研究工作。首先，在技能和行业认可方面，随着智能化设备与系统的研发与使用，从业人员和船员需学习新技能，包括智能航运系统的设计、建造以及智能船舶及其基础设施的操作。同时，智能水路运输将改变传统保险模式，损害赔偿的责任会发生变化，需开发新的保险模式。在立法工作方面，水上交通受各国家和国际立法的约束。智能航运发展模式下航运模式、航运参与者的行为方式都将发生很大变化，现有法规的编写并未考虑智能水路运输的特点，需要通过立法逐步完善。在通信与安全方面，因其需要与其他船舶以及岸上进行通信，且与传统船舶之间的通信方式不同，所以要实现智能运输，需要开发更加安全可靠的通信系统。
此外，在整个运输过程中，船舶如何安全进出港口是智能船舶的关键问题，需要与港务局确定船舶自主进出港操作或远程控制船舶的操作；运输中的船舶与通行航道、过往船闸以及桥梁构成交互关系，而如何获取这些航行场景的信息并做出决策、控制反馈还需要大量的研究和开发。其次，智能航行离不开导航和制导技术支持。导航的作用是确定船舶位置和运动并分析其周围环境，通过传感器建立态势感知；制导用于建立对环境的理解以及制定安全路线。智能航运的发展还依赖于船舶内部系统基础元器件与设备的智能化升级与安装，根据智能船舶辅助决策、自主控制等功能要求，全面提升船舶智能化水平。最后，在远程和岸基控制研发方面，大部分的智能航运任务需要岸基支持系统实现船舶的远程控制与监管，而这样的岸基支持系统在目前并不常见。综上，在内河货船、内河渡船、近岸海船、远洋海船、无人船等应用场景中开展以上领域的研究将对于实现智能航运有着不可或缺的作用。
面向智能航运研发领域的关键挑战
到2030年，荷兰计划实现智能航运常态化发展，越来越多的具备半自主功能(在部分航程实现自主导航，例如在VTS或限制区域外)、自主平台监视和控制。自动化的船舶在航行中使用各种传感器以及船载智能设备，辅以水路主管部门和其他船只的数据，获取航道信息、本船运动状态和周围视景影像，预测会遇态势并提供操纵建议给操作人员。大多数的船舶都配有智能预警系统，辅助船舶安全航行，部分航运船队在船员或者岸基控制中心的辅助下可以完成半自主航行。
预计到2030年现有船长和船员将基本退休，而新的航海从业人员涌入则相对滞后，人工劳动力市场将减少25%。但随着海上运输货物社会需求的逐渐增加，尽管航运业就业人数逐渐减少，智能航运仍可以保证到2030年运输更多的货物。智能航行发展是一个循序渐进的过程，具体地要实现2030年智能航运的发展愿景，本文根据不同研发领域总结目前荷兰面临的一些关键挑战。
在技能和行业认可方面，对岸基监控中心操作人员的技能提出新要求，要适应智能航运发展趋势与需求，对应调整优化相关院校专业教育结构，增加复合型、应用型人才培养，为加速智能航运发展提供人才保障。虽然自主航行可以提高效率和安全性，在一定程度上弥补劳动力短缺，并创造新的就业机会。然而，智能航行少人化的发展似乎是“机器”取代了“人”的工作，更多的是人们面临失业的风险，这同政府希望通过高新技术创造就业岗位的初衷相矛盾。作为水上公共交通投资的主体机构，船上工作岗位减少带来的行业风波是政府竭力避免的。
在技术实施和市场接受度方面，需要寻找早期的应用者，因为在现有法律法规框架下，即使船舶装载了自主航行系统，仍然不允许在没有船员的情况下进行操作。这样对于船东而言，并没有运营成本的优势。至少在短期内，所需的技术成本仍将超过节约的船员成本。在市场接受度方面可能还需要历经一段时间，特别是内河渡轮，荷兰国内的渡轮服务市场相对较小。这种有限的内部市场可能会成为荷兰自主系统开发的障碍，可能会使荷兰相对于欧洲其他地区处于不利地位。同时，如何赢得大家对自主船舶的信任也是一大关键问题，这个过程漫长且需要采取必要的措施来获得认可。
在船舶装备方面，需要确定其内部系统集成的功能要求，以及船-船、船-岸之间交互的功能需求。船舶内部系统需要数字化、机器可读并连接导航、制导系统以及远程控制系统。系统包括但不限于：动力管理、机载液压系统、系泊系统、方向舵控制和压载水管理系统。为了建立安全的自主运输系统，这些系统的功能要求和性能标准需要建立客观和一致的标准。
在基础设施方面，需要确定基础设施的功能需求以满足自主航行发展的需要，例如自主航行需要自动化系泊设施与数字化港口等，实现船舶智能化的最后一步就是实现船舶自动系泊，传统依靠系缆工人的系泊方式，工作强度大且效率低。因此，需要加快自动化系泊技术的发展，让智能航运的步伐再次向前迈进一步。港口数字化建设是一项系统性的工程，需要各港口不断加大数字化基础设施建设投入，推进数字化在港口经营决策、生产运营、安全监管的融合应用。这种数据服务的法律和商业框架尚未建立，谁负责数据的验证与准确性保证都是要解决的关键问题。
在导航和制导方面，为了建立一个安全的自主航行和船舶航道导航系统，需要对这些系统的功能要求和性能建立标准，系统行为将与人类操作的行为和碰撞规则进行比较。目前没有用于获得态势感知和态势理解的设备性能标准以及航行安全的量化标准，这些标准的制定将需要对自主导航系统进行测试、分析和研究。例如，在测试路线规划系统的时候，需要根据功能和性能要求进行开发和测试，然后作为监管和市场接受的先决条件。自主导航系统依靠传感器来建立对周围环境的态势感知，可能安装于本船或者他船甚至在岸端。此外，许多公司正在开发基于机器学习技术的碰撞检测和避碰系统，并在真实航行场景中进行测试，但尚未定义如何评估或证明这些系统的性能。为了确保市场和监管的接受度，需要确定新的方式验证这些系统的功能。
在远程与岸基控制方面，需要确定岸基驾控中心(Shore Control Center, SCC)的功能要求与其操作的连接性，自主航行船舶需要与岸基驾控中心进行交互，这些控制中心需要与智能船具有相同的标准，而SCC尚无明确标准化的岸控中心与交通管制当局和操作人员的交互(和数据交换标准)功能需求。数据等信息的交互依赖于通信网络的传输，但目前可用的海上通信解决方案(主要限于卫星通信)的带宽不足以满足岸基驾控中心的预期数据需求。为保障岸基驾控中心操作数据交互的需求，网络通信连接和连通性需要足够可靠，以承担从岸上到海上的导航控制。
在通信与安全方面，为了实现对船舶的远程监控，需要大幅提高船岸通信系统的功能、可靠性和网络安全性。首先，是明确这些系统的功能需求，而这些需求依赖于为导航和远程控制系统设置的功能需求。目前，通信和网络安全系统的性能标准已经由船级社编写，但船舶的位置和导航信息需要在可靠性、准确性和报告频率方面超越当前标准，实现这种标准更加依赖准确的船舶位置信息，而定位系统和导航信息交换的标准只能在国际上制定。与可靠和准确的船舶位置信息系统一样，数字化的船-船和船-岸通信需要将自主航行船舶集成到整个船舶交通系统中，因此通信协议需要在国际上标准化，以及网络安全需要从系统通信的角度来解决。目前开发的标准足以满足部分系统的连接性，但尚未集成到更广泛的船岸通信系统中进行测试。
在责任划分与保险方面，船舶从设计和建造再到运营的整个合同链上的责任不断变化，将需要针对于智能化航运设施新的保险产品。例如，目前的经营责任保险模式中，尽管船员/船长不再随时控制船舶的经营，但在很多情况下仍需要船长或船员的及时介入。在一定时期内，控制执行将由岸上操作员或人工智能系统完成，这些责任的划分需要重新定义并开发新的保险模式。
在海事立法方面，需在自主航行大规模商业应用之前，对相关法律法规进行修改。例如对于内河渡轮，确保乘客安全这一点必须在新的法律法规中得到保证。此外，任何关于自主航行船舶安全操作的规定都将包括对所用技术和设备的认证要求。此类要求及其测试制度需要根据技术开发而实现，之后才能将其纳入立法并建立验证计划。具体来说，在初始测试阶段，可以与船级社商定基于风险的个案分析，但对于更大规模的测试计划，需要有可以依据的标准来规定相应的安全水平。
对我国智能航运发展的借鉴意义
作为航运大国，我国正在积极推动智能航运的发展，理论研究以高校、船舶行业研究院所为主力军，严新平等基于国内外绿色智能航运发展现状与技术趋势，提出了新一代航运系统的定义和绿色化、智能化、韧性化的系统特征，明确了运输船舶组织运营“岸基驾控为主，船端值守为辅”的航运新业态，为船舶远程驾控技术的研究和应用奠定基础。近几年，国际海事组织和各大船级社相继提出了关于智能航行的等级划分，总体来看，主要分为5个等级，即无自主、辅助决策、授权控制、监督控制和完全自主航行。中国船级社也陆续发布了《自主货物运输船舶指南(2018)》《智能船舶规范(2020)》等规范和指南，定义了水面自主船舶的功能内涵，相比于2015版《智能船舶规范(2015)》，新版本增加了远程控制操作(R)和自主操作(A)功能。2019年5月，交通运输部等部门联合印发的《智能航运发展指导意见》，提出到2025年形成以充分智能化为特征新业态、形成高质量智能航运体系的战略目标，分五年、十五年的战略计划目标如图3所示。
图3 我国智能航运2020-2050发展战略目标
目前，国内对智能航行技术的研究主要围绕服务于船舶智能航行的人工智能系统，为其提供全航程支持、全周期规划和全周期维护，提高目标捕获的范围和精确度，增强船舶对于航行环境的感知，为驾驶员航行决策提供支撑，从而保证驾驶安全。总体来看，目前船舶自主航行仍处于起步阶段，远程遥控和自主航行仅在小型渡轮、拖轮、试验船、训练船上开展了应用探索与功能测试，而大型商船仍处于辅助决策阶段。
结合荷兰智能航运2030年发展愿景及其面临的关键挑战与我国智能航运目前的发展水平，提出未来我国智能航运的发展值得参考的以下几个方面：
1.完善智能航运架构体系与功能要求设定
开展智能航运架构体系研究，制定相应的行动计划，明确岸基、船端设施以及通信系统等的功能要求与准则，为各相关部门进行研发提供宏观指导。此外，还需出台补贴与科研投入等多种引导扶持政策。
2.加强智能航运技术创新
加快推进物联网、云计算、大数据、人工智能等高新技术在船舶、港口、航道、航行保障、安全监管以及运行服务等领域的创新应用，重点突破状态感知、认知推理、自主决策执行、信息交互、运行协同等关键技术,显著提升航运生产运行管理智能化水平。
3.提高通信与网络安全
通信与网络安全是船舶智能自主航行不可忽视的重要组成部分。随着船舶智能化的发展，船舶的通信导航系统、控制系统及基础设施间越来越多地通过网络实现互通。适应于智能航行的通信与网络有别于现有的通信设施，对通信与网络提出了更高效、更安全、更可靠的要求。
4.明确责任划分与保险
对于智能航运系统的开发到投入使用这一过程，需要清楚的划分责任，需要新的责任分配机制来运营和管理智能航运的业务风险。例如，目前尚不清楚软件供应商(或造船厂)在多大程度上可以对软件系统故障造成的间接损害承担责任。因此，随着智能设施和系统投入运营，保险公司需要提供量身定制的解决方案。
5.提高市场接受度
技术人员、运营商以及船厂已经开始研发船载智能化设备与信息交互系统。业务的紧迫性和市场接受度还需要几年的时间，尤其需要建立起客运船舶乘客们对于智能系统的信任，这是一个长期的过程，需要仔细的沟通与意识革新，也需要逐步建立起支撑保障措施。
6.进一步推进法规制定
智能航运的少人化、无人化作业对现有的针对有人作业的海事法规体系与内容提出了新的需求。针对智能航运的不同发展阶段分析智能航运生产作业模式，针对不同的作业模式分析存在的风险与相关的责任方，明确智能航运不同发展阶段对海事法规的需求，并逐步完善相应的立法工作。
7.加强智能航运人才培养
分析智能航运新业态下人才需求变化，以专业院校培养、国际联合培养、企业合作培养及人才再教育等方式加快智能航运核心人才培养，适应智能航运发展趋势与需求，培养一批熟悉并可规范操作智能系统与设施的专业人才。
