無人駕駛船舶：人工智能+航運(yùn) 啟動智慧航運(yùn)的時代

技術(shù)已經(jīng)先行一步，接下來，隨著智能船舶控制系統(tǒng)，海洋、氣象、水文等智能識別技術(shù)的完善，以及相關(guān)法律法規(guī)的健全，無人駕駛船舶成為可能。而一旦無人駕駛船舶商業(yè)化運(yùn)行開啟，必將重新定義集裝箱運(yùn)輸業(yè)的參與主體和商業(yè)模式。

2020年上半年，受到新冠肺炎疫情影響，全球經(jīng)濟(jì)不振，但是集運(yùn)業(yè)卻迎來好光景，班輪公司業(yè)績逆勢增長。二季度，全球集運(yùn)業(yè)整體實(shí)現(xiàn)利潤27億美元。在智能化大潮下，航運(yùn)業(yè)與人工智能的有機(jī)融合，會積極、有效貢獻(xiàn)智慧航運(yùn)。

人工智能(Artificial Intelligence，AI)這一技術(shù)概念，雖然從目標(biāo)上來看是指研究和開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的科學(xué)，但是從實(shí)現(xiàn)路徑上來看，本質(zhì)是一種基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的機(jī)器化智能，是指一種讓智能機(jī)器以類似于人類智能的方式做出反應(yīng)的技術(shù)探索。這也就意味著，相關(guān)智能機(jī)器要具備語言識別、圖像識別、自然語言處理、專家系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)等與人類智能相關(guān)的能力，而信息化顯然是這些能力實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

人工智能當(dāng)下炙手可熱，已與諸多行業(yè)深度融合。航運(yùn)業(yè)可謂人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展中非常古老的行業(yè)，近年來凸顯出與人工智能的深入融合，通過全自動碼頭、智慧船舶配載、智能調(diào)度等各領(lǐng)域的應(yīng)用，以及未來可能朝著無人駕駛船舶、智能解決方案設(shè)計(jì)等趨勢，不斷從信息化到智能化演化發(fā)展。

全自動碼頭：自動運(yùn)輸設(shè)備和控制系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無人工介入的協(xié)同高效作業(yè)

全自動碼頭在全球各地均有涌現(xiàn)，技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。我國的上海洋山港、青島港、廣州港等港口也都在全自動碼頭建設(shè)中走在了世界前列。

以上海洋山港的出口集裝箱調(diào)運(yùn)為例，自動化碼頭的作業(yè)流程大致分為6個步驟：使用自動化軌道吊起重集裝箱、自動化軌道吊自動將集裝箱堆疊至集裝箱堆場、自動化軌道吊將集裝箱從堆場自動運(yùn)送至AGV(Automated Guided Vehicle，自動引導(dǎo)運(yùn)輸車)運(yùn)輸點(diǎn)、AGV將集裝箱運(yùn)送至岸橋起重點(diǎn)、岸橋起重、遠(yuǎn)程控制及調(diào)度中心將集裝箱起重運(yùn)至運(yùn)輸船。

在上述流程中，AGV起到了關(guān)鍵性中介作用，這是一種具備電磁或者光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移栽功能，不但可以自動規(guī)避障礙物，還可以做出減速、剎車或繞行等遭遇突發(fā)狀況的各種決策并規(guī)劃最優(yōu)駕駛線路。

AGV自動導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)技術(shù)是多元的，其中在業(yè)內(nèi)被廣泛采用的是磁釘定位導(dǎo)航系統(tǒng)。例如洋山港自動化碼頭四期工程中，就在地面埋設(shè)了61483顆螺釘，磁釘與磁釘之間就處于一種較為精確的定位狀態(tài)，再通過磁導(dǎo)航傳感器檢測磁釘?shù)拇判盘柤纯蓪?shí)現(xiàn)AGV的定位，此時可以依靠編碼器數(shù)等里程計(jì)量傳感器來計(jì)算位置，依靠陀螺等角度傳感器來確定方向角。

有了自動引導(dǎo)設(shè)備，全自動化碼頭作為一個龐大系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)作，還需要通過人工智能、運(yùn)籌學(xué)決策和系統(tǒng)工程理論來發(fā)展中央控制系統(tǒng)。上海洋山港的控制系統(tǒng)主要包含了全自動化碼頭智能生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)(TOS)與設(shè)備管理系統(tǒng)(ECS)，它們指揮著130臺AGV協(xié)同工作，共同發(fā)揮出最優(yōu)的效率。

自動運(yùn)輸載體之外，人工智能也滲透到了全自動化碼頭的各方面，解決了傳統(tǒng)碼頭作業(yè)中的難題，極大提高了自動效率。例如，在碼頭上，軌道吊從集卡車上抓取集裝箱時，如何安全高效地進(jìn)行全自動化交互作業(yè)，是全球港口一直未解決的行業(yè)難題。因?yàn)榧b箱與集卡車的拖盤鎖銷一旦沒有完全分離，軌道吊卸箱時容易造成集卡被吊起事故，存在安全隱患。青島港自動化碼頭團(tuán)隊(duì)則通過用人工智能、圖像識別等技術(shù)研發(fā)了機(jī)器視覺集卡防吊起系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集卡防吊起自動識別。這項(xiàng)新突破，讓自動化碼頭的全自動化范圍再次延展，從碼頭卸船作業(yè)一直延至陸側(cè)區(qū)域。這樣一來，碼頭收箱作業(yè)避免人工介入，進(jìn)一步提升了安全性，解決了行業(yè)難題。

除了已經(jīng)應(yīng)用的技術(shù)，全自動碼頭的發(fā)展也與相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步緊密結(jié)合。廣州港集團(tuán)就積極引入高新技術(shù)，與華為公司開展了戰(zhàn)略合作，著力結(jié)合5G技術(shù)打造“車路協(xié)同”平臺，優(yōu)化自動化碼頭的作業(yè)流程。華為已在廣州港等港口進(jìn)行有關(guān)聯(lián)合創(chuàng)新和測試，探索5G在港口陸地和海域等特殊場景的覆蓋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)港口遇險報警、輔助航行、智能理貨等業(yè)務(wù)運(yùn)用。

智能船舶配載：人工智能算法模擬配載員操作，實(shí)現(xiàn)自動配載過程

智能船舶配載通過人工智能技術(shù)和算法優(yōu)化，可以結(jié)合船舶箱量分布、箱型比例、掛靠港、貨物堆存、機(jī)械設(shè)備狀態(tài)、班輪航線、泊位、貨源等信息，自動完成最優(yōu)配載圖，實(shí)現(xiàn)貨物安全、高效裝船，有效提升船舶裝載效率。

目前較為尖端的基于學(xué)習(xí)導(dǎo)向的船舶智能配載技術(shù)采用了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，克服了大多數(shù)“抽象的配載策略無法用構(gòu)造式的人工規(guī)則來描述”這一問題。同時，在配載求解過程中也采用了智能算法，但是在算法的上層還構(gòu)造了一層工作流引擎用于快速調(diào)用配載特征庫進(jìn)行配載，從而大幅提升了配載求解的速度。

自動配載的效率約是人工配載效率的8~10倍。以裝船2000自然箱為例，自動配載的速度平均為15分鐘，人工配載則需要大約2~3小時。

此外，智能配載還能夠降低勞動強(qiáng)度、固化員工經(jīng)驗(yàn)、提高夜間配載質(zhì)量。針對超大型船舶，可大幅降低員工勞動強(qiáng)度，逐步使配載員從反復(fù)重復(fù)的操作者角色轉(zhuǎn)化成為規(guī)則的制定者。同時，通過計(jì)算機(jī)自動配載系統(tǒng)不斷地吸納與固化員工的配載作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，即可穩(wěn)步、有效地提高配載質(zhì)量。系統(tǒng)配載的另一特點(diǎn)即是配載質(zhì)量穩(wěn)定，計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算能力能夠有效避免人工因夜間疲勞導(dǎo)致的配載質(zhì)量下降等不良情況。

智能配載在諸多港口已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段。寧波港大榭集裝箱碼頭是國內(nèi)首個使用智能配載技術(shù)的集裝箱碼頭。截至2018年12月，應(yīng)用智能配載船舶(裝載量大于300集裝箱的船舶)千余艘次，其中，大型超大型船舶應(yīng)用率約占90%。該碼頭應(yīng)用智能配載技術(shù)的船舶平均單機(jī)效率比往年同期顯著提升，平均作業(yè)路數(shù)比往年同期有所減少。智能配載技術(shù)大幅提高了配載計(jì)劃的編制效率，1000集裝箱積載時間可以在10分鐘內(nèi)完成，公司吞吐量達(dá)300萬集裝箱時，計(jì)劃崗位人員編制仍保持不變，特別是針對短截關(guān)期狀況下的大型船舶，該技術(shù)可以平均將裝船作業(yè)開工時間提前3~4個小時，節(jié)能減排的同時顯著降低碼頭生產(chǎn)運(yùn)營成本。

上海港應(yīng)用智能配載技術(shù)后，由于配載決策所需時間顯著縮短，可先根據(jù)放關(guān)情況提前數(shù)小時進(jìn)行首次決策，靠泊前針對剩余出口箱進(jìn)行二次決策，且首次決策時間大幅延后，減少了首次決策后放關(guān)出口箱數(shù)量，提升了決策效率和決策水平。

無人駕駛船舶：技術(shù)已經(jīng)先行，商業(yè)運(yùn)行可以期待

無人駕駛船舶的發(fā)展盡管尚處于研究論證階段，但是，其未來的商業(yè)化運(yùn)營并非遙不可及。

全球首艘“無人集箱船”已于2017年9月29日下水測試，這艘名為“Yara Birkeland”號的船只由挪威康士伯海事(Kongsberg Maritime)和全球最大的化肥制造商——挪威Yara集團(tuán)合作研發(fā)設(shè)計(jì)。全電動模式可完全實(shí)現(xiàn)零排放，長80米、寬15米，能夠裝載120個20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，雖然載貨量很少，但該船的正式投入運(yùn)營將會成為全球航運(yùn)史上的一個巨大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。據(jù)報道，“Yara Birkeland”號利用自身安裝的全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)、攝像機(jī)和傳感器等，能夠在航道中實(shí)現(xiàn)避讓其他船舶，并在到達(dá)終點(diǎn)時實(shí)現(xiàn)自行?？?。

在世界其他地方，無人駕駛船舶的研發(fā)也在如火如荼地進(jìn)行著。2018年4月，丹麥航運(yùn)巨頭馬士基集團(tuán)和總部設(shè)在美國波士頓的Sea Machines Robotics公司展開合作，馬士基將在其新建造的一艘Winter Palace冰級集裝箱船上安裝計(jì)算機(jī)視覺、激光雷達(dá)(LIDAR)和感知軟件，Sea Machines Robotics公司的人工智能動力感知和態(tài)勢感知系統(tǒng)則將利用傳感器收集船舶周圍的環(huán)境信息，識別和跟蹤潛在的沖突并在操舵室內(nèi)顯示收集到的信息。馬士基因此成為世界上第一家在集裝箱船上試驗(yàn)人工智能(AI)動力感知和態(tài)勢感知技術(shù)的公司。

在2020年，IBM聯(lián)手海洋研究組織ProMare打造的“AI船長”也將掌舵無人駕駛船“五月花”號。“AI船長”可以使用攝像頭、人工智能和邊緣計(jì)算系統(tǒng)來安全地繞過周邊船舶、浮標(biāo)和其他預(yù)計(jì)會在航行期間遇到的海洋危險。

技術(shù)已經(jīng)先行一步，接下來，隨著智能船舶控制系統(tǒng)，海洋、氣象、水文等智能識別技術(shù)的完善，以及相關(guān)法律法規(guī)的健全，無人駕駛船舶成為可能。而一旦無人駕駛船舶商業(yè)化運(yùn)行開啟，必將重新定義集裝箱運(yùn)輸業(yè)的參與主體和商業(yè)模式。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)不斷裂變式發(fā)展的背景下，人工智能技術(shù)亦將不斷推動集裝箱運(yùn)輸業(yè)從信息化走向去中心化、走向系統(tǒng)分散化、走向智能化，其商業(yè)模式創(chuàng)新也將在技術(shù)浪潮中呈現(xiàn)出各個參與主體的數(shù)字化轉(zhuǎn)型而更加呈現(xiàn)出共生發(fā)展的模式，引領(lǐng)集裝箱運(yùn)輸業(yè)真正步入智能化新階段，以航運(yùn)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的搭建啟動智慧航運(yùn)的時代。(作者：綦曉光 ? 蘇京春 ? 陳慶佳)

關(guān)鍵詞： 人工智能+航運(yùn)