隨著智能技術(shù)的發(fā)展，大家意識(shí)到，研究智能船必將是未來(lái)的大勢(shì)所趨。自2012年起，國(guó)內(nèi)外船舶智能化、無(wú)人化的研究開始提速。然而，各國(guó)在具體的研究方向和路徑、技術(shù)路線和方法以及應(yīng)用場(chǎng)景等方面，也各不相同。但隨著行業(yè)探索和研究步伐的深入，智能船舶研究路徑猶如那條隱藏在海水下的連接陸地與海島筆架山的“神路”，盡管還未清晰展現(xiàn)出其真實(shí)面貌，但已若隱若現(xiàn)。離潮水褪盡的那天，已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

提升經(jīng)濟(jì)性是前提

近年來(lái)，船舶的智能化研究駛?cè)肟燔嚨溃晒輬?bào)頻頻。2017年12月，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司研制的全球首艘智能船舶“大智”號(hào)交付。2018年11月28日，瓦錫蘭無(wú)人船“Folgefonn”號(hào)渡輪成功完成岸到岸無(wú)人航行以及靠泊測(cè)試。2018年12月，全球無(wú)人船行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者羅羅公司和芬蘭國(guó)有渡輪運(yùn)營(yíng)商Finferries合作的全球首艘無(wú)人駕駛汽車渡輪“Falco”號(hào)試航成功。2019年12月，中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)旗下的全球首艘大型集裝箱智能船宣布正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。此外，由奧斯陸上市的挪威LPG運(yùn)輸公司與化肥集團(tuán)Yara International、船舶自動(dòng)化系統(tǒng)制造商Kongsberg聯(lián)合開發(fā)的全球首艘全電動(dòng)無(wú)人駕駛集裝箱船Yara Birkeland也將于2020年第二季度交付使用。

類似階段性成果還有很多，從中不難看出，各國(guó)對(duì)于智能船的技術(shù)研究正在從幾年前的摸著石頭過(guò)河朝著更加精準(zhǔn)的方向發(fā)展，大家對(duì)于智能船的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步精確化。但是，盡管目前關(guān)于智能船的研究得到了進(jìn)一步明確，技術(shù)上也有了質(zhì)的飛躍。但是，始終有一個(gè)最現(xiàn)實(shí)，也是大家最關(guān)心的問(wèn)題橫亙?cè)谥悄艽难邪l(fā)道路中間，始終未得到有效解決，那就是智能船的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

武漢理工大學(xué)馬楓博士表示：“船舶智能化的研發(fā)遭受了機(jī)械性思維的桎梏，總認(rèn)為所有環(huán)節(jié)都應(yīng)像齒輪一樣，一環(huán)套一環(huán)地向前發(fā)展，但實(shí)際情況不然。什么意思？例如，如果想要把船舶控制好，行業(yè)就認(rèn)為必須使動(dòng)力可控性、軌跡控制要達(dá)到100%。如果想要把避障做好，必須將感知做到100%沒錯(cuò)誤。如此一來(lái)，盡管船舶智能化了，但因此更改了船舶的動(dòng)力形式，加裝了大量昂貴的感知設(shè)備，本身的經(jīng)濟(jì)性就大幅拉低，甚至有可能會(huì)為企業(yè)帶去虧損。這樣做的結(jié)果只會(huì)使得研究方與市場(chǎng)形成互相逆合的狀態(tài)，這反而會(huì)阻礙齒輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。”

的確，船東最終還是要用效益說(shuō)話，如果成本問(wèn)題得不到有效解決，一切都是空談。如果智能的代價(jià)是燃油成本提高50%，維護(hù)成本提高100%，那么，減少那點(diǎn)人力成本并沒有實(shí)際意義。除開人力成本外，業(yè)界最關(guān)心的還有持續(xù)看漲的環(huán)保成本，如EEDI等相關(guān)規(guī)定。馬楓博士表示：“在當(dāng)前的減排壓力下，低速機(jī)加單機(jī)單槳，才是大型運(yùn)輸船的首選形式。當(dāng)前提供船舶自主控制方案的廠商，則普遍要求電力驅(qū)動(dòng)、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以降低控制難度。這兩者之間就出現(xiàn)了一個(gè)巨大的中間地帶，沒有人愿意到中間來(lái)。這就是為什么智能研究如此艱難。

船舶智能研究的困難，還在于門檻太高。相比于汽車平臺(tái)幾十萬(wàn)的成本，一艘船造價(jià)動(dòng)輒數(shù)千萬(wàn)甚至上億，試錯(cuò)成本過(guò)高，也讓行業(yè)探索相對(duì)保守。以智能航行的研發(fā)為例，想要尋找一艘大型船舶作為控制對(duì)象，涉及動(dòng)力、槳舵、電氣、法規(guī)、安全等方方面面，牽扯到很多設(shè)備供應(yīng)商、電氣協(xié)議、商務(wù)協(xié)調(diào)。事實(shí)上，幾乎沒有哪一個(gè)團(tuán)隊(duì)能單獨(dú)控制一條真實(shí)的大型貨船。這非常不利于行業(yè)的發(fā)展。所以我們行業(yè)實(shí)際上最需要的是把這個(gè)壁壘降下來(lái)，讓更多的團(tuán)隊(duì)有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的研發(fā)平臺(tái)，為船舶智能研發(fā)貢獻(xiàn)力量。”

在2019年上海海事展CCS智能船技術(shù)論壇上，武漢理工大學(xué)發(fā)布了最新的船舶智能操作系統(tǒng)平臺(tái)。據(jù)介紹，該平臺(tái)是世界上首個(gè)面向船舶智能的操作系統(tǒng)平臺(tái)，核心技術(shù)完全自主可控。該平臺(tái)基于中國(guó)工程院嚴(yán)新平院士“航行腦”系統(tǒng)理念打造，該系統(tǒng)建立了船舶底層電氣的兼容通訊模式；打造了導(dǎo)航感知數(shù)據(jù)的智能輔助協(xié)議；建立船舶完整的數(shù)字孿生對(duì)象，包括仿真和實(shí)體；建立了船舶研發(fā)智能的統(tǒng)一研發(fā)環(huán)境。有了這樣一個(gè)操作系統(tǒng)，智能船舶的軟件開發(fā)和工程部署就可以相對(duì)分離。船舶智能的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，就可專心使用PYTHON等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，不需再關(guān)心底層電氣如何運(yùn)行。這中間所有工作，由船舶智能操作系統(tǒng)平臺(tái)代勞。這樣，就能讓不同團(tuán)隊(duì)更好地協(xié)作，讓更多的研發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得更真實(shí)的研發(fā)資源，大幅提高效率。基于該平臺(tái)，武漢理工大學(xué)先行研發(fā)出了世界領(lǐng)先的船舶遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)（跨域遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)），可以使用公網(wǎng)鏈路實(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程駕駛，并在荷蘭、南京、上海等多地對(duì)武漢的實(shí)驗(yàn)船舶進(jìn)行了遠(yuǎn)程操控，打破了駕駛員必須在船上駕駛的邊界，為船員適任能力提升提供了新的解決方案。同時(shí)，武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)還展示了其內(nèi)河自主航行技術(shù)，該技術(shù)可以模擬人工操作，用極小的驅(qū)動(dòng)力操控一艘大質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)貨運(yùn)船，進(jìn)行自主航行、自引自靠。

馬楓博士表示：“我們的研究就是想告訴業(yè)界，傳統(tǒng)型線也能做到智能，傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)也能做到智能。當(dāng)然，這個(gè)有可能只有很內(nèi)行的人才能看出來(lái)。但我堅(jiān)持認(rèn)為，能夠幫企業(yè)省錢的智能才是業(yè)界所需的真智能，這樣的智能才是有實(shí)際意義的智能。”

探尋“小馬拉大車”的奧秘

“船舶經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，有一個(gè)很強(qiáng)的特點(diǎn)，就是它具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適用性和自持力。表現(xiàn)在哪里呢？俗話稱‘小馬拉大車’，用相對(duì)弱的動(dòng)力去推動(dòng)一艘巨大的船，如此，這艘船才可能創(chuàng)造效益。” 馬楓博士表示。

對(duì)于當(dāng)下的半自主、自主航行研究來(lái)說(shuō)，除了動(dòng)力弱，還必須面對(duì)通訊鏈路的可靠性問(wèn)題。目前而言，無(wú)論是4G網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星通訊都不太穩(wěn)定，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷線的情況，這種情況即使5G、低軌道衛(wèi)星技術(shù)來(lái)了，也不會(huì)有本質(zhì)性改善。因此，具備遠(yuǎn)程駕駛能力的船舶本身需要具有較強(qiáng)的自主性，不然這個(gè)船根本無(wú)法使用。換言之，我們的遠(yuǎn)程駕駛需要可用，就要用“隨時(shí)中斷的鏈路去實(shí)現(xiàn)小馬拉大車”。

舉個(gè)例子，我們開的私家車，功率大約是100千瓦，車重兩噸（實(shí)際約一噸多一點(diǎn)）。而在內(nèi)河里，200千瓦已經(jīng)可以推動(dòng)一艘大概300噸左右的船舶。“欠驅(qū)動(dòng)”是船的基本特色，也是船經(jīng)濟(jì)性的來(lái)源。馬楓博士解釋道：“正是因?yàn)榇暗馁|(zhì)量很大，但是動(dòng)力很小，所以表現(xiàn)出來(lái)的就是船舶很難開。船舶由于質(zhì)量大所以慣性大，想停停不住，想動(dòng)動(dòng)不起來(lái)，這也就是我們特別強(qiáng)調(diào)欠驅(qū)動(dòng)，或者叫低推動(dòng)力，超小推動(dòng)力。”

很多研究智能的團(tuán)隊(duì)，會(huì)選用無(wú)人艇或者海工船等大功率小噸位船做實(shí)驗(yàn)，例如康斯伯格選的就是海工船和拖輪。在馬楓博士看來(lái)，這是一個(gè)相對(duì)取巧的思路。因?yàn)楹９ご蛘咄陷喌膭?dòng)力很大，那么就意味著它的操控性很好，好控制就會(huì)很好做試驗(yàn)。“但如果你的船變大了，動(dòng)力變小了，操控性也會(huì)變差，感知-控制難度提升將呈指數(shù)級(jí)上升。例如，在一條10米的窄航道，操控小動(dòng)力的小型貨船，任何一個(gè)操作失誤都會(huì)造成碰撞，拉都拉不回來(lái)，容錯(cuò)率極低。其次，欠驅(qū)動(dòng)船舶，也很難靠泊。碼頭岸線有限，常規(guī)貨船要自主靠上去，且平平地靠上去是非常難的。業(yè)界很多人認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題是無(wú)解的，包括羅羅公司和瓦錫蘭也公開表示這個(gè)問(wèn)題根本解決不了，需要改變動(dòng)力形式。”

“而我們提出的方案就是想告訴業(yè)界，這個(gè)問(wèn)題是可以解決的。我們實(shí)驗(yàn)船的型線參考的是大型油輪，母型船是30萬(wàn)噸KVLCC，槳、舵、比例等等都和真實(shí)的貨船完全一樣。我們用大比例模型船實(shí)現(xiàn)狹窄航道的自主航行，就是告訴世界，低推重比，貨船的自主航行、自主避障、自主靠泊是可以實(shí)現(xiàn)的。回歸到本源來(lái)看，人的智能其實(shí)就是能在眾多的不確定性中做出準(zhǔn)確判斷。例如船長(zhǎng)并不準(zhǔn)確知道船的噸位，不知道船的運(yùn)動(dòng)模型，但他依然有能力靠上去。這就是人的智能推測(cè)能力，它能在一些不完備的信息上做決定。我們這艘船也一樣，不完備體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)不好控，感知不好做，我們把這種最新的人工智能用到船上，包括識(shí)別、系統(tǒng)辨識(shí)、模型預(yù)測(cè)等等，于是，大家便可看到這艘船可以自己開，自己靠，自己出港。”

據(jù)介紹，2020年末，武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)將把同樣的技術(shù)放到更大的船舶上做實(shí)驗(yàn)。該船為雙尾船，總長(zhǎng)28米，寬4.8米，型深3.2米，吃水2.4米，方形系數(shù)為0.86，航速22千米每小時(shí)，動(dòng)力形式為雙機(jī)雙槳雙舵，其型線推重比與運(yùn)河貨船完全一致，并且具備自主航行、自主離泊、自主靠泊、自主系泊、超低能耗、徹底零排放（低速）、超強(qiáng)通過(guò)能力的特色。這條船的順利推進(jìn)，將為船舶綠色自主航行時(shí)代的早日到來(lái)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

船舶智能研究需從封閉走向開放

實(shí)際上，智能早已存在于船舶行業(yè)，但為何一直發(fā)展緩慢，制約船舶智能化發(fā)展的技術(shù)瓶頸是什么？在馬楓博士看來(lái)，過(guò)高的行業(yè)壁壘，讓研究人員之間、研究人員與企業(yè)之間難以協(xié)作是根本原因。

參考其他領(lǐng)域，機(jī)器視覺智能的快速發(fā)展，得益于幾大互聯(lián)網(wǎng)公司，如微軟、臉書的推動(dòng)，他們將人臉或者其他目標(biāo)的圖像，標(biāo)注好放到網(wǎng)上平臺(tái)，供大家一起研究，從而推動(dòng)了機(jī)器視覺跨越式發(fā)展。大家的研究有了公共的平臺(tái)，效果好壞有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，互相之間也形成了良性競(jìng)爭(zhēng)，讓企業(yè)選擇也有了客觀的標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)初創(chuàng)公司在比拼視覺識(shí)別率、語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率，也讓這個(gè)行業(yè)有了長(zhǎng)足發(fā)展。我們船舶領(lǐng)域缺的就是這樣一個(gè)面向智能研發(fā)，統(tǒng)一的平臺(tái)、框架、數(shù)據(jù)集。

再回到產(chǎn)品本身，“軟件定義產(chǎn)品”也成為任何產(chǎn)品走向智能的必經(jīng)之路。今天，我們普遍認(rèn)為手機(jī)是當(dāng)下最智能的產(chǎn)品。而回望十幾年前，情況完全不同。當(dāng)時(shí)，各個(gè)品牌手機(jī)的系統(tǒng)各不相同，功能也千差萬(wàn)別，各有特色。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？正是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)各家都是分離狀態(tài)，各家干各家的活，軟件開發(fā)被各個(gè)手機(jī)廠所壟斷。而如今，隨著Android和iOS兩大生態(tài)的出現(xiàn)，情況不同了。手機(jī)生產(chǎn)商、軟件生產(chǎn)商產(chǎn)生了新的分工。手機(jī)生產(chǎn)商不再?zèng)Q定手機(jī)的功能，而是由軟件廠商決定。這樣的分工，進(jìn)一步加速了軟件行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，也讓手機(jī)從一個(gè)通訊工具，向更多應(yīng)用領(lǐng)域拓展，這是一個(gè)行業(yè)內(nèi)協(xié)作的成功案例。

馬楓博士表示：“這就反映出一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，智能化的發(fā)展需要有一個(gè)帶頭者將行業(yè)生態(tài)整合好，把平臺(tái)搭建好。我們的想法就是把船舶各環(huán)節(jié)的縱深打穿，做一個(gè)類似的平臺(tái)軟件。將智能研究的各個(gè)分支都以模塊形式放到平臺(tái)軟件上，平臺(tái)用戶需要什么中間件，直接下載使用即可，也可以將自己的算法提交給平臺(tái)，與其他用戶共享。我們團(tuán)隊(duì)目前研發(fā)的智能船舶操作系統(tǒng)平臺(tái)就是基于此。目前，平臺(tái)僅有智能航行部分的功能，還需要長(zhǎng)期的發(fā)展與完善，需要更多的合作者。希望明年能達(dá)到最終的效果，就是讓我們智能船的研究從封閉走向開放，如果能把所有東西全部打通，不僅可以提高行業(yè)智能研究的效率，減少重復(fù)勞動(dòng)。同時(shí)，還將對(duì)整個(gè)行業(yè)的智能化發(fā)展起到鯰魚效應(yīng)。”

顯然，這將形成一個(gè)新的智能業(yè)態(tài)，所有模塊都放在那里，如何拼裝、如何玩，由你自己決定，就好像玩智能LEGO一般。

“當(dāng)然，不可否認(rèn)的是，牽頭建立整合行業(yè)生態(tài)并不是一件容易的事，非常苦又不討好。但是，一旦這個(gè)平臺(tái)建立起來(lái)，將對(duì)行業(yè)的智能化發(fā)展有著極大的助推力。屆時(shí)，大家都專心研究自己的專業(yè)領(lǐng)域就可以了，而且，越專注某一領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)將做得越好。”馬楓博士坦言。

據(jù)了解，目前全球范圍內(nèi)，把智能研究平臺(tái)化做的最成功團(tuán)隊(duì)，當(dāng)屬美國(guó)的Open AI。它由Elon Musk、Peter Thiel、Infosys和亞馬遜等共同承諾捐贈(zèng)10億美元成立的，專門研究服務(wù)于人類的泛化人工智能。Open AI建立了世界最著名的“人工意識(shí)”的研究平臺(tái)GYM，里面包括了約28個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試場(chǎng)景，包括倒立擺、機(jī)械臂、人體骨骼等。GYM作為一個(gè)開源軟件，誰(shuí)都可以無(wú)償使用、無(wú)償下載。這讓全世界研究“人工意識(shí)”的團(tuán)隊(duì)，有了一個(gè)公平競(jìng)賽的場(chǎng)地，從而大幅度促進(jìn)了該研究的進(jìn)展。如今，我們看到的機(jī)器人“大狗”、仿生機(jī)器人等，都是從這個(gè)平臺(tái)上獲得了極大支持。

Open AI的GYM是一個(gè)純軟件仿真環(huán)境，可以基于它開發(fā)各種仿真環(huán)境，直接使用重力、摩擦、流體等各種難以建模的模型，還針對(duì)人體軀干、機(jī)械臂做了很多DEMO。值得一提的是，當(dāng)前“人工意識(shí)”研究，普遍依靠增強(qiáng)學(xué)習(xí)反復(fù)嘗試來(lái)獲取經(jīng)驗(yàn)。所以，在實(shí)際控制對(duì)象上訓(xùn)練意識(shí)幾乎不可能。所以O(shè)pen AI提供的GYM環(huán)境，給增強(qiáng)學(xué)習(xí)提供了一個(gè)“仿真訓(xùn)練”環(huán)境。可以說(shuō)，GYM已經(jīng)成為當(dāng)下“人工意識(shí)”、增強(qiáng)學(xué)習(xí)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

然而，GYM屬于純軟件，目前并未與實(shí)體形成互相聯(lián)動(dòng)。其特點(diǎn)是大而全，包羅萬(wàn)象。也正因?yàn)榇耍湓诰唧w的小場(chǎng)景上并不深入。例如，GYM對(duì)船舶的支持就很差，沒有專門支持船舶的模型和仿真環(huán)境。“因此，未來(lái)我們的平臺(tái)，將成為一個(gè)船舶版的GYM，比現(xiàn)在Open AI的GYM還要強(qiáng)大。”據(jù)馬楓博士介紹，他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，正在“船舶智能操作系統(tǒng)平臺(tái)”的基礎(chǔ)上打造“航行腦虛實(shí)融合測(cè)試平臺(tái)（PALLAS）”。該平臺(tái)，從目標(biāo)上與GYM有類似的地方，區(qū)別在于該軟件是個(gè)一專門面向船舶的環(huán)境，內(nèi)置了船舶運(yùn)動(dòng)模型、航行規(guī)則、船舶型線、航行環(huán)境、風(fēng)浪流耦合模型等。同時(shí)，該平臺(tái)將是一個(gè)可以與實(shí)際數(shù)據(jù)形成聯(lián)動(dòng)的環(huán)境，這也是GYM沒有做到的。目前，馬楓博士的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在南京、舟山等地建立了多個(gè)實(shí)體數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，并把收真實(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送到了云端。PALLAS一旦運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，便可以直接與實(shí)體數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。

“行業(yè)有分工，大學(xué)的本質(zhì)工作在于研究與教育，所以我們更關(guān)注的是研究領(lǐng)域，我們所做的試驗(yàn)僅限于技術(shù)驗(yàn)證。我們所研究出的技術(shù)或產(chǎn)品需要孵化平臺(tái)、轉(zhuǎn)換平臺(tái)才可走向商業(yè)化，走向市場(chǎng)。而這些則需要船級(jí)社和其他業(yè)內(nèi)企業(yè)或組織去進(jìn)一步推進(jìn)和完善。那么，誰(shuí)有能力來(lái)做這個(gè)事情呢？大家想想，Android是由谷歌牽頭，因?yàn)楣雀柙谀莻€(gè)行業(yè)里具有絕對(duì)的影響力。我們是大學(xué)，自然是沒有可以比擬谷歌的影響力，但中國(guó)船級(jí)社可以擔(dān)當(dāng)類似的角色。我們很高興中國(guó)船級(jí)社成立了科創(chuàng)中心，我們可以依托中國(guó)船級(jí)社這個(gè)平臺(tái)，把這個(gè)愿景做成船舶行業(yè)的一個(gè)規(guī)劃。2020年，我們希望與中國(guó)船級(jí)社等伙伴一起合作，將該操作系統(tǒng)和測(cè)試平臺(tái)進(jìn)一步規(guī)范化、開放化、云端化，為更多組織機(jī)構(gòu)服務(wù)。團(tuán)隊(duì)期待與業(yè)內(nèi)外其他團(tuán)隊(duì)合作，共同推進(jìn)船舶智能的發(fā)展。”