隨著(zhù)智能技術(shù)的發(fā)展，大家意識到，研究智能船必將是未來(lái)的大勢所趨。自2012年起，國內外船舶智能化、無(wú)人化的研究開(kāi)始提速。然而，各國在具體的研究方向和路徑、技術(shù)路線(xiàn)和方法以及應用場(chǎng)景等方面，也各不相同。但隨著(zhù)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”，盡管還未清晰展現出其真實(shí)面貌，但已若隱若現。離潮水褪盡的那天，已經(jīng)不遠了。
提升經(jīng)濟性是前提
近年來(lái)，船舶的智能化研究駛入快車(chē)道，成果捷報頻頻。2017年12月，中國船舶工業(yè)集團公司研制的全球首艘智能船舶“大智”號交付。2018年11月28日，瓦錫蘭無(wú)人船“Folgefonn”號渡輪成功完成岸到岸無(wú)人航行以及靠泊測試。2018年12月，全球無(wú)人船行業(yè)領(lǐng)導者羅羅公司和芬蘭國有渡輪運營(yíng)商Finferries合作的全球首艘無(wú)人駕駛汽車(chē)渡輪“Falco”號試航成功。2019年12月，中遠海運集團旗下的全球首艘大型集裝箱智能船宣布正式投入商業(yè)運營(yíng)。此外，由奧斯陸上市的挪威LPG運輸公司與化肥集團Yara International、船舶自動(dòng)化系統制造商Kongsberg聯(lián)合開(kāi)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(lèi)似階段性成果還有很多，從中不難看出，各國對于智能船的技術(shù)研究正在從幾年前的摸著(zhù)石頭過(guò)河朝著(zhù)更加精準的方向發(fā)展，大家對于智能船的認識進(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)最現實(shí)，也是大家最關(guān)心的問(wèn)題橫亙在智能船的研發(fā)道路中間，始終未得到有效解決，那就是智能船的經(jīng)濟性問(wèn)題。
武漢理工大學(xué)馬楓博士表示：“船舶智能化的研發(fā)遭受了機械性思維的桎梏，總認為所有環(huán)節都應像齒輪一樣，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)就認為必須使動(dòng)力可控性、軌跡控制要達到100%。如果想要把避障做好，必須將感知做到100%沒(méi)錯誤。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備，本身的經(jīng)濟性就大幅拉低，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 )阻礙齒輪的正常運轉?！?/p>
的確，船東最終還是要用效益說(shuō)話(huà)，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%，維護成本提高100%，那么，減少那點(diǎn)人力成本并沒(méi)有實(shí)際意義。除開(kāi)人力成本外，業(yè)界最關(guān)心的還有持續看漲的環(huán)保成本，如EEDI等相關(guān)規定。馬楓博士表示：“在當前的減排壓力下，低速機加單機單槳，才是大型運輸船的首選形式。當前提供船舶自主控制方案的廠(chǎng)商，則普遍要求電力驅動(dòng)、全回轉推進(jìn)器以降低控制難度。這兩者之間就出現了一個(gè)巨大的中間地帶，沒(méi)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(mén)檻太高。相比于汽車(chē)平臺幾十萬(wàn)的成本，一艘船造價(jià)動(dòng)輒數千萬(wàn)甚至上億，試錯成本過(guò)高，也讓行業(yè)探索相對保守。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象，涉及動(dòng)力、槳舵、電氣、法規、安全等方方面面，牽扯到很多設備供應商、電氣協(xié)議、商務(wù)協(xié)調。事實(shí)上，幾乎沒(méi)有哪一個(gè)團隊能單獨控制一條真實(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)，讓更多的團隊有一個(gè)相對統一的研發(fā)平臺，為船舶智能研發(fā)貢獻力量?！?/p>
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平臺。據介紹，該平臺是世界上首個(gè)面向船舶智能的操作系統平臺，核心技術(shù)完全自主可控。該平臺基于中國工程院嚴新平院士“航行腦”系統理念打造，該系統建立了船舶底層電氣的兼容通訊模式；打造了導航感知數據的智能輔助協(xié)議；建立船舶完整的數字孿生對象，包括仿真和實(shí)體；建立了船舶研發(fā)智能的統一研發(fā)環(huán)境。有了這樣一個(gè)操作系統，智能船舶的軟件開(kāi)發(fā)和工程部署就可以相對分離。船舶智能的研發(fā)團隊，就可專(zhuān)心使用PYTHON等高級語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不需再關(guān)心底層電氣如何運行。這中間所有工作，由船舶智能操作系統平臺代勞。這樣，就能讓不同團隊更好地協(xié)作，讓更多的研發(fā)團隊獲得更真實(shí)的研發(fā)資源，大幅提高效率?；谠撈脚_，武漢理工大學(xué)先行研發(fā)出了世界領(lǐng)先的船舶遠程駕駛技術(shù)（跨域遠程駕駛技術(shù)），可以使用公網(wǎng)鏈路實(shí)現船舶遠程駕駛，并在荷蘭、南京、上海等多地對武漢的實(shí)驗船舶進(jìn)行了遠程操控，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)團隊還展示了其內河自主航行技術(shù)，該技術(shù)可以模擬人工操作，用極小的驅動(dòng)力操控一艘大質(zhì)量的實(shí)驗貨運船，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，傳統型線(xiàn)也能做到智能，傳統動(dòng)力系統也能做到智能。當然，這個(gè)有可能只有很內行的人才能看出來(lái)。但我堅持認為，能夠幫企業(yè)省錢(qián)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?！?/p>
探尋“小馬拉大車(chē)”的奧秘
“船舶經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，有一個(gè)很強的特點(diǎn)，就是它具有較強的經(jīng)濟適用性和自持力。表現在哪里呢？俗話(huà)稱(chēng)‘小馬拉大車(chē)’，用相對弱的動(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。
對于當下的半自主、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 )或者衛星通訊都不太穩定，經(jīng)常會(huì )出現斷線(xiàn)的情況，這種情況即使5G、低軌道衛星技術(shù)來(lái)了，也不會(huì )有本質(zhì)性改善。因此，具備遠程駕駛能力的船舶本身需要具有較強的自主性，不然這個(gè)船根本無(wú)法使用。換言之，我們的遠程駕駛需要可用，就要用“隨時(shí)中斷的鏈路去實(shí)現小馬拉大車(chē)”。
舉個(gè)例子，我們開(kāi)的私家車(chē)，功率大約是100千瓦，車(chē)重兩噸（實(shí)際約一噸多一點(diǎn)）。而在內河里，200千瓦已經(jīng)可以推動(dòng)一艘大概300噸左右的船舶?！扒夫寗?dòng)”是船的基本特色，也是船經(jīng)濟性的來(lái)源。馬楓博士解釋道：“正是因為船舶的質(zhì)量很大，但是動(dòng)力很小，所以表現出來(lái)的就是船舶很難開(kāi)。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調欠驅動(dòng)，或者叫低推動(dòng)力，超小推動(dòng)力?！?/p>
很多研究智能的團隊，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，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)相對取巧的思路。因為海工船或者拖輪的動(dòng)力很大，那么就意味著(zhù)它的操控性很好，好控制就會(huì )很好做試驗?！暗绻愕拇兇罅?，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級上升。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)，容錯率極低。其次，欠驅動(dòng)船舶，也很難靠泊。碼頭岸線(xiàn)有限，常規貨船要自主靠上去，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(kāi)表示這個(gè)問(wèn)題根本解決不了，需要改變動(dòng)力形式?！?/p>
“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)驗船的型線(xiàn)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)現的?；貧w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確判斷。例如船長(cháng)并不準確知道船的噸位，不知道船的運動(dòng)模型，但他依然有能力靠上去。這就是人的智能推測能力，它能在一些不完備的信息上做決定。我們這艘船也一樣，不完備體現在驅動(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，包括識別、系統辨識、模型預測等等，于是，大家便可看到這艘船可以自己開(kāi)，自己靠，自己出港?！?/p>
據介紹，2020年末，武漢理工大學(xué)團隊將把同樣的技術(shù)放到更大的船舶上做實(shí)驗。該船為雙尾船，總長(cháng)28米，寬4.8米，型深3.2米，吃水2.4米，方形系數為0.86，航速22千米每小時(shí)，動(dòng)力形式為雙機雙槳雙舵，其型線(xiàn)推重比與運河貨船完全一致，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)奠定堅實(shí)基礎。
船舶智能研究需從封閉走向開(kāi)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，機器視覺(jué)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(shū)的推動(dòng)，他們將人臉或者其他目標的圖像，標注好放到網(wǎng)上平臺，供大家一起研究，從而推動(dòng)了機器視覺(jué)跨越式發(fā)展。大家的研究有了公共的平臺，效果好壞有了統一的標準，互相之間也形成了良性競爭，讓企業(yè)選擇也有了客觀(guān)的標準。各個(gè)初創(chuàng )公司在比拼視覺(jué)識別率、語(yǔ)音識別準確率，也讓這個(gè)行業(yè)有了長(cháng)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)，統一的平臺、框架、數據集。
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，我們普遍認為手機是當下最智能的產(chǎn)品。而回望十幾年前，情況完全不同。當時(shí)，各個(gè)品牌手機的系統各不相同，功能也千差萬(wàn)別，各有特色。為什么會(huì )出現這種現象？正是因為在當時(shí)各家都是分離狀態(tài)，各家干各家的活，軟件開(kāi)發(fā)被各個(gè)手機廠(chǎng)所壟斷。而如今，隨著(zhù)Android和iOS兩大生態(tài)的出現，情況不同了。手機生產(chǎn)商、軟件生產(chǎn)商產(chǎn)生了新的分工。手機生產(chǎn)商不再決定手機的功能，而是由軟件廠(chǎng)商決定。這樣的分工，進(jìn)一步加速了軟件行業(yè)的競爭，也讓手機從一個(gè)通訊工具，向更多應用領(lǐng)域拓展，這是一個(gè)行業(yè)內協(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，把平臺搭建好。我們的想法就是把船舶各環(huán)節的縱深打穿，做一個(gè)類(lèi)似的平臺軟件。將智能研究的各個(gè)分支都以模塊形式放到平臺軟件上，平臺用戶(hù)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，與其他用戶(hù)共享。我們團隊目前研發(fā)的智能船舶操作系統平臺就是基于此。目前，平臺僅有智能航行部分的功能，還需要長(cháng)期的發(fā)展與完善，需要更多的合作者。希望明年能達到最終的效果，就是讓我們智能船的研究從封閉走向開(kāi)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，減少重復勞動(dòng)。同時(shí)，還將對整個(gè)行業(yè)的智能化發(fā)展起到鯰魚(yú)效應?！?/p>
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。
“當然，不可否認的是，牽頭建立整合行業(yè)生態(tài)并不是一件容易的事，非?？嘤植挥懞?。但是，一旦這個(gè)平臺建立起來(lái)，將對行業(yè)的智能化發(fā)展有著(zhù)極大的助推力。屆時(shí)，大家都專(zhuān)心研究自己的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域就可以了，而且，越專(zhuān)注某一領(lǐng)域的團隊將做得越好?！瘪R楓博士坦言。
據了解，目前全球范圍內，把智能研究平臺化做的最成功團隊，當屬美國的Open AI。它由Elon Musk、Peter Thiel、Infosys和亞馬遜等共同承諾捐贈10億美元成立的，專(zhuān)門(mén)研究服務(wù)于人類(lèi)的泛化人工智能。Open AI建立了世界最著(zhù)名的“人工意識”的研究平臺GYM，里面包括了約28個(gè)標準的測試場(chǎng)景，包括倒立擺、機械臂、人體骨骼等。GYM作為一個(gè)開(kāi)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”的團隊，有了一個(gè)公平競賽的場(chǎng)地，從而大幅度促進(jìn)了該研究的進(jìn)展。如今，我們看到的機器人“大狗”、仿生機器人等，都是從這個(gè)平臺上獲得了極大支持。
Open AI的GYM是一個(gè)純軟件仿真環(huán)境，可以基于它開(kāi)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，還針對人體軀干、機械臂做了很多DEMO。值得一提的是，當前“人工意識”研究，普遍依靠增強學(xué)習反復嘗試來(lái)獲取經(jīng)驗。所以，在實(shí)際控制對象上訓練意識幾乎不可能。所以Open AI提供的GYM環(huán)境，給增強學(xué)習提供了一個(gè)“仿真訓練”環(huán)境?？梢哉f(shuō)，GYM已經(jīng)成為當下“人工意識”、增強學(xué)習的事實(shí)標準。
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。也正因為此，其在具體的小場(chǎng)景上并不深入。例如，GYM對船舶的支持就很差，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)支持船舶的模型和仿真環(huán)境?！耙虼?，未來(lái)我們的平臺，將成為一個(gè)船舶版的GYM，比現在Open AI的GYM還要強大?！睋R楓博士介紹，他所帶領(lǐng)的團隊，正在“船舶智能操作系統平臺”的基礎上打造“航行腦虛實(shí)融合測試平臺（PALLAS）”。該平臺，從目標上與GYM有類(lèi)似的地方，區別在于該軟件是個(gè)一專(zhuān)門(mén)面向船舶的環(huán)境，內置了船舶運動(dòng)模型、航行規則、船舶型線(xiàn)、航行環(huán)境、風(fēng)浪流耦合模型等。同時(shí)，該平臺將是一個(gè)可以與實(shí)際數據形成聯(lián)動(dòng)的環(huán)境，這也是GYM沒(méi)有做到的。目前，馬楓博士的團隊已經(jīng)在南京、舟山等地建立了多個(gè)實(shí)體數據采集平臺，并把收真實(shí)數據實(shí)時(shí)推送到了云端。PALLAS一旦運轉起來(lái)，便可以直接與實(shí)體數據聯(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，我們所做的試驗僅限于技術(shù)驗證。我們所研究出的技術(shù)或產(chǎn)品需要孵化平臺、轉換平臺才可走向商業(yè)化，走向市場(chǎng)。而這些則需要船級社和其他業(yè)內企業(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，因為谷歌在那個(gè)行業(yè)里具有絕對的影響力。我們是大學(xué)，自然是沒(méi)有可以比擬谷歌的影響力，但中國船級社可以擔當類(lèi)似的角色。我們很高興中國船級社成立了科創(chuàng )中心，我們可以依托中國船級社這個(gè)平臺，把這個(gè)愿景做成船舶行業(yè)的一個(gè)規劃。2020年，我們希望與中國船級社等伙伴一起合作，將該操作系統和測試平臺進(jìn)一步規范化、開(kāi)放化、云端化，為更多組織機構服務(wù)。團隊期待與業(yè)內外其他團隊合作，共同推進(jìn)船舶智能的發(fā)展?！?/p>
