隨著(zhù)人工智能、大數據、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)與傳統船舶的深度融合，船舶技術(shù)由自動(dòng)化向自主化方向“進(jìn)化”，船舶自主化技術(shù)的應用將引發(fā)船舶行業(yè)的技術(shù)革命，為船舶技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的機遇與挑戰。同時(shí)，船舶自主化技術(shù)是一門(mén)新興技術(shù)，產(chǎn)品規范、技術(shù)標準、法律法規等方面尚未成熟，而自動(dòng)化技術(shù)在船舶領(lǐng)域已經(jīng)有了幾十年的應用經(jīng)驗，技術(shù)及配套體系相對完善，船舶自主化技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中即借鑒了船舶自動(dòng)化技術(shù)的應用經(jīng)驗，又呈現出獨特的技術(shù)發(fā)展路徑，兩種技術(shù)即深度融合又全面顛覆。因此，理解船舶自主化技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的區別，成為制定船舶自主化技術(shù)發(fā)展路徑的關(guān)鍵。

國際海事組織(IMO)在海安會(huì )(MSC)第99次會(huì )議上分別對船舶自主化和自動(dòng)化系統進(jìn)行了定義：

船舶自主化系統即系統使用人工智能或計算機程序獨立于人員的監督和控制對船舶功能進(jìn)行管理和控制。

船舶自動(dòng)化系統即在人員的監管下，系統提供決策支持和/或執行船舶功能。

在船舶自主化系統定義中，人工智能是實(shí)現系統自主化的核心技術(shù)，這一定義與我國船舶智能化的定義基本相同，或者可以理解為船舶智能化是自主化的應用形式之一。從IMO對船舶自主化和自動(dòng)化系統的定義來(lái)看，自主化與自動(dòng)化系統最大區別在于是否需要人員在控制環(huán)路中發(fā)揮作用。為了更好的理解自主化與自動(dòng)化的區別，需要從這兩種技術(shù)的工作原理進(jìn)行分析，自動(dòng)化和自主化系統的工作原理如圖1所示：

圖1 自動(dòng)化和自主化的工作原理

自動(dòng)化系統工作原理的核心是外部觸發(fā)輸入必須處于預設的邊界條件之內，才能進(jìn)行判斷，從而執行相應的功能指令。在相同的邊界條件下，功能指令的執行相同。從本質(zhì)來(lái)看，自動(dòng)化系統主要依靠人類(lèi)經(jīng)驗，并轉化為邊界條件在系統中進(jìn)行預設。因此，自動(dòng)化功能的實(shí)現受限于人類(lèi)特殊經(jīng)驗、預設邊界條件數量和運算執行速度等因素。當系統功能較為復雜時(shí)，使用自動(dòng)化技術(shù)無(wú)法覆蓋所有工作場(chǎng)景，需要人員在其控制環(huán)路進(jìn)行監控，避免未知風(fēng)險的發(fā)生。自主化系統一般不進(jìn)行邊界條件的預設，主要使用人工智能技術(shù)，依靠機器學(xué)習的經(jīng)驗，結合外部觸發(fā)輸入及其他條件的態(tài)勢感知進(jìn)行機器判斷，生成相應的執行指令，執行指令具有不可預測的特點(diǎn)。自主化功能的實(shí)現主要受限于算法質(zhì)量、運算速度和訓練庫范圍等因素。由于人工智能算法發(fā)展緩慢，現階段系統實(shí)現完全自主化還比較困難。從自動(dòng)化和自主化的工作原理來(lái)看，兩者功能實(shí)現有著(zhù)本質(zhì)的不同，隨著(zhù)核心處理器技術(shù)的高速發(fā)展，芯片的處理速度和運算能力顯著(zhù)提高，應用自動(dòng)化技術(shù)可以預設的邊界條件不斷增多，覆蓋場(chǎng)景不斷擴大，自動(dòng)化系統在人員在環(huán)的情況下，是可以實(shí)現一些簡(jiǎn)單的自主化功能，如輔助決策系統等。但是在復雜自主化系統領(lǐng)域，自動(dòng)化技術(shù)無(wú)法實(shí)現完全自主功能，如與航行安全、環(huán)保及保障相關(guān)的自主化系統。

現階段，自動(dòng)化還是船舶控制系統的主流應用技術(shù)。在降低船員勞動(dòng)強度、減少船舶配員、提高船舶運營(yíng)安全等需求的驅動(dòng)下，船舶技術(shù)開(kāi)始由自動(dòng)化向自主化進(jìn)行過(guò)渡。船舶自主化技術(shù)的應用核心是使用機器等效替代人員對船舶功能進(jìn)行控制。因此，要從理解人類(lèi)控制行為的角度來(lái)探討船舶自主化技術(shù)的發(fā)展思路。人類(lèi)對于特定事件的處理流程如圖2所示：

圖2 人類(lèi)對于特定事件的處理流程

態(tài)勢感知：通過(guò)學(xué)習經(jīng)驗及推理經(jīng)驗進(jìn)行信息收集、篩選、多信源融合的過(guò)程

決策：通過(guò)學(xué)習經(jīng)驗及推理經(jīng)驗對態(tài)勢感知信息進(jìn)行判斷并生成決策方案的過(guò)程。

執行：根據決策方案執行特定行為的過(guò)程。

船舶自主化系統與人類(lèi)對于特定事件處理流程類(lèi)似，分為態(tài)勢感知、決策和執行三個(gè)過(guò)程，分別位于自主化系統架構的信息層、決策層和控制層，信息層負責采集、融合有效信息為決策層提供信息輸入，決策層根據信息的輸入生成執行方案，控制層根據執行方案控制船舶系統。其中自主化系統的信息層和決策層主要使用自主化技術(shù)進(jìn)行實(shí)現，控制層一般采用自動(dòng)化技術(shù)即可實(shí)現。船舶自主化系統架構如圖3所示：

圖3 船舶自主化系統架構

船舶自主化系統的信息層以機器人視覺(jué)技術(shù)為核心，通過(guò)感知傳感器采集場(chǎng)景工況、設備狀態(tài)、操控指令等信息并進(jìn)行融合。近年來(lái)，感知傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，在一些船舶系統中已經(jīng)得到了工程化應用，如航行避碰輔助決策、機艙運維、動(dòng)力定位等系統。使用感知傳感器，如攝像頭、激光雷達、振動(dòng)傳感器、流量傳感器等進(jìn)行態(tài)勢感知，使用機器感知傳感器在信息采集的覆蓋范圍和探測距離上比人類(lèi)感官更具優(yōu)勢，可以獲取更多類(lèi)型的有效信息，為決策層提供更有參考價(jià)值的數據。部分感知傳感器功能的實(shí)現是基于機器學(xué)習技術(shù)，如攝像頭及激光雷達實(shí)現目標識別和船舶行為判斷等功能，感知傳感器的功能實(shí)現與人類(lèi)進(jìn)行目標識別和行為判斷的過(guò)程類(lèi)似，通過(guò)對目標和行為的典型類(lèi)型進(jìn)行記錄、聯(lián)想和推理，生成目標和行為識別的一定“經(jīng)驗”，從而達到識別目標和行為的目的。與人類(lèi)獲取經(jīng)驗的方式不同，機器學(xué)習算法需要通過(guò)大量的目標和行為數據對其進(jìn)行訓練從而產(chǎn)生“經(jīng)驗”，由于機器學(xué)習算法聯(lián)想和推理的能力較差。因此除了機器學(xué)習算法的性能，用于訓練的數據庫覆蓋范圍成為影響目標和行為識別準確率的主要因素之一。船舶自主化系統的決策層相當于人類(lèi)的大腦，主要使用模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和貝葉斯網(wǎng)絡(luò )等推理算法預測工作場(chǎng)景的態(tài)勢，根據“訓練經(jīng)驗”制定執行策略，決策層的經(jīng)驗獲取也是依靠機器學(xué)習技術(shù)來(lái)實(shí)現，如自主航行系統，需要大量的實(shí)際航行場(chǎng)景對其進(jìn)行訓練，使其在訓練過(guò)程中達到類(lèi)似于人類(lèi)駕駛船舶的能力，與人類(lèi)駕駛員類(lèi)似，訓練場(chǎng)景交通流量、船舶類(lèi)型、天氣海況等因素的不同會(huì )導致“駕駛員”駕駛能力的不同，并且機器“駕駛員”會(huì )受限于決策算法性能、處理器速度、感知融合數據等因素的影響。因此需要大量不同類(lèi)型的訓練場(chǎng)景進(jìn)行反復訓練，才能在某些情況下實(shí)現部分自主化的功能。

綜上所述，機器學(xué)習智能化算法是現階段船舶自主化系統實(shí)現目標識別、行為判斷和自主決策的核心技術(shù)，由于現有算法的推理和預測能力不足，雖然自主化技術(shù)在工作場(chǎng)景適用性方面比自動(dòng)化技術(shù)更為廣泛，但是也會(huì )遇到類(lèi)似自動(dòng)化技術(shù)邊界條件有限的技術(shù)瓶頸，即訓練庫數據不足，獲得經(jīng)驗有限。因此在考慮提高機器學(xué)習算法性能的同時(shí)，應結合現階段算法的實(shí)際情況，結合建設成本，集中解決目標、行為、場(chǎng)景訓練庫采集范圍不足以覆蓋所有工況的問(wèn)題。

近年來(lái)，我國智能船舶系統從輔助決策系統向部分自主系統進(jìn)行過(guò)渡，即由自動(dòng)化向自主化發(fā)生質(zhì)變。隨著(zhù)處理器技術(shù)和相關(guān)算法的融合發(fā)展，船舶技術(shù)自主化的發(fā)展成為了現實(shí)，部分自主化系統已進(jìn)入試驗階段，確保船舶自主化技術(shù)應用的安全、環(huán)保和保障已經(jīng)成為航運界關(guān)注的焦點(diǎn)，國際海事組織在海安會(huì )第100次會(huì )議上批準了《海上自主水面船舶試驗暫行指南》，在促進(jìn)船舶自主化技術(shù)的發(fā)展的同時(shí)，防范船舶自主化技術(shù)應用帶來(lái)的未知風(fēng)險。在船舶技術(shù)從自動(dòng)化向自主化的發(fā)展過(guò)程，不僅要思考船舶自主化技術(shù)實(shí)現的技術(shù)路徑，對船舶自主化技術(shù)應用進(jìn)行安全管控也將成為一個(gè)重要的研究方向。