自动驾驶船舶即将问世:以下是我们需要知道的

去年1月，日本汽车渡轮“太阳号”(Soleil)成为第一艘无人干预航行的大型船只。这艘220米长的船从九州北部的Shinmoji开始，自动靠泊、起泊、转向和驾驶240公里，穿越了Iyonada海，即使是熟练的操作员也会觉得很有挑战性。

现在还处于早期阶段，但船舶正在越来越多地部署传感器和人工智能(AI)系统来导航、操纵和避免碰撞。与汽车一样，这种进步应该能提高安全性，提高效率，并与更清洁的燃料和发动机一起减少对环境的影响。

这是至关重要的:每年80%的全球贸易(约110亿吨)是通过海运运输的¹。2018年，航运产生了全球约3%(约10亿吨)的二氧化碳排放量²。国际海事组织(IMO)已承诺到2050年将该行业的温室气体排放量减半。

航海是有风险的，而且工人短缺。港口的低效率和拥堵，以及集装箱船搁浅等事故，都增加了延误和成本曾经给2021年3月在苏伊士运河进行为期6天的航行。简化通过船闸的通道、减少能源消耗和避免碰撞的谈判演习将使水道的使用更加安全和优化。

一些通常不到10米长的完全自主的小型船只已经投入使用，执行专业任务，如监测公海的水质和基础设施，或作为该技术的试验台。但未来几年将发生翻天覆地的变化，首批大型“海上自主水面舰艇”计划开始商业运营。

一个更清洁的未来——航空业需要彻底的重新设计

试点项目包括挪威的Yara Birkeland号集装箱船，这艘80米长的船预计到2024年将自动将化肥从制造厂零排放地运送到出口港口。在中国，一艘名为“智飞”的120米长的电动集装箱船在山东省的两个港口之间进行了远程(有时是自主)控制。

十年后，自动化船只可能会相互交流。例如，由欧盟资助、荷兰海事技术基金会(Netherlands Maritime Technology Foundation)在鹿特丹协调的试点项目“船舶列车”(Vessel Train)，使用一艘有船员的领头船，带领一支由更小的自动化船只组成的船队，这些船只可以有效地进入港口周围的小水道。最终，自动驾驶的船队或船只可能由位于岸上的海上交通控制中心管理。

但是，如果自动驾驶船舶要实现他们的承诺，还有很多工作要做——而且很快就要做。有5万多艘商船在大约150个国家的旗帜下进行国际贸易。一艘大型高科技船只的建造成本可能高达2亿美元，并且可以运行数十年。船在技术上是复杂的。他们需要在繁忙的航道、港口和波涛汹涌的公海上工作。

从雷达、卫星和GPS、摄像头和传感器到图像识别、数据分析和机器学习算法，将海事系统结合起来是一件令人生畏的事情。自动驾驶船舶需要融入更广泛的海事技术生态系统，包括船舶之间的互动，以及与货物装卸人、设备、引航员、交通服务和港口的互动。

在这里，我们强调了六个关键领域的研究差距。

了解不同层次的自主权所面临的挑战

不断提高的自动驾驶水平的推出需要管理，以确保安全，并让监管跟上。海事组织定义的四类自主船舶需要操作指南。

第一个挑战是将基于人工智能和深度学习的传感器和算法添加到目前一些载人船舶和船只上使用的自动驾驶系统中，这些系统被归类为国际海事组织自治一级。小船、残骸、游泳者和河岸等障碍物不会出现在雷达上，也不会出现在追踪海上交通的全球“自动识别系统”(AIS)上。视觉和热成像摄像机和激光可以让船长更好地观察周围的情况，帮助避免碰撞，评估风险和规划路线——这些任务现在都是人工完成的。但要做到这一点，研究人员需要克服传感器系统的局限性——例如，一些较小的障碍物可能无法与波浪区分开来。

二级自治包括远程控制船只，由一小队船上船员驾驶，作为后备，处理维护和货物。这些设备越来越多地用于河流和运河运输货物，由比利时安特卫普(Antwerp)的Seafar和美国公司Sea Machines等海事技术提供商代表船东在远处操作。

无人遥控船(3级)也已投入使用。到目前为止，这些主要是不到10米长的“无人机”，用于测量水深或监测海洋栖息地和港口。将其扩大到船舶大小，并携带货物、起重机、机器人和燃料，需要通过更高的安全门槛，并增加系统以避免搁浅、碰撞和通信中断。

一些小型无人机已经实现了完全自主(四级)。在这种情况下，操作系统在一段时间内自己做决定和决定动作。例如，波浪滑翔机(Wave Glider)、自动驾驶(AutoNaut)、帆船浮标(Sailbuoy)和帆船无人船(Saildrone)可以在开放海域独立运行数天，由风能、太阳能和波浪能提供动力。在海岸附近、其他船只以及浅水和洋流中作业的挑战仍有待解决。

对于各级自主船舶，指导方针还必须包括混合环境，即自主船舶和有船员的船舶共享同一水域。研究人员需要开发船舶群内部和之间的合作导航和通信系统，使它们能够作为一个舰队运行。

定义人的角色

自动驾驶船舶将始终有一个人在循环中，以检查导航，执行维护，处理货物，监督和监控任务，并评估风险。这些角色必须仔细指定。在任何具有高度自主性的船只经过全面测试之前，至少应该有一人保留指挥和控制。他们可能在飞机上，像航空公司的飞行员，或远程，像无人机操作员。随着系统的改进，可能只在紧急情况下才需要人工监督。

研究人员需要设计人机界面，以支持导航、远程控制以及与其他船只和港口上的人交互的决策。远程控制中心的外观和感觉都将与用于指挥空中交通的中心相似。一些中心已经到位，包括经营智飞、雅拉Birkeland和Seafar船的中心。

需要对人类和人工智能如何交互进行更多的分析，包括如何最好地将性能或导航信息传递给远程操作人员。需要设计方法来验证传感器对小船和其他危险的自动探测。人们如何理解和预测其他船只的行动，以避免在繁忙的水域发生碰撞，这方面还需要了解更多。人们可能需要根据天气预报和其他不确定性来检查计算出的航行风险是否可以接受。

确保安全

与汽车行业一样，海事技术的发展必须以安全为中心。挪威船级社(DNV)和法国船级社(Bureau Veritas)已经发布了使用自动化流程进行导航和系统维护的初步指南go.nature.com/43kxqte而且go.nature.com/43me6e7)．这些指南涵盖了概念和技术的鉴定过程，以及如何设计支持船舶自主和远程操作的系统。但它们缺乏具体的应用方法，例如，在能见度低、风暴期间或海冰中。

船舶有很多活动部件(发动机、发电机、螺旋桨、起重机和舱口)，需要人工观察和维护才能安全运行。研究人员需要开发智能维护程序，以监控组件，并远程识别、诊断和修复故障。在系统中增加冗余，当一个系统出现故障时，可以使用备用组件来接管，这将增强系统的弹性。

ChatGPT:研究的五个重点

目前的指导方针也很少涉及网络安全风险，而在自动驾驶船舶的背景下，网络安全风险将会增加。在过去几年里，对主要航运公司的网络攻击——比如2017年对丹麦马士基公司的攻击，以及2021年对韩国HMM和日本K Line的攻击——已经破坏了资产和财务。马士基被迫在10天内重建IT基础设施，损失超过3亿美元，声誉受损。船队陷入停顿，阻塞了港口，延误了货物。

为了扩展指导方针，研究人员应该在一系列操作环境中定义自主船舶技术的安全和安保要求。例如，当一艘船在波涛汹涌的海面上颠簸时，如何保证人机界面能够正常工作?在海流、风和潮汐中航行时，应如何处理航行中的不确定性?传感器需要区分不同类型的海冰，并将其反馈给船舶系统，以找到最安全的路线。需要制定预防和应对网络攻击的措施。

海上和岸上的浮标、天线和IT系统等基础设施需要安全，船舶和控制中心之间的数据链需要可靠。无线通信系统的带宽受环境和天气条件的影响。数字双胞胎(大型系统的计算机副本)有助于通过模拟监测、验证和验证自动驾驶船舶的功能和安全需求。目前的模型通过结合水深、海床组成、潮汐高度、水面能见度以及陆地和天气数据，准确地复制了船舶导航。

重新考虑港口

自主化并不要求彻底改变船舶设计，但需要改进设备以支持自主操作，并并行开发更清洁的推进系统。

港口则是另一回事，自动船舶的出现将加速向更全面自动化的趋势发展。目前的重点是自动化货物装卸——到2020年，全球有超过8亿个集装箱通过人工操作的起重机和车辆运输。例如，在鹿特丹港，无人起重机和“自动引导车辆”使整个集装箱码头每天由10-15人操作。机器人系泊和起重机系统在斯德哥尔摩、塔林以及芬兰的纳安塔利和赫尔辛基港口使用。新加坡正在建设世界上最大的自动驾驶终端，耗资约150亿美元，预计将于2040年完工。

自动驾驶船舶将需要更多的服务，包括自动引航和拖船协助、到达管理和泊位分配。飞行员现在登上船只，帮助船员进入港口，“船舶交通服务”监控交通状况，并提供避免危险的建议，他们将需要远程控制船只。将拖船和无人船之间的绳索连接起来的方法将是必要的。未来，自主港口将需要与其他港口和物流链进行互动，以确保货物无缝流动，没有瓶颈和延误。整合所有不同的系统是一个重大挑战。

在法律和监管框架中嵌入自主权

海上贸易受到严格的国际规则的监管，这些规则是由许多国家、不同的法律体系在几个世纪以来谈判形成的。《联合国海洋法公约》规定了各国对其管辖船舶的权利和责任。该框架似乎可以很好地整合自动驾驶船舶。但也存在挑战。

必须重新考虑作为海商法基础的长期确立的法律概念。例如，“适航性”(船舶的状况和船员操作船舶的能力)、“船长”(船舶的单一负责人)和“真正联系”(船舶与通过其旗帜授予其国籍的国家之间)等概念不再适用于自主船舶。考虑到自动驾驶船舶的运作可能涉及全球各地的许多参与者，因此，船舶的国籍是否适合作为监管自动驾驶船舶的依据还有待商榷。

合作型人工智能:机器必须学会寻找共同点

国际海事组织已经开始为自动驾驶船舶制定规则^3.尽管它还没有设定目标、要求和规则。最初，该法规将是非强制性的，可能在2028年成为强制性的。它的目标是平衡这些技术的好处与安全问题、对环境和国际贸易的影响、对工业的潜在成本以及对船上和岸上人员的影响。

主要研究问题包括:如何设计与船舶交互的陆基通信和智能导航系统。如何使该守则与其他国家和国际法规(例如与港口设备和陆基物流有关的法规)协调一致?如何验证是否符合规范?远程控制中心的操作员需要什么技能和培训?

法律研究人员应该解决第三方因自主船舶造成损害时的民事责任问题。目前，受影响的人需要证明某人或船舶的错误行为或不作为。很难让人工智能承担责任。不同司法管辖区的解释也不尽相同。如果公司不能评估他们的责任风险，他们可能不会投资自动驾驶船舶和基础设施。欧盟委员会(European Commission)制定的《人工智能责任指令》(AI Liability Directive)提供了一个积极的例子，因为它将为运营市场制定规则，并为涉及基于人工智能的系统的索赔制定证明标准。

阐述自动驾驶船舶的情况

如果要采用船舶自动化和自主技术，就需要确定其经济成本和效益。然而，在多方之间平衡所有因素是具有挑战性的。很难知道船上或岸上需要多少船员。必须判断疾病、罢工和技术问题的影响，以及因此造成的停工率。

关于自动驾驶船舶的经济、环境和安全影响，还需要更多的证据。公平是关键:谁将获得利益，谁将承担成本?失去船员工作的社会成本必须计算在内，但自动化航运也需要更高技能的员工。从商业和福利的角度来看，遣散费和雇佣或培训员工的成本都需要考虑在内。现有的劳动力将需要再培训，并提供新的培训机会，包括海军建筑师、海事工程师、船员和远程控制操作员、港口和航运经理以及海事管理人员。

优化运营和物流链可能会节省成本，但管理大量数据会增加成本。将需要投资来安全地归档和共享数据，以及建设和配备数据中心。

创新的收益和成本分配不均会降低公众对监管机构和政客的信任。必须审视经济权力向可能控制全球自主物流链的大公司的集中:例如，如果少数跨国公司控制了关键的供应链，粮食安全可能会受到影响。

与自动驾驶汽车不同，关于公众如何看待自动驾驶船只周围的风险的研究很少。需要更多的研究，特别是在世界观可能发生冲突的情况下。例如，在加拿大沿海地区，土著人民有权参与有关保护海洋环境事项的决策。

自动驾驶船舶已经出现在地平线上。为了让他们真正发挥作用，学者们需要提高对如何采用水上自治的理解。