日本智能船項目DFAAS的目標“拼圖”

由于島嶼眾多，人口老齡化問題突出，無人船技術發展對日本至關重要。2021年9月2日，日本郵船下屬機構日本海洋科學(JSM)對外公布了DFFAS項目(Designing the Future of Full Autonomous Ship)陸基支持中心及其操作系統。DFFAS項目旨在開發和驗證無人操作系統，通過敏感感應海面情況，掌握船舶位置和航線，降低海上事故發生率，緩解日本勞動力。

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日本財團(The Nippon Foundation)于2019年10月發起了“無人駕駛船實證實驗相關技術開發共同項目”征集，截至2020年6月，共確定五個子項目，包括智能渡輪開發項目、橫須賀猿島無人船項目、無人船未來創造項目、利用國內集裝箱船和汽車輪渡進行無人化驗證項目、水陸兩棲無人技術開發項目。DFFAS項目正是以“無人船未來創造項目”為目標，構建完善的無人操作系統與陸上基礎設施的重要保障，進而促進無人集裝箱船航行技術在2025年之前實現商業化應用。

除JSM外，還有30家日本機構和企業參與了“無人船未來創造項目”研發(截至2021年6月)，包括：

日本內航海運船舶管理公司(IKOUS)

氣象情報公司(WNI)

藝卓公司(EIZO)

Monohakobi技術研究所(MTI)

日本電信電話(NTT)

NTT DoCoMo

NTT Communications

Japan Hamworthy

日本聯合造船(JMU)

今治船廠(Imabari shipyard)

三和船塢(Sanwa Dock)

Sky Perfect JSAT集團

Sunflame

東京計器(Tokyo Keiki)

Nabtesco

日本海運(Nippon Kaiun)

日本郵船

鈴與海運(Suzuyo Marine)

日本無線(JRC)

BEMAC

pluszero(+zero)

古野電氣(FURUNO)

本田重工業(Honda Heavy Industries)

三浦工業(Miura)

三菱綜合研究所(MRI)

橫河電子機器(YDK Technologies)等。

“1+30”，日本借助如此多的科研力量制定、打造無人船項目，完全可用“宏大”來形容。日本財團在公告中表示，DFFAS項目是一項由在無人船領域擁有豐富國際經驗的眾多機構、公司及專家開展的開放式合作，涉及無人駕駛所必須的自動航行、陸基支援、遠程操縱、通信線路等各系統開發應用，其目標是實現無人船支持日本進入物流社會新時代。

“由于技術發展階段的限制和涉及國際間協調等問題，遠洋無人船試航仍存在一定障礙，因此，各國當前多選擇通過內航自主船舶試航開展功能驗證，在船舶及相關設備系統設計建造、船舶運營、海事監管等方面積累經驗。”中國船舶工業綜合技術經濟研究院船舶標準化研究中心工程師馮書桓說，DFFAS項目聚焦小型內航集裝箱船在擁擠海域水域自主航行和遠程操控就體現了這個特點。“與以往項目聚焦船舶本身不同，該項目參研單位囊括航運、造船、科研機構、海事服務、機械制造商、通導設備商等諸多領域，旨在回應海事工業全產業鏈智能化發展趨勢，打造新的產業生態，為日本航運和造船業在競爭中搶占先機。”

對此，供職于JSM的DFFAS項目總監桑原悟(Satoru Kuwahara)船長表示認可，他說：“我們的目標不僅是發展技術，而是進行社會應用。為了創新可被行業和社會接受的技術，掌握并響應用戶需求非常重要，但用戶所需技術不能從單一企業獲得，除非與眾多企業攜手。這是DFFAS項目‘開放創新’理念的初衷，也是我們邀請多方介入的原因。我們的優勢在于可將研發系統相互關聯，這就意味著多家公司可以作為一個團隊朝著同一目標發展。日本海洋科學為此成立項目管理辦公室，從用戶角度出發進行概念規劃和系統設計，主導開發基于算法的無人船導航規劃單元，并對無人船航行進行風險評估，與相關方(如政府部門、保險業、托運人等非技術方)進行討論，進而獲得與常規船舶同等的安全證明，以此作為社會實施的基礎。”

拋開日本企業的理念和文化不談，單就創新和精細而言，日本在大數據/物聯網、人工智能、精密電子儀器、氣象預報、船舶建造及衛星通信等領域具備世界領先技術水平，而這些領域的佼佼者組成的“1+30”陣容，預計可以較快的速度帶動日本智能航運發展。“對DFFAS項目的參與單位進行仔細研究會發現，除傳統造船、航運企業和科研機構外，其中還包括海事通導設備制造商，甚至藝卓公司等顯示設備制造商，這體現了日本在無人船發展中的總體布局和推動全業態智能發展的決心。未來，日本將繼續依托DFFAS項目積極參與國際規則制定，推廣自己的技術方案。”馮書桓說。

 “四隊”推進改裝

“無人船未來創造項目”示范測試用船為一艘載箱量為200TEU左右的內貿集裝箱船(“Suzaku”輪)，所搭載智能綜合系統將被安置于兩個經特殊設計的集裝箱內，該船預計于2022年2月在東京灣-伊勢灣航線進行近400公里的自主航行，以試驗該系統在擁擠水域的實用性。桑原悟船長指出：“陸基支持中心在測試期間負責對船舶的遠程監控，并在緊急情況下進行遠程操作，包括根據已獲批路線/行動計劃進行的船舶操縱、緊急狀況下的遠程操縱、自動化靠泊/離泊作業，以及陸基支持中心通過船岸數據通信系統對船舶運營的追蹤。”

日本聯合造船在匯總分析無人船所需技術要素后，主要承擔了項目船改造工程，以獲得更多的建造評價標準，積累尖端技術。除智能模塊外，通信設備和攝像系統被安裝在艦橋區域，在具體改造及安裝工作完成后，日本聯合造船進行各種調試，確定各部件已集成至同一系統。

值得一提的是，日本聯合造船充分利用內部資源，組成四個團隊，推進這個里程碑式的項目。“海上物流創新推進部”負責項目整體運作，“船舶海洋設計部”負責無人船實際設計工作，為機器和船體及相關設計提供支持的“海洋工程項目部”和“海洋工程營業部”負責將“Suzaku”輪的無人工程技術。“海上物流創新推進部”小組負責人比留井仁(Hitoshi Hisarai)表示，自主航行將成為重要技術，我們在聽取運營方要求后，結合技術、建造等要素設計改裝，“未來也要自行開發適合無人航行的最佳船舶。”在比留井仁看來，DFFAS項目不僅僅是無人駕駛系統的開發和實證，它還以整體構想創造為主題，面向更廣闊的智能航運領域，“日本聯合造船也考慮通過提供方便使用的系統提高無人船的社會認知度，從而得到(擴大)市場認可。”比留井仁還說，如果無人駕駛技術今后得到更廣泛普及，造船商業模式也可能發生變化，因為在無人駕駛情況下，利用數據的航運支援和船舶維護將變得更加重要，我們也有必要在同一領域比以往更加努力。日本聯合造船公開總結，該公司除進行無人船自動航行系統設計和實船智能系統安裝實驗外，還參與了支援系統、緊急情況對應系統及通信及綜合信息管理系統裝配。

“船岸”協同保障

為推進實現航運領域無人自主航行，日本國土交通省從2018年度就開始了一系列的實證項目。作為遠程操縱船舶項目運營者，日本郵船此前進行了多項試驗。2019年，日本郵船完成“有人自動航行船舶”自主航行系統海上測試，項目用船安裝了由日本郵船和日本海洋科學共同開發的SSR船舶導航系統——收集現有導航設備中有關船舶周圍環境的相關信息，再根據環境條件計算經濟指標最佳的航線和航速進行導航，通過雷達和自動識別系統實現船舶避碰。隨后，日本郵船根據程序所得最優航線與人工專業判斷最優航線之間的差異進行調整，將SSR升級為更先進的船舶導航支持系統。2020年5月，日本郵船成功完成一項遠程船舶操縱實驗，搭載“有人遠距離船舶操縱系統”的項目船(拖輪)由400公里以外的陸基支持中心遙控航行了約12公里。這兩項實船試驗被認為是日本郵船實現無人船高度安全航行的關鍵一步。

針對DFFAS項目，日本郵船充分利用在“有人自主航行船”開發過程中積累的經驗和技術，與下屬機構致力于修正此前試驗暴露的船岸通信問題，進一步改進岸基支持系統。DFFAS項目陸基支持中心由綜合展示區和應急響應區組成。“綜合展示區收集船上和陸上各種信息，岸上的船長和輪機長可通過查看顯示器上的信息來監控多艘所管理船舶的狀態并據此創建航線計劃，此外，他們還掌握船上難以獲取的大范圍氣象數據等信息。應急響應區的應用場景則是當緊急情況發生時，使岸上的船長能夠與船上DFFAS系統連接，還允許船長參與該系統，以獲得與船舶相同的信息，如船舶周圍圖像和雷達信息，以便遠程控制船舶航行。”桑原悟船長說，借由陸基支持中心，高效率的航線規劃將被智能設定，陸上操作人員可通過全球衛星定位系統實時監視船舶位置。當發生緊急狀況時，經驗豐富的岸上船長也可在專用設備操控座位切換手動駕駛模式，以配合智能決斷。“一旦監控船舶風險狀態超過標準設定(如船上裝置發生故障難以自動導航)，通過遠程操縱船舶可維持其安全航行。”

為確保DFFAS項目測試船“Suzaku”輪及未來無人船的安全運營，日本無線重點設計了避碰機制、遠程控制和自動靠泊/離泊等關鍵功能。日本無線開發并整合了應用軟件/算法、AI/云、無線通信、雷達和其它傳感器等核心技術，以實現船舶避碰、安全到離港、自動化作業等。而除了這些基于船舶的技術，日本無線還專注于開發陸基設施，比如東京灣-伊勢灣航線兩端港口之間的信息數據同步，以及船岸之間的云連接。通過這些技術被應用與綜合展示區，“Suzaku”輪不僅可以實現船岸通信，陸海之間的所有“人”“物”都可互聯，從而提高船岸操作效率、減少人力成本，提高航運自動化水平。

“�？�”無線對接

古野電氣則利用其創新的ENVISION系列AR(增強現實)技術，主攻認知和判斷領域，即在“掌握周圍情況”后，再“根據結果進行避碰操作”。這是一種來自“觀察者”的視覺支持。ENVISION系列AR技術將船舶前方照相機的影像在顯示器上放映出來，并在影像上疊加顯示船舶航行所需的各種重要信息，這大大降低了船長和船員在惡劣天氣/海況及夜間的操縱壓力。在岸船長、輪機長和觀察員也可以一邊確認實時影像、一邊進行信息共享，從而實現更高效和更準確的溝通。

無人船的“自我修正”功能離不開數據傳輸，在DFFAS項目中，Sky PerfectJSAT集團扮演的是“溝通者”角色。Sky Perfect JSAT集團致力于衛星通信數據控制系統開發，提供帶有頻段保護功能的船載衛星通信系統(VSAT)，使電波在中轉時不與其他服務共享，只在制定程序中進行傳播，目的是建立無人船航行時所需的通信速度，并根據通信速度和通信量自動控制通信數據，從而進一步提高船岸間通信穩定性。“我們為DFFAS項目提供兩套同時與岸基操作中心連接的規格不同的頻段保護型VSAT(波長分別為1米和65厘米)，并負責連接控制收發數據的Satellite Gate Way系統，通過數據包測量分配功能，將數據恰當地分配給兩臺VSAT，從而提高通信效率。通過設備警報通知功能，安裝在船的服務器可實時監視VSAT通信狀況(船內服務器警報信息可變更設定)。而當一臺VSAT發生故障時，可向正常的VSAT迂回通信。”Sky Perfect JSAT集團相關人士回復，組合船上搭載的多個通信設備可彌補因延遲、(低)速度、天氣、船體屏蔽導致的通信中斷等缺點，進而穩定地與岸基操作中心共享自動傳輸的不可或缺的數據。

氣象情報公司負責氣象/航運數據與AI組合，設計自動選定最佳航路的航海計劃系統，其中三項核心技術包括最佳安全性和經濟性航線配比、物理模型和智能氣象海文分析預測、適合高頻率航行數據的船舶性能推定。

日本電信電話和Monohakobi技術研究所將DFFAS項目視為未來IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)的用例之一。IOWN是一種創新光學無線網絡概念，通過靈活運用各種光學技術，傳遞或解析包容性、延展性和無限可能性的信息交流平臺。日本電信電話為打造“2030年通訊技術標準”提出了從網路到終端都使用“光”的IOWN構想——半導體、個人電腦、伺服器和的資料傳輸將由“電傳”改為“光傳”。在這個構想下，通信延遲將被減少，且能處理更大容量的數據。具體到本次實證試驗，日本電信電話旨在解決船舶向前述特殊集裝箱信息傳輸技術，即在較狹窄范圍內的頻帶寬度環境下的信息傳輸和OTA(Over The Air)技術實用化，在船岸通信控制技術方面，擬通過SDN通信控制提高網絡的可視化和運用性。對于陸上無線通信和船舶接收技術支持方面的解決方案，日本電信電話和Monohakobi技術研究所主要研究了船舶與5G/LTE和衛星導航/移動通信之間的有效聯結。日本電信電話表示，無人船的安全航行與各種技術(操縱、狀態監視、通信等)相關聯，為了保證功能可用性，新的通信和基礎系統設計/開發異常重要，這些技術是確保無人船實現商業化運營所必要的討論/解決環節。

馮書桓總結道：“在無人船領域，日本的發展思路是從船載和船岸通信網絡相關的信息基礎設施出發，‘自下而上’推動行業智能化轉型，同時注重參與國際規則制定、對國內資源進行整合。這在DFFAS項目中均有明顯體現。