日本自主船概念設計框架APExS系統

近年來，隨著IoT(物聯網)、大數據、傳感器、人工智能等技術的不斷發展，世界各大航運強國都加速了船舶自動化技術的研發和實船驗證。中國自主研發的世界上最大噸級智能航行集裝箱船“智飛”號于2022年4月在山東青島港首航，挪威Yara公司研發的世界上第一艘純電動無人駕駛集裝箱船“Yara Birkeland”于2021年11月在奧斯陸峽灣開啟首航，2022年5月舉行了隆重的命名儀式，即將進行商業運營。日本財團發起的“MEGURI2040”項目分別于2022年1-3月，成功完成了6個船型的自主航行示范試驗，向著日本國土交通省提出的在2025年實現海上自主水面船(MASS)實際應用的目標更進了一步。

作為“MEGURI2040”項目參與者之一的日本郵船集團(NYK)，一直是船舶自動化技術研發和創新的主力。2022年3月，NYK提出的“完全自主船行動計劃和執行系統APExS-auto”獲得船級社的原則性認可(AiP)，這是其研發的“載人自主船行動計劃和執行系統APExS”的升級版。

APExS系統全稱為Action Planning and Execution System，是一個自主船概念設計框架，旨在為自主船設計提供整體思路和指導思想。

● APExS系統的概念提出

由于海上交通事故原因的90%與人為因素有關，先進的計算機技術可以協助船員進行船舶航行操縱，減少人為因素(疏于瞭望、船藝不佳等)導致的碰撞、擱淺等事故，顯著提高航行安全，并減輕船員的工作負荷。

在2018年舉行的國際海事組織(IMO)海上安全委員會第99屆會議上，IMO將MASS的自主程度分為四個等級，分別為：

等級1：船舶配備自動化處理和決策支持功能；

等級2：海員在船，具備遠程遙控功能；

等級3：海員不在船，具備遠程遙控功能；

等級4：完全自主船。

2016年6月，日本國土交通省發布“海事生產性革命”(i-Shipping和j-Ocean)發展戰略，計劃在2025年實現MASS的實際應用。為制定自主船的標準和安全要求，收集評估方法、應急措施等數據，國土交通省于2018年5月開展自主船研發與應用示范工程，包括自動船操縱功能、遠程船舶操縱功能、自動靠離泊功能三大板塊，面向全社會公開招聘實船驗證實施者。

針對IMO自主船的等級劃分，日本郵船集團旗下的MTI公司和海洋科學公司(JMS)聯合開展了載人自主船研發，其得以實現的核心系統為“行動計劃和執行系統”(APExS)。MTI公司攜“載人自主船行動計劃和執行系統”與14家合作伙伴一起入選為國土交通省遠程船舶操縱功能版塊的實施者，APExS的概念就此提出。

● APExS系統的功能

“載人自主船行動計劃和執行系統APExS”的功能目標，是為船員的態勢感知和決策判斷提供必要支持。它具有信息集成和顯示功能、信息分析并制定行動計劃功能、支持船舶操縱和執行功能。通過使用該系統，除了減輕船員的負擔外，還具有與包括陸地和其他船只在內的遠程對象共享信息，實現“人”“物”互聯的作用。

表1 APExS的功能

● APExS系統的分類

APExS系統可以分為以下三類(見表2)，分別用于假設的載人自主船舶、遠程控制船舶和完全自主船舶的操作模式。

表2 APExS的分類

● APExS系統的工作流程

圖1顯示了APExS系統的工作流程，其中，APExS系統的核心部分是行動計劃單元(APU)。如圖所示，計算機系統首先通過多元傳感器(電子海圖、ARPA等)進行航行數據收集和信息整合，然后通過APU對信息進行分析和集成，以此制定出行動計劃方案，顯示(緊迫時通過聲光音效報警)給船上的航行操縱人員(人機共融)進行核實確認和批準(必要時進行修正)，在行動計劃經過批準之后，控制單元/執行器(主機、舵機等)予以執行。

圖1 APExS系統的工作流程圖

● APExS系統的人機分工

APExS系統的特點是人機共融，船員與計算機系統高度協作。因此在系統的設計中，明確船員與計算機系統在任務執行中的各自職責分工非常重要。在航行階段、啟停階段、靠離泊階段，大部分工作都由計算機系統來完成，船上船員只在核實和批準行動計劃方案時獨力擔當，其他步驟都主要由計算機系統來承擔。這與傳統的由船員負責分析、計劃、執行的任務模式大為不同。

APExS系統設有遠程操控中心，但遠程操作員的職責是向APExS系統輸入附加信息(航行通警告、海盜風險、突發狀況等)，為計算機系統制定行動計劃予以輔助。正常情況下，他們不直接操縱船舶，也不參與行動計劃的核實。他們只提供服務，因此被稱為“遠程禮賓”(Remote Concierge)。圖2顯示了船舶操縱任務中的人機分工。

如圖2所示，與船舶操縱相關的任務決策可以分為以下五種：

1.信息收集與集成：基于多元傳感器等信息，本船(位置、船頭方向、航速)、他船(位置、船頭方向、航速)、地理信息、天氣/海況(風向、風速、波向、波高、海流等)情況。

2.狀況分析：根據獲得的信息，掌握當前和未來的情況及相關風險。

3.制定行動計劃：根據分析結果，制定適當的行動計劃(航行路線、航速、船體姿態)。

4.核實、批準：綜合判斷行動計劃是否合適，必要時進行更正，予以批準。

5.執行、控制：按照批準的行動計劃來控制執行器(主機、舵機等)。

圖2 船舶操縱任務中的人機分工

● APExS系統的場景應用

具體來說，APExS系統可在以下場景中發揮作用：

1.防碰撞防擱淺支持：制定并提出行動計劃，來支持船舶安全航行，防止航行中的碰撞或擱淺。根據不同的航行區域而選用不同的數據分析參數，比如在公海、沿海水域、擁擠海域或航道內。

2.啟停支持：制定和提出用于停船或開船的行動計劃，以應對拋錨、停泊、系泊、緊急制動、重啟制動等情況。

3.靠泊、離泊支持：制定和提出行動計劃，用于靠泊和離泊支持，通過使用不同的執行裝備，如主機、舵機、推進器、拖船等的輔助，來調整船舶的具體位置和姿態。

● APExS-auto系統

APExS-auto系統是APExS系統的升級版，即“完全自主船行動計劃和執行系統”(Action Planning and Execution System for Full Autonomous)。除了具有APExS的全部功能以外，APExS-auto將行動計劃方案由船員進行核實批準這一步驟也交由計算機系統來執行，此時船上不再配有船員，整個航行任務將主要由計算機系統來完成，遠程操作員的作用是為船載計算機系統提供支持和接管后備，完全自主船的愿景得以實現。

圖3顯示了APExS-auto系統、APExS系統和目前有人船，在與船舶操縱相關的五種任務決策中的人機分工和工作流程對比。

圖3 APExS-auto、APExS和目前模式的工作流程對比圖

● 設計運行區域ODD、對方接管Fallback機制和最小風險狀態MRC

計算機系統不會包羅萬象，也不會萬無一失，總有失控、失靈、超出設計范圍的特殊情況出現。因此，在研發自主船行動計劃和執行系統時，必須將系統之外的設計區域(即ODD之外)和替代措施(Fallback機制)一并考慮到。

1.設計運行區域ODD

根據日本船級社《船舶自動化/自主操作指南—AOS/ROS的設計開發、安裝和操作》中的定義，設計運行區域(Operation Design Domain，ODD)是指，自動操作系統(Automated Operation System，AOS)或遠程操作系統(Remote Operation System，ROS)能夠正常工作時的區域。ODD的設計參數包括并不限于以下因素：航行區域等地理因素，氣象、海況、時區(白天/夜晚)等環境條件，船舶交通擁堵程度，交通系統支持環境(包括港口基礎設施在內)等。

當計算機系統或執行器(轉向、制動、驅動等)因故障、網絡攻擊等不可預知的事件而失效，任務信息源的一部分甚至全部缺失，即使通過人工輸入附加信息的方式進行修正，依然無法進行正確分析、制定行動計劃和控制執行時(即ODD范圍之外)，對方接管Fallback機制和最小風險狀態MRC被啟動。

2.對方接管Fallback機制和最小風險狀態MRC

Fallback后退運行，又稱對方接管機制，是指當出現超出ODD范圍之外，計算機系統無法正常工作的情況時，所采取的使風險最小狀態(Minimum Risk Condition，MRC)的措施。

最小風險狀態(MRC) 是指維持目標任務執行所必需的最低功能的狀態，即在超出設計運行區域ODD范圍時，進行人工干預以調整回預期狀態。當計算機系統偏離ODD時，必須通過Fallback來保持MRC。

以載人自主船為例，如表3所示，船舶狀態隨著內外部條件和環境因素的不斷變化而改變，分為四類情形：系統正常、主動監測、遠程接管、獨立接管。

❖ 系統正常：計算機系統運轉正常。

❖ 主動監測：計算機系統做出的決策和指令需要經過陸上遠程操作人員的核實才能執行。

❖ 遠程接管：陸上遠程操作人員全面接管船舶，進行船舶操縱。

❖ 獨立接管：自主船的船長啟動最小風險控制(MRC)，實施應急操作。

表3 船舶狀態和Fallback機制

● 自主船的設計方法：基于模型的系統工程(MBSE)

在自主船的設計過程中，日本郵船集團提出將自主船作為一個系統體系(System of Systems，SoS)進行設計，采用了基于模型的系統工程的開發方法。

基于模型的系統工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)開發方法，將自主船視為一個系統體系(SoS)，進行系統化的概念設計和程序設計。日本郵船集團的設計思想是, 基于模型的系統工程(MBSE)，通過模型表達復雜的思想，通過確定模型的層次結構來設計模型，可以在模型中的不同層面進行設計，在模型上重復仿真，從而并行推進開發和驗證。與傳統方法的先創建技術思想、元素和規范，最后驗證成品相比，MBSE方法最大限度地減少了開發過程中的返工，大大提高了研發效率。

圖4 基于模型設計的開發方法與傳統開發方法對比

● 實船驗證遠程船舶操縱功能

作為日本國土交通省遠程船舶操縱功能版塊的實船驗證實施者，日本郵船集團旗下的MTI公司與14家合作伙伴，分別于2020年1月和12月，開展了兩次以拖輪“吉野丸”(Yoshina Maru)為對象的遠程船舶操縱實船實驗，以驗證“載人自主船行動計劃和執行系統” APExS的實際效果。

“吉野丸”在東京灣內航行，從橫濱市本牧港駛往橫須賀港，航程約12公里。岸基遠程操控中心位于400公里以外的西宮市(大阪市附近)。

第一次航行實驗中，遠程操控中心的工作人員使用拖輪上的傳感器和攝像機獲取環境信息，以制定航線計劃和行動計劃(避碰路線計劃)，經由拖輪船長評估、確認和批準執行。此次實驗的目的是，對遠程導航拖輪按照制定的航線計劃和行動計劃來完成任務的條件進行確認和評估。

第二次航行實驗中，完成了對以下兩個方面的實驗：(1)設備故障或船岸通信中斷時的船舶響應功能和安全功能測試；(2)船舶遠程控制的可用通信寬帶對數據通信量的優化測試。

通過實船驗證，展示了遠程操控中心對船舶的實時態勢感知和制定航線計劃、行動計劃的可行性，證明了自主船概念設計框架APExS系統的實用性，也為技術標準和安全指南的制定積累了數據。

● 對我國智能船發展的啟示

日本在當前國際規則背景和技術發展階段之下，圍繞無人船發展做出的技術研發和戰略規劃對中國具有重要的借鑒意義。

1.依托自主船科研項目和實踐經驗，同步修訂法規、制定標準。中國要抓住“智飛”號等智能船試航和運營所積累數據經驗的機遇期，同步開展法規規范化、技術標準化工作，深度參與IMO法規和ISO國際標準等國際規則的制定工作，在國際平臺上積極發聲，“占位置、搶布局、重競爭”，在面向未來的競爭中掌握主動。

2.開放心態，加強多方合作、力量整合和總體布局。自主船是多設備、多系統、多功能耦合的復雜集合體，涉及到軟件、硬件、數據、標準橫跨多個行業和領域。中國應加強設備配套商、造船廠、船級社、衛星服務、海事服務、氣象公司、通導設備商、機械制造商、科研機構等海事工業全產業鏈的協調與合作，并與政府部門、保險業、托運人、風險評估等非技術方積極溝通，實現優勢互補、合作共贏，提升中國船舶工業影響力。

3.使用基于模型的系統工程開發方法進行自主船設計。MBSE使用系統建模語言及支持軟件，建立動態可執行的系統模型，通過在計算機中對系統模型的全系統仿真、隨時仿真和全周期仿真，可以及時發現設計的問題并加以修改。目前它已廣泛應用于航空航天工業和自動駕駛汽車領域，在賽博－物理系統、無人系統和智能系統的研制中大顯身手。航運業引入本方法進行自主船設計，可以極大的提高研發效率，發展前景廣闊。