隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)與傳統(tǒng)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(yīng)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)展帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。同時(shí)，船舶自主化技術(shù)是一門新興技術(shù)，產(chǎn)品規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)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(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)及配套體系相對(duì)完善，船舶自主化技術(shù)在發(fā)展過程中即借鑒了船舶自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，又呈現(xiàn)出獨(dú)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(qū)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(duì)船舶自主化和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了定義：

船舶自主化系統(tǒng)即系統(tǒng)使用人工智能或計(jì)算機(jī)程序獨(dú)立于人員的監(jiān)督和控制對(duì)船舶功能進(jìn)行管理和控制。

船舶自動(dòng)化系統(tǒng)即在人員的監(jiān)管下，系統(tǒng)提供決策支持和/或執(zhí)行船舶功能。

在船舶自主化系統(tǒng)定義中，人工智能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(yīng)用形式之一。從IMO對(duì)船舶自主化和自動(dòng)化系統(tǒng)的定義來看，自主化與自動(dòng)化系統(tǒng)最大區(qū)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(qū)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(tǒng)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(tǒng)工作原理的核心是外部觸發(fā)輸入必須處于預(yù)設(shè)的邊界條件之內(nèi)，才能進(jìn)行判斷，從而執(zhí)行相應(yīng)的功能指令。在相同的邊界條件下，功能指令的執(zhí)行相同。從本質(zhì)來看，自動(dòng)化系統(tǒng)主要依靠人類經(jīng)驗(yàn)，并轉(zhuǎn)化為邊界條件在系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)設(shè)。因此，自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)受限于人類特殊經(jīng)驗(yàn)、預(yù)設(shè)邊界條件數(shù)量和運(yùn)算執(zhí)行速度等因素。當(dāng)系統(tǒng)功能較為復(fù)雜時(shí)，使用自動(dòng)化技術(shù)無法覆蓋所有工作場(chǎng)景，需要人員在其控制環(huán)路進(jìn)行監(jiān)控，避免未知風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。自主化系統(tǒng)一般不進(jìn)行邊界條件的預(yù)設(shè)，主要使用人工智能技術(shù)，依靠機(jī)器學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合外部觸發(fā)輸入及其他條件的態(tài)勢(shì)感知進(jìn)行機(jī)器判斷，生成相應(yīng)的執(zhí)行指令，執(zhí)行指令具有不可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。自主化功能的實(shí)現(xiàn)主要受限于算法質(zhì)量、運(yùn)算速度和訓(xùn)練庫范圍等因素。由于人工智能算法發(fā)展緩慢，現(xiàn)階段系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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看，兩者功能實(shí)現(xiàn)有著本質(zhì)的不同，隨著核心處理器技術(shù)的高速發(fā)展，芯片的處理速度和運(yùn)算能力顯著提高，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)可以預(yù)設(shè)的邊界條件不斷增多，覆蓋場(chǎng)景不斷擴(kuò)大，自動(dòng)化系統(tǒng)在人員在環(huán)的情況下，是可以實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的自主化功能，如輔助決策系統(tǒng)等。但是在復(fù)雜自主化系統(tǒng)領(lǐng)域，自動(dòng)化技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。

現(xiàn)階段，自動(dòng)化還是船舶控制系統(tǒng)的主流應(yīng)用技術(shù)。在降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度、減少船舶配員、提高船舶運(yùn)營安全等需求的驅(qū)動(dòng)下，船舶技術(shù)開始由自動(dòng)化向自主化進(jìn)行過渡。船舶自主化技術(shù)的應(yīng)用核心是使用機(jī)器等效替代人員對(duì)船舶功能進(jìn)行控制。因此，要從理解人類控制行為的角度來探討船舶自主化技術(shù)的發(fā)展思路。人類對(duì)于特定事件的處理流程如圖2所示：

圖2 人類對(duì)于特定事件的處理流程

態(tài)勢(shì)感知：通過學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)及推理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行信息收集、篩選、多信源融合的過程

決策：通過學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)及推理經(jīng)驗(yàn)對(duì)態(tài)勢(shì)感知信息進(jìn)行判斷并生成決策方案的過程。

執(zhí)行：根據(jù)決策方案執(zhí)行特定行為的過程。

船舶自主化系統(tǒng)與人類對(duì)于特定事件處理流程類似，分為態(tài)勢(shì)感知、決策和執(zhí)行三個(gè)過程，分別位于自主化系統(tǒng)架構(gòu)的信息層、決策層和控制層，信息層負(fù)責(zé)采集、融合有效信息為決策層提供信息輸入，決策層根據(jù)信息的輸入生成執(zhí)行方案，控制層根據(jù)執(zhí)行方案控制船舶系統(tǒng)。其中自主化系統(tǒng)的信息層和決策層主要使用自主化技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，控制層一般采用自動(dòng)化技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。船舶自主化系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示：

圖3 船舶自主化系統(tǒng)架構(gòu)

船舶自主化系統(tǒng)的信息層以機(jī)器人視覺技術(shù)為核心，通過感知傳感器采集場(chǎng)景工況、設(shè)備狀態(tài)、操控指令等信息并進(jìn)行融合。近年來，感知傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，在一些船舶系統(tǒng)中已經(jīng)得到了工程化應(yīng)用，如航行避碰輔助決策、機(jī)艙運(yùn)維、動(dòng)力定位等系統(tǒng)。使用感知傳感器，如攝像頭、激光雷達(dá)、振動(dòng)傳感器、流量傳感器等進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知，使用機(jī)器感知傳感器在信息采集的覆蓋范圍和探測(cè)距離上比人類感官更具優(yōu)勢(shì)，可以獲取更多類型的有效信息，為決策層提供更有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。部分感知傳感器功能的實(shí)現(xiàn)是基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，如攝像頭及激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別和船舶行為判斷等功能，感知傳感器的功能實(shí)現(xiàn)與人類進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和行為判斷的過程類似，通過對(duì)目標(biāo)和行為的典型類型進(jìn)行記錄、聯(lián)想和推理，生成目標(biāo)和行為識(shí)別的一定“經(jīng)驗(yàn)”，從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和行為的目的。與人類獲取經(jīng)驗(yàn)的方式不同，機(jī)器學(xué)習(xí)算法需要通過大量的目標(biāo)和行為數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練從而產(chǎn)生“經(jīng)驗(yàn)”，由于機(jī)器學(xué)習(xí)算法聯(lián)想和推理的能力較差。因此除了機(jī)器學(xué)習(xí)算法的性能，用于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)庫覆蓋范圍成為影響目標(biāo)和行為識(shí)別準(zhǔn)確率的主要因素之一。船舶自主化系統(tǒng)的決策層相當(dāng)于人類的大腦，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(yù)測(cè)工作場(chǎng)景的態(tài)勢(shì)，根據(jù)“訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)”制定執(zhí)行策略，決策層的經(jīng)驗(yàn)獲取也是依靠機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如自主航行系統(tǒng)，需要大量的實(shí)際航行場(chǎng)景對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，使其在訓(xùn)練過程中達(dá)到類似于人類駕駛船舶的能力，與人類駕駛員類似，訓(xùn)練場(chǎng)景交通流量、船舶類型、天氣海況等因素的不同會(huì)導(dǎo)致“駕駛員”駕駛能力的不同，并且機(jī)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(shù)據(jù)等因素的影響。因此需要大量不同類型的訓(xùn)練場(chǎng)景進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，才能在某些情況下實(shí)現(xiàn)部分自主化的功能。

綜上所述，機(jī)器學(xué)習(xí)智能化算法是現(xiàn)階段船舶自主化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、行為判斷和自主決策的核心技術(shù)，由于現(xiàn)有算法的推理和預(yù)測(cè)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)遇到類似自動(dòng)化技術(shù)邊界條件有限的技術(shù)瓶頸，即訓(xùn)練庫數(shù)據(jù)不足，獲得經(jīng)驗(yàn)有限。因此在考慮提高機(jī)器學(xué)習(xí)算法性能的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)階段算法的實(shí)際情況，結(jié)合建設(shè)成本，集中解決目標(biāo)、行為、場(chǎng)景訓(xùn)練庫采集范圍不足以覆蓋所有工況的問題。

近年來，我國智能船舶系統(tǒng)從輔助決策系統(tǒng)向部分自主系統(tǒng)進(jìn)行過渡，即由自動(dòng)化向自主化發(fā)生質(zhì)變。隨著處理器技術(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(xiàn)實(shí)，部分自主化系統(tǒng)已進(jìn)入試驗(yàn)階段，確保船舶自主化技術(shù)應(yīng)用的安全、環(huán)保和保障已經(jīng)成為航運(yùn)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(zhǔn)了《海上自主水面船舶試驗(yàn)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(yīng)用帶來的未知風(fēng)險(xiǎn)。在船舶技術(shù)從自動(dòng)化向自主化的發(fā)展過程，不僅要思考船舶自主化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑，對(duì)船舶自主化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行安全管控也將成為一個(gè)重要的研究方向。