近年来，智能船舶成为国际海事界新热点。国际海事组织(IMO)、国际标准化组织(ISO)等国际组织将智能船舶列为重要议题，国际主要船级社先后发布了有关智能船舶的规范或指导性文件，世界主要造船国家大力推进智能船舶研制与应用。但总体而言，全球智能船舶仍处于探索和发展的初级阶段，智能船舶的定义、分级分类尚未统一，智能感知等核心技术尚未突破，智能船舶标准体系、测试与验证体系亟待建立，智能技术工程化应用十分有限，相关国际海事公约法规研究刚刚起步。在这种环境下，亟需开展智能船舶技术的示范应用与测试验证以推进智能船舶技术研发的进一步发展。

拖轮又称为拖船，往往被用于拖曳船舶、协助大型船舶进出港口、靠离码头或救助海洋遇难船只。拖轮具有船身小、构造坚固、动力强劲、操纵灵活等特点。对于智能船舶技术示范应用与测试验证而言，拖轮具有以下优点：

1.船身小，动力强劲、操纵灵活，利于开展实船测试；

2.构造坚固、稳性好，能够有效保障船舶试验的安全性；

3.作业区域相对固定、通讯环境稳定，对于大部分拖轮而言，其作业区域多固定在内河、港口以及近海海域，通讯条件优于远洋货船，有利于开展试验。

因此，拖轮能够很好地满足智能船舶技术示范应用与测试验证需求，是未来一段时间内智能船舶技术开发应用的热点研究方向。

智能拖轮研究现状

近年来，船舶远程驾驶功能的开发和示范被各个国家广泛关注。2018年日本邮船公司(NYK)和该集团公司的MTI有限公司、Keihin船坞有限公司和日本海洋科学有限公司(JMS)被日本国土交通省选中参与船舶远程驾驶的示范项目。2020年1月，日本国土交通省远程驾驶示范项目以“吉野丸”拖轮为对象进行了远程控制测试，对岸基实时监测、路径规划和设备/船岸通信故障相应能力进行了评估，航行区域位于东京湾横滨和横须贺港之间，航程约12公里，远程控制由400公里外的兵库县西宫市完成。项目测试中，远程操作中心的操作员能够使用拖船配备的传感器和摄像头来识别周围情况，并制定路线规划和行动规划(防撞路线计划)，然后计划由操作员和拖轮船长批准执行。

NYK及其集团公司为了应对设备或船岸通信故障，于同年进行了第二次测试，测试内容为两项：设备故障或船岸通信中断时响应功能的测试，目的在于确认设备或船岸通讯故障条件下的船舶安全功能或维护船舶有限使用的情况；数据通信量优化测试，用于评估船舶远程控制的可用通信带宽对数据通信量的优化功能的影响。到目前为止，NYK集团一直在与航海仪器制造商和合作伙伴合作，开发可以为船员提供支持的有人遥控系统。该系统将收集、整合和分析船舶周围的信息，制定行动计划，并在岸端或船端操作员批准后，根据计划采取行动。

图1 日本国土交通省远程驾驶示范项目

2020年10月，三星重工在其巨济造船厂附近海域对一艘长38米的300吨级实船“SAMSUNG T-8”号成功进行了远程自主航行测试。在本次测试中，三星重工将自主研发的远程自主航行系统SAS(Samsung Autonomous Ship)搭载在实际运行中的“SAMSUNG T-8”号拖船上，并成功进行了实证。SAS可以实时分析安装在船舶上的雷达、全球定位系统(GPS)、船舶自动识别系统(AIS)等航海通信设备的信号，并识别周边船舶及障碍物。该系统可根据船舶航行特点，对船舶碰撞危险度(CRI)进行评估，找出最佳避碰路径，并通过推进及转向装置自动控制，使船舶可以独自安全航行至目的地。此外，通过应用全球首次适用于实船的船用360度全景式监控影像系统(Around View)和LTE/5G移动通信技术等，可以在远处的陆上控制中心直接俯瞰船舶的影像，对船舶实施远程控制。“SAMSUNG T-8”号拖船在试运行的过程中，在没有船员介入的情况下，航行至约10公里外的目的地后安全返航，同时还展示了在航行中自行躲避1公里半径内出现的其他船舶及障碍物的避碰技术。在该船自主航行的同时，位于大田的三星重工船舶海洋研究中心内的陆上远程控制中心，通过在船上安装的高性能摄像头将影像传回大屏幕，采用增强现实(AR)技术影像实时监控船舶的运行状态，对造船厂周边海域环境及障碍物进行了确认。2021年2月10日，三星重工宣布将在木浦海事大学的帆船练习船“Seegeroho”上配备自主研发的远程自主导航系统“SAS(三星自动驾驶船)”，并将启动木浦-济州岛的练习航线。

图2 三星重工T-8拖轮远程自主航行项目

瓦锡兰与新加坡PSA Marine、劳氏船级社、新加坡近海和海洋技术中心合作开展了“Intellitug”智能拖轮项目，该项目致力于开展以智能、自主、高效、安全、清洁、灵活为目标的以人为本的拖轮智能辅助技术开发与应用。项目以“PSA Polaris”号港作拖轮为载体，以自动识别系统，全球定位系统，光/热成像摄像机、自动识别系统接收器、K波段高分辨率雷达、运动参考单元为航行态势感知及定位手段，以自研动力定位系统为位置及动力分配手段，以智能学习算法为导航及避碰手段，以自主船舶模拟器及实船海上试航为测试手段，最终实现船舶的辅助决策与自主航行。实现了K波段海事雷达的首次商用，MPA智能水面船海上试验监管沙盒的首次应用，全球首次商业水面自主船的海上试验。

图3 瓦锡兰Intellitug智能拖轮项目

荷兰Machine Odyssey项目旨在将自主技术整合到船舶运营中，实现船舶的自主航行。2021年9月，该项目研究成果应用于控制“Nellie Bly”号自主拖轮完成了世界上首次超过1000海里的海上自主旅程。这次行程由自主技术进行完全船上控制，是船舶远程驾控、自主航行领域的重要突破。该项目的成功开展再次验证了智能船舶可以以更自主、更安全的方式在海洋中航行，也证明了拖轮作为智能驾控载体的优势。

图4 荷兰Machine Odyssey自主拖轮项目

2021年9月，天津港拖轮“津港轮31”和“津港轮32”成为了首批带有中国船级社智能船舶附加标志的智能拖轮，包括智能机舱、智能能效、智能集成平台三项标志。天津港集团拥有了全国首批按照中国船级社《智能船舶规范》建造并取得认可的全回转拖轮。该型拖轮全船配备了9961个传感器对主要机电设备进行数据采集与分析，其中包括船舶姿态、设备管理、作业能耗和水域环境等方面，并为设备故障提供风险预警、趋势分析、能效分析、健康评估等功能，监控数据将实时回传至公司管理部门，通过云技术实现远程的数据管理与存储，实现船-岸间的数据交互。

图5 天津港智能拖轮项目

智能拖轮关键技术

1.航行态势智能感知技术

根据中国船级社在《智能船舶规范(2020)》中的描述，在开阔水域自主航行时，自主航行船舶应能够全天候感知、获取航行态势信息，包括风向风速、船身位姿、他船识别信息等。这些感知信息主要依赖于船载感知设备获得。目前，主流的智能船舶感知设备包括雷达、激光雷达、声呐、全球卫星导航系统(GNSS)、惯性导航系统(INS)以及视觉类传感器设备等。

传统海事雷达具备感知范围远、全时全天候的特点，但其对小型动态目标的检测能力不足，且易受到水面和波浪反射的影响。激光雷达是新兴的感知设备，在无人驾驶汽车上被广泛应用，其对近距离障碍物的检测能力十分优秀，分辨率与检测精度高，但其检测距离较短且容易受到环境以及船舶运动的影响，目前对该类设备在船舶感知中的应用还在开发中。声呐是传统的船用环境感知设备，往往被用于检测水下目标，但其单次扫描的范围有限并且容易受到水下环境噪声的影响。GNSS被广泛应用于生产和生活中，对于航行船舶而言，其定位效果容易受到信号强弱的影响，有一定的局限性。视觉类传感设备的感知技术开发也是近年来的研究热点，但对于航行于水面的船舶而言，其所提供的深度分辨率和精度较低，并且容易受到光线和天气的影响。先进的船载感知设备是支撑船舶态势感知技术的核心，然而，受限于环境、距离等因素、单个的船舶感知设备往往无法提供全天候的航行态势感知信息，为满足对航行态势的全天候感知需求，往往需要在船上安装多种类型的感知设备组成感知网络，保障船舶航行的可靠性和安全性。

2.智能航行决策技术

智能航行决策技术主要包括航路与航速设计优化，其中，航路优化又分为气象航线优化与避碰路径规划技术。对于大型货运船舶而言，其气象航线与航速的设计优化可以同时进行，船舶以推荐航速行驶在优化后的气象航线上，能够避免恶劣天气与极端海况对船舶航行造成的航行风险和经济损失，与此同时，主机工作在一个能耗水平较低的条件下，降低了船舶燃油的消耗，保障了航运活动的安全性和经济性。

避碰路径规划是保障智能船舶航行安全的重要手段之一，其能够实现航行过程中对静态障碍物与动态障碍物的规避，并优化其避碰路线。目前，避碰路线的规划方法可以分为确定性方法和智能优化方法两类；如何对避碰路径规划中需要考虑的各种复杂影响因素进行建模，并使用智能算法进行优化，是船舶避碰路径规划的重要发展趋势。

3.拖轮自主运动控制技术

对于船舶自主运动控制而言，根据系统控制输入维数与系统状态维数的关系可以分为过驱动控制、全驱动控制以及欠驱动控制三类。对于不配备侧推器的拖轮而言，其运动系统属于欠驱动系统。目前，欠驱动船舶的运动控制研究主要集中在三个方面，即定点控制(Setpoint Regulation)、路径跟踪控制(Path-following Control)和轨迹跟踪控制(Trajectory-Tracking Control)。定点控制的目标是对船舶进行位置和姿态的控制，其研究主要集中在船舶动力定位和靠离泊控制上；路径跟踪控制不受时间约束，只需要控制船舶按照预定的路径进行航行即可；轨迹跟踪控制除了对船舶的位置进行要求以外，还要求能够对船舶的速度进行控制。

对于拖轮自主运动控制而言，其控制效果往往依赖于船舶运动学和动力学模型的准确性，且易受环境因素(风、浪、流等)的影响。因此，近年来对船舶自主运动控制方法的研究集中在利用机器学习方法、无模型控制理论以及设计干扰观测器等手段，解决船舶运动控制中运动学和动力学模型不确定性、参数摄动、外界干扰等问题，提高控制算法的鲁棒性。

4.港区受限环境船-岸通信技术

通信的可靠性和效率将直接影响船舶航行以及作业安全。对于工作于港区的港作拖轮而言，其通信环境优于远洋航行船只，可选择的通信方式较多，更容易满足智能拖轮的数据传输、远程驾控等需求。船舶自动识别系统(AIS)是目前船舶间以及船岸间信息交流的通信方式之一，但其也存在显示信息有限且频率不高等缺点，无法满足未来智能船舶的通信需求。LoRa作为一种功率小、范围广、抗干扰能力强的新兴调制解调技术，能够满足港区复杂环境干扰下的船-岸通信需求。近年来，5G通信技术应用成为各行业的热点，其具有的大带宽、低时延、高可靠性特点使其能够很好的满足智能船舶近岸区域的船-岸通信需求，但存在通信成本高、信号强度受限等缺点，使其短时间内无法在行业内大规模应用。此外，北斗短报文在海事中的应用也在不断深入，其具有费用低和覆盖范围广的特点，能够为近海与远洋船只提供天基通信服务，有效保障了船舶的运行安全。

5.智能拖轮运维技术

船舶智能化运行维护管理工作是一项由多方参与的、由一系列目标高度一致且相互独立执行的管理任务组成的系统工程。随着大数据技术研究的深入，船舶运维的智能化水平不断提高。大数据智能运维技术需要利用数据分析工具对大量的船舶运行数据进行处理和分析，这一工作往往需要在岸基的数据中心进行；得益于拖轮与岸基数据服务中心的密切联系，其智能运维技术的开发具有巨大的潜力。此外，由于拖轮作业的特殊性，其主机、推进轴系与重要机辅设备的运行状态监控与智能维护能够为拖轮提供航行安全保障，降低拖轮运营维护成本。因此，智能拖轮运维技术是智能拖轮的关键技术之一。

智能拖轮发展趋势与展望

拖轮具有的船身小、构造坚固、动力强劲、操纵灵活等特点使其在智能船舶技术实船测试验证方面具备巨大优势，因此，智能拖轮技术应用将在智能船舶实船落地与示范上发挥重要作用。各国对智能拖轮技术的开发和应用在如火如荼进行中，但智能拖轮技术仍面临技术可靠性不足、测试验证手段匮乏、抗风险能力较弱等问题，基于现有研究情况，对智能拖轮技术的发展趋势提出以下几点思考：

1.关键技术突破

智能拖轮态势感知、操纵建模、运动控制、航行决策、船-岸通信、智能运维等关键技术的深入研究是智能拖轮实船落地的根本保障，其开发与应用需要充分发挥大数据、人工智能、嵌入式、5G通信等技术手段的优势，以虚实融合的测试验证方案为托举，逐步实现对各项关键技术的突破。

2.产学研结合

智能拖轮的实船落地示范需要依赖企业、科研院所与高校之间进行密切合作，将促进技术创新的生产要素进行有效整合，完成技术创新上、中、下游的对接与耦合，以市场需求为导向，充分调动各类机构实现优势互补，实现对智能拖轮的开发、转化、应用与推广示范。

3.规范标准

围绕智能船舶相关技术，中国船级社先后出台了《智能集成平台检验指南》(2018)、《智能船舶规范》(2020)、《船舶智能能效管理检验指南2022》等规范指南类文件，但尚未针对智能拖轮出台相关规范标准，考虑到拖轮船型和作业特性与货运船舶的差异，以及智能拖轮于智能船舶技术研发与应用的重要作用，亟需围绕智能拖轮的船型特点、作业需求、系统集成等方面制定相关规范标准，为智能拖轮技术开发提供指导，推动智能船舶技术落地应用，实现标准化、模块化的智能拖轮批量推广。

作者：武汉理工大学  刘佳仑 韩成浩 李诗杰 ；中国船级社  马吉林