图1：2018年，ABB在停泊于赫尔辛基港客运渡轮芬兰堡II号（Suomenlinna II，如图所示）上成功试运行了ABB Ability™ 船舶态势感知产品。

ABB的船舶态势感知解决方案弥补了人类在体力方面的短板，赋予船员更好的态势感知功能，提高操作的便利性、安全性和效率以及控制的可预测性和一致性。

尽管远洋船舶引进了先进的导航技术，但仍然严重依赖于人类的感知。人们善于处理不确定的事情：他们运用自己的知识和经验进行判断，创造性地解决问题。但人类的感官和能力并不足以应对海上的诸多情形。

作为通过先进数字化和自动化技术帮助航运业实现安全高效运营的全球领导者，ABB抛出了一个问题：如何利用传感器技术、数据分析和计算能力的最新研究成果，使船员们获得更好的态势感知能力，提高他们对船舶的控制水平？

ABB的答案是，引入数字化的自主远程控制功能，使机器和人协同工作，实现卓越的性能。无论是在长途海上运输还是在港口停靠期间，船员都可以通过使用自主技术，自由执行监督任务，或处理警报或导航通知，以及可能出现的任何情况——所有这些都能够协同工作，以确保最佳性能。

ABB Ability™ 船舶领航系列智能产品（包括ABB Ability™船舶智能控制和ABB Ability™船舶态势感知）旨在支持机组人员实现更加安全和高效，且可预测的一致性导航和操作（图1）

桥楼即为舞台

尽管轮船桥楼包含诸多必要的辅助导航系统，如雷达、全球导航卫星系统（GNSS）、自动识别系统（AIS）、陀螺罗盘和电子海图显示系统（ECDIS），但导航仍然严重依赖人类的感官判断。

瞭望员可能会用双筒望远镜这种拥有400年历史的技术产品，透过驾驶舱的窗户向外观察。他们将信息传达给值班人员（OOW），由值班人员将其与导航工具单独显示的信息，并结合自身的行业认知，形成“意识图像”，并基于不同输入信息的可靠性，评估当时态势下的风险。然后，可以通过一些诸如调整船速之类的措施来降低风险，以确保轮船安全高效运行。如今的系统依赖于人类对信息的感知、理解和解释等，而这种依赖并不十分可靠[1-5]（图2）。例如，导航辅助系统设备可能检测不到较小的物体，或不反射雷达波的物体。如果瞭望员看不到这些物体，则从实际操作的角度出发，它们就是不存在的。

图2：该图说明了船舶自主控制的工作原理，并将其与等效人工任务（目前的标准）相关联

另一个挑战在于，相互独立的导航设备提供的数据是相互独立的。虽然这种孤立的信息可以防止单点故障，但它会导致机组人员不必要的重复操作，并增加工作的复杂性，他们必须手动观察、处理和利用这些信息。

人为因素

人类的感官无法精确感知缓慢变化、连续、或超出视角范围的事物；再加上观察是人为主观的、人与人之间的交流和信息传达可能存在不连续的现象，这些都可能会增加风险，使得错过某个事件或对海上常见的不利情况产生不一致的理解。

例如，桥楼的视野有限，需要在停靠和拖船操作期间有其他船员帮忙；该船员对障碍物的大小和距离作出主观判断，并人工（如通过对讲机）将信息告知桥楼人员。不利的天气、雾和黑暗会影响视觉和注意力，而轮船的运动会干扰该船员发现态势变化（例如，有船舶正在靠近）的能力。

单一的情境也会引发危险，例如，在海上风平浪静的晴朗天气，雷达上“什么也没有”。无聊和注意力分散可能会导致缓慢发展的事件未被识别，导致在几乎空无一人的海上发生险情，即使在良好的海况下。。这种情形将挑战机组人员观察、组合、处理信息，以及正确响应的能力。

更大的自主性

今天的自主解决方案能够以从前不可能的方式帮助机组人员。客观、准确、可重复、连续、持久，并且提高了系统冗余度；有了合适的传感器，自主系统就可以执行观测任务，并实施一致的、可预测的控制操作，从而在任何情况下都能将风险降至最低。

ABB的船舶态势感知产品旨在感知和察觉环境，无论针对何种情形，都能够提供更深入的理解和解决方案（图2、3），从而使船舶能够依照安全路线行驶并获得最佳控制（图2）。操作员可以对整个情况一目了然，以一种新颖的方式感知态势（图4a）并提高预测控制能力（图4c），以实现更安全、更高效的操作，这对船员来说是一个真正的福音。

图3a：包含重要模块的船舶态势感知系列产品构成要素

想象一艘船横渡大洋；值班人员（OOW）可以在整个轮班时间里轻松地观看雷达屏幕，无需触摸任何设备。单调会导致身心疲劳和警觉性降低，因此当必须执行关键任务——例如，接近运输繁忙的地区时，反应可能变得迟钝[3-5]。通过自动化完成观察、数据组合、风险评估和决策等过程，机组人员可以休息或审查任务目标，提高对未来关键工作的警觉性。值班人员可以在需要时用到他们的专业知识。

ABB的船舶态势感知产品可以弥补人的短板，帮助人类执行超出能力范围的任务；人类可以节省精力，专注于判断力等自身优势。由此产生的协作——人机团队将提高安全性和效率，促进形成新的操作方式。

敏锐的视觉

机组人员依靠导航辅助设备和视觉感知系统确定船舶的位置和运动轨迹。即使当单个输入（如GPS）的数据不一致时，机组人员也可以进行稳健和容错评估，但该过程容易出现人为错误。船舶态势感知通过提供自动数据融合和信息处理能力进行态势评估，而不完全依赖于人的表现——这对于要求苛刻的操作至关重要。船舶态势视觉在设计时包含了若干模块（如靠港辅助、瞭望辅助和避碰等），以支持严重依赖人类感知的操作情形（图2、3a、3b）。

图3b：桥楼操作（依赖人类的高级认知能力）与船舶态势感知方法（即使负责人失误也能了解态势）之间相关数据流的比较

靠港辅助

靠港辅助是近距离操作（如靠港驾驶）的理想选择，通常船舶靠港时，需要数名船员站在甲板上估计间隙、距离以及与码头是否对齐等等。实时自动近距离监控系统使用来自多个传感器的融合数据；在不依赖GPS的情况下（如，靠近海岸的环境和港口地区，卫星定位容易受到干扰）评估实际的船舶位置、与码头及邻近区域是否对齐。

瞭望辅助

瞭望辅助通过模拟人类瞭望，自动、连续、不间断而客观地执行广角或无死角视觉监控（图4a、4b、4c）。

瞭望辅助利用卷积神经网络（CNN，专门训练用于检测船舶相关对象并对其进行分类的技术），实时分析输入的视频流；处理帧（校正如透镜效应之类的干扰），定位多个对象并分配检测置信值。由于与每个检测到的对象的相对距离和方位是通过摄像头数据确定的，因此，对于导航雷达通常错过的物体，如小船等，防撞功能有效（图4a、4b、4c）

图4a：态势感知的主要任务是确定船舶在相对坐标或全球坐标中的准确位置，确定附近的物体类型及其位置；准确估计船舶和其他物体的6D运动和移动

图 4 b ：船 舶 态 势 视 觉 中瞭望辅助模块（Lookout Assistant Module）的数据流示意图。该模块能够根据目测观察的结果，自动检测、跟踪和估算障碍物的距离和方位

图4c：船舶态势视觉瞭望辅助模块中基于计算机视觉的检测、跟踪和测量技术

防撞

远洋船舶运输通常通过自动驾驶仪，沿着预先规划好的路线（如在电子海图系统ECDIS中绘制的）航行，以确保安全性。尽管如此，失误也仍然不可避免，如在注意力不集中或发生事故时。在这种情况下，避免碰撞功能将减轻实际态势中的风险。

如果在空间有限的环境中多艘轮船相遇（图5）该怎么办？目前，风险评估、决策制定和操纵轮船躲避的规划都是人工完成的，因此容易出现人为错误。而防撞（Collision Avoidance）模块则通过自动、连续和客观地执行这些过程来解决问题（图6a、6b）。

图5：2021年，ABB和吉宝海工（Keppel Offshore & Marine）在新加坡的一个陆基指挥中心成功测试了拖船的自主远程控制功能

该系统考虑沿计划路线航行的所有船舶，评估风险，并制定安全计划。它综合信息源、电子海图（ENC）上标记的航道空间、以及COLREGs²规则等数据来规划避障策略——计算出安全高效的路线，调整航向和/或速度（图6）。可根据多种标准对距离进行配置和调整；针对异常情况和COLREGs规则的本地化要求，根据各种目标和导航状态，对不同的行为进行编程。

图6a：自主化避碰模块动作的屏幕截图

图6b：该图显示了防撞模块的数据流。该系统以1 Hz频率运行，并在可参数化时间范围内（如提前30分钟）考虑未来态势。如果船舶大概率处于比设定风险阈值短的可配置时间窗口内（例如，15分钟）遇到目标，则系统将考虑操纵船舶，使其避开目标

该模块是最终的船员建议系统，可辅助任何类型的船舶实现安全航行，它带有船舶领航控制系统功能，支持自主防撞操作。

增益控制

尽管自动驾驶仪和动态定位（DP）系统都很流行，但它们是两个独立的导航与操纵控制系统，其用处截然不同。自动驾驶仪是为在海上运输期间控制航向、船头方向和前进速度而开发的，它假设船舶平稳运行且处于缓慢变化的条件下：它不足以在狭窄的航道或港口内进行精确控制和机动操作。相比之下，动态定位系统在设计时假设速度为零，非常适合低速操纵或自动保持在某个位置。在低速时，船舶和推进器的流体动力学模型被简化：与速度相关的现象，如非线性阻尼或推进器的舵效和拖曳效应被忽略——常常使用线性二次最优控制解决方案。因此，动态定位系统不适用于在较快的速度下执行动态操纵控制的情形。

通过ABB的船舶态势控制方法允许在整个航程中使用同一套控制系统。通过放宽传统DP系统的零速度假设条件，在控制动作中考虑与速度相关的流体动力学效应——这对于Azipod®推进系统非常重要。由此产生的非线性模型预测控制（MPC）算法尽管复杂，但能够在船舶速度为零、以一定的速度机动航行，或开放水域航行时，实施自动控制和操纵。

船舶态势控制为机组人员提供单一的控制系统来完成整个航程，模仿经验丰富的船长实施控制行为，即充分利用船舶速度、推进器的方向舵效应和动态运行状态的优势。

此外，事件是可以预期的——这对获得与人类相媲美的能力至关重要。如果船长知道即将使船停下来或转向，他/她就会提前将推进器调整到需要使力的方向。船舶态势控制的非线性模型预测控制算法实现了这一功能。结果是，它可以在动态操作中（如在港口机动、停靠等），实现更快、更精确的控制；并能在空间有限的地方精确规划航行路线。

船舶态势控制还具有全速操纵杆控制操作和自动化操作（如停靠、移航、航行和紧急停止）功能。其结果是提高操纵的一致性和可预测性，因而能够更好地按计划进度航行并降低燃料消耗（图7）。

图7：可有效利用船舶态势感知产品的情况图例

船舶领航控制系统的自动化操作系统是船级社认可的动态定位系统，可在要求配备DP2系统的海上船舶上使用。如果在部署该系统时带有Pilot Vision和Collision Avoidance功能，则可将其升级为自主系统，从而促进船舶有能力对变化的环境和态势做出反应，同时使机组人员获悉预期态势和计划操作（图7）。

自主及遥控拖船操作

为了评估船舶领航控制系统的容错设计和操纵杆控制功能是否提高了在泊位周围操纵船舶的安全性，2021年，ABB和吉宝海工在拥挤的新加坡港口成功测试了拖船的自主控制和远程控制功能（图8）

图8：自主远程控制系统实施的概念化简图，使用选择开关可将控制权还给传统的本地控制系统

船舶态势视觉通过集成导航数据创建拖船相对于障碍物位置的虚拟视图，这些数据流传输至陆上指挥中心，那里的操作员将收到增强型态势感知信息，同时船舶将成功实施自主控制（图4a、6a、6b）；当前正在进行防撞测试。由于船舶领航控制系统遵循单点容错原则，因此降低了故障风险。这种在真实世界中的测试至关重要，因为任何自主船舶都需要在真实的轮船和浮标等周围安全运行、而不是在人工的安静区域内。

未来的浪潮

所有水手都将受益于ABB 船舶态势感知解决方案等创新技术，以获得更好的态势感知能力、实现更加简单、安全、高效的操作，以及可预测的统一控制。系统部署后，随着法律法规的发展，后续可通过软件更新实现自主和远程功能。尽管目前在远洋轮船上可能还难以实现无人值守桥楼，但ABB通过开发满足现实条件下自主航行的产品，为未来实现这一技术奠定了基础。