对船舶极地智能航行的思考

中国船级社 贺 辞 邓林义 曹 晶

相对于常规水域航行，极地航行水域存在大量浮冰与冰山，气象海况复杂，对船舶的极地航行造成了较大的操作风险。与此同时，船舶智能化技术的发展及其应用已然成为促进和提升船舶安全及环保水平、营运效率及经济性的重要手段。中国船级社于2015年发布了《智能船舶规范》，并在2020年升级修订。其中，船舶智能航行的功能要求已在多型开展了应用（见表1），为船舶的航行操作提供决策建议，并取得了初步成效。

表1 智能航行功能实船应用现状

极地冰区智能航行是一项具有挑战的研究任务，也是亟需解决的热点问题，本文以现有船舶智能航行方面的研究成果与应用经验为基础，通过分析与研究极地水域航行环境的特征，并结合不同类型船舶的航行性能，提出适用于极地水域智能航行的功能要求与建议，进一步降低船舶极地航行场景下的操作风险，提高安全性，为未来船舶极地航行的发展提供保障。

极地智能航行目标

目前，智能船舶功能要求的制定采用了基于目标（GBS）的方法。对于低纬度航线普通货物运输船舶而言，智能航行的目标应是确保航行安全的前提下，兼顾航行的经济性，使得船舶航行更加安全、更加经济、更加高效、更加环保。然而，对于船舶的极地航行，其智能化的目标有所差异，主要体现在以下几个方面：

1、对于极地科考船舶，是否安全抵达预期位置，完成科考任务，是其主要目的，航行经济性不是主要考虑因素。

2、对于极地货运船舶，极地航线较之于传统低纬度亚洲-欧洲、亚洲-美洲航线，可以大幅缩短航程及航行天数，其经济性在船舶选择极地航线时已经凸显。此外，北极水域常年大面积冰雪覆盖，其航线相对固定，航线调整对经济性的影响十分有限，同时频繁变换航线也将为航行安全埋下隐患。不像低纬度航行，航线有大范围的调整空间，可以通过航线的调整和优化提高经济性水平。

3、极地水域环境恶劣，救援及响应不及时，航行过程中一旦出现事故，对安全、环境、极地生态的影响重大，后果严重。

因此，不同于低纬度航行，船舶极地智能航行的目标应聚焦于提升极地航行安全和环保。

极地航行操作风险因素识别

船舶的极地水域航行主要存在如下客观风险：

1、恶劣天气：极地水域的低温将对设备性能造成影响，尤其是通信导航设备及安全设备的性能；极地水域的大雾和大雪天气持续时间长，对能见度的影响严重，增加了航行的碰撞风险。此外，低温与雾雪环境也容易使航行设备表面积冰，造成设备损坏或性能降低。

2、浮冰及冰山：极地附近海域常年漂浮随着季节变化的海冰和冰山，尤其随着纬度的增加，气温越低，浮冰区域面积越大，海冰密集度越高，冰层越厚，这些对于船舶航行带来很大的困难，容易发生碰撞和冰困，导致结构损坏乃至威胁船舶航行安全。对于南极航行，则存在冰山和冰架，存在冰崩的危险。

3、编队航行碰撞：船舶在冰区编队破冰航行时，跟驰船舶由于跟随距离及速度的把握，有可能造成编队船舶前后碰撞的可能。

船舶极地智能航行功能研究

1、极地智能航行范围

对于船舶极地智能航行应具备的功能和自主化程度，目前国际海事组织（IMO）对船舶自主等级提出了从辅助决策到完全自主的四个等级的划分，基于此，中国船级社《智能船舶规范》（2020）中也根据船舶航行实际，针对性地提出了相应的智能航行功能要求（详见表2）。

表2 IMO智能船舶自主化程度划分与CCS智能船舶规范（2020）智能航行功能对应表

对于极地智能航行，在操作上存在特殊性和局限性，需要大量的人为介入参与操作决策，且面临更大的客观风险。因而自主航行和遥控航行功能对于极地水域航行船舶暂不适用。

鉴于此，本文立足于实际，仅从辅助决策的角度，开展极地智能航行功能研究。即，为船上人员的航行操作提供决策支持和建议，相关决策支持功能不取代船长责任与权力，也不改变驾驶员正常职责和良好船艺的原则。

2、极地智能航行功能建议

通过结合极区的操作特点和风险因素，对于船舶的极地破冰航行以及护航船舶的极地编队航行两类场景，分别提出以下两项智能功能建议：极地智能航线规划；极地智能编队航行/护航决策。

（1）极地智能航线规划

目前，极地船舶的航线规划是由船上人员综合考虑船舶设计冰级、操作限制、天气情况、冰情，以及航行任务等因素，在开航前人工完成策划。极地智能航线规划功能面向冰区破冰航行的船舶，该功能根据船舶自身技术条件和性能（设计冰级、破冰能力、极地服务温度、航速限制）、极地科考/航行任务、船舶吃水情况，并考虑航行水域冰情及风、浪、流、涌等环境因素，在开航前自动对极地水域航行航线的航路与航速进行规划，并在船舶极地航行过程中不断根据外在条件的改变及时调整航线规划，避开航路上的冰山、大型浮冰及其他固定障碍物。其目的旨在借助智能化的手段，在船舶开航前和航行中全面考虑极地航次任务中的各项影响因素，对航路实现自动规划和调整，更好地保障船舶及船上人员在极地水域航行和作业的安全；降低人为因素的影响、减轻驾驶人员工作负担，降低冰困及碰撞等航行风险。

基于上述要求，对规划功能、输入需求、限制条件进行了如下研究：

①功能要求：智能航线规划的功能既需要全局的航线规划，也需要根据航行中的实际情况突发状况作出调整，因此，智能航线规划应需要同时考虑整体和局部，实现大尺度和近距离两种类型的规划：

◆ 航线大尺度调整：根据接收的实时冰况及气象数据的更新和航次任务的变化，对航线进行全局规划或大尺度调整；

◆ 近场航线调整：根据航行中实时感知获取的船舶附近的海冰、冰山数据及其他环境信息，进行短距离的航线与航速的调整，绕开冰山及其他水面固定障碍物，避免碰撞、冰困等紧迫情况的发生。

②信息输入需求：船舶在极地水域的航路规划，应立足于船舶自身的设计参数与操作性能。船舶性能通常应考虑：船舶总布置图；船体型线图、中横剖面及舭龙骨细节；静水力曲线；主机参数及轴带发电（如设有）细节；主机工厂试验结果；船模试验和船舶航行报告；船舶抗风浪等级；船舶极地水域操作手册等相关船舶设计信息。

船舶在极地的航线规划与航线调整离不开对极地天气变化情况的考量，需要考虑至少如下气象信息，包括：

◆ 风向、风速；

◆ 有效波高；

◆ 风浪高度、平均周期；

◆ 涌高、涌向和平均周期；

◆ 流速、流向；

◆ 极地气旋：最大风速、阵风风速、七级风圈半径等；

◆ 强冷高压（寒潮大风）预警；

◆ 冰情；

◆ 极地气温。

其中，对于冰情数据，应至少对以下信息纳入考虑：

◆ 海冰密集度；

◆ 海冰发展阶段/海冰厚度；

◆ 冰型/浮冰宽度；

◆ 历史状态、限制和冰量；

◆ 浮块冰、多年冰、冰山情况。

为保障航路规划及调整的正确性、有效性和实时性，气象与海冰数据应有可靠的数据来源，且冰情和气象数据的自动订阅/更新，并具备实时性和足够的准确性。

为了实现冰山、大型浮冰、浅滩等其他水面固定障碍物的避让，船舶应能够在航行中实时感知下列环境信息：

◆ 风速、风向；

◆ 海面能见度；

◆ 环境温度；

◆ 船舶位置的实测水深；

◆ 周围3海里内的冰厚度、冰密集度；

◆ 周围3海里内的冰山和大型浮冰，及其他固定障碍物。

③限制条件：船舶的极地航行操作手册规定了船舶极地操作能力和限制，极地船舶的操作应遵循操作手册中的相关要求。因此，船舶通过极地智能航线规划功能形成的决策建议不应超出船舶极地航行操作手册中规定的操作要求和限制，如：最大冰状态、最低温度、最高纬度等等，以防止超出船舶操作的能力范围，而发生冰困等危险。

从风险防控的角度考虑，极地船舶智能航线规划应使得极地船尽可能在低风险海域航行，所形成的规划航线建议与操作建议应至少通过国际海事组织（IMO）“冰区操作能力和限制评估方法”（POLARIS）评估，满足航线风险指数总值（RIO）大于等于0。当评估结果小于0时，相关航线应由船上驾驶人员进行特别考虑。

此外，智能航行规划功能形成的极地航线，应能够避开有冰压或潜在冰压区域，以及社会和生态敏感区域。

（2）极地智能编队航行/护航决策

当低冰级船舶穿越冰区且破冰能力不足时，通常需要护航船舶提供破冰护航作业。在编队航行状态下，被护航船舶跟随破冰船尾迹航行。如何保障船队的通航的安全与效率，以及在护航过程中指挥编队中各船跟驰速度及与其他船舶的距离，避免碰撞风险，均由领航船操作人员进行决策。

因此，极地智能编队航行功能的提出主要面向极地编队航行中执行破冰护航任务的船舶。指在船舶极地编队航行，开展破冰任务，开辟航道的过程中，具备智能编队航行的护航船领航船能自动根据船队中各被护航船舶的船宽、动力性、冰级、吃水等因素，确定编队航行顺序；同时，根据编队航行实时状态，及时形成编队中各跟驰船舶航向、跟驰速度，以及与前船的最短安全距离的指令建议，提升整个编队的极地通航安全与效率。

领航船舶为实现智能编队航行功能，应能实时获取编队中各跟驰船舶如下信息：

◆ 船宽；

◆ 动力性能；

◆ 设计冰级；

◆ 船舶吃水；

◆ 实时航速；

◆ 航向；

◆ 与护航船舶间距离；

◆ 与护航船舶相对位置；

◆ 与前船间距离；

◆ 与前船的相对位置。

同时，领航船舶应能至少获得以下冰情数据，作为极地编队航行操作决策形成的参考和输入：

◆ 海冰密集度；

◆ 海冰发展阶段/海冰厚度；

◆ 冰型/浮冰宽度；

◆ 历史状态、限制和冰量；

◆ 浮块冰、多年冰、冰山情况。

通过对船舶在极地水域航行目标及相关航行风险的识别，对极地智能航行从船舶独立航行及编队航行两个操作场景，分别提出了基于辅助决策的功能建议。为日后进一步开展极地航行智能化工作，提升船舶极地水域航行的安全与环保水平提供借鉴与参考。也为我国进一步开发极地航线、开展科考、商贸活动等极地事务提供技术支持。