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自主船只航行路线
贾斯汀·曼利只是创新公司。
美国马里兰州波士顿
摘要-近年来，围绕无人水面航行器(USV)发展的技术、商业和政策动态有了显著的发展。这些都预示着完全自主的大型船舶的发展。本文简要总结了当前无人水面飞行器的发展趋势，以供学术、政府和工业读者对该领域有一个基本的了解。
无人驾驶船只成为可能的技术开发包括机器学习和人工智能、用于态势感知的传感器、用于车辆自我感知和控制的传感器和系统、遥测以及用于操作员监督的工具。值得注意的USV演示包括波浪滑翔机等平台的长期耐力演示，以及USV等海军平台的试验。
推动人们对无人驾驶船舶感兴趣的行业动态包括重要的最终用户、市场需求和机会，以及从初创公司到大公司的生态系统参与者。塑造市场的关键项目，如挪威的Yara Birkland项目，突出了新技术与市场需求的交汇。无人船的政策和监管环境也很重要。关于无人驾驶船只的这一重要考虑尚未得到充分考虑，但正在取得进展。
1.介绍即将到来的自治船舶时代
船舶和各种水上船只是人类开发的第一批先进机器之一。作为勘探、商业和战争的关键要素，船舶总是涉及到解决困难问题的工程解决方案，以及有才华的人来建造和操作这些机器。 几千年来，水手们把他们的信任和他们的生活，放在木材，然后钢铁的建筑中，面对一个充满挑战的海洋。 因此，他们在思维上发展了一定的保守主义。 也许这就是为什么“自治”时代对船舶的影响一直很慢。 但这种情况正在改变。 今天，有许多小的无人驾驶船只在日常使用，这些已经铺平了完全自主的船只的道路。 无人驾驶船只的技术、应用和政策方面都在迅速发展。
2.技术发展和里程碑
通往自主船只的第一个路径是技术上的。使无人驾驶船只能够使用的核心技术主要是由于其他领域的发展。在麻省理工学院海洋赠款学院方案中，无人驾驶地面飞行器(USVs)最初是在 1993 年开发的，尽管它们后来被称为自主地面工艺(ASCs)。 第一个在麻省理工学院海洋赠款产生的 ASC 被命名为ARTEMIS。 这艘船是一艘拖网渔船的规模复制品，用作能够测试ASC所需导航和控制系统的平台。然后该ASC被用来收集马萨诸塞州波士顿查尔斯河的简单水深数据。
[1]ASC 非洲实时环境监测信息系统的主要缺点之一是体积小。这限制了它的耐力和渗漏。它还阻止了包括全球定位系统等尖端导航系统。当时也没有有用的解决方案 fbr 无线数据遥测是负担得起的或适合的小工艺。 这种早期的 USV 是用从无线电控制玩具、娱乐海洋深度测深仪、磁通门罗盘和摩托罗拉 6811 处理器中提取的简单伺服器制作的，这些处理器都是用汇编语言编程的简单代码。麻省理工学院的工作继续集中在开发一个有用的 USVfbr 自动测深。1997 年 12 月在波士顿港成功完成了一项新设计，配备了适合水文测量的传感器。
[2] 从 1998 年 1 月开始，美国海军被送回实验室，对其机械系统进行重大升级。 在 2000 年夏天，当新的平台（图 1）测试了修改和设计迭代。被重新命名为自动猫。
图 1： 2000 年自动猫
- 这种早期的 USV 现在包括了今天在 USV 上常见的许多特征。它使用 PC104 计算机，携带 GPS 系统和惯性传感器进行位置和姿态测量，并使用早期 900m Hz 无线调制解调器进行操作员接口和监视。 这些仪器和由电动滚动马达推动的双体船结构。事实上，在
ApH12019avey 类似的配置是在一个主要的印度贸易展览上出售的，图中设备与美国 Vs 的机械和电子系统结构并行，软件也迅速发展。 麻省理工学院的团队在2001 年利用其USV 推动面向任务的操作系统的开发方面作出了重大贡献。
[4]这一发展使得为商业和科学目的进行的调查能够很好地利用普遍定期审议。 “修剪草坪”对美国海军来说永远不会变钝，而它甚至可以使最专注的舵手。 MOOS 允许这样的任务以监督控制方式执行。 通常船舶低水平控制(例如：舵驱动和导航规划（路径到路径点)是自动的，而整体行为(例如路径点选择）是由操作员管理的。这种方法在今天的 USV 中很常见。
图 3：波浪滑翔机
虽然无人潜航器的基本技术要素在21世纪初就已经具备了功能，但还需要几年的时间才能证明这一概念已准备好投入常规使用。沿途的几个里程碑是由新颖的外形因素和推进概念带来的，包括用于推进的风能和波能。2007年，Liquid Robotics公司成立，将波浪滑翔机商业化，图3这一新颖的设计使用了一个附着在包含许多可调节机翼的海底系统上的水面船体。这个装置把垂直波浪运动、升沉转化为向前推力。到2010年，波浪滑翔机已经批量生产，并用于各种实验。图3中的单元用于拖曳被动声阵进行了评估。这项任务取得了一些成功。
[5]到2013年，波浪滑翔机已经足够坚固，可以完成从加利福尼亚州到澳大利亚的太平洋穿越，这是一项无人驾驶船只的世界纪录。
[6]USV在2019年8月也取得了类似的成就，当时一架名为Saildrone的风力USV能够绕着南极洲飞行。
[7]这些发展表明，特种无人潜水艇可以长期承受恶劣的海洋环境，其软件和系统足够可靠，可以进行长时间航行。在无人机技术日趋成熟并证明其能力的同时，大量的应用和市场也随之发展起来。
3.应用和市场
虽然可以想象的USV的应用和常规舰艇一样多，但国防和商业调查是两个重要的核心领域。美国海军在专注于无人潜水器之前很久就开始了无人潜水器的工作。然而，2006年海军USV“总体计划”的发布标志着该领域在这个主要用户的眼中正在迎头赶上。
[8]总体规划确定了包括地雷对抗(MCM)、反潜战(ASW)、水面战(SUW)、特种作战部队(SOF)支持、电子战(EW)和海上拦截行动在内的应用。Fleetclass无人水面舰艇(也称为通用无人水面舰艇(CUSV)图4)已经解决了其中的许多应用。该USV旨在从用于MCM和ASW任务的沿海战斗舰艇上部署。CUSV的设计目的是与传统刚性船体充气船(肋骨)的重量和处理极限相匹配。2014年10月，德事隆系统公司赢得了美国海军的CUSV合同。将生产52个单元，为24个MCM任务包配备每个两艘舰艇，以及6艘用于培训和替换的舰艇。
[9]2018年1月，德事隆宣布，美国海军正在研究如何将CUSV武器化，以发挥水面作战的作用。正在考虑各种有效载荷，包括小型导弹、远程炮塔以及传感器和指示器，以作为更大船只的前向瞄准节点。
[10]当CUSV作为小船的模拟物进入服役时，还有其他海军努力在更大的船上工作。海猎人，图5，是2016年发射的USV，作为DARPA反潜作战连续追踪无人船(ACTUV)计划的一部分。这个原型是由Vigor工业公司建造的，Leidos提供关键的自主能力。“海洋猎人”号被归类为III级无人潜水器，并被指定为中等排水量的无人水面航行器(MDUSV)。这艘船于2018年从DARPA过渡到海军研究办公室(ONR)。2019年初，它成为第一艘从加利福尼亚州圣地亚哥驶往夏威夷珍珠港并返回的任何类型的船只，无需船员导航和驾驶。
图 5：2016 年发射的海猎人（美国海军照片由约翰·威廉姆斯/租赁）
[11]在美国海军继续推进无人潜航器的同时，商业行业也注意到了这项技术。麻省理工学院早期的水深测量工作已经成为无人潜航器在工业上的核心焦点。配备测量级声纳和导航仪器的紧凑型系统已经变得很常见。其中最多产和最受欢迎的是Teledyne Marine的Z型船，图6这种中等尺寸的船，只有1.8米长，可以收集与全尺寸测量船相当的水文数据。其中最多产和最受欢迎的是来自 Teledyne 的 Z 船海军陆战队，图6这种尺寸不大的车辆只有 1.8 米长，可以收集与全尺寸调查相当的水文数据。
内陆和沿海调查的无人驾驶地
表水
虽然像 Z 型船这样的小型潜艇通常部署在运营商的视线范围内，但也有其他的潜艇在更远的地方运作。 在这个领域也有许多竞争者。 在 2019 年，一个新的进入者，XOCEAN，开始使用定制设计的 USV 来操作北海能源客户的调查任务。 该公司在爱尔兰开发了一个小型的 USV 车队和一个集中的运营中心。 这个指挥中心，图 7，允许在商业调查的 USV 的生产力方面取得重大进展。 在 2019 年的一次行动中，该小组在四个月的时间内完成了 2000 小时、近三个月的调查工作。
图 7：美国海军作战中心（礼貌的海洋）
4. 政策发展
[12]虽然任何创新都需要技术推动和市场拉动，但监管往往是一个主要考虑因素。 自主船只的情况尤其如此。 这一主题值得一卷，但某些关键的发展可以被视为推动了这一领域。
在大约2000-2010年期间，在解决USV的政策环境方面几乎没有取得实质性进展，实际上对自主船只的讨论为零。然而，在这段时间里，使无人驾驶船只能够遵守COLREGS(海上道路规则)的软件和算法的早期工作开始了。
[13]值得一提的是，成立了ASTM委员会F41，旨在制定无人驾驶海上航行器的技术标准。
[14]该小组最终成立了一个小组委员会来审议监管问题。这促进了进一步的政策发展。
[15]从2011年开始，国际无人系统协会(AUVSI)开始通过其海事倡导委员会参与这一问题。一个特别的重点是向美国航行安全咨询委员会(NAVSAC)提供信息并与其接触。该机构通知美国海岸警卫队，美国水域的相关监管机构。通过一系列会议，这项工作最终在2012年底达成了一项决议，就技术解决方案(如使用自动识别系统)和政策步骤(如对某些COLREGS的修正案)提供了咨询意见。
[16]这些初步建议既针对水面系统，也针对海底系统，并不完全符合整个社区的要求。审议持续到2013年，但没有紧随其后的是对美国规则进行有意义的改变。这在很大程度上是欧洲发展的结果。
在英国，一个名为Marine UK的行业组织发起了一项努力，为无人驾驶船只开发自愿的最佳实践，尽管他们将其称为海事自主系统(MAS)。英国行业行为守则的第一版主要集中在MAS的设计和建造等技术方面。2017年11月，英国海事自治系统监管工作组(MASRWG)发布了首份文件。虽然不是法律或政策文件，但最初的守则受到世界各地的公司和组织的好评，一些制造商报告说，遵守守则被视为合同谈判中的一项要求。虽然代码的第一个版本中的指导是针对设计、施工和操作的，但它主要侧重于设计和制造。看到自主系统的显着增长，MASRWG更新了“业务守则”，以更多地关注这些技术的运作。该指南主要涉及技能、培训和船舶注册。英国法规的最新版本于2018年11月发布。
[17]虽然以前的这些努力都是区域性的，但对COLREGS负有最终责任的监管机构是国际海事组织(海事组织)。2017年，根据一些成员国的提议，国际海事组织海上安全委员会(MSC)同意将这一问题列入议程。这导致了这项技术的另一个绰号，海洋自主水面舰艇(MASS)。海事组织同意从确定范围的工作开始，以确定如何在海事组织的政策和规则中引入安全、有保障和无害环境的质量作业。在2018年国际海事组织特别会议上。
[18，19]随后，2019年6月，MSC批准了大规模试验临时指南。这些目的是为了指导正在进行的开发和更大规模的着眼于商业规模的船只的早期示范。指导方针说，试验的进行应至少提供与现有相关法规对载人船只提供的同等程度的安全、保障和环境保护。它们涉及风险缓解实践和大规模操作员资格。值得注意的是，准则还建议采取适当步骤确保网络风险管理。
[19]海事组织进程的下一步是完成其范围划分工作。这将评估国际海事组织的规则和政策对大规模的适用性，并确定解决大规模操作的最合适的方式，同时考虑到人、技术和操作因素。科技界特别感兴趣的是，国际海事组织将在范围划分工作中采用四个“程度”的自治权。这四个“度”是：
第一级：具有自动化流程和决策支持的船舶：海员在船上操作和控制船舶系统和功能。有些作业可能是自动化的，有时是无人监督的，但船上的海员随时准备控制。
第二级：船上有海员的遥控船舶：船舶在另一个地点被控制和操作。船上的海员可以控制和操作船上的系统和功能。
第三级：遥控船舶，船上没有海员：船舶在另一个地点被控制和操作。船上没有海员。
第四级：完全自主的船：船的操作系统能够自己做出决定和决定行动。
海事组织预计在 2020 年完成这项工作。
5.结论，实现预期
无人水面航行器(USV)的底层技术有了重大发展。利用这项技术，已经展示了许多应用，并为USV销售和服务发展了一个强大的商业市场。公平地说，USV行业已经“到来”。这一成功影响了监管机构开始着手解决这项技术在大型船舶上使用的潜力。有迹象表明，这一领域目前的不确定性将在未来几年内得到解决。
在监管机构工作的同时，该行业正在开发一种商业规模的自动驾驶船舶。图7所示的Yara Birkeland是一艘集装箱船，由Kongsberg和Yara化肥公司联合开发。这艘船预计建成后将成为世界上第一艘全电动自动集装箱船。该项目始于2017年5月，康斯伯格开发了自主运营所需的关键技术。这艘船在2020年初交付时的第一次操作将是有人操作的。但在接下来的几年里，它将过渡到完全自主的运营。
图 7：Yara Birkeland(孔斯伯格和Yara)的渲染
[20]技术计划并不是这个项目的唯一特色。这艘船将在挪威南部布雷维克、希罗亚和拉维克港口之间的一
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