由于島嶼眾多，人口老齡化問題突出，無人船技術(shù)發(fā)展對日本至關(guān)重要。2021年9月2日，日本郵船下屬機(jī)構(gòu)日本海洋科學(xué)(JSM)對外公布了DFFAS項目(Designing the Future of Full Autonomous Ship)陸基支持中心及其操作系統(tǒng)。DFFAS項目旨在開發(fā)和驗證無人操作系統(tǒng)，通過敏感感應(yīng)海面情況，掌握船舶位置和航線，降低海上事故發(fā)生率，緩解日本勞動力。

 “1+30”規(guī)模空前

日本財團(tuán)(The Nippon Foundation)于2019年10月發(fā)起了“無人駕駛船實證實驗相關(guān)技術(shù)開發(fā)共同項目”征集，截至2020年6月，共確定五個子項目，包括智能渡輪開發(fā)項目、橫須賀猿島無人船項目、無人船未來創(chuàng)造項目、利用國內(nèi)集裝箱船和汽車輪渡進(jìn)行無人化驗證項目、水陸兩棲無人技術(shù)開發(fā)項目。DFFAS項目正是以“無人船未來創(chuàng)造項目”為目標(biāo)，構(gòu)建完善的無人操作系統(tǒng)與陸上基礎(chǔ)設(shè)施的重要保障，進(jìn)而促進(jìn)無人集裝箱船航行技術(shù)在2025年之前實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

除JSM外，還有30家日本機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與了“無人船未來創(chuàng)造項目”研發(fā)(截至2021年6月)，包括：

日本內(nèi)航海運船舶管理公司(IKOUS)

氣象情報公司(WNI)

藝卓公司(EIZO)

Monohakobi技術(shù)研究所(MTI)

日本電信電話(NTT)

NTT DoCoMo

NTT Communications

Japan Hamworthy

日本聯(lián)合造船(JMU)

今治船廠(Imabari shipyard)

三和船塢(Sanwa Dock)

Sky Perfect JSAT集團(tuán)

Sunflame

東京計器(Tokyo Keiki)

Nabtesco

日本海運(Nippon Kaiun)

日本郵船

鈴與海運(Suzuyo Marine)

日本無線(JRC)

BEMAC

pluszero(+zero)

古野電氣(FURUNO)

本田重工業(yè)(Honda Heavy Industries)

三浦工業(yè)(Miura)

三菱綜合研究所(MRI)

橫河電子機(jī)器(YDK Technologies)等。

“1+30”，日本借助如此多的科研力量制定、打造無人船項目，完全可用“宏大”來形容。日本財團(tuán)在公告中表示，DFFAS項目是一項由在無人船領(lǐng)域擁有豐富國際經(jīng)驗的眾多機(jī)構(gòu)、公司及專家開展的開放式合作，涉及無人駕駛所必須的自動航行、陸基支援、遠(yuǎn)程操縱、通信線路等各系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用，其目標(biāo)是實現(xiàn)無人船支持日本進(jìn)入物流社會新時代。

“由于技術(shù)發(fā)展階段的限制和涉及國際間協(xié)調(diào)等問題，遠(yuǎn)洋無人船試航仍存在一定障礙，因此，各國當(dāng)前多選擇通過內(nèi)航自主船舶試航開展功能驗證，在船舶及相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計建造、船舶運營、海事監(jiān)管等方面積累經(jīng)驗。”中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院船舶標(biāo)準(zhǔn)化研究中心工程師馮書桓說，DFFAS項目聚焦小型內(nèi)航集裝箱船在擁擠海域水域自主航行和遠(yuǎn)程操控就體現(xiàn)了這個特點。“與以往項目聚焦船舶本身不同，該項目參研單位囊括航運、造船、科研機(jī)構(gòu)、海事服務(wù)、機(jī)械制造商、通導(dǎo)設(shè)備商等諸多領(lǐng)域，旨在回應(yīng)海事工業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈智能化發(fā)展趨勢，打造新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，為日本航運和造船業(yè)在競爭中搶占先機(jī)。”

對此，供職于JSM的DFFAS項目總監(jiān)桑原悟(Satoru Kuwahara)船長表示認(rèn)可，他說：“我們的目標(biāo)不僅是發(fā)展技術(shù)，而是進(jìn)行社會應(yīng)用。為了創(chuàng)新可被行業(yè)和社會接受的技術(shù)，掌握并響應(yīng)用戶需求非常重要，但用戶所需技術(shù)不能從單一企業(yè)獲得，除非與眾多企業(yè)攜手。這是DFFAS項目‘開放創(chuàng)新’理念的初衷，也是我們邀請多方介入的原因。我們的優(yōu)勢在于可將研發(fā)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，這就意味著多家公司可以作為一個團(tuán)隊朝著同一目標(biāo)發(fā)展。日本海洋科學(xué)為此成立項目管理辦公室，從用戶角度出發(fā)進(jìn)行概念規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計，主導(dǎo)開發(fā)基于算法的無人船導(dǎo)航規(guī)劃單元，并對無人船航行進(jìn)行風(fēng)險評估，與相關(guān)方(如政府部門、保險業(yè)、托運人等非技術(shù)方)進(jìn)行討論，進(jìn)而獲得與常規(guī)船舶同等的安全證明，以此作為社會實施的基礎(chǔ)。”

拋開日本企業(yè)的理念和文化不談，單就創(chuàng)新和精細(xì)而言，日本在大數(shù)據(jù)/物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、精密電子儀器、氣象預(yù)報、船舶建造及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具備世界領(lǐng)先技術(shù)水平，而這些領(lǐng)域的佼佼者組成的“1+30”陣容，預(yù)計可以較快的速度帶動日本智能航運發(fā)展。“對DFFAS項目的參與單位進(jìn)行仔細(xì)研究會發(fā)現(xiàn)，除傳統(tǒng)造船、航運企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)外，其中還包括海事通導(dǎo)設(shè)備制造商，甚至藝卓公司等顯示設(shè)備制造商，這體現(xiàn)了日本在無人船發(fā)展中的總體布局和推動全業(yè)態(tài)智能發(fā)展的決心。未來，日本將繼續(xù)依托DFFAS項目積極參與國際規(guī)則制定，推廣自己的技術(shù)方案。”馮書桓說。

 “四隊”推進(jìn)改裝

“無人船未來創(chuàng)造項目”示范測試用船為一艘載箱量為200TEU左右的內(nèi)貿(mào)集裝箱船(“Suzaku”輪)，所搭載智能綜合系統(tǒng)將被安置于兩個經(jīng)特殊設(shè)計的集裝箱內(nèi)，該船預(yù)計于2022年2月在東京灣-伊勢灣航線進(jìn)行近400公里的自主航行，以試驗該系統(tǒng)在擁擠水域的實用性。桑原悟船長指出：“陸基支持中心在測試期間負(fù)責(zé)對船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并在緊急情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，包括根據(jù)已獲批路線/行動計劃進(jìn)行的船舶操縱、緊急狀況下的遠(yuǎn)程操縱、自動化靠泊/離泊作業(yè)，以及陸基支持中心通過船岸數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對船舶運營的追蹤。”

日本聯(lián)合造船在匯總分析無人船所需技術(shù)要素后，主要承擔(dān)了項目船改造工程，以獲得更多的建造評價標(biāo)準(zhǔn)，積累尖端技術(shù)。除智能模塊外，通信設(shè)備和攝像系統(tǒng)被安裝在艦橋區(qū)域，在具體改造及安裝工作完成后，日本聯(lián)合造船進(jìn)行各種調(diào)試，確定各部件已集成至同一系統(tǒng)。

值得一提的是，日本聯(lián)合造船充分利用內(nèi)部資源，組成四個團(tuán)隊，推進(jìn)這個里程碑式的項目。“海上物流創(chuàng)新推進(jìn)部”負(fù)責(zé)項目整體運作，“船舶海洋設(shè)計部”負(fù)責(zé)無人船實際設(shè)計工作，為機(jī)器和船體及相關(guān)設(shè)計提供支持的“海洋工程項目部”和“海洋工程營業(yè)部”負(fù)責(zé)將“Suzaku”輪的無人工程技術(shù)。“海上物流創(chuàng)新推進(jìn)部”小組負(fù)責(zé)人比留井仁(Hitoshi Hisarai)表示，自主航行將成為重要技術(shù)，我們在聽取運營方要求后，結(jié)合技術(shù)、建造等要素設(shè)計改裝，“未來也要自行開發(fā)適合無人航行的最佳船舶。”在比留井仁看來，DFFAS項目不僅僅是無人駕駛系統(tǒng)的開發(fā)和實證，它還以整體構(gòu)想創(chuàng)造為主題，面向更廣闊的智能航運領(lǐng)域，“日本聯(lián)合造船也考慮通過提供方便使用的系統(tǒng)提高無人船的社會認(rèn)知度，從而得到(擴(kuò)大)市場認(rèn)可。”比留井仁還說，如果無人駕駛技術(shù)今后得到更廣泛普及，造船商業(yè)模式也可能發(fā)生變化，因為在無人駕駛情況下，利用數(shù)據(jù)的航運支援和船舶維護(hù)將變得更加重要，我們也有必要在同一領(lǐng)域比以往更加努力。日本聯(lián)合造船公開總結(jié)，該公司除進(jìn)行無人船自動航行系統(tǒng)設(shè)計和實船智能系統(tǒng)安裝實驗外，還參與了支援系統(tǒng)、緊急情況對應(yīng)系統(tǒng)及通信及綜合信息管理系統(tǒng)裝配。

“船岸”協(xié)同保障

為推進(jìn)實現(xiàn)航運領(lǐng)域無人自主航行，日本國土交通省從2018年度就開始了一系列的實證項目。作為遠(yuǎn)程操縱船舶項目運營者，日本郵船此前進(jìn)行了多項試驗。2019年，日本郵船完成“有人自動航行船舶”自主航行系統(tǒng)海上測試，項目用船安裝了由日本郵船和日本海洋科學(xué)共同開發(fā)的SSR船舶導(dǎo)航系統(tǒng)——收集現(xiàn)有導(dǎo)航設(shè)備中有關(guān)船舶周圍環(huán)境的相關(guān)信息，再根據(jù)環(huán)境條件計算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最佳的航線和航速進(jìn)行導(dǎo)航，通過雷達(dá)和自動識別系統(tǒng)實現(xiàn)船舶避碰。隨后，日本郵船根據(jù)程序所得最優(yōu)航線與人工專業(yè)判斷最優(yōu)航線之間的差異進(jìn)行調(diào)整，將SSR升級為更先進(jìn)的船舶導(dǎo)航支持系統(tǒng)。2020年5月，日本郵船成功完成一項遠(yuǎn)程船舶操縱實驗，搭載“有人遠(yuǎn)距離船舶操縱系統(tǒng)”的項目船(拖輪)由400公里以外的陸基支持中心遙控航行了約12公里。這兩項實船試驗被認(rèn)為是日本郵船實現(xiàn)無人船高度安全航行的關(guān)鍵一步。

針對DFFAS項目，日本郵船充分利用在“有人自主航行船”開發(fā)過程中積累的經(jīng)驗和技術(shù)，與下屬機(jī)構(gòu)致力于修正此前試驗暴露的船岸通信問題，進(jìn)一步改進(jìn)岸基支持系統(tǒng)。DFFAS項目陸基支持中心由綜合展示區(qū)和應(yīng)急響應(yīng)區(qū)組成。“綜合展示區(qū)收集船上和陸上各種信息，岸上的船長和輪機(jī)長可通過查看顯示器上的信息來監(jiān)控多艘所管理船舶的狀態(tài)并據(jù)此創(chuàng)建航線計劃，此外，他們還掌握船上難以獲取的大范圍氣象數(shù)據(jù)等信息。應(yīng)急響應(yīng)區(qū)的應(yīng)用場景則是當(dāng)緊急情況發(fā)生時，使岸上的船長能夠與船上DFFAS系統(tǒng)連接，還允許船長參與該系統(tǒng)，以獲得與船舶相同的信息，如船舶周圍圖像和雷達(dá)信息，以便遠(yuǎn)程控制船舶航行。”桑原悟船長說，借由陸基支持中心，高效率的航線規(guī)劃將被智能設(shè)定，陸上操作人員可通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時監(jiān)視船舶位置。當(dāng)發(fā)生緊急狀況時，經(jīng)驗豐富的岸上船長也可在專用設(shè)備操控座位切換手動駕駛模式，以配合智能決斷。“一旦監(jiān)控船舶風(fēng)險狀態(tài)超過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定(如船上裝置發(fā)生故障難以自動導(dǎo)航)，通過遠(yuǎn)程操縱船舶可維持其安全航行。”

為確保DFFAS項目測試船“Suzaku”輪及未來無人船的安全運營，日本無線重點設(shè)計了避碰機(jī)制、遠(yuǎn)程控制和自動靠泊/離泊等關(guān)鍵功能。日本無線開發(fā)并整合了應(yīng)用軟件/算法、AI/云、無線通信、雷達(dá)和其它傳感器等核心技術(shù)，以實現(xiàn)船舶避碰、安全到離港、自動化作業(yè)等。而除了這些基于船舶的技術(shù)，日本無線還專注于開發(fā)陸基設(shè)施，比如東京灣-伊勢灣航線兩端港口之間的信息數(shù)據(jù)同步，以及船岸之間的云連接。通過這些技術(shù)被應(yīng)用與綜合展示區(qū)，“Suzaku”輪不僅可以實現(xiàn)船岸通信，陸海之間的所有“人”“物”都可互聯(lián)，從而提高船岸操作效率、減少人力成本，提高航運自動化水平。

“海空”無線對接

古野電氣則利用其創(chuàng)新的ENVISION系列AR(增強(qiáng)現(xiàn)實)技術(shù)，主攻認(rèn)知和判斷領(lǐng)域，即在“掌握周圍情況”后，再“根據(jù)結(jié)果進(jìn)行避碰操作”。這是一種來自“觀察者”的視覺支持。ENVISION系列AR技術(shù)將船舶前方照相機(jī)的影像在顯示器上放映出來，并在影像上疊加顯示船舶航行所需的各種重要信息，這大大降低了船長和船員在惡劣天氣/海況及夜間的操縱壓力。在岸船長、輪機(jī)長和觀察員也可以一邊確認(rèn)實時影像、一邊進(jìn)行信息共享，從而實現(xiàn)更高效和更準(zhǔn)確的溝通。

無人船的“自我修正”功能離不開數(shù)據(jù)傳輸，在DFFAS項目中，Sky PerfectJSAT集團(tuán)扮演的是“溝通者”角色。Sky Perfect JSAT集團(tuán)致力于衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)開發(fā)，提供帶有頻段保護(hù)功能的船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)(VSAT)，使電波在中轉(zhuǎn)時不與其他服務(wù)共享，只在制定程序中進(jìn)行傳播，目的是建立無人船航行時所需的通信速度，并根據(jù)通信速度和通信量自動控制通信數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提高船岸間通信穩(wěn)定性。“我們?yōu)镈FFAS項目提供兩套同時與岸基操作中心連接的規(guī)格不同的頻段保護(hù)型VSAT(波長分別為1米和65厘米)，并負(fù)責(zé)連接控制收發(fā)數(shù)據(jù)的Satellite Gate Way系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)包測量分配功能，將數(shù)據(jù)恰當(dāng)?shù)胤峙浣o兩臺VSAT，從而提高通信效率。通過設(shè)備警報通知功能，安裝在船的服務(wù)器可實時監(jiān)視VSAT通信狀況(船內(nèi)服務(wù)器警報信息可變更設(shè)定)。而當(dāng)一臺VSAT發(fā)生故障時，可向正常的VSAT迂回通信。”Sky Perfect JSAT集團(tuán)相關(guān)人士回復(fù)，組合船上搭載的多個通信設(shè)備可彌補因延遲、(低)速度、天氣、船體屏蔽導(dǎo)致的通信中斷等缺點，進(jìn)而穩(wěn)定地與岸基操作中心共享自動傳輸?shù)牟豢苫蛉钡臄?shù)據(jù)。

氣象情報公司負(fù)責(zé)氣象/航運數(shù)據(jù)與AI組合，設(shè)計自動選定最佳航路的航海計劃系統(tǒng)，其中三項核心技術(shù)包括最佳安全性和經(jīng)濟(jì)性航線配比、物理模型和智能氣象海文分析預(yù)測、適合高頻率航行數(shù)據(jù)的船舶性能推定。

日本電信電話和Monohakobi技術(shù)研究所將DFFAS項目視為未來IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)的用例之一。IOWN是一種創(chuàng)新光學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)概念，通過靈活運用各種光學(xué)技術(shù)，傳遞或解析包容性、延展性和無限可能性的信息交流平臺。日本電信電話為打造“2030年通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”提出了從網(wǎng)路到終端都使用“光”的IOWN構(gòu)想——半導(dǎo)體、個人電腦、伺服器和的資料傳輸將由“電傳”改為“光傳”。在這個構(gòu)想下，通信延遲將被減少，且能處理更大容量的數(shù)據(jù)。具體到本次實證試驗，日本電信電話旨在解決船舶向前述特殊集裝箱信息傳輸技術(shù)，即在較狹窄范圍內(nèi)的頻帶寬度環(huán)境下的信息傳輸和OTA(Over The Air)技術(shù)實用化，在船岸通信控制技術(shù)方面，擬通過SDN通信控制提高網(wǎng)絡(luò)的可視化和運用性。對于陸上無線通信和船舶接收技術(shù)支持方面的解決方案，日本電信電話和Monohakobi技術(shù)研究所主要研究了船舶與5G/LTE和衛(wèi)星導(dǎo)航/移動通信之間的有效聯(lián)結(jié)。日本電信電話表示，無人船的安全航行與各種技術(shù)(操縱、狀態(tài)監(jiān)視、通信等)相關(guān)聯(lián)，為了保證功能可用性，新的通信和基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計/開發(fā)異常重要，這些技術(shù)是確保無人船實現(xiàn)商業(yè)化運營所必要的討論/解決環(huán)節(jié)。

馮書桓總結(jié)道：“在無人船領(lǐng)域，日本的發(fā)展思路是從船載和船岸通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的信息基礎(chǔ)設(shè)施出發(fā)，‘自下而上’推動行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，同時注重參與國際規(guī)則制定、對國內(nèi)資源進(jìn)行整合。這在DFFAS項目中均有明顯體現(xiàn)。