哈爾濱工程大學自主設計研發的數字孿生智能科研試驗船“海豚1”號/哈爾濱工程大學

近日，韓國機械與材料研究所(KIMM)成功開發了一種先進的自動系泊系統，旨在提高自主船舶停靠操作的安全性和效率。該創新系統克服了基于線纜的傳統系泊方法的局限性，預計2025年投入商業使用，將助力智能港口技術的進步。

發展背景及現狀

船舶靠離泊作業是航行中最為復雜且風險較高的操作之一，受到多種因素的影響，包括氣象、水文環境、港口水域限制、船舶自身的操縱性能以及人為因素等。這些因素共同作用，使得靠離泊過程中的安全挑戰顯著增加。

氣象和水文條件方面，惡劣的天氣條件如大風、強潮、暴雨等都會對船舶靠離泊的安全造成重大影響。例如，在風力較大或極端天氣條件下，船舶容易發生碰撞碼頭或擱淺事故。此外，風力和潮流對大型船舶的安全靠離泊影響顯著，特別是在強風和大潮汛等情況下，容易導致船舶失控。船舶操縱性能方面，大型船舶由于其動量大，操控難度高，容易在靠離泊時發生碰撞事故。例如，Q-Max型液化天然氣(LNG)船舶在惡劣工況下靠離泊存在較大風險，需要優化拖船配置以提高安全性。人為因素方面，船長和引航員的操作失誤也是導致靠離泊事故的重要原因之一。例如，缺乏對港口環境的熟悉和經驗不足也會增加事故風險、未能正確應對風力帶來的航向偏差是常見的事故原因，以及系泊作業過程中的系泊纜繩相關事故也是船舶運營期間的安全難題。根據歐洲海事安全局(EMSA)最新發布的2024年海上人員傷亡和事故統計年度概述統計，在2014年至2023年期間，由于人為因素造成的事故占比達到80.1%，成為船舶航行安全的重大挑戰之一。設備和設施方面，碼頭前沿設置的防沖設備和系纜裝置不完善或出現故障，以及定期測量清淤不及時，均會增加靠離泊作業的風險。

為應對這些風險與挑戰，且順應行業的智能化轉型，船舶自動靠離泊技術成為行業應對抓手。該技術不僅可極大地提升船舶操作的智能化水平，還可顯著降低勞動強度，以及人為操作失誤所帶來的風險，進一步保障海上運輸的順暢與安全。

船舶自動靠離泊技術是指在無人或大部分時段無人干預下，完成船舶的掉頭、轉向、橫移、停船等操作的技術。這項技術對于提高船舶靠離泊的安全性和效率具有重要意義。自動靠離泊技術是自主船舶發展的重要組成部分，其承擔著提升港口作業效率、增強航行安全性能以及推動航運業智能化轉型的關鍵任務。這一技術的應用，不僅可提高港口作業的效率，減少船舶靠離泊所需的時間和人力成本，還可促進航運業的綠色可持續發展，為構建智慧港口和智能航運體系奠定堅實的基礎。

目前，全球范圍內的自主船舶研究與開發處于快速增長階段，包括中國、日本、韓國、英國、歐盟國家（包括芬蘭、挪威、荷蘭、意大利、德國等）等均開展了大量研究。在自動靠離泊技術的研究方面，國外的相關研究起步較早，在輔助/自動靠離泊技術及系統方面做了大量理論研究，并實現了部分實船測試與應用。國內在自動靠離泊技術方面的大部分研究尚處于理論研究階段，開展了以小型渡輪、拖輪、試驗船、訓練船等為載體的應用探索與功能測試，實船驗證將是下一步研究要點。

新技術

自動靠離泊技術主要通過集成先進的傳感器系統、高精度定位技術、智能決策算法以及強大的動力控制系統，自動靠離泊技術能夠實時感知周圍環境的變化，精確計算并優化船舶的運動軌跡，從而實現在復雜多變的港口環境中的自主導航與操控。

關鍵技術方面，據中國船級社(CCS)編撰發布的《智能船舶發展展望2022》的介紹，自動靠離泊研究集成了多種關鍵技術的協同發展，包括低速運動建模技術、低頻運動控制技術、船岸協同感知技術、智能無纜系泊技術等。低速運動建模技術，主要用于船舶的靠離泊運動，例如緊急制動，橫向移動，短時間進車、掉頭等。低頻運動控制技術，主要用于船舶在復雜海況下(如風、浪、流等)的運動控制。低頻運動控制技術包括多種方法，如使用陀螺穩定器、防滾油箱、主動升力面等設備來減少低頻運動的影響�，F代船舶控制系統還利用先進的算法和模型預測技術，通過分析船舶在不同海況下的運動特性，優化控制策略，以減少燃料消耗和推進設備磨損。船岸協同感知技術，這是一種通過整合船舶與岸基設施之間的信息交流和數據共享，以實現安全、高效且環保航行的技術。該技術主要由岸端與船端系統構成，岸端負責提供基礎信息（如水域類型、氣象條件等）和決策執行信息，而船端則負責感知、認知、決策、控制和執行過程。智能無纜系泊技術，是一種創新的船舶�？拷鉀Q方案，旨在提高港口作業的安全性、效率和環境可持續性。該技術打破了傳統的系泊模式，即無需系泊纜繩，可有效降低系泊作業中的事故風險率。

除了上述關鍵技術外，智能靠離泊相關技術在近年來取得了不少新的進展。

視覺激光融合技術，2024年9月，韓通贏吉申請了一種基于視覺激光融合的無人船自主靠離泊專利，該技術通過獲取碼頭區域圖像并進行預處理，得到碼頭邊緣特征，求解出船體相對于碼頭的初始姿態角，并對初始姿態角進行優化，以實現最優船體姿態估計結果。

三維激光點云數據，2024年7月，大連海事大學的研究團隊在智能船舶控制領域取得新進展，其中，該團隊提出了基于三維激光點云數據的智能靠離泊技術，利用新型傳感器如GNSS-R等，實現了風場、浪場等航行環境信息的感知與識別。

無纜自動系泊系統，2024年6月，荷蘭AMS公司推出了磁性自動系泊系統，采用帶磁鐵墊的機械臂代替真空墊，使磁鐵吸引在船體上，系泊裝置能夠承載最高1000千牛的拉力。

5G+智能靠離泊系統，2024年5月，泰興智慧港口項目成功入選江蘇省交通運輸優秀科技創新成果名單，其“5G+智能靠離泊系統”通過結合5G-A通感技術與AI、北斗等技術，提高了船舶靠離泊的定位精準性和安全性。

數字孿生技術，2023年6月，哈爾濱工程大學自主設計研發的數字孿生智能科研試驗船“海豚1”成功交付并首航，從山東蓬萊出發，沿途開展數字孿生系統測試、船舶智能設備性能驗證等多項試驗。其中，數字孿生技術的應用使 “海豚1”實現了智能船舶的自主航行、自動靠離泊和自動避碰等功能，為未來基于遠程支持的智能船舶和海洋工程裝備自主航行和作業提供了基礎技術支撐。

自主航行與智能決策模型，2023年12月，全球首艘由中國船舶集團有限公司旗下上海船舶研究設計院為大連海事大學研發設計全球首艘學校智能研究與實訓兩用船正式下水，該船具有遠程遙控和自主航行功能的科研及實訓船配備了基于海事規則、航行大數據的船舶智能決策模型和自動靠離泊系統，能夠進行全水域自主航行，實現智能化全覆蓋。

示范及應用

隨著船舶自主靠泊技術快速發展，各國陸續進行了一系列示范及應用，取得了顯著成果。

在實船測試方面。2019年，我國無人駕駛自主航行系統試驗船“智騰”號正式下水。該船自主駕駛系統核心在于融合水動力特性和控制技術,建立“無人船”的三自由度操縱模型和控制方法，在螺旋槳、舵和其它推進器之間完成最佳推力分配,在符合推進器硬件約束的條件下,具有位置、艏向的保持和調整能力,可實現高速狀態下沿指定航線航行的能力和自主離靠泊能力。2022年,我國首艘自主航行300TEU集裝箱船“智飛”號正式交付,該船具備無人駕駛、遠程操控、自主航行三大功能,配備了船舶航行輔助系統,以便在人工駕駛模式下為駕駛員提供信息、環境認知、避碰決策、安全預警等全方位的輔助支持。

在日本，2023年，商船三井使用沿海集裝箱船Mikage進行靠離泊航行測試，使用無人機代替船員，完全實現整個靠泊、系泊過程的自動化。2018年，日本國土交通省(MLIT)通過汐路丸(Shioji Maru)號訓練研究船演示了自主航行以及自動靠離泊技術，并計劃在2025年實現項目的實際應用。

在韓國，2022年6月，Avikus公司與SK Shipping合作完成了18萬立方米超大型LNG運輸船“Prism Courage”號的自主跨洋航行，其中包括自動靠離泊，這是首次在大型集裝箱船上進行自主航行技術全球航線實證測試。

在歐洲，2023年5月，Eidsvaag公司的沿海貨船“Eidsvaag Pioner”號在挪威西北的Kristiansund海岸成功完成了一系列遠程操控和自主航行技術的演示，在測試過程中“Eidsvaag Pioner”號展示了包括自動離港、自動進港、姿態感知系統、自動導航系統、智能機械系統、連接和網絡安全系統、遠程操控中心和動力定位系統等關鍵技術，本次測試是AUTOSHIP項目的首次演示，這次巡航測試被評為截止當時最復雜的海上自主航行之一，是自主航運進程中的一個關鍵里程碑。2023年6月，Blue Line Logistics公司的內河駁船“Zulu04”號成功完成了一系列演示測試，在測試過程中，“Zulu04”號在比利時繁忙的水道上進行了靠泊和離泊操作，展示了其在無限制水域中的操縱能力。

此外，自動系泊系統也得到了長足發展。目前,行業中的自動系泊系統主要分為兩大類，無系泊纜方式的自動系泊系統和有系泊纜方式的自動系泊系統。

無系泊纜方式的自動系泊系統，是一種創新的船舶自動靠離泊技術，旨在通過自動化手段替代傳統的纜繩系泊方法。這種系統主要利用真空技術和磁力技術來實現船舶的快速、安全和高效停靠。代表產品有瑞士凱伏特公司(Cavotec)公司的真空式自動系泊系統MoorMaster NxG，該解決方案采用了模塊化設計，與可附著于任何平面的真空墊配合使用；還有荷蘭Mampaey Offshore Industries公司的磁力自動系泊系統Dock Locking System。該系統由兩個液壓控制的手臂組成，每個手臂的末端都有一個磁板，可以穩固可靠地連接到任何船體。

有系泊纜方式的自動系泊系統，是一種結合傳統纜繩系泊方法與自動化技術的創新解決方案。這種系統通過使用機械臂和傳感器等自動化設備，實現對船舶的自動系泊和解纜操作，從而提高港口作業的安全性和效率。代表產品包括麥基嘉公司(MacGregor)的MOOREX自張緊系泊裝置和Trelleborg公司研發的動態系泊解決方案DynaMoor系統。MOOREX自張緊系泊裝置是為全球首艘無人集裝箱船“Yara Birkeland”開發的自動系泊解決方案，該系統是通過一個七軸機械臂將環形的系泊繩索套在碼頭的系纜樁上。該系泊系統具有運動冗余，內置運動補償和軌道規劃系統。DynaMoor系統可以安裝在很小的區域內，利用電子控制的液壓阻尼器調節系泊纜繩的張力，從而減少船體晃動。