近年來，智能船舶成爲國際海事界新熱點。國際海事組織(IMO)、國際標准化組織(ISO)等國際組織將智能船舶列爲重要議題，國際主要船級社先後發布了有關智能船舶的規範或指導性文件，世界主要造船國家大力推進智能船舶研制與應用。但總體而言，全球智能船舶仍處于探索和發展的初級階段，智能船舶的定義、分級分類尚未統一，智能感知等核心技術尚未突破，智能船舶標准體系、測試與驗證體系亟待建立，智能技術工程化應用十分有限，相關國際海事公約法規研究剛剛起步。在這種環境下，亟需開展智能船舶技術的示範應用與測試驗證以推進智能船舶技術研發的進一步發展。
拖輪又稱爲拖船，往往被用于拖曳船舶、協助大型船舶進出港口、靠離碼頭或救助海洋遇難船只。拖輪具有船身小、構造堅固、動力強勁、操縱靈活等特點。對于智能船舶技術示範應用與測試驗證而言，拖輪具有以下優點：
1.船身小，動力強勁、操縱靈活，利于開展實船測試；
2.構造堅固、穩性好，能夠有效保障船舶試驗的安全性；
3.作業區域相對固定、通訊環境穩定，對于大部分拖輪而言，其作業區域多固定在內河、港口以及近海海域，通訊條件優于遠洋貨船，有利于開展試驗。
因此，拖輪能夠很好地滿足智能船舶技術示範應用與測試驗證需求，是未來一段時間內智能船舶技術開發應用的熱點研究方向。
智能拖輪研究現狀
近年來，船舶遠程駕駛功能的開發和示範被各個國家廣泛關注。2018年日本郵船公司(NYK)和該集團公司的MTI有限公司、Keihin船塢有限公司和日本海洋科學有限公司(JMS)被日本國土交通省選中參與船舶遠程駕駛的示範項目。2020年1月，日本國土交通省遠程駕駛示範項目以“吉野丸”拖輪爲對象進行了遠程控制測試，對岸基實時監測、路徑規劃和設備/船岸通信故障相應能力進行了評估，航行區域位于東京灣橫濱和橫須賀港之間，航程約12公裏，遠程控制由400公裏外的兵庫縣西宮市完成。項目測試中，遠程操作中心的操作員能夠使用拖船配備的傳感器和攝像頭來識別周圍情況，並制定路線規劃和行動規劃(防撞路線計劃)，然後計劃由操作員和拖輪船長批准執行。
NYK及其集團公司爲了應對設備或船岸通信故障，于同年進行了第二次測試，測試內容爲兩項：設備故障或船岸通信中斷時響應功能的測試，目的在于確認設備或船岸通訊故障條件下的船舶安全功能或維護船舶有限使用的情況；數據通信量優化測試，用于評估船舶遠程控制的可用通信帶寬對數據通信量的優化功能的影響。到目前爲止，NYK集團一直在與航海儀器制造商和合作夥伴合作，開發可以爲船員提供支持的有人遙控系統。該系統將收集、整合和分析船舶周圍的信息，制定行動計劃，並在岸端或船端操作員批准後，根據計劃采取行動。
圖1 日本國土交通省遠程駕駛示範項目
2020年10月，三星重工在其巨濟造船廠附近海域對一艘長38米的300噸級實船“SAMSUNG T-8”號成功進行了遠程自主航行測試。在本次測試中，三星重工將自主研發的遠程自主航行系統SAS(Samsung Autonomous Ship)搭載在實際運行中的“SAMSUNG T-8”號拖船上，並成功進行了實證。SAS可以實時分析安裝在船舶上的雷達、全球定位系統(GPS)、船舶自動識別系統(AIS)等航海通信設備的信號，並識別周邊船舶及障礙物。該系統可根據船舶航行特點，對船舶碰撞危險度(CRI)進行評估，找出最佳避碰路徑，並通過推進及轉向裝置自動控制，使船舶可以獨自安全航行至目的地。此外，通過應用全球首次適用于實船的船用360度全景式監控影像系統(Around View)和LTE/5G移動通信技術等，可以在遠處的陸上控制中心直接俯瞰船舶的影像，對船舶實施遠程控制。“SAMSUNG T-8”號拖船在試運行的過程中，在沒有船員介入的情況下，航行至約10公裏外的目的地後安全返航，同時還展示了在航行中自行躲避1公裏半徑內出現的其他船舶及障礙物的避碰技術。在該船自主航行的同時，位于大田的三星重工船舶海洋研究中心內的陸上遠程控制中心，通過在船上安裝的高性能攝像頭將影像傳回大屏幕，采用增強現實(AR)技術影像實時監控船舶的運行狀態，對造船廠周邊海域環境及障礙物進行了確認。2021年2月10日，三星重工宣布將在木浦海事大學的帆船練習船“Seegeroho”上配備自主研發的遠程自主導航系統“SAS(三星自動駕駛船)”，並將啓動木浦-濟州島的練習航線。
圖2 三星重工T-8拖輪遠程自主航行項目
瓦錫蘭與新加坡PSA Marine、勞氏船級社、新加坡近海和海洋技術中心合作開展了“Intellitug”智能拖輪項目，該項目致力于開展以智能、自主、高效、安全、清潔、靈活爲目標的以人爲本的拖輪智能輔助技術開發與應用。項目以“PSA Polaris”號港作拖輪爲載體，以自動識別系統，全球定位系統，光/熱成像攝像機、自動識別系統接收器、K波段高分辨率雷達、運動參考單元爲航行態勢感知及定位手段，以自研動力定位系統爲位置及動力分配手段，以智能學習算法爲導航及避碰手段，以自主船舶模擬器及實船海上試航爲測試手段，最終實現船舶的輔助決策與自主航行。實現了K波段海事雷達的首次商用，MPA智能水面船海上試驗監管沙盒的首次應用，全球首次商業水面自主船的海上試驗。
圖3 瓦錫蘭Intellitug智能拖輪項目
荷蘭Machine Odyssey項目旨在將自主技術整合到船舶運營中，實現船舶的自主航行。2021年9月，該項目研究成果應用于控制“Nellie Bly”號自主拖輪完成了世界上首次超過1000海裏的海上自主旅程。這次行程由自主技術進行完全船上控制，是船舶遠程駕控、自主航行領域的重要突破。該項目的成功開展再次驗證了智能船舶可以以更自主、更安全的方式在海洋中航行，也證明了拖輪作爲智能駕控載體的優勢。
圖4 荷蘭Machine Odyssey自主拖輪項目
2021年9月，天津港拖輪“津港輪31”和“津港輪32”成爲了首批帶有中國船級社智能船舶附加標志的智能拖輪，包括智能機艙、智能能效、智能集成平台三項標志。天津港集團擁有了全國首批按照中國船級社《智能船舶規範》建造並取得認可的全回轉拖輪。該型拖輪全船配備了9961個傳感器對主要機電設備進行數據采集與分析，其中包括船舶姿態、設備管理、作業能耗和水域環境等方面，並爲設備故障提供風險預警、趨勢分析、能效分析、健康評估等功能，監控數據將實時回傳至公司管理部門，通過雲技術實現遠程的數據管理與存儲，實現船-岸間的數據交互。
圖5 天津港智能拖輪項目
智能拖輪關鍵技術
1.航行態勢智能感知技術
根據中國船級社在《智能船舶規範(2020)》中的描述，在開闊水域自主航行時，自主航行船舶應能夠全天候感知、獲取航行態勢信息，包括風向風速、船身位姿、他船識別信息等。這些感知信息主要依賴于船載感知設備獲得。目前，主流的智能船舶感知設備包括雷達、激光雷達、聲呐、全球衛星導航系統(GNSS)、慣性導航系統(INS)以及視覺類傳感器設備等。
傳統海事雷達具備感知範圍遠、全時全天候的特點，但其對小型動態目標的檢測能力不足，且易受到水面和波浪反射的影響。激光雷達是新興的感知設備，在無人駕駛汽車上被廣泛應用，其對近距離障礙物的檢測能力十分優秀，分辨率與檢測精度高，但其檢測距離較短且容易受到環境以及船舶運動的影響，目前對該類設備在船舶感知中的應用還在開發中。聲呐是傳統的船用環境感知設備，往往被用于檢測水下目標，但其單次掃描的範圍有限並且容易受到水下環境噪聲的影響。GNSS被廣泛應用于生産和生活中，對于航行船舶而言，其定位效果容易受到信號強弱的影響，有一定的局限性。視覺類傳感設備的感知技術開發也是近年來的研究熱點，但對于航行于水面的船舶而言，其所提供的深度分辨率和精度較低，並且容易受到光線和天氣的影響。先進的船載感知設備是支撐船舶態勢感知技術的核心，然而，受限于環境、距離等因素、單個的船舶感知設備往往無法提供全天候的航行態勢感知信息，爲滿足對航行態勢的全天候感知需求，往往需要在船上安裝多種類型的感知設備組成感知網絡，保障船舶航行的可靠性和安全性。
2.智能航行決策技術
智能航行決策技術主要包括航路與航速設計優化，其中，航路優化又分爲氣象航線優化與避碰路徑規劃技術。對于大型貨運船舶而言，其氣象航線與航速的設計優化可以同時進行，船舶以推薦航速行駛在優化後的氣象航線上，能夠避免惡劣天氣與極端海況對船舶航行造成的航行風險和經濟損失，與此同時，主機工作在一個能耗水平較低的條件下，降低了船舶燃油的消耗，保障了航運活動的安全性和經濟性。
避碰路徑規劃是保障智能船舶航行安全的重要手段之一，其能夠實現航行過程中對靜態障礙物與動態障礙物的規避，並優化其避碰路線。目前，避碰路線的規劃方法可以分爲確定性方法和智能優化方法兩類；如何對避碰路徑規劃中需要考慮的各種複雜影響因素進行建模，並使用智能算法進行優化，是船舶避碰路徑規劃的重要發展趨勢。
3.拖輪自主運動控制技術
對于船舶自主運動控制而言，根據系統控制輸入維數與系統狀態維數的關系可以分爲過驅動控制、全驅動控制以及欠驅動控制三類。對于不配備側推器的拖輪而言，其運動系統屬于欠驅動系統。目前，欠驅動船舶的運動控制研究主要集中在三個方面，即定點控制(Setpoint Regulation)、路徑跟蹤控制(Path-following Control)和軌迹跟蹤控制(Trajectory-Tracking Control)。定點控制的目標是對船舶進行位置和姿態的控制，其研究主要集中在船舶動力定位和靠離泊控制上；路徑跟蹤控制不受時間約束，只需要控制船舶按照預定的路徑進行航行即可；軌迹跟蹤控制除了對船舶的位置進行要求以外，還要求能夠對船舶的速度進行控制。
對于拖輪自主運動控制而言，其控制效果往往依賴于船舶運動學和動力學模型的准確性，且易受環境因素(風、浪、流等)的影響。因此，近年來對船舶自主運動控制方法的研究集中在利用機器學習方法、無模型控制理論以及設計幹擾觀測器等手段，解決船舶運動控制中運動學和動力學模型不確定性、參數攝動、外界幹擾等問題，提高控制算法的魯棒性。
4.港區受限環境船-岸通信技術
通信的可靠性和效率將直接影響船舶航行以及作業安全。對于工作于港區的港作拖輪而言，其通信環境優于遠洋航行船只，可選擇的通信方式較多，更容易滿足智能拖輪的數據傳輸、遠程駕控等需求。船舶自動識別系統(AIS)是目前船舶間以及船岸間信息交流的通信方式之一，但其也存在顯示信息有限且頻率不高等缺點，無法滿足未來智能船舶的通信需求。LoRa作爲一種功率小、範圍廣、抗幹擾能力強的新興調制解調技術，能夠滿足港區複雜環境幹擾下的船-岸通信需求。近年來，5G通信技術應用成爲各行業的熱點，其具有的大帶寬、低時延、高可靠性特點使其能夠很好的滿足智能船舶近岸區域的船-岸通信需求，但存在通信成本高、信號強度受限等缺點，使其短時間內無法在行業內大規模應用。此外，北鬥短報文在海事中的應用也在不斷深入，其具有費用低和覆蓋範圍廣的特點，能夠爲近海與遠洋船只提供天基通信服務，有效保障了船舶的運行安全。
5.智能拖輪運維技術
船舶智能化運行維護管理工作是一項由多方參與的、由一系列目標高度一致且相互獨立執行的管理任務組成的系統工程。隨著大數據技術研究的深入，船舶運維的智能化水平不斷提高。大數據智能運維技術需要利用數據分析工具對大量的船舶運行數據進行處理和分析，這一工作往往需要在岸基的數據中心進行；得益于拖輪與岸基數據服務中心的密切聯系，其智能運維技術的開發具有巨大的潛力。此外，由于拖輪作業的特殊性，其主機、推進軸系與重要機輔設備的運行狀態監控與智能維護能夠爲拖輪提供航行安全保障，降低拖輪運營維護成本。因此，智能拖輪運維技術是智能拖輪的關鍵技術之一。
智能拖輪發展趨勢與展望
拖輪具有的船身小、構造堅固、動力強勁、操縱靈活等特點使其在智能船舶技術實船測試驗證方面具備巨大優勢，因此，智能拖輪技術應用將在智能船舶實船落地與示範上發揮重要作用。各國對智能拖輪技術的開發和應用在如火如荼進行中，但智能拖輪技術仍面臨技術可靠性不足、測試驗證手段匮乏、抗風險能力較弱等問題，基于現有研究情況，對智能拖輪技術的發展趨勢提出以下幾點思考：
1.關鍵技術突破
智能拖輪態勢感知、操縱建模、運動控制、航行決策、船-岸通信、智能運維等關鍵技術的深入研究是智能拖輪實船落地的根本保障，其開發與應用需要充分發揮大數據、人工智能、嵌入式、5G通信等技術手段的優勢，以虛實融合的測試驗證方案爲托舉，逐步實現對各項關鍵技術的突破。
2.産學研結合
智能拖輪的實船落地示範需要依賴企業、科研院所與高校之間進行密切合作，將促進技術創新的生産要素進行有效整合，完成技術創新上、中、下遊的對接與耦合，以市場需求爲導向，充分調動各類機構實現優勢互補，實現對智能拖輪的開發、轉化、應用與推廣示範。
3.規範標准
圍繞智能船舶相關技術，中國船級社先後出台了《智能集成平台檢驗指南》(2018)、《智能船舶規範》(2020)、《船舶智能能效管理檢驗指南2022》等規範指南類文件，但尚未針對智能拖輪出台相關規範標准，考慮到拖輪船型和作業特性與貨運船舶的差異，以及智能拖輪于智能船舶技術研發與應用的重要作用，亟需圍繞智能拖輪的船型特點、作業需求、系統集成等方面制定相關規範標准，爲智能拖輪技術開發提供指導，推動智能船舶技術落地應用，實現標准化、模塊化的智能拖輪批量推廣。