无人驾驶船舶，会比汽车先应用吗？
本文来自微信公众号：中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第5期，作者：Mitch Leslie，原文标题：《无人驾驶船舶小试锋芒》，题图来自：视觉中国
一艘敞篷金属制灰色小船，大概有一辆紧凑型轿车大小，游弋在荷兰阿姆斯特丹市中心的小型港口附近。这艘小船先在伸入港口的码头附近绕行，然后减速驶向特制的船坞。船体侧向一边，慢慢向船坞贴近，直到船体侧面摆动的挂钩与船坞的挂钩钩到一起。
掌舵及靠港都是基本的游船操作动作，但这艘船在无驾驶员的情况下完成了这些动作。这是两艘无人船舶（简称无人船）原型机中的一艘（图1），自2021年年中以来一直作为无人船项目的一部分在阿姆斯特丹接受测试；无人船是美国麻省理工学院（MIT）和荷兰阿姆斯特丹高级都市解决方案研究所（Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions）的联合项目。
一旦试运行完成，该项目的参与方则希望将无人船应用在阿姆斯特丹运河网络，运载货物和人、收集垃圾，并互锁形成供行人或自行车通过的弹出式桥梁。无人船的联合设计师、麻省理工学院的博士后研究员David Fernández-Gutiérrez说：“我们的目标是希望制造出一种可全天候24 h自动工作的机器。”
图1. 2021年，一艘无人船在阿姆斯特丹的一次测试中绕着障碍物行驶。船体质量为1200 kg，由4个电力发动机驱动，可以运载多达5人或1500 kg的货物。来源：Pietro Leoni/MIT（公有领域）。
游船及轮船长期以来就使用自动驾驶仪导航，但人工智能（AI）及其他技术正在让它们变得更自主。诸如位于美国马萨诸塞州波士顿的Sea Machines公司，目前提供的AI系统就整合了来自摄像机、雷达以及其他途径获取的信息，帮助船只找到更有效的最短路径，同时检测并避开沿途的障碍物。然而，此类系统的作用是帮助而不是取代驾驶员。
无人船和其他类似项目将无人驾驶提升至了一个更高的层次，一些无人船已经开始在海上航行。无人船曾驶入飓风，绕南极洲航行并收集科学数据。2021年，一艘无人驾驶的客运渡船在荷兰的另一个地方启航。一组包括驳船、货船和拖船的其他类型无人船正在接受测试，可能在未来几年开始商业运营。但此类船舶未能达到全自动运行，仍需人工监控或配有少量驾驶员。
与人工驾驶船舶相比，无人船有以下几点优势。因为无需为船员提供住处和设施，无人船可以减小体型，降低燃料成本。另外，无人船可减少人为操作失误导致的水运事故，其安全性更高。无人船还可帮助减少个别国家日益严重的船员短缺问题。新冠病毒肺炎疫情期间，许多人工驾驶船舶受疫情影响无法启航，而无人船并不受此类问题困扰，这是它的另一个优势。
一些专家预言，至少从某些方面来说，船舶将先于汽车实现全自动驾驶，设计者面临的无人船问题相较汽车更容易解决。首先，船舶航行的速度很慢。无人船的最快速度只有12 km·h-1，而阿姆斯特丹运河的限制航速为6 km·h-1。因此，无人船无须和无人驾驶汽车一样处理大量的数据，并快速对指令做出响应。
另外，无人船行驶的环境也没有热闹的城市街道那么复杂拥挤，而无人驾驶汽车则必须面对这些问题。美国纽约州布法罗Buffalo Automation公司的首席执行官Thiru Vikram表示，另一个使无人船发展看起来更简单的原因是，水上交通规则各地差异不像汽车那么大。Buffalo Automation公司制造的无人驾驶水上“出租车”现在在荷兰运营。Vikram说：“如今没有人再靠左行驶了，大家都是靠右行驶。”
但无人船仍需具备许多无人驾驶汽车的功能。与其他汽车同行类似，无人船要能够识别附近的物体，从而选取适当的行动轨迹，这就需要无人船具有辨别复杂环境细微差别的能力。若一艘无人船与一艘普通帆船相向行驶，无人船则应转向以避免碰撞——除非帆船启动发动机躲避（视规则决定哪方避开）。因此，无人船必须能够将帆船与其他种类游船区分开来，并确定帆船状态。
Vikram说：“为确保无人船能够做出正确的判断，其图像识别及航行轨迹算法需通过根据大量船舶真实航行所收集的数据以及模拟器的同步数据，加以模式化、训练并测试。”
无人船必须克服特殊挑战，如码头停靠。Fernández-Gutiérrez说：“这是最复杂的操作之一，甚至比停车还难。”无人驾驶汽车停车时无需对抗波浪带来的影响。
为应对此类挑战，工程师对无人船采用了各种设计。阿姆斯特丹测试的无人船是4 m × 2 m的组块船，配备4个螺旋桨——一个在前面、一个在后面，另外两个分别在左右两侧。该构造方便游船向前后左右移动，以及自转。电动机的电力来自安装在龙骨上的12 kW?h-1的锂电池，一次充电可提供大约10 h的电力。
该无人船利用GPS自动设置航向。Fernández-Gutiérrez解释说，测试期间，陆上技术人员通过笔记本电脑选定一个终点，当游船处于可操控状态时，乘客可以利用手机app指导船舶航向。Fernández-Gutiérrez说，技术团队正在研究怎样组合传感器以实现最好的效果。他说，这艘船舶配备了激光雷达和摄像机，但团队后期可能还要加入声呐，用来定位并绘制水下物体的图像。
Fernández-Gutiérrez说，无人船作为水上交通工具，可最多运载5人或1500 kg的货物。但是运送垃圾是这种无人船的首要任务。他又说道，目前仍不确定这种船舶将何时通过测试并投入使用。
与无人船类似，Buffalo Automation公司开发了一个无人船项目，该船舶已开始运送自行车和乘客（图2）。由太阳能驱动的Greycraft是一个大小约3.7 m × 2.6 m的浮动平台，由GPS、激光雷达、雷达和摄像机导航。
该公司于2021年初在美国田纳西州诺克斯维尔将该船带入大众的视野，同年7月，公司利用Greycraft进行了一次载客试运行，地点位于阿姆斯特丹南部40 km的地方。这艘船舶载着人们渡过一条小运河航道，前往休闲娱乐区。Vikram说道，2022年5月，位于几个不同地点的共5艘无人船也开始运行。乘客搭乘该无人船，并通过手机app完成支付。
图2. 在2021年夏季试运行期间，Greycraft在荷兰的运河航道运送乘客。该船舶的最快速度可达5 km·h-1。来源：Buffalo Automation（公有领域）。
其他无人船已经代替科学家进入了地球最艰苦的环境。Saildrone帆船是由位于美国加利福尼亚州阿拉米达的Saildrone公司打造的，看起来有点像风帆冲浪板（图3）。该帆船由一个垂直的帆与冲浪板形态的船体组成，主要由风力推动行驶。三种型号的Saildrone帆船长度为7~22 m，可携带各种仪器，包括绘制海底景观的多波束声呐探测仪以及测量水浪高度的惯性测量装置。
Saildrone帆船在科学领域已取得一些成就。2019年，Saildrone帆船绕南极洲航行并收集碳循环数据，2021年其中一艘Saildrone帆船驶进飓风山姆（Sam）中拍摄视频并进行测量。
图3. 研究人员用来追踪大白鲨的这艘无人驾驶帆船Saildrone，可在海上持续待12个月进行数据收集。这些帆船依靠风力向前行驶——尽管一些型号也配备了备用的电动或柴油发动机——用于科学研究的设备和计算机的电力来自太阳能电池板。Saildrone帆船利用GPS定位驶向由研究人员选择的航路点。来源：Saildrone公司（公有领域）。
更大的无人船也正在试运行，不久之后可能会运送货物、交通工具，并指导其他游船入港。2021年，Sea Machine公司的机器人拖船完成了在丹麦附近的1650 km的旅程。2022年年初，日本研究人员成功试运行了一艘无人驾驶汽车渡轮以及两艘无人集装箱船，并预计在2025年投入商业运营。其中一艘集装箱船是第一艘实现独立停泊、通过使用无人机将系泊缆绳拴在码头上的无人船。
尽管如今的无人船具备了一定独立性，但仍需要人为干预——其中一部分最初可能只需要少量船员。例如，Sea Machines拖船的整个行驶过程几乎是自动状态，但其中3%的时间需要船员从波士顿远程操控。Vikram说，远程船长也要从荷兰的指挥中心监控Greycraft渡轮，以便在发生紧急情况时可通过基于浏览器的web应用程序接管船舶。
专家预言无人船的能力仍将进一步提升，更多种类船舶将实现全自动驾驶。然而，除航行方面，人类船员仍在部分船（如油轮、货运船和商业渔船）的行驶中起到不可替代的作用，比如发动机维护。短时间内此类无人船还不能实现全自动化或者达到无需船员的程度。Vikram说：“此类无人船还是要有人类在场。”
注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。
本文来自微信公众号：中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），来源：Mitch Leslie.Robotic Boats Test the Water[J].Engineering，2022，12(5):6-8
