自动靠离泊技术最新发展

哈尔滨工程大学自主设计研发的数字孪生智能科研试验船“海豚1”号/哈尔滨工程大学

近日，韩国机械与材料研究所(KIMM)成功开发了一种先进的自动系泊系统，旨在提高自主船舶停靠操作的安全性和效率。该创新系统克服了基于线缆的传统系泊方法的局限性，预计2025年投入商业使用，将助力智能港口技术的进步。

发展背景及现状

船舶靠离泊作业是航行中最为复杂且风险较高的操作之一，受到多种因素的影响，包括气象、水文环境、港口水域限制、船舶自身的操纵性能以及人为因素等。这些因素共同作用，使得靠离泊过程中的安全挑战显著增加。

气象和水文条件方面，恶劣的天气条件如大风、强潮、暴雨等都会对船舶靠离泊的安全造成重大影响。例如，在风力较大或极端天气条件下，船舶容易发生碰撞码头或搁浅事故。此外，风力和潮流对大型船舶的安全靠离泊影响显著，特别是在强风和大潮汛等情况下，容易导致船舶失控。船舶操纵性能方面，大型船舶由于其动量大，操控难度高，容易在靠离泊时发生碰撞事故。例如，Q-Max型液化天然气(LNG)船舶在恶劣工况下靠离泊存在较大风险，需要优化拖船配置以提高安全性。人为因素方面，船长和引航员的操作失误也是导致靠离泊事故的重要原因之一。例如，缺乏对港口环境的熟悉和经验不足也会增加事故风险、未能正确应对风力带来的航向偏差是常见的事故原因，以及系泊作业过程中的系泊缆绳相关事故也是船舶运营期间的安全难题。根据欧洲海事安全局(EMSA)最新发布的2024年海上人员伤亡和事故统计年度概述统计，在2014年至2023年期间，由于人为因素造成的事故占比达到80.1%，成为船舶航行安全的重大挑战之一。设备和设施方面，码头前沿设置的防冲设备和系缆装置不完善或出现故障，以及定期测量清淤不及时，均会增加靠离泊作业的风险。

为应对这些风险与挑战，且顺应行业的智能化转型，船舶自动靠离泊技术成为行业应对抓手。该技术不仅可极大地提升船舶操作的智能化水平，还可显著降低劳动强度，以及人为操作失误所带来的风险，进一步保障海上运输的顺畅与安全。

船舶自动靠离泊技术是指在无人或大部分时段无人干预下，完成船舶的掉头、转向、横移、停船等操作的技术。这项技术对于提高船舶靠离泊的安全性和效率具有重要意义。自动靠离泊技术是自主船舶发展的重要组成部分，其承担着提升港口作业效率、增强航行安全性能以及推动航运业智能化转型的关键任务。这一技术的应用，不仅可提高港口作业的效率，减少船舶靠离泊所需的时间和人力成本，还可促进航运业的绿色可持续发展，为构建智慧港口和智能航运体系奠定坚实的基础。

目前，全球范围内的自主船舶研究与开发处于快速增长阶段，包括中国、日本、韩国、英国、欧盟国家（包括芬兰、挪威、荷兰、意大利、德国等）等均开展了大量研究。在自动靠离泊技术的研究方面，国外的相关研究起步较早，在辅助/自动靠离泊技术及系统方面做了大量理论研究，并实现了部分实船测试与应用。国内在自动靠离泊技术方面的大部分研究尚处于理论研究阶段，开展了以小型渡轮、拖轮、试验船、训练船等为载体的应用探索与功能测试，实船验证将是下一步研究要点。

新技术

自动靠离泊技术主要通过集成先进的传感器系统、高精度定位技术、智能决策算法以及强大的动力控制系统，自动靠离泊技术能够实时感知周围环境的变化，精确计算并优化船舶的运动轨迹，从而实现在复杂多变的港口环境中的自主导航与操控。

关键技术方面，据中国船级社(CCS)编撰发布的《智能船舶发展展望2022》的介绍，自动靠离泊研究集成了多种关键技术的协同发展，包括低速运动建模技术、低频运动控制技术、船岸协同感知技术、智能无缆系泊技术等。低速运动建模技术，主要用于船舶的靠离泊运动，例如紧急制动，横向移动，短时间进车、掉头等。低频运动控制技术，主要用于船舶在复杂海况下(如风、浪、流等)的运动控制。低频运动控制技术包括多种方法，如使用陀螺稳定器、防滚油箱、主动升力面等设备来减少低频运动的影响。现代船舶控制系统还利用先进的算法和模型预测技术，通过分析船舶在不同海况下的运动特性，优化控制策略，以减少燃料消耗和推进设备磨损。船岸协同感知技术，这是一种通过整合船舶与岸基设施之间的信息交流和数据共享，以实现安全、高效且环保航行的技术。该技术主要由岸端与船端系统构成，岸端负责提供基础信息（如水域类型、气象条件等）和决策执行信息，而船端则负责感知、认知、决策、控制和执行过程。智能无缆系泊技术，是一种创新的船舶停靠解决方案，旨在提高港口作业的安全性、效率和环境可持续性。该技术打破了传统的系泊模式，即无需系泊缆绳，可有效降低系泊作业中的事故风险率。

除了上述关键技术外，智能靠离泊相关技术在近年来取得了不少新的进展。

视觉激光融合技术，2024年9月，韩通赢吉申请了一种基于视觉激光融合的无人船自主靠离泊专利，该技术通过获取码头区域图像并进行预处理，得到码头边缘特征，求解出船体相对于码头的初始姿态角，并对初始姿态角进行优化，以实现最优船体姿态估计结果。

三维激光点云数据，2024年7月，大连海事大学的研究团队在智能船舶控制领域取得新进展，其中，该团队提出了基于三维激光点云数据的智能靠离泊技术，利用新型传感器如GNSS-R等，实现了风场、浪场等航行环境信息的感知与识别。

无缆自动系泊系统，2024年6月，荷兰AMS公司推出了磁性自动系泊系统，采用带磁铁垫的机械臂代替真空垫，使磁铁吸引在船体上，系泊装置能够承载最高1000千牛的拉力。

5G+智能靠离泊系统，2024年5月，泰兴智慧港口项目成功入选江苏省交通运输优秀科技创新成果名单，其“5G+智能靠离泊系统”通过结合5G-A通感技术与AI、北斗等技术，提高了船舶靠离泊的定位精准性和安全性。

数字孪生技术，2023年6月，哈尔滨工程大学自主设计研发的数字孪生智能科研试验船“海豚1”成功交付并首航，从山东蓬莱出发，沿途开展数字孪生系统测试、船舶智能设备性能验证等多项试验。其中，数字孪生技术的应用使 “海豚1”实现了智能船舶的自主航行、自动靠离泊和自动避碰等功能，为未来基于远程支持的智能船舶和海洋工程装备自主航行和作业提供了基础技术支撑。

自主航行与智能决策模型，2023年12月，全球首艘由中国船舶集团有限公司旗下上海船舶研究设计院为大连海事大学研发设计全球首艘学校智能研究与实训两用船正式下水，该船具有远程遥控和自主航行功能的科研及实训船配备了基于海事规则、航行大数据的船舶智能决策模型和自动靠离泊系统，能够进行全水域自主航行，实现智能化全覆盖。

示范及应用

随着船舶自主靠泊技术快速发展，各国陆续进行了一系列示范及应用，取得了显著成果。

在实船测试方面。2019年，我国无人驾驶自主航行系统试验船“智腾”号正式下水。该船自主驾驶系统核心在于融合水动力特性和控制技术,建立“无人船”的三自由度操纵模型和控制方法，在螺旋桨、舵和其它推进器之间完成最佳推力分配,在符合推进器硬件约束的条件下,具有位置、艏向的保持和调整能力,可实现高速状态下沿指定航线航行的能力和自主离靠泊能力。2022年,我国首艘自主航行300TEU集装箱船“智飞”号正式交付,该船具备无人驾驶、远程操控、自主航行三大功能,配备了船舶航行辅助系统,以便在人工驾驶模式下为驾驶员提供信息、环境认知、避碰决策、安全预警等全方位的辅助支持。

在日本，2023年，商船三井使用沿海集装箱船Mikage进行靠离泊航行测试，使用无人机代替船员，完全实现整个靠泊、系泊过程的自动化。2018年，日本国土交通省(MLIT)通过汐路丸(Shioji Maru)号训练研究船演示了自主航行以及自动靠离泊技术，并计划在2025年实现项目的实际应用。

在韩国，2022年6月，Avikus公司与SK Shipping合作完成了18万立方米超大型LNG运输船“Prism Courage”号的自主跨洋航行，其中包括自动靠离泊，这是首次在大型集装箱船上进行自主航行技术全球航线实证测试。

在欧洲，2023年5月，Eidsvaag公司的沿海货船“Eidsvaag Pioner”号在挪威西北的Kristiansund海岸成功完成了一系列远程操控和自主航行技术的演示，在测试过程中“Eidsvaag Pioner”号展示了包括自动离港、自动进港、姿态感知系统、自动导航系统、智能机械系统、连接和网络安全系统、远程操控中心和动力定位系统等关键技术，本次测试是AUTOSHIP项目的首次演示，这次巡航测试被评为截止当时最复杂的海上自主航行之一，是自主航运进程中的一个关键里程碑。2023年6月，Blue Line Logistics公司的内河驳船“Zulu04”号成功完成了一系列演示测试，在测试过程中，“Zulu04”号在比利时繁忙的水道上进行了靠泊和离泊操作，展示了其在无限制水域中的操纵能力。

此外，自动系泊系统也得到了长足发展。目前,行业中的自动系泊系统主要分为两大类，无系泊缆方式的自动系泊系统和有系泊缆方式的自动系泊系统。

无系泊缆方式的自动系泊系统，是一种创新的船舶自动靠离泊技术，旨在通过自动化手段替代传统的缆绳系泊方法。这种系统主要利用真空技术和磁力技术来实现船舶的快速、安全和高效停靠。代表产品有瑞士凯伏特公司(Cavotec)公司的真空式自动系泊系统MoorMaster NxG，该解决方案采用了模块化设计，与可附着于任何平面的真空垫配合使用；还有荷兰Mampaey Offshore Industries公司的磁力自动系泊系统Dock Locking System。该系统由两个液压控制的手臂组成，每个手臂的末端都有一个磁板，可以稳固可靠地连接到任何船体。

有系泊缆方式的自动系泊系统，是一种结合传统缆绳系泊方法与自动化技术的创新解决方案。这种系统通过使用机械臂和传感器等自动化设备，实现对船舶的自动系泊和解缆操作，从而提高港口作业的安全性和效率。代表产品包括麦基嘉公司(MacGregor)的MOOREX自张紧系泊装置和Trelleborg公司研发的动态系泊解决方案DynaMoor系统。MOOREX自张紧系泊装置是为全球首艘无人集装箱船“Yara Birkeland”开发的自动系泊解决方案，该系统是通过一个七轴机械臂将环形的系泊绳索套在码头的系缆桩上。该系泊系统具有运动冗余，内置运动补偿和轨道规划系统。DynaMoor系统可以安装在很小的区域内，利用电子控制的液压阻尼器调节系泊缆绳的张力，从而减少船体晃动。