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產業技術評析

自主航行船舶(無人船)發展趨勢
發表日期:2018-10-31
作者:熊治民(工研院)
摘要:
自主航行船舶是一種不需要船上人員介入操控,能由岸上人員遠距控制,或自動依據任務需求及行駛環境狀態,進行航行控制的水面船舶。

全文:

一、自主航行船舶
 

自主航行船舶(Autonomous Ship)(俗稱無人船或無人駕駛船,driverless ship )是一種不需要船上人員介入操控,能由岸上人員遠距控制,或自動依據任務需求及行駛環境狀態,進行航行控制的水面船舶。依噸位大小及任務功能,無人船可區分為兩大類別:第一類為尺寸、噸位較小(通常船長在十公尺以下,滿載排水量在10噸以下)的自主式水面載具(ASV);第二類為基於現有載人、載貨的有人駕駛船舶,透過遠端遙控(remote control)或自主駕駛(self-driving)技術與系統,使其具備無人駕駛功能的中大型船舶。這類無人船又稱為Maritime Autonomous Surface Ship (MASS)。
 

ASV可以用在海洋資料蒐集、環境監控、消防、運補、科學研究等民用領域,以及偵查巡邏、掃雷與佈雷、反潛等國防領域。其優點包括節省人力與降低有人作業風險,減少高昂載人船舶購置費用,增加工作彈性與效能(例如可長期在海面作業)等。而發展MASS的驅動因素包括減少人員操作失誤造成的事故,無人駕駛貨船能增加抵抗海盜能力,以及減少船舶整體運作成本。
 

實現無人船運作的關鍵技術包括遠距通訊(例如透過衛星通訊)、多重環境感知(光學及紅外線影像、雷達等)、自主路徑規劃、自動避障、自主式艦橋及引擎室等技術(如圖1)。為提高能源使用效率、降低溫室氣體排放,以及提高動力系統數位控制能力,採用純電力或燃油-電力複合動力推進系統,也是無人船技術發展的重要項目。
 

圖1 實現無人船運作的關鍵技術

資料來源:NTNU(2017/05);工研院產科國際所整理(2018/08)。
圖1 實現無人船運作的關鍵技術。
 

要實現無人船運作,除了船舶本身所涉及的自主控制與安全航行技術外,還涉及航行環境設施(例如河道、港灣)配合,以及國內與國際相關船舶檢驗標準與航行規範的調整與改變。這是相當繁雜的工作。需要船舶設計建造廠商、船主、各國政府、國際船舶檢驗機構等多方面的合作;也需要相當長的時間才能讓無人船運作範圍及規模逐漸擴大。
 

為加速大型無人船發展與應用,國際知名的船舶引擎供應商、英國勞斯萊斯公司(Rolls-Royce)提出先進自主水域貨運航行應用(AAWA)計畫,預計在2020年實現遠距遙控航行,2025~2030年實現自主航行(圖2)。AAWA結合歐洲許多知名船舶及航運廠商,共同發展遠距遙控與自主式船舶的技術,並找出能兼顧可靠度及成本的最佳化技術整合方案。
 

圖2 Rolls-Royce無人船發展Roadmap

資料來源: Rolls-Royce (2017/09);工研院產科國際所整理(2018/08)。
圖2 Rolls-Royce無人船發展Roadmap。
 

二、國際無人船研發案例
 

離岸工程服務商Bourbon與英國Automated Ships Ltd公司簽屬MOU,從2016年11月開始研製名為「Hrönn」、專門應用在離岸工程(含離岸風力發電場)的無人船(圖3)。挪威Kongsberg公司將提供該船所需的設備。Hrönn無人船的用途包括:搭載與發射水下遙控載具(ROV)、水下自主載具(AUV),離岸工程人物資運補,海洋牧場工作支援等。考量船舶操控成熟度與安全,Hrönn無人船運作初期會採用岸上遠距遙控駕駛,後期再逐步轉成全自主式駕駛。
 

圖3 Hrönn無人船設計造型

資料來源: Kongsberg (2017/07)。
圖3 Hrönn無人船(設計造型)。
 

挪威化學肥料製造商 Yara公司與Kongsberg合作,建造全球首艘純電動無人駕駛貨輪。兩家公司合作研製的無人貨船名為「Yara Birkeland」,主要用途是在Yara位於挪威的工廠和城鎮間來回運送化學品和肥料。Yara Birkeland為全電力驅動,每次充滿電後最長可行駛 65 海浬,能裝載 120 個20呎貨櫃,設計航速6節(浬/小時)、最高時速13節。該船在2018 年將先進行有人駕駛航行,2019 年轉為遠距遙控航行,2020 年達成自主航行。
 

挪威航運公司Wilhelmsen與Kongsberg已在2018年4月宣布成立全球首家無人船航運公司Massterly。Yara與Kongsberg合作開發的Yara Birkeland無人船,未來將會透過Massterly 進行營運服務。Massterly將是一家全新概念的航運公司,可為客戶提供實現自主航運相關的技術與服務─包含船舶營運、船隻設計與開發、控制系統及透過陸上控制中心協助的物流服務。
 

圖4 挪威無人貨船Yara Birkeland設計造型

資料來源: Yara (2017/09)。
圖4 挪威無人貨船Yara Birkeland(設計造型)。
 

中國也在積極研發貨運無人船。中國知名的ASV研發廠商雲洲智能公司,與珠海市政府、中國船級社及武漢理工大學合作,共同研發名為「筋斗雲」命名的500噸級無人貨船(圖5)。船長50公尺,採電力推進,續航力達500海浬(約926公里);預計在2019年完成建造,投入試運行。上述機構研發這款無人船舶,是希望能在惡劣天候下,為島嶼地區進行物流運輸和補給;解決現階段有人補給船受氣候影響,無法出海航行,以及遠距離離島運輸成本高額等問題。
 

圖5 無人貨船筋斗雲設計造型

資料來源:雲洲智能 (2017/12)。
圖5 無人貨船筋斗雲(設計造型)。
 

三、無人船測試場域發展
 

建立無人船試驗場域的主要目的,是透過在實際環境下的長時間航行,驗證無人船各項功能與安全是否滿足設計要求,並持續累積環境與航行數據,以為持續精進自主控制、避障等智慧化功能的學習資料。
 

芬蘭西海岸已設置自主船舶海上試驗區「Jaakonmeri測試區」,提供個人、私人公司、研究機構在此海域進行自主海上交通,船舶或相關技術測試。測試區域由DIMECC公司管理,該公司是無人船經濟生態系One Sea Ecosystem發起廠商之一。Jaakonmeri測試區,北方最長的一側長約17.85公里,西側長約7.10公里。該地區是開闊水域,並可提供在冬季海域結冰時的特殊環境測試機會。DIMECC將通過其合作夥伴提供測試海域內的數據連接功能。
 

為支持小型無人貨船研發測試,中國廣東省珠海正在建立以無人船產業生態發展平台。具體項目包括無人船海上測試場域、自動系泊碼頭、海上通訊和網絡安全等方面的基礎設施;以滿足不同類型無人船在多種應用場域、多種功能的驗證測試需求,並蒐集能支持未來無人船航運服務所需的各種數據。已命名為「香山海洋科技港」的無人船科技港位於珠海唐家灣畔,是中國第一個無人船研發測試基地。香山海洋科技港的重要設施包括室內實驗室與測試水池、海上試驗區,可讓無人船研發單位進行多種驗證測試。
 

珠海也規劃在萬山群島將建置無人船海上測試場域。這座無人船海上測試場將在規劃水域附近的島礁上,建設網路、通訊、導航、雷達、光電、自動系泊碼頭等支持測試場域運作所需的系統工程和基礎設施。無人船可在此場域中進行自主避障、協同編隊航行、遠程控制航行、自主航行、警戒巡邏、通訊等功能與任務測試。
 

我國目前在無人船的發展上,國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心及船舶暨海洋產業研發中心(簡稱船舶中心),在2011年合作研發國內第一艘以近海海洋研究調查為目的的無人水面載具,命名為鄭和101號。鄭和101號的硬體架構包括:船體結構、中央控制系統、導航系統、視覺系統、水文量測系統、動力系統、能源管理系統和通訊系統。船舶中心在2018年開始執行經濟部技術處的科技專案,與國內其他研究單位(工研院、資策會、中科院等)共同合作發展自主航行船舶所需的船舶控制、長距離無線通訊、全場域影像辨識、避碰系統等關鍵技術。高雄市輪船公司也與船舶中心合作,規劃將目前在愛河運行的太陽能觀光船改造為無人船。高雄市輪船公司計畫以高雄愛河水域作為無人船示範測試場域,進行駕駛可隨時接手操作的無人船點對點循跡自動航行功能驗證,並實現定點自動駕駛船舶觀光商業模式。
 

四、IEKView
 

(一)隨著感測、通訊及自主控制技術發展,已經能逐步實現安全的無人船遠距控制或自主航行;不過目前考量技術可靠度與安全性,無人船仍以內海或近岸航行為設計目標。未來無人船要擴大航行範圍及船隊規模,除了需要在核心技術上持續研發外,透過長期的場域測試驗證及蒐集重要資訊,在內河、港灣、航道上建置必要的資通訊設施,以及檢討修改國內與國際船舶檢驗標準、航行操作規範,都是不可或缺的工作。
 

(二)因應無人船發展趨勢,臺灣相關產業可以從以下領域思考後續發展策略:
 

  • 以臺灣現有利基產業,發展無人船相關技術與產品。例如龍德造船廠已協助新加坡客戶改善小型無人船艇外型設計,提升無人船航行效能。此外,臺灣在自駕車所需的汽車電子設備上已具備相當的國際競爭力,未來可以思考如何透過與造船業者合作,發展無人船所需的感測、通訊、航電系統。
     
  • 以無人船發展利基的應用服務。例如外港船舶、離島貨運補給,離岸風電場人員、零組件、風電設施巡檢用無人機(UAV)及ROV、AUV運送發射等。
     
  • 在臺灣建立無人船研發園區,透過研發機構與人才網絡、研發基地設施與系統發展平台、完整的測試場域、商業化營運輔導服務等,吸引國內外廠商在臺灣進行相關技術、系統、載具與創新應用服務研發與投資。使臺灣能快速建立具規模的無人船產業聚落及生態系。

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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