全球第一艘无人自主船成功跨越大西洋

2023-01-27 21:55来源： 中国引航协会陆悦铭

全球第一艘无人自主船成功跨越大西洋

中国引航协会陆悦铭

航行中的“五月花400”号

据媒体报道，备受关注的全球第一艘无人自主航行船“五月花400”（MAYFLOWER 400）号从英国普利茅斯港启航，2022年6月30日抵达美国马萨诸塞州的普利茅斯港外，完成了历史性的横跨大西洋的壮举。“五月花400”号成为首批自主航行的船舶之一，自主航行船舶长距离航行的研究大门被打开。为什么她完成的是横跨大西洋的历史性壮举呢？

一、三桅杆木质帆船“五月花”号跌宕起伏的航程

1620年，在大西洋航行的“五月花”号

历史上有蛮长一段时间，在汽车、火车或飞机出现之前，航海是长途旅行的首选方式，也是古代世界长途运输货物的唯一方法。按照西方列强早期的强盗、霸权逻辑，海外新大陆、岛屿等的所有权是谁先发现，谁拥有，所以他们有很多殖民地。十六世纪末十七世纪初，北美许多海岸地带经由英国船队率先发现后成为英国新领土，英国国王将这些新领土授权给某个公司经营管理。1607年，英国就在北美大陆开拓了第一块殖民地，取名“弗吉尼亚”，负责这块殖民地经营管理的是“弗吉尼亚公司”。那个时候的英国，天主教产生了一个分支，即清教徒，他们追求的目标是清洁和净化教会。后来清教徒中又分化出一支激进派，他们认为必须马上、彻底和大刀阔斧改革教会，因此受到英国国教的残酷迫害。为了摆脱宗教压迫、寻求自由和获得更多财富，英国部分清教徒在1608年8月离开英国到荷兰。之后，有一部分清教徒与弗吉尼亚公司签订移民合同，决定携妻负子，迁居北美。

英国帆船“五月花”（MAYFLOWER）号，估计船长27.4～33.5米、船宽约7.6米、吃水约3.35米，排水量约180吨，于1615年下水，归克里斯托弗·琼斯(CHRISTOPHER JONES)船长所有。“五月花”号主要用于近海商业贸易，来往于英国和法国，以及挪威、德国、西班牙等欧洲国家之间。

“五月花”号从英国南安普敦出发

1620年8月5日，“五月花”号从英国南安普敦出发时，一艘较小的帆船“佳速”（SPEED WELL）号从荷兰带了一些清教徒过来准备结伴前往北美弗吉尼亚。因为“佳速”号船员听闻北美的印第安人见人就杀，当地还疟疾横行、饿殍遍野，不愿意前往北美，船员便制造了“佳速”号“漏水”，不得不返回港口。1620年8月21日，“五月花”号再次和“佳速”号一起启航，“佳速”号又“漏水”，被迫再次返回。最后经过商量，从中选出了36名清教徒和66名工匠、渔民和贫苦农民等“教外之人”共102名乘客，带上了不多的个人物品和补给及两条狗，集中到约有30名船员的“五月花”号上，于9月16日独自从英国普利茅斯出发，前往遥远荒芜的北美新大陆。

“五月花”号客舱和货舱分布图

“五月花”号航程的前半段进行得比较顺利，唯一的主要问题是乘客晕船。船舱内非常拥挤，乘客中包括有三名孕妇在内的妇女和儿童，每人只有不到一平方米的容身空间；船舱阴暗，寒冷潮湿，没有干燥之处；船上没有厕所，卫生条件恶劣，船舱通风又很差，空气混浊，四处弥漫着呕吐物的气味。因为乘客较多和船底渗水，淡水变的紧张。到了10月份，“五月花”号开始遭遇一系列大西洋风暴，这使得航行变得危险。有好几次，风太大了，只能降下船帆随风漂流。乘客、船员每天都在和内心深处的恐惧、疾病以及身体不适作斗争。

因为错过越洋远航的最佳航行季节，他们几乎是在惊涛骇浪中冒死跨越大西洋，大海造成的恐惧和彼岸带来的希望交织在每位乘客心中。在平均速度只有2.5节的跨越波涛汹涌大西洋危险而艰难的66天旅程中，死了一名乘客，但是也降生了一名婴儿。他们的目的地本应在英国控制、纽约附近的哈德逊河口地区，那里靠近弗吉尼亚，但因遭遇恶劣天气，恶劣的大风天气和洋流的影响，逼迫“五月花”号偏离了航线。

“五月花”号计划航线和实际航线

11月21日，“五月花”号就在现在的马萨诸塞州的科德角外普罗温斯顿港抛锚。由于不少乘客患病、船员疲惫不堪和那时已是深秋，他们决定就在那里登陆而不再继续航行。那个地方就命名为他们出发的港口——普利茅斯。

乘客通过“五月花”号上的救生小艇登陆

首批登陆的乘客和船员发现这是一个理想的居住地，因为这里没有人，但是有被“抛弃”了的整个村庄以及大块的土地。后来知道的原由是住在这片土地的许多印第安人原住民都因染上了欧洲船只带去的某种神秘疾病而死亡了。这场瘟疫持续了约三年时间，造成了当地70%—90%的原住民死亡。

二、《“五月花”号公约》及感恩节的由来

由于“五月花”号到达的地方科德角不属于英国殖民地，意味着乘客与英国国王之前的签订的合同作废，不必继续效忠英国国王，他们获得了自由。上岸前，这些历经磨难却憧憬自由的人，讨论着如何管理未来的新世界，是依靠领袖权威、军队武力，还是英国国王的恩赐？经过激烈的讨论，为了在登陆的人中建立一个大家都能受到约束的自治团体，他们决定共同签署一份公约。除了部分乘客不会签名和几个实在病得无力书写自己姓名的人外，船上的41位成年男子在这份约定上签了名（当时的妇女没有地位，没有资格签名），在北美建立了第一块自治管理的殖民地。这份公约成为新大陆移民重要的政治性契约，奠定了北美新英格兰诸州自治政府的基础，即《“五月花”号公约》（THE MAYFLOWER COMPACT）。

41位成年男子在《“五月花”号公约》上签名

部分《“五月花”号公约》内容

这是一份简短的公约，但是这份公约后来成为美国日后无数自治公约中的首例，成为美国领土上起草和颁布的第一个政府框架，它的签约方式及内容代表着“人民可以由自己的意思来决定自治管理的方式、不再由人民以上的强权来决定管理。”这份公约开创了一个自我管理的社会结构，在王权与神权统治的时代，这一纸公约已经萌发出民主自由思想的幼芽。政府是基于“被管理者”的同意而成立的，而且将以自治和法治治国。尽管16世纪后来到美洲的欧洲移民给当地印第安人带来了毁灭性的灾难，但是随着美国的独立和强大，“五月花”号船和《“五月花”号公约》成了追求自由、不惧困难激进、积极探索和争取财富的代名词，因此名闻遐迩。

原住民印第安人来看望登陆的乘客和船员

登陆后的乘客和船员饥寒交迫，还遇到疾病、恶劣天气等难以想象的困难，死了约一半，其中女性死亡比例远远高于男性。一名原住民印第安人给他们送来了食物和生活必需品，让他们度过了严寒的冬天；当春天来临时，教导如何种植玉米和南瓜、在哪里捕鱼和狩猎等；天公作美、风调雨顺，到了秋天，移民们喜获丰收。在欢庆丰收的日子，移民们决定为感谢上帝的恩惠和印第安人的真诚帮助，邀请他们共庆丰收，于是有了历史上的第一个感恩节，并且持续之今。

移民们邀请印第安人一起庆祝丰收

移民的欧洲人与当地的印第安人经过一定时期的和平相处后，为了扩张自己的领地和获取更多的土地资源，又因为信仰、文化和生活习俗的差异，欧洲移民对武器落后的印第安人实施暴力驱赶、极度残忍的屠杀和种族灭绝政策，留下了恩将仇报、弃信忘义的斑斑劣跡史。欧洲国家的殖民史和“五月花”号1620年的旅程开启了欧洲扩张和帝国强大的新篇章，却给在美洲生活了数千年的原住民带来了种族灭绝的灾难。好莱坞大片中把他们演绎成个个热情似火、勇猛无畏，仿佛是天生冒险家的“西部牛仔”，殊不知在这些光彩熠熠的背后，是印第安民族的无尽鲜血和如山白骨。

欧洲移民屠杀武器落后的印第安人

三、制造全球第一艘无人自主航行船的设想和设计

1620年，当时不仅航海技术不够发达，“五月花”号又不够大，还没有发明机械动力推进和各种助航设备，尽管面临着巨大的风险和困难，“五月花”号上的乘客怀着对美好未来的向往，义无反顾从英国的港出发，开始了一段通往新世界的危险旅程并取得成功。

2020年将是“五月花”号航行北美大陆400周年。早在2016年，英国非盈利海洋研究机构ProMare联合创始人法诺夫（Brett Phaneuf）先生参加了一个会议，法诺夫还是一家潜水集团有限责任公司的创始人和首席执行官，该公司设计和生产有人和无人水下航行器。在讨论如何纪念即将到来的“五月花”号越洋航行400周年时，有人建议建造一艘“五月花”号的复制品。法努夫认为：1957年英国已经建造了一艘仿制船，并用了53天时间航行到美国马萨诸塞州的普利茅斯，现在仍然停留在那里，因此不支持再建造一艘复制船。同时，他建议做一件大胆、勇敢和创新的事情——为21世纪建造一艘无人驾驶、自动航行的船，即无人自主航行船，沿着当初的“五月花”号航线跨越大西洋；该船还可以在航行期间和为未来很长一段时间内进行重要的海洋科学研究，以唤起人们对“五月花”号乘客和船员跨越大西洋开拓精神的回忆。无人自主航行船，顾名思义，就是船舶航行既没有船长和船员操控，也不接受远程遥控，一切靠本船感知、决策和行动。无人自主航行船的英文是MAYFLOWER AUTONOMOUS SHIP，简称为MAS。为了与老的“五月花”号有区别和便于表述，新造的“五月花”号船舷上书写了“MAYFLOWER 400”的船名，所以笔者在本文称其为“五月花400”号。

如果一艘自主航行的船需要加燃料，她的航行时间、距离、用处和可到达水域范围等就十分有限。因此，这艘未来的船只将利用来自太阳和风的能量转动螺旋桨和通过电池存储能量；晚上，使用电池存储的能量；船上设置帆，便能够利用风力；还配有柴油发电机作为应急的后备动力。

法诺夫提出的无人自主航行概念船

当法诺夫提出建造无人自主航行船概念时，国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，简称IBM）表示对此愿景很感兴趣，愿意担任首席技术和科学合作伙伴。1969年，IBM助美国国家航空与航天局首次登月，实现人类登月梦想。IBM是全球最大的信息技术和业务解决方案公司之一，其自动化、人工智能（Artificial Intelligence，缩写为AI）、最强大的服务器、云和边缘计算技术可以为该船的“虚拟船长”提供“智慧”，以指导该船在海上安全航行进行实时决策。这位虚拟的船长，称其为“AI船长”。IBM气象公司的气象数据也来帮助AI船长做出导航决策，以避开潜在的危险风暴，在最恶劣的天气条件下仍能处于最佳航行状态。

在IBM公司对外发布的宣传图中，有一句话：自主技术开创海洋勘探新局面（Autonomous Tech Enables a New of Marine Exploration）。意味着IBM公司可为未来的海洋勘探事业做更多的事情，而不仅仅是利用其自主航行技术跨越大西洋。

IBM公司的宣传图

“五月花400”号首先是一艘研究船，跨越大西洋仅仅是其任务之一，她还将在气象学、海洋学、气象学、生物学、海洋污染和海洋哺乳动物保护以及自主导航等领域进行持久的、开创性的研究，执行收集海洋数据、气象数据、帮助保护海洋未来的任务。

英国费舍尔·潘达（FISCHER PANDA）公司的电力驱动系统和发电机提供动力。包括英国普利茅斯大学和伯明翰大学、自主航行专家MSubs等跨越3大洲的10多个国家的30多家公司和组织积极参与该项目，并组建了“五月花400”号团队。普利茅斯大学处于海洋和海洋研究的前沿，是全球微塑料研究的权威机构，它将收集和分析“五月花400”号横渡大西洋时的水样，以掌握更多关于微塑料污染及来源、分布和潜在影响的信息，全球变暖、海洋酸化及进程；还包括海洋哺乳动物监测、海平面测绘等项目。伯明翰大学负责在“五月花400”号中使用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实技术。英国VERIPOS公司使用地球同步卫星提供高度可靠、厘米级精度的精确定位服务。还有利物浦大学、纽卡斯尔大学和普利茅斯海洋实验室等高校和研究机构。铱星通信股份有限公司（IRIDIUM COMMUNICATIONS INC）和泰勒斯集团（THALES GROUP）为“五月花400”号提供实时通信技术。惯性测量单元（IMU）为“五月花400”号提供关键导航数据。在船上安装了一种可以收集海洋化学并提供即时自动分析的电子“舌头”，采集包括pH值和铁的浓度，以评估水质中的营养物质、盐度和化学成分，确定变化的环境如何影响浮游生物的生长。该船还配备了全息显微镜，用于计算和成像水中的颗粒，它可以作为一种检测微塑料和浮游生物的手段。安装的水听器可以捕捉并记录鲸鱼和海豚的声音，以衡量它们的种群、数量和分布。包括劳斯莱斯（ROLLS ROYCE）、霍尼韦尔（HONEYWELL）、ABB集团和瓦锡兰（WARTSILA）等大型企业给与经济上的支持。

2016年10月起，“五月花400”号团队开始设计，有多个版本，下图是其中的两个版本。

2017年，设计的“五月花400”号

早期设计的“五月花400”号

担心船帆对“五月花400”号雷达、摄像机等感知设备的影响，“五月花400”号团队进行了提高雷达、摄像机等感知设备的高度和删除船帆的修改。

四、“五月花400”号的内部结构和自主航行工作原理

船上安装了数五十多个感知设备，如雷达、GPS、气象、海拔高度和水深等的探测器，以及用于向IBM计算机视觉系统发送视觉信息的六个高清船载摄像头和十五个分析数据的边缘设备等。

“五月花400”号剖面图及主要设备布置

五、“五月花400”号建造及下水

为了这艘史无前例无人自主航行船的稳定性、降低空气阻力、确保太阳能面板浮出水面接受足够的阳光等，ProMare公司最后确定将其设计成一艘由三个刚性船体组成，一个主船体和两个稳定船体。2019年10月，在波兰格但斯克的Aluship Technology造船公司被选为船体制造商，该造船公司以其制造铝合金船体和框架而闻名，此前曾为大型游艇和海上建筑物提供过铝合金和钢铝结构；还使用了复合材料，以减轻船体的质量，同时还可承受长期在海上航行的冲击。

“五月花400”号船体在波兰格但斯克的造船公司建造中

2020年3月24日，三个船体建造完毕，作为公路运输的大件货物，启程前往英国普利茅斯。

“五月花400”号船体在装车中

“五月花400”号船体在运往英国普利茅斯的路途中

“五月花400”号三个船体运到英国普利茅斯后，立即开始合拢和大量感知设备的安装及调试工作。

卸下“五月花400”号主船体

卸下“五月花400”号三个船体

“五月花400”号三个船体在合拢前

“五月花400”号船体合拢和安装感知设备

“五月花400”号团队在英国普利茅斯完成了三个船体的合拢和雷达、摄像头等大量感知设备的安装及调试工作后，于2020年9月14日使用轮式起重机将其送入水中。

轮式起重机靠近“五月花400”号

“五月花400”号船体由轮式起重机吊起

轮式起重机移动“五月花400”号去船台

“五月花400”号在船台下水前一刻

“五月花400”号开始下水

“五月花400”号进入普利茅斯湾

“五月花400”号离开轮式起重机

由于无人自主航行船舶的技术太过复杂和受到新冠疫情的影响，英国这边原计划2020年9月16日启航的“五月花400”号只能是在这个日子举行命名仪式，横渡大西洋的计划被延迟，这是“五月花”号离开这座海洋城市400周年的纪念日。她船长15米、宽6.2米，重约4.5吨，可提供最大速度20节和平均速度10节的船速及搭载700千克的实验器材放在研究舱中，跨越大西洋约需三周时间。在命名仪式上，一位政要将一瓶普利茅斯杜松子酒倒入水中。

“五月花400”号的命名仪式

在美国那一边，原本有一个庆祝“五月花”号启程400周年的活动，也因“五月花400”号横渡大西洋的计划退迟和新冠疫情的影响而取消。

六、“五月花400”号的“智慧”和海上测试

AI船长的测试首先在普利茅斯海洋实验室提供的载人船只“普利茅斯探索”（PLYMOUTH QUEST）号上进行，以评估其航行的完全自主性，并且进行了不断的修正和完善。

在“普利茅斯探索”号上测试AI船长

“五月花400”号船下水后，该团队立即开始对她进行了广泛的测试，首先在相关船舶的陪伴下，去指定海上测试水域，针对在“普利茅斯探索”号上测试过的AI船长，进行修正后，在“五月花400”号进行测试；其次是测试其操纵性能，以正确获取船舶的转向、加速和减速数据，如使用不同舵角的新航向距离及旋回圈大小，加速和减速的冲程等，便于AI船长作出操纵决策时参考。最后是测试其完成科研任务的能力。

“五月花400”号在相关船舶的陪伴下去指定海上测试水域

在“五月花400”号上测试AI船长

七、一波三折的“五月花400”号越洋航行

“五月花400”号通过半年多的海上试验及AI船长的不断修正和完善，越洋航行的时机成熟，ProMare和IBM决定实施越洋航行。2021年6月15日凌晨4点，“五月花400”号离开普利茅斯港开始自主航行横渡大西洋。从英国普利茅斯到美国东海岸的马萨诸塞州普利茅斯的航程较靠近“泰坦尼克”号的沉没处，不过在这个季节越洋，不可能遇到任何冰山，天气也比较好。

正常情况下，“五月花400”号使用太阳能电池板从太阳汲取能量，一方面为螺旋桨旋转提供动力，多余的能量给电池充电，充电后的电池供晚上、阴天或太阳能提供的能量不足时使用。如果电池没有储存电能，又遇上晚上或阴天，只能是自动启动发电机以转动螺旋桨给和电池充电。

“五月花400”号自主航行中

但是，三天后的6月17日晚，“五月花400”号的推进系统发生了故障，导致航行速度减慢。经过远程评估，认为没有人工干预是不可能修复的。于是，安排一艘支援船在6月19日与“五月花400”号会合，并在将其拖回。6月24日，“五月花400”号回到英国普利茅斯的干船坞中，最后确定是其发电机排气系统的柔性金属接头断裂引起的。

“五月花400”号接受检查和修理

法诺夫先生在“五月花400”号的船舱中

“五月花400”号继续其海上测试

根据IBM气象公司提供的气象数据，2022年4月27日清晨05:30，“五月花400”号从英国普利茅斯的特恩查尔码头再次出发，目的地是美国马萨诸塞州的普利茅斯。

“五月花400”号再次启航的自主航行中

“五月花400”号在其航程中又遇到了一些麻烦，航行了1200多英里后的5月6日再次发生机械故障，不得不去在北大西洋中东部、葡萄牙管制的亚里斯亚群岛的奥尔塔进行检查和修理。发现是发电机与电池组的连接断开了，所以无法给电池充电和继续其航程。修复和等待了航路中两个严重低气压天气系统造成的恶劣天气后，于5月20日离开奥尔塔向目的地驶去。5月28日，又发现“五月花400”号的发电机启动器电池的充电电路有故障，与船上的导航计算机失去了联系，该船被迫转向加拿大新斯科舍省的哈利法克斯，作为最近的可行港口以解决故障。随后于6月5日进港，完成了跨越大西洋的自主航行，成为跨越大西洋自主航行船的第一艘。本航次用时40天，由于新冠疫情和机械故障问题，跨越大西洋的计划延误了近两年。

“五月花400”号被拖进哈利法克斯，船首的拖缆清晰可见

八、“五月花400”号抵达目的地

在加拿大修复机械设备故障后的6月27日，“五月花400”号离开加拿大。6月30日，“五月花400”号航行至离美国马萨诸塞州的普利茅斯海岸约20英里处。按照美国海岸警卫队对无人船管理的规定，“五月花400”号只能被拖进普利茅斯港，最后停靠在复制品“五月花II”（MAYFLOWER II）号的外侧，完成了从英国普利茅斯到美国普利茅斯的自主航行和横跨大西洋的历史性壮举。

“五月花400”号被拖进港

“五月花400”号停靠在复制品“五月花II”号的外侧

现在的“五月花Ⅱ”号是“五月花”号的复制品，她是英国人经过更详细的研究，制造的一艘尽可能和原船相近的帆船；是为纪念“五月花”号运送清教徒去开发北美的历史功绩而建并送给美国人的，于1956年9月22日下水；1957年4月20日，从英国普利茅斯起航，共有33名船员，也遭遇了猛烈的狂风；1957年6月13日，抵达目的地。目前，她仍然停靠在普利茅斯，作为展览船和博物馆船供游客参观。

建造中的“五月花Ⅱ”号

航行中的“五月花Ⅱ”号

“五月花400”号航程结束后，科技工作者们立即开始检查船上航行的数据，以便深入研究AI船长的性能；研究通过不同传感器获取的数据并进行评估，必要时可调整和更新相关设备。“五月花400”号团队并不认为已经掌握了所有答案，认为从这次穿越大西洋中学到很多东西。目前的“五月花400”号在执行科学考察任务。

九、自主航行船的未来

尽管“五月花400”号的设计、制造曲曲折折，跨越大西洋的航程跌宕起伏和遭遇了不少挫折，但是她最终还是抵达了目的地。托马斯·爱迪生在发现灯泡之前失败了一千多次，但是成功以后彻底改变了人类的工作和生活方式。“五月花400”号成功抵达目的地，也可能彻底改变海洋运输、科学考察的方式。

环球航行的电动船“PLANET SOLAR”号

海洋是人类最重要的资源之一，是食物、矿物、金属和能源的主要供应地；它吸收碳，并产生了大气中50%到85%的氧气。正确认识、理解和保护它是至关重要的，但目前依靠载人科考船的成本和风险太高，还无法收集到所需的所有数据。科考船出海既受到水域、时间和范围的限制，又充满风险，还受限于科技工作者在船上的时间。如果让科技工作者离开科考船，让他们专注于研究数据，而不是收集数据，效率将会提高。

制造一艘稍大的科考船可能需要数亿元，出海一天可能要花费数十万元，其中主要开支是燃料费和维持船上人员生存和食物供应所需的资金，还有这样那样的限制，这是当今许多海洋科学考察任务的阻碍因素。通过“五月花400”号的实践，建造一个经济高效、灵活的数据收集平台，将有助于保护海洋及支持该行业的健康发展；有助于航运企业开展创新、高效、安全和节约的探索，并提供了可参考的思路。

仅仅利用船帆的跨大西洋货船

目前来看自主航行船将带来的直接效益是：因为可以减少船员，那么节省了船员成本和减少船员生病或受伤的风险；让人工智能系统担任助理，在驾引人员旁边增加一双眼睛、两只耳朵，可以时刻保持清醒和警觉，并且永不分心，以此降低人为错误带来的风险；因为减少船员住舱和其他生活空间，相应增加了装载货物的空间，为航运业创造了可持续发展的动力。

未来的无人自主航行货船“YARA BIRKELAND”号

“五月花400”号的进一步开发完全自主的人工智能系统和应用程序，将来会影响航运、石油和天然气、通信、安全和国防、渔业和水产养殖等多种行业，并促进它们发展。

尽管AI船长的能够引导“五月花400”号穿越大西洋，但她仍受到机械问题的困扰，当船上没有任何人时，显然无法进行所需的机械设备修复。大连海事大学原校长吴兆麟教授告诉笔者：“五月花400”号无人自主航行船的实践证明，因为船舶在航行期间难免出现各种故障及问题，智能船舶的近阶段只能是减少船员而不能完全取代船员，还做不到完全“自主”。大势所趋，任重道远。千里之行，始于足下。不积跬步，无以至千里。

全球研究、制造无人自主航行船方兴未艾。2022年6月，英国普利茅斯海洋实验室宣布，一艘无人自主研究船完成了设计，该船能够为气候变化、生物多样性、渔业和生物地球化学的研究收集数据。