SPECIALE - La nave autonoma: nascita, evolu zione e sfide future

2050: flotte di navi autonome che navigheranno in aree congestionate

(Courtesy of Kongsberg Maritime).

di un tempio; può essere considerata a tutti gli effetti la prima vera macchina a vapore, ben prima di quella universalmente riconosciuta di James Watt costruita intorno al 1763! D’altronde l’etimologia della parola autonomo deriva dal greco αὐτόνομος che significa «che si governa da sé».

Dalla macchina di Erone ai giorni nostri è stato un susseguirsi di invenzioni e di scoperte che hanno «automatizzato» il nostro modo di vivere, facilitando la vita di tutti i giorni dispensandoci dai lavori pesanti o ripetitivi. Non dovrebbe sorprendere quindi che anche la parola «Robot», identificativa di macchinari che svolgono autonomamente determinate operazioni e coniata dal drammaturgo ceco Karel Capek nel 1921, derivi dal ceco robota traducibile come «lavoro pesante» o «lavoro forzato». Nell’ambito di navi e navigazione, i primi passi verso la navigazione autonoma si sono mossi nel 1920 con il primo autopilota installato a bordo della Standard Oil tanker J.A. Moffet. Il secolo scorso è stato poi spettatore della grande evoluzione dei sistemi automatici di navigazione. Una pietra miliare viene posta attorno al 1960 con lo sviluppo dei primi prototipi di posizionamento dinamico. A questo si sono susseguite le installazioni a bordo delle navi di sistemi capaci di seguire traiettorie predefinite, di pianificare automaticamente le rotte, di evitare, in maniera automatica, le collisioni e molto altro. Contestualmente all’aumento del grado di automazione dei sistemi di navigazione, anche la conduzione degli impianti di bordo necessita di un radicale cambiamento. Infatti, con l’avvento nelle nuove tecnologie, molti impianti possono essere monitorati e gestiti completamente da remoto, una pratica sempre più adottata e che viene dimostrata dalla riduzione costante del numero di persone impiegate negli equipaggi.

L’idea della navigazione autonoma non è poi così recente; nel film cult del 1968 di Stanley Kubric 2001: Odissea nello spazio, è presente un supercalcolatore — HAL 9000 per gli amanti del genere — dotato di un’intelligenza artificiale in grado di compiere autonomamente la missione spaziale. Il film è da considerarsi pioneristico anche, e soprattutto, perché fornisce moltissimi spunti di riflessione sugli aspetti sociali e morali dell’utilizzo di «macchine intelligenti» che verranno trattati a fine dell’articolo.

A oggi, quasi tutte le tecnologie abilitanti necessarie a una navigazione completamente autonoma sono state testate e disponibili, infatti alcuni prototipi di nave autonoma sono in costruzione e/o in fase di sperimentazione.

A...E...I...O...U... Navigation: Autonomous, Enanched, Intelligent, Operatorless, Unmanned... e anche il termine Smart è in voga: vengono usati indistintamente queste aggettivi legati alla parola navigazione, creando confusione tra i non addetti ai lavori.

L’International Maritime Organization (IMO) per celebrare la 100a sessione del Maritime Safety Comittee (MSC) nel dicembre 2018 ha definito in modo chiaro i diversi gradi di autonomia delle navi. Si ripor-

tano di seguito integralmente le definizioni [1], onde evitare storture dovute alla traduzione.

«Degree one: Ship with automated processes and decision support. Seafarers are on board to operate and control shipboard systems and functions. Some operations may be automated and at times be unsupervised, but with seafarers on board ready to take control.

Degree two: Remotely controlled ship with seafarers on board. The ship is controlled and operated from another location. Seafarers are available on board to take control and to operate the shipboard systems and functions.

Degree three: Remotely controlled ship without seafarers on board. The ship is controlled and operated from another location.

Degree four: Fully autonomous ship. The operating system of the ship is able to make decisions and determine actions by itself».

Come per tutte le nuove tecnologie introdotte nel settore navale, anche per la navigazione autonoma si prospetta un periodo di transizione, e le definizioni dell’IMO non fanno altro che rimarcare tale aspetto. Infatti, i primi due livelli di autonomia prevedono che l’equipaggio sia ancora a bordo, come operatori nel livello uno e come supervisori nel livello due. Nel terzo livello di autonomia si vede lo spostamento a terra dell’equipaggio, che opererà controllando la nave da remoto. La piena autonomia si raggiungerà solamente con il livello quattro, dove l’uomo potrà prendere il comando da remoto solo in caso di estrema necessità.

La nave autonoma sarà quindi un grande breaktrought tecnologico? In effetti, sarebbe il naturale evolvere dell’utilizzo massivo dell’automazione che ha visto negli anni una riduzione via via crescente del numero di membri; quindi la nave autonoma sarà il traguardo di questo processo, iniziato decenni e decenni fa. Allo stesso tempo ogni tecnologia d’avanguardia ha la necessità del contestuale sviluppo di una moltitudine di innovazioni, magari meno evidenti e/o non direttamente correlate, che permettono di renderla realizzabile, ed è ciò che rende la navigazione autonoma una potenziale grande svolta nel settore della navigazione.

Le motivazioni che guidano il processo che porterà a constatare la navigazione di navi autonome sono legate

Andamento del numero degli incidenti navali nel periodo 2011-16 (autore).

Classificazione delle cause degli incidenti navali nel periodo 2011-16 (autore).

sia alla sicurezza, sia ad aspetti economici. Dalle statistiche annuali dell’European Maritime Safety Agency (EMSA) si evince che circa il 70% degli incidenti è causato da errore umano [2]. Inoltre, si nota come più della metà degli incidenti sia dovuto a incagli, collisioni o perdita del controllo, tutte e tre le tipologie fortemente correlate agli aspetti della navigazione [3].

L’errore umano può essere generato da svariate cause: stanchezza, noia, scarso addestramento, troppa fiducia, spregiudicatezza, condizioni meteo-marine avverse, scarsa visibilità, e l’elenco potrebbe ancora continuare. Chiaramente il numero degli incidenti potrebbe essere drasticamente ridotto grazie all’ausilio delle tecnologie ICT (Information and Communication Technologies),

che non sono affette dalle problematiche precedentemente illustrate. Una riflessione però sorge spontanea: quanti incidenti invece sono stati evitati grazie al fattore umano?

Infine, come corollario, è doveroso far notare, in ambito di sicurezza, come gli incidenti dovuti a problemi di stabilità o strutturali siano ormai quasi inesistenti grazie al lavoro degli ultimi decenni di ricerca e grazie alle severe normative attualmente poste in essere; questo rafforza, se ce ne fosse ancora il bisogno, la necessità di avere a disposizione un quadro normativo per la navigazione autonoma chiaro e preciso quanto prima.

Dal punto di vista economico, il reale beneficio non sarà dovuto alla diminuzione dei costi relativi all’equipaggio, che secondo delle stime preliminari verranno pareggiati dall’aumento dei costi di progettazione e allestimento [4], bensì deriverà dall’efficientamento della logistica attraverso una riduzione dei tempi di trasporto e del rischio di incidenti. I principali studi di settore prevedono un tasso di crescita del 10% annuo del fatturato del settore della navigazione autonoma [5], quindi molti systems provider stanno investendo e pubblicizzando tale tecnologia, creando molte aspettative. Notevoli potenziali benefici sulla salvaguardia della vita in mare e dell’ambiente marino, completano il quadro delle motivazioni.

Riportando l’attenzione sugli aspetti tecnici sopra citati, il grado uno di autonomia prevede l’utilizzo di strumenti di supporto alle decisioni. Alcuni sono già presenti nelle nuove costruzioni, altri possono essere facilmente installabili a bordo senza radicali trasformazioni. Uno strumento di supporto alle decisioni si differenzia dai normali sistemi di elaborazione delle informazioni in quanto prevede una simbiosi tra il sistema e l’operatore (decision maker), se presente e nel caso, ovunque sia collocato. Questo strumento è in grado di fornire il necessario supporto al fine di aumentare l’efficacia dell’azione da intraprendere, soprattutto in situazioni nelle quali il tempo a disposizione per prendere una decisione è contingentato (le macchine riescono, se opportunamente progettate, a svolgere le «operazioni» più velocemente del cervello umano!).

Un esempio di uno strumento di supporto, basato su moderne tecnologie ICT, è l’utilizzo di devices di realtà aumentata [6], dove le informazioni e i suggerimenti elaborati dagli algoritmi sono mostrati in formato digitale e vengono sovraimpressi sulla normale visione umana [7]. Questo permette, per esempio, di non distogliere l’attenzione da un potenziale ostacolo/minaccia ma allo stesso tempo di consultare le informazioni normalmente riportate in plancia insieme a un suggerimento sull’azione da intraprendere [8] — che, si ricorda, a questo livello spetta all’operatore.

Secondo la classificazione IMO, con il livello due, la nave viene fisicamente condotta da postazioni remote. A bordo è sempre presente l’equipaggio, manlevato dagli incarichi standard, ma pronto a intervenire in caso di malfunzionamento del sistema o di impel-

Visualizzazione digitale di informazioni su un device di realtà aumentata (autore).

Nave controllata da remoto con equipaggio pronto a intervenire. In basso: Concept di nave controllata da remoto senza equipaggio a bordo (Courtesy of Kongsberg Maritime).

lente necessità. Il comando da remoto di una nave da parte di personale opportunamente addestrato, viene condotto in un contesto meno stressante mentalmente e fisicamente [8] (si pensi alla navigazione in un mare molto agitato) con conseguenze positive sulla sicurezza della navigazione. A oggi, secondo statistiche, è difficile che una persona svolga un’intera carriera in mare, per via delle difficoltà (a volte anche fisiche) e delle privazioni affettive a cui si è sottoposti; per cui la deriva a terra di parte dell’equipaggio migliorerebbe la qualità del lavoro, aprendo prospettive lavorative a nuove categorie. Il terzo livello è simile al precedente, con l’unica — non da poco — eccezione della mancanza di equipaggio a bordo. Ipotizzare questo livello di automazione porterà radicali cambiamenti nella progettazione navale; non sarà necessaria la plancia di comando, le postazioni degli operatori, gli alloggi, gli spazi comuni e tutti gli impianti ausiliari di bordo dedicati ai servizi alla persona. Questa tipologia di navi potrà navigare anche in aree dove è impossibile la sopravvivenza umana, e.g. in aree dove si sono verificati sversamenti chimici e/o incendi non facilmente domabili. Una fase potenzialmente critica sarà quando navigheranno unità con livelli di autonomia eterogenei, tre e quattro, dove si dovrà studiare attentamente l’interazione tra i sistemi controllati da remoto e suscettibili all’incertezza umana e quelli controllati automaticamente da regole precise.

Dulcis in fundo il livello quattro. Anno 2050, Pas-

saggio a Nord-Ovest, una fila ordinata di cargo dalle strane sovrastrutture solcano i mari trasportando le merci più svariate, alcune navi da lavoro svolgono operazioni sui fondali, alcune imbarcazioni da pesca svolgono il loro lavoro, ma non si vede nessun membro dell’equipaggio a bordo. Terabyte di dati vengono inviati e ricevuti dal centro di gestione del traffico installato a terra e nel vicino porto decine di droni di superficie sono pronti a intervenire in caso di necessità. Sarà questo lo scenario che ci dovremmo aspettare?

Sicuramente una volta raggiunto il livello quattro — alcuni prototipi di navi mercantili sono già in esercizio pronti a fare il grande passo — la digitalizzazione dei processi porterà a un radicale cambiamento nel settore dello shipping su molti fronti; dalla progettazione fino all’esercizio nave. Cambieranno le normali operazioni di ormeggio/stacco da banchina che saranno condotte autonomamente, con un potenziale impatto sul layout dei porti. Così come cambieranno le operazioni di carico/scarico merci e tutta la relativa logistica — invio documentale, sdoganamento merci, ispezioni — che diventerà completamente digitale riducendo i tempi di stazionamento in porto.

Dal punto di vista della navigazione uno degli scenari più sfidanti sarà rappresentato dalle aree costiere densamente navigate dove unità eterogenee, gestite da sistemi di navigazione autonomi progettati da automation provider diversi, dovranno cooperare e navigheranno in prossimità le une delle altre; gli algoritmi di intelligenza artificiale avranno il compito di far mantenere le rotte prefissate evitando ostacoli imprevisti. Per far ciò queste navi dovranno essere dotate di una moltitudine di sensori in grado di percepire quanto accade nell’ambiente circostante emulando il comportamento dei cinque sensi umani — quattro potrebbero essere sufficienti! Nuovi sistemi di comunicazione dovranno essere disponibili per poter gestire in real-time, e con minimo ritardo, un consistente flusso dati navenave e nave-terra.

Questi nuovi scenari stanno ponendo tuttavia una serie di interrogativi di carattere sia tecnico, sia di altra natura. Nel seguito si elencano alcuni spunti di riflessione.

Uno dei più sentiti è legato alla pirateria digitale (alias

LE AREE DI PROVA

La ricerca è anche sperimentazione. Alcune istituzioni nazionali hanno dedicato parte delle loro acque territoriali al test in vera grandezza delle navi autonome. Un’ampia area di Trondheimsfjorden nel Nord della Norvegia è stata designata come area di prova ufficiale per le sperimentazioni autonome dall’Autorità costiera norvegese. È stata la prima area di prova al mondo per navi autonome, per consentire la trasformazione dalla navigazione tradizionale a quella autonoma (settembre 2016). Il governo della città di Zhuhai ha creato il sito di prova per mezzi autonomi denominato «Wanshan Unmanned Test Site». Il sito di sperimentazione per navigazione autonoma è il più vasto al mondo e il primo in Asia. Il sito di prova è collocato presso le Isole Wanshan e comprende un’area di 771 chilometri quadrati. Il campo di prova consente il collaudo di tecnologie atte al raggiungimento della navigazione autonoma (marzo 2018).

Trondheimsfjorden, area di prova ufficiale per le sperimentazioni autonome condotte dall’Autorità costiera norvegese (autore).

Wanshan Islands, sito di sperimentazione per navigazione autonoma più vasto al mondo e primo in Asia (autore).

IL LIDAR

Nell’ottica del riconoscimento di ostacoli o in senso più ampio nella «consapevolezza» di quello che accade nell’ambiente circostante, il LIDAR (acronimo dall’inglese Light Detection and Ranging) è sicuramente un sensore essenziale per la navigazione autonoma. Lo strumento permette di determinare la distanza di un oggetto e molte altre caratteristiche sfruttando dei raggi laser. Grazie a tecniche di apprendimento automatico è possibile, oltre ad avere una ricostruzione digitale e in real-time dell’ambiente circostante, classificare gli oggetti.

Scenario reale (autore).

Ricostruzione digitale (autore).

cyber-security). Saranno questi sistemi resilienti e resistenti ad attacchi digitali?

La presenza dell’uomo a bordo permette operazioni di manutenzione e riparazione delle componenti durante la navigazione. È auspicabile che sulle navi autonome tutti i sistemi siano fault-tolerant o autoriparanti?

In futuro, quando la maggior parte delle navi sarà autonoma, cambierà drasticamente l’attività degli equipaggi che verranno dispiegati a terra — perdendo il fascino dell’andar per mare! — questo porterà a un calo drastico delle opportunità lavorative nel settore marittimo a discapito di altre realtà?

Talvolta, a causa del susseguirsi di sfortunate situazioni, l’incidente non è evitabile. L’unica soluzione è minimizzare le — anche gravi — conseguenze. Chi si assumerà la responsabilità di tale decisione?

Per queste domande a oggi non si hanno ancora risposte certe — almeno per l’autore — e dovrebbero essere debitamente attenzionate.

Per concludere, si riportano, come spunto per il lettore a una riflessione personale, le tre leggi della robotica dallo scrittore e scienziato Isaac Asimov proposte nel 1942 – sì proprio nel 1942 — che recitano:

I. Un robot non può recar danno a un essere umano né può permettere che, a causa del proprio mancato intervento, un essere umano riceva danno;

II. Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purché tali ordini non contravvengano alla I Legge;

III. Un robot deve proteggere la propria esistenza, purché questa autodifesa non contrasti con la I e con la II Legge. 8

BIBLIOGRAFIA

[1] Carrera, G., (2005) Lecture Notes of «Marine Automation». [2] International Maritime Organization, Maritime Safety Committee, 100th session, MSC 100/20, 10 January 2019. [3] European Maritime Safety Agency, 2019 Annual overview of marine casualties and incidents 2019. [4] Zaccone, R., & Martelli, M. (2018). A random sampling based algorithm for ship path planning with obstacles. In Proceedings of the International Ship Control Systems Symposium (iSCSS) (vol. 2, p.4). [5] Kretschmann, L., Burmeister, H. C., & Jahn, C. (2017). Analyzing the economic benefit of unmanned autonomous ships: An exploratory cost-comparison between an autonomous and a conventional bulk carrier. Research in transportation business & management, 25, 76-86. [6] Market & Market Report (2019), Autonomous Ships Market by Autonomy (Fully Autonomous, Remote Operations, Partial Automation), Ship Type (Commercial, Defense), End-Use (Linefit, Retrofit), Solution (Systems, Software, Structures), Propulsion and Region - Global Forecast to 2030, pp.1-262. [7] Haase, K., & Koch, R. (2008). AR Binocular: Augmented Reality System for Nautical Navigation. INFORMATIK 2008. Beherrschbare Systeme-dank Informatik. Band 1. [8] Jaeyong, O.H., Park, S., & Kwon, O.S. (2016). Advanced navigation aids system based on augmented reality. International Journal of e-Navigation and Maritime Economy, 5, 21-31. [9] Martelli M., Figari M., Di Summa M., Viganò G.P., Sacco M., Cassarà P., Gotta A., Sebastiani L., Delucchi G. & Guglia P. (2018): «Enhanced Navigation at Sea: an augmented reality-based tool for bridge operators», Proceedings of the 14th International Naval Engineering Conference and Exhibition INEC 2018, pp.192-199, Glasgow, UK, October 2-4, 2018. [10] Levander, O. (2017). Autonomous ships on the high seas. IEEE spectrum, 54(2), 26-31.