基于大數(shù)據(jù)的智能船舶研究

陳 弓

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

當前，世界航運市場總體上仍然處于衰退的趨勢，造船業(yè)已普遍認識到調整產(chǎn)業(yè)結構、制造高端產(chǎn)品，是在殘酷的市場環(huán)境中生存的必然之舉。隨著政府倡導“互聯(lián)網(wǎng)+”計劃和“中國制造2025”目標的提出，我國造船業(yè)走出行業(yè)低谷、升級轉型和搶占戰(zhàn)略制高點迎來了發(fā)展機遇?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+船舶”是指在造船業(yè)中大量應用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術?！爸袊圃?025”是指堅持創(chuàng)新驅動，綠色轉型，通過應用網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化等技術，在一些核心制造領域取得突破。與此同時，國際海事組織(IMO)也高度關注自主智能化船舶的發(fā)展，并且從法律法規(guī)方面予以支持，開始研究突破最少安全配員的限制。2017年6月，IMO第98次海安會討論了航運科技大國提出的海上自主航行船舶，同意成立工作組研究相關的法律、安全、環(huán)保對策。會上，芬蘭、丹麥等國介紹了他們在智能船舶領域開展的工作。本文研究了大數(shù)據(jù)環(huán)境下的智能船舶設計，從航行、船體、機艙、能效管理、貨物管理方面探討了智能船舶的功能和研究應用進展，提出建立岸基數(shù)據(jù)中心，收集船舶全生命周期的數(shù)據(jù)，構建大數(shù)據(jù)環(huán)境，從而為船舶營運提供更全面的技術支持，擴展為船東服務的周期。

1 智能船舶概念

傳統(tǒng)船舶是在母型船的基礎上，根據(jù)船東的需求進行定制設計。船舶交付之后，由于沒有采集船舶運營中關鍵數(shù)據(jù)，所以不能判斷船型的優(yōu)劣，也不能在后續(xù)新船設計時進行全面優(yōu)化，僅通過售后服務中船東反饋的零碎問題采取措施進行改善。

智能船舶是指將先進的自動化、信息化、大數(shù)據(jù)分析技術運用于船舶的航行和管理，包括信息的獲取、處理及基于分析結果的建議和實施。目前應用廣泛的信息化、大數(shù)據(jù)分析技術，有互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、實時數(shù)據(jù)傳輸、大計算容量、遠程控制診斷等。這些先進技術的應用在保證船舶安全、高效、環(huán)保的運營等方面發(fā)揮著重要作用[1]。智能化船舶是一種會“思考”的船舶，通過安裝傳感器感知自身和外界環(huán)境大量的信息(如機器數(shù)據(jù)、油耗、風速、風向等)。采集的數(shù)據(jù)作為輸入信息，并基于數(shù)學模型，利用高效的計算機處理系統(tǒng)進行綜合評估分析，得到可靠的結果，給出最合適的決策建議，指導船員進行操作和管理推進導航等系統(tǒng)。此外，智能船舶還具有一定的“學習性”，即隨著收集數(shù)據(jù)的增加，不斷更新優(yōu)化數(shù)學模型以及模型內的參數(shù)，提高分析結果的準確性，給出更合理的建議，從而增強系統(tǒng)功能。

智能船舶能夠解決傳統(tǒng)船舶的弊端，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)后可以自動化監(jiān)測船舶航行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)(航速、航向、方位等)、機器設備的參數(shù)、燃油消耗等數(shù)據(jù)。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)有助于及早發(fā)現(xiàn)異常情況，采取措施保證營運安全。這些數(shù)據(jù)也可以提供給設計單位，作為后續(xù)船型改善的依據(jù)。以集裝箱船的型線優(yōu)化為例，通常將平浮時的設計吃水作為速度優(yōu)化的基礎，即設計吃水下阻力最小。但目前集裝箱調運時受市場以及港口貨物信息與船隊信息溝通因素的影響，集裝箱船大部分時間不是在設計吃水下進行航行的。如果這種情況長時間存在，設計單位通過采集吃水、縱傾數(shù)據(jù)，得到常用的吃水和縱傾，然后在此基礎上結合航線特點優(yōu)化船體型線和設計螺旋槳，為客戶提供個性化、更經(jīng)濟環(huán)保的船舶。

智能船舶不僅自身智能，還可通過網(wǎng)絡將船舶聯(lián)起來，以大數(shù)據(jù)為中心，實現(xiàn)船岸一體化、船船互聯(lián)、船貨互聯(lián)。利用物聯(lián)網(wǎng)的傳感、定位、標識、跟蹤、導航等多種手段，實現(xiàn)航運的精細化管理，并向信息化、網(wǎng)絡化、綠色化、智能化趨勢發(fā)展[2]。如船舶通信技術船域網(wǎng)(SAN)，航運公司利用該軟件不僅能夠對主機等設備的狀態(tài)進行綜合管理，還可以在岸上對船舶進行實時遠程監(jiān)控和軟件升級等，減少了航運管理的責任。

2 智能船舶功能

目前，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等技術已不同程度地應用于船舶節(jié)能航行、船體管理、機艙設備監(jiān)控、能效管理、貨物管理等方面[3]，為船舶提供安全、環(huán)保和能效優(yōu)化建議。智能船舶正在朝船岸信息無縫對接方向發(fā)展，實現(xiàn)以自主航行、自動避碰、自動靠泊為特征的無人駕駛和港口自動化裝卸與物流。船舶配備航行狀態(tài)能效監(jiān)控、船體應力監(jiān)測等智能化設備，需要安裝大量配套的傳感器，相關的設備系統(tǒng)也要進行升級改造。系統(tǒng)、人機交互、軟件、網(wǎng)絡與通信、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡安全六個方面的風險，給智能船舶的設計帶來挑戰(zhàn)。

2.1 智能航行

在智能航行方面，駕駛室進行合理的功能分區(qū)和配置，按照功能劃分為航行和操縱工作站、監(jiān)測工作站、操舵工作站、靠泊工作站、航路規(guī)劃工作站、安全工作站、通信工作站和指揮工作站。海上導航系統(tǒng)：具備航行狀態(tài)和風速風向監(jiān)控、航線規(guī)劃、航路導航等多種功能。機艙監(jiān)測和遙控系統(tǒng)：船員根據(jù)系統(tǒng)顯示的信息判斷機艙設備的運行狀態(tài)。根據(jù)不同功能的工作站，將具備導航、操舵、避碰、航行控制、通信、監(jiān)測和報警等眾多功能的設備集成在一起，駕駛室僅需很少的船員就可完成各種監(jiān)控和操作，提高了船員操作和管理效率，保證了船舶和人員的安全[4]。

隨著大數(shù)據(jù)分析、通訊技術發(fā)展，在分析處理傳感器采集的大量外界和自身信息基礎上，對營運航路的優(yōu)化選擇和航速自動優(yōu)化已成為可能。MARORKA、FURUNO和JRC等公司相繼開發(fā)了能源監(jiān)控設備，可以基于氣象、經(jīng)濟性和物流信息，制定和優(yōu)選航路。設備系統(tǒng)能夠根據(jù)船舶性能、特定的航行工況、吃水和到港計劃，接收岸基支持中心反饋的風、浪、流、涌等信息，根據(jù)船舶能耗最低的原則，制定航路、航速。由于海洋環(huán)境惡劣多變，該系統(tǒng)還能在整個航次計劃中，根據(jù)氣象海況環(huán)境不斷優(yōu)化航路、航速。隨著科技的發(fā)展，在岸基支持中心的協(xié)助下，可以預計未來船舶在海上能夠自動避碰、自主航行，從開闊水域到狹窄水道，逐步提高復雜海洋環(huán)境下的自動避碰技術，實現(xiàn)真正意義上的無人駕駛[5]。

2.2 智能船體

智能船體包括兩方面，一是在設計、建造和營運階段建立船體數(shù)據(jù)庫，在船體結構安全和進塢修理維護等方面提供更加合理的建議；二是航行中收集監(jiān)測船體相關的數(shù)據(jù)，提出船舶操縱中的輔助決策。

全生命周期管理的船體數(shù)據(jù)庫包括船體結構模型、結構強度分析模型、船體性能計算模型。數(shù)據(jù)庫的建立是將船體設計、建造和營運各階段的數(shù)據(jù)以標準化的電子數(shù)據(jù)形式存儲和傳輸，并及時維護與更新。同時，采用數(shù)字傳輸技術，集成船體監(jiān)測和船體結構檢查保養(yǎng)數(shù)據(jù)，實時掌握船體結構狀況，預測結構腐蝕等損壞趨勢，預先制定維修計劃，從而降低結構維護成本，延長結構使用壽命。

船體數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測是通過船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)實現(xiàn)的。它能夠對船體結構應力、運動狀態(tài)、裝載以及海況、航向、航速等數(shù)據(jù)進行采集、存儲、分析、顯示，當這些數(shù)據(jù)的變化超過預設臨界值時，發(fā)出警告，并提供指導船舶航行操作，如改變航向、航速及浮態(tài)的決策。Strainstall 海洋科技公司開發(fā)了StrassAlert 船體應力監(jiān)測系統(tǒng)(HSMS)，可以實時監(jiān)測船體結構的完整性及預測船體狀況和趨勢，從而降低產(chǎn)生高應力的概率，提高船舶安全性，同時節(jié)約燃料和方便航行管理。特別是在航行狀態(tài)下或者貨物裝卸作業(yè)中對船舶應力狀態(tài)進行監(jiān)測，并提醒船長改變航線和航速，以便降低船體應力。當船體局部出現(xiàn)微裂紋時，能及早發(fā)現(xiàn)和采取措施。

2.3 智能機艙

智能機艙是在機艙自動化基礎上，應用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)獲取信息和數(shù)據(jù)，分析機艙內主機、輔機等船用設備和軸系結構的運行狀況，提出設備操作方面的決策和維護建議。目前機艙內主要動力設備已經(jīng)實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測的功能，比如機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)，具有實時在線監(jiān)測機艙各主要動力設備運行狀態(tài)并生成報警信息的功能。在集控室內的監(jiān)視屏可以集中顯示設備的運行狀態(tài)、參數(shù)以及故障報警狀態(tài)，以便船員全面了解所有設備的運行狀態(tài)和參數(shù)。

業(yè)界進一步的研發(fā)方向為船用主機等設備的故障診斷與性能優(yōu)化。在故障的診斷與分析方面，考慮以大數(shù)據(jù)為基礎，多角度多因素進行綜合分析。目前應用范圍較廣的故障診斷技術有性能參數(shù)分析法，它首先利用傳感器、儀器獲取設備的性能參數(shù)，比如轉速、溫度、氣壓、油壓、力矩等；然后對采集到的信息進行比較、分析，依此判斷船用設備的工作情況及其故障趨勢。相比傳統(tǒng)故障分析方法，運用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠篩選出測試對象的相關信息進行分析，提醒船員發(fā)生故障或性能劣化的部位，產(chǎn)生故障的原因以及故障部位的發(fā)展趨勢等。以往航運公司根據(jù)經(jīng)驗制定一套周期固定的設備維修保養(yǎng)計劃。狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得設備維修保養(yǎng)計劃更為合理。視情維護系統(tǒng)根據(jù)故障診斷與健康評估結果，制定機艙設備及部件的詳細維護計劃。

2.4 智能能效管理

智能能效管理是通過在船上安裝能效監(jiān)控與管理設備實現(xiàn)的。能效監(jiān)控系統(tǒng)構架如圖1所示。能效監(jiān)控系統(tǒng)構架包括數(shù)據(jù)采集單元和處理系統(tǒng)。能效監(jiān)控與管理設備能夠實時采集航行狀態(tài)、設備的耗能狀況等數(shù)據(jù)，在此基礎上評估船舶的能效狀況、航行及裝載狀態(tài)。更深層次地，采用大數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化分析技術，為船舶提供數(shù)據(jù)評估的結果以及操縱方面的建議。例如航行中給出最優(yōu)航速的建議，使船舶能耗最低；裝載計算機能夠給出最佳的裝載方案，保證船舶的縱傾最優(yōu)，船舶阻力和油耗較低。冰島的Marorka能效監(jiān)控與管理系統(tǒng)能夠監(jiān)控機器和船舶的性能參數(shù)，定期查看船舶的能效狀況，優(yōu)化船舶的縱傾，減少船舶阻力和能耗。同時可以依據(jù)船舶航行數(shù)據(jù)，結合航次計劃、航線特點、船舶效率、燃料消耗評估及航行成本核算分析等結果，形成航速優(yōu)化方案。航速優(yōu)化、縱傾優(yōu)化的精確度取決于數(shù)學模型中使用的速度功率曲線。隨著運營時間延長，船體和螺旋槳表面的污底增加并降低推進效率，速度功率曲線也會隨之改變。能源監(jiān)控系統(tǒng)采集船速、功率等數(shù)據(jù)，應用大數(shù)據(jù)分析技術，模擬得到更新后的速度功率曲線，保證航速優(yōu)化和縱傾優(yōu)化預報的精度。NAPA公司也開發(fā)了航線優(yōu)化和縱傾優(yōu)化模塊，根據(jù)更新的風、波浪、海流情況，規(guī)劃最優(yōu)的航線，基于油耗最低給出不同路段之間的最優(yōu)航速，指導船員調整航行計劃。此外，NAPA縱傾優(yōu)化模塊與裝載計算機系統(tǒng)集成，可以基于縱傾優(yōu)化的結果，給出實現(xiàn)最優(yōu)縱傾的裝載方案，船員根據(jù)裝載方案進行貨物和壓載水的裝載。

2.5 智能貨物管理

智能貨物管理是通過在貨艙或者貨物保護系統(tǒng)內安裝傳感器等設備，采集貨物、貨艙和貨物保護系統(tǒng)的參數(shù)實現(xiàn)的。運用自動控制技術和大數(shù)據(jù)技術分析處理采集的參數(shù)，達到對貨艙、貨物等實時監(jiān)測，如某些參數(shù)超過臨界值給出報警提醒、操作建議。同時，根據(jù)采集的船體浮態(tài)、強度數(shù)據(jù)對貨物的裝載配置進行優(yōu)化。如設計裝載冷藏箱的集裝箱船時配備特殊的冷藏箱監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)控冷藏貨物的狀態(tài)。其原理是在冷藏箱內布置傳感器，收集冷藏箱的參數(shù)，把數(shù)據(jù)通過冷藏箱集中控制器上傳到船用電腦，并由船用電腦發(fā)送到集裝箱信息中心的碼頭管理系統(tǒng)。船員和碼頭管理人員能夠直觀了解冷藏箱的堆存狀況和冷藏箱的運行狀態(tài)。液化天燃氣(LNG)運輸船安裝有壓力監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測貨艙的溫度和壓力，以減少液化天然氣氣化。油船在泵房、壓載艙及空艙等處所安裝氣體探測系統(tǒng)，用于檢測碳氫、硫化氫等可燃性氣體是否超標。對于車輛、鋼卷、大型設備以及集裝箱等貨物移動的監(jiān)測，可以通過無線傳感器來計算貨物具體行為并判斷貨物的移動。貨物配載優(yōu)化和自動裝卸是較為復雜的問題，不僅需要考慮浮態(tài)、穩(wěn)性和強度，還要考慮裝卸貨順序速度、裝卸時間、貨物特性等，因此實現(xiàn)起來仍有一定難度。

圖1 能效監(jiān)控系統(tǒng)構架

3 智能船舶研發(fā)

南通中遠海運川崎船舶工程有限公司在智能船舶領域開展了探索工作。在經(jīng)過市場調研、船東意見征詢后，自主開發(fā)了智能船舶能效管理系統(tǒng)，并于2017年9月安裝在13 000標準箱集裝箱船上。該系統(tǒng)具備縱傾優(yōu)化、燃油管理、報告管理、遠程監(jiān)控、性能分析、污底分析等功能。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術通過衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡，將船舶運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨抖藬?shù)據(jù)中心，并對數(shù)據(jù)進行分析。系統(tǒng)裝船后，將為大型集裝箱船的節(jié)約燃油和操作維護提供支持，推動船舶更高效、更安全、更可靠的運營管理。系統(tǒng)經(jīng)過半年的運行，取得了預期的效果。

將來根據(jù)客戶要求，逐步拓展更多領域的智能管理，擴充智能符號的內涵。同時智能船舶能效系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)將為船型優(yōu)化、新船設備選型及系統(tǒng)優(yōu)化升級提供有力的支持，從而提升產(chǎn)品的性能和競爭力。

4 船舶全生命周期服務

過去在船舶交付之后，船東、船廠之間的聯(lián)系相對較少，未來船廠與船東需要加強聯(lián)系緊密合作，不僅需要制造“會思考”的智能船舶，還要構建自己的岸基數(shù)據(jù)中心。通過岸基數(shù)據(jù)中心，收集從船舶設計、總裝建造、船東運營到船舶保障這一船舶全生命周期內的數(shù)據(jù)，并提供維護、保養(yǎng)、升級、改造等信息和技術方面的支持，使為船東的服務擴展至船舶的全生命周期。船舶安裝的監(jiān)控系統(tǒng)，實時地將航行狀態(tài)、設備運行狀態(tài)等關聯(lián)信息傳輸至岸基中心，另一方面岸基中心接收氣象監(jiān)測中心傳輸?shù)暮Ｑ蟓h(huán)境信息，融合航運市場、運營信息，構建船廠、船東共同需要的大數(shù)據(jù)環(huán)境。建立大數(shù)據(jù)分析的流程體系，為單船航行進行數(shù)據(jù)建模，分析處理并提供決策建議。然后將數(shù)據(jù)分析流程應用于船隊航行，最終形成集群空間，探索普適性規(guī)律，預測個體的活動。大數(shù)據(jù)基礎上的船舶“工業(yè)4.0”，它以智能船舶為核心，對于設計單位、船廠和船東都是一場巨大的變革，三方的聯(lián)系更為緊密，合作的模式也將發(fā)生變化。近年來，基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術，智慧航運將改變傳統(tǒng)航運企業(yè)的決策方式和運營模式。智能船舶不僅決定著未來船舶行業(yè)的發(fā)展方向，也是實現(xiàn)智慧航運的重要基礎。

5 結語

本文探討了智能船舶的技術在節(jié)能航行、船體全生命周期管理、機艙設備監(jiān)控評估、全船能效管理、貨物管理等方面的應用，未來的目標是自主航行并逐步實現(xiàn)無人駕駛。為了順應船舶智能化的發(fā)展趨勢，船廠不僅需要制造智能船舶，還要建立岸基數(shù)據(jù)中心以及智能信息服務體系，最終為客戶決策提供技術支持，同時為船東的服務擴展至船舶的全生命周期。

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