船舶智能化系統(tǒng)發(fā)展動向的研究

摘要：隨著航運技術(shù)發(fā)展，船舶信息化程度逐漸增強，對船員的能力要求也越來越高。目前，對船舶運行狀態(tài)的判斷還是以船員的經(jīng)驗和理論知識為主，如果決策失誤，勢必對船舶造成損失。針對這一情況，提出基于智能信息處理的智能船舶。智能船舶利用信息化技術(shù)，實現(xiàn)智能化感知、分析、判斷、決策和控制，最終達到降低人為因素導致的事故，保證船舶安全航行的目的。本文概述智能船舶的由來和演進，綜述國內(nèi)外智能船舶的發(fā)展現(xiàn)狀及智能船廠的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)智能船舶相關(guān)配套技術(shù)，展望智能船舶的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：智能船舶；船舶智能化；大數(shù)據(jù)；e航海

隨著航運技術(shù)的發(fā)展，船舶信息化程度逐漸增強，船舶的操作越來越復雜，對船員的能力要求也越來越高。目前，對船舶運行狀態(tài)的判斷還是以船員的經(jīng)驗和理論知識為主，如果決策失誤，勢必對船舶造成損失。面對這一情況，提出了基于智能信息處理的智能船舶。

智能船舶就是利用信息化技術(shù)，比如傳感器、數(shù)字建模、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，實現(xiàn)智能化感知、分析、判斷、決策和控制，最終達到降低人為因素導致的事故，保證船舶安全航行的目的 。智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)就是能夠在大量的信息中，將數(shù)據(jù)進行融合，然后通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行評估，進而做出最優(yōu)決策，實現(xiàn)對船舶的智能控制。智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)包括趨勢預測和故障診斷等。趨勢預測技術(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)運行的可能趨勢進行預報，根據(jù)變化趨勢控制船舶系統(tǒng)，保證穩(wěn)定安全運行。

智能船舶的概念

2006年，國際海事組織（IMO）提出e-Navigation（e航海，或稱“電子航?！保└拍睿赐ㄟ^電子信息手段，在船上和岸上收集、綜合和顯示海事信息，實現(xiàn)船-船、船-岸和岸-岸之間信息的相互溝通，以達到船舶安全、經(jīng)濟航行和環(huán)境保護的最終目標。這可以算是智能船舶的概念的起源。

國外對于智能船舶，有“Intelligent Ship”“Connected Ship”，“Smart Ship”，“Smart Connected Ship”幾種表述，主要是指利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段實現(xiàn)船舶智能化運行的船舶，另外還有“AutonomousShip”，“Robotic Ship”，“Unmanned Ship”等表述，是指可實現(xiàn)自主航行的自動化船舶或無人船舶。

限于當前國際法規(guī)的限制，完全無人化船舶的服役在短期內(nèi)還無法實現(xiàn)，但歐洲對于無人自主船舶技術(shù)的研究和概念設計仍在持續(xù)進行。

中國船級社于2015年發(fā)布，2016年3月生效的《智能船舶規(guī)范》對智能船舶的定義為：智能船舶是指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，自動感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護保養(yǎng)、貨物運輸?shù)确矫鎸崿F(xiàn)智能化運行的船舶，以使船舶更加安全、更加環(huán)保、更加經(jīng)濟和更加可靠。

智能船舶可分為四個發(fā)展階段：第一階段的智能船舶僅限于船用設備狀態(tài)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析；第二階段的智能船舶利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，通過連接岸上中心為船舶定時提供安全、環(huán)保和能效優(yōu)化建議，實現(xiàn)半自動化航行；第三階段的智能船舶在船舶數(shù)據(jù)分析的基礎上，加入港口物流信息，實現(xiàn)船岸信息間的無縫連接，實時動態(tài)地完成航行、船期和港口操作等的優(yōu)化；第四階段的智能船舶將實現(xiàn)全自主化無人駕駛和港口自動化裝卸與物流。當前的智能船舶正處于由第一階段向第二階段的過渡階段。

智能船舶功能

目前，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)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(guān)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)。

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。

隨著大數(shù)據(jù)分析、通訊技術(shù)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(shù)，實現(xiàn)真正意義上的無人駕駛。

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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)模型、結(jié)構(gòu)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。

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(lǐng)域開展了探索工作。在經(jīng)過市場調(diào)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13000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(shù)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。