船舶智能化系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)向的研究

摘要：隨著航運(yùn)技術(shù)發(fā)展，船舶信息化程度逐漸增強(qiáng)，對(duì)船員的能力要求也越來越高。目前，對(duì)船舶運(yùn)行狀態(tài)的判斷還是以船員的經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)為主，如果決策失誤，勢(shì)必對(duì)船舶造成損失。針對(duì)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(shí)現(xiàn)智能化感知、分析、判斷、決策和控制，最終達(dá)到降低人為因素導(dǎo)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(jìn)，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(shì)。

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(yùn)技術(shù)的發(fā)展，船舶信息化程度逐漸增強(qiáng)，船舶的操作越來越復(fù)雜，對(duì)船員的能力要求也越來越高。目前，對(duì)船舶運(yùn)行狀態(tài)的判斷還是以船員的經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)為主，如果決策失誤，勢(shì)必對(duì)船舶造成損失。面對(duì)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(cè)、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化感知、分析、判斷、決策和控制，最終達(dá)到降低人為因素導(dǎo)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(jìn)行融合，然后通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而做出最優(yōu)決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的智能控制。智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)包括趨勢(shì)預(yù)測(cè)和故障診斷等。趨勢(shì)預(yù)測(cè)技術(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行的可能趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)，根據(jù)變化趨勢(shì)控制船舶系統(tǒng)，保證穩(wěn)定安全運(yùn)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?，即通過電子信息手段，在船上和岸上收集、綜合和顯示海事信息，實(shí)現(xiàn)船-船、船-岸和岸-岸之間信息的相互溝通，以達(dá)到船舶安全、經(jīng)濟(jì)航行和環(huán)境保護(hù)的最終目標(biāo)。這可以算是智能船舶的概念的起源。

國外對(duì)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(shí)現(xiàn)船舶智能化運(yùn)行的船舶，另外還有“AutonomousShip”，“Robotic Ship”，“Unmanned Ship”等表述，是指可實(shí)現(xiàn)自主航行的自動(dòng)化船舶或無人船舶。

限于當(dāng)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(shí)現(xiàn)，但歐洲對(duì)于無人自主船舶技術(shù)的研究和概念設(shè)計(jì)仍在持續(xù)進(jìn)行。

中國船級(jí)社于2015年發(fā)布，2016年3月生效的《智能船舶規(guī)范》對(duì)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(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫鎸?shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的船舶，以使船舶更加安全、更加環(huán)保、更加經(jīng)濟(jì)和更加可靠。

智能船舶可分為四個(gè)發(fā)展階段：第一階段的智能船舶僅限于船用設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析；第二階段的智能船舶利用云計(jì)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(shí)提供安全、環(huán)保和能效優(yōu)化建議，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化航行；第三階段的智能船舶在船舶數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，加入港口物流信息，實(shí)現(xiàn)船岸信息間的無縫連接，實(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)現(xiàn)全自主化無人駕駛和港口自動(dòng)化裝卸與物流。當(dāng)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(yīng)用于船舶節(jié)能航行、船體管理、機(jī)艙設(shè)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(duì)接方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)以自主航行、自動(dòng)避碰、自動(dòng)靠泊為特征的無人駕駛和港口自動(dòng)化裝卸與物流。船舶配備航行狀態(tài)能效監(jiān)控、船體應(yīng)力監(jiān)測(cè)等智能化設(shè)備，需要安裝大量配套的傳感器，相關(guān)的設(shè)備系統(tǒng)也要進(jìn)行升級(jí)改造。系統(tǒng)、人機(jī)交互、軟件、網(wǎng)絡(luò)與通信、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全六個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)，給智能船舶的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

1.智能航行

在智能航行方面，駕駛室進(jìn)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(cè)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(dǎo)航系統(tǒng)： 具備航行狀態(tài)和風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)控、航線規(guī)劃、航路導(dǎo)航等多種功能。機(jī)艙監(jiān)測(cè)和遙控系統(tǒng)： 船員根據(jù)系統(tǒng)顯示的信息判斷機(jī)艙設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)不同功能的工作站，將具備導(dǎo)航、操舵、避碰、航行控制、通信、監(jiān)測(cè)和報(bào)警等眾多功能的設(shè)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(chǔ)上，對(duì)營運(yùn)航路的優(yōu)化選擇和航速自動(dòng)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(shè)備，可以基于氣象、經(jīng)濟(jì)性和物流信息，制定和優(yōu)選航路。設(shè)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(jì)劃，接收岸基支持中心反饋的風(fēng)、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(gè)航次計(jì)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(yù)計(jì)未來船舶在海上能夠自動(dòng)避碰、自主航行，從開闊水域到狹窄水道，逐步提高復(fù)雜海洋環(huán)境下的自動(dòng)避碰技術(shù)，實(shí)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(shè)計(jì)、建造和營運(yùn)階段建立船體數(shù)據(jù)庫，在船體結(jié)構(gòu)安全和進(jìn)塢修理維護(hù)等方面提供更加合理的建議； 二是航行中收集監(jiān)測(cè)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(qiáng)度分析模型、船體性能計(jì)算模型。數(shù)據(jù)庫的建立是將船體設(shè)計(jì)、建造和營運(yùn)各階段的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)化的電子數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)和傳輸，并及時(shí)維護(hù)與更新。

智能船舶研發(fā)

南通中遠(yuǎn)海運(yùn)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(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船上。該系統(tǒng)具備縱傾優(yōu)化、燃油管理、報(bào)告管理、遠(yuǎn)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(luò)，將船舶運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨抖藬?shù)據(jù)中心，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(hù)提供支持，推動(dòng)船舶更高效、更安全、更可靠的運(yùn)營管理。系統(tǒng)經(jīng)過半年的運(yùn)行，取得了預(yù)期的效果。