萬千寵愛智能船

丁寶喜

智能船因為其經(jīng)濟成本更低、航行更安全、航運更綠色而成為了其迅猛發(fā)展的驅動力。

據(jù)統(tǒng)計，全球貿(mào)易90%的貨物運輸都是由遠洋船舶完成的，國際航運對世界經(jīng)濟的作用顯而易見。隨著科技的進步，現(xiàn)在船舶大型化、智能化成為一種不可逆轉的趨勢。同時，隨著人類對海洋的進一步探索，航海教育突破了先前的局限性，復合型海員的隊伍越來越龐大。在船舶和船員都越來越好的大背景下，無人船的發(fā)展為何能引起航運界的廣泛關注？其迅猛發(fā)展背后的驅動力究竟是什么？

經(jīng)濟成本更低

盈利，是航運追求的最終目的。在這一目標的導引下，航運界的歷次革新和改變都有跡可循。4E級別集裝箱船舶的飛速發(fā)展，超大型油輪和散貨船的出現(xiàn)，以及經(jīng)濟航速的提出，都是特定時期下利潤最大化引導航運界帶來的改變。如今，海上自主水面船引爆航運界的革命，背后也是“盈利”這一航運終極目標的驅動。

從廣義上講，航運公司的人力成本包括船員成本和岸基管理人員的成本。從狹義上講，航運公司的人力成本。船員成本，包括工資、加班費、休假、撫恤、差旅、社會福利和事故保險等費用。同時，為了保持船舶的正常運行，除了在船船員勞力成本，還需要兩到三倍待換班船員隨時保持待命，這些待命船員的工資和福利待遇對航運公司來說，也是一筆不小的開銷。在過去幾十年里，隨著國際勞工組織和國際運輸委員會對海員權益保護的日益關注，人力成本在航運公司各項成本中比其他各項成本增加的都要快。來自世界海事大學的航運經(jīng)濟專家馬碩教授指出：“對于許多航運公司來說，人力成本支出是在所有成本中支出最高的”。來自德路里 2007年報的數(shù)據(jù)顯示，2001年至2005年期間，散貨船、集裝箱船和超級油輪的人力成本支出在船舶日均運營成本中可達34%～50%。因此，減少人力成本可以為航運公司帶來巨大的經(jīng)濟效益。海上自主水面船的終極目標，是要實現(xiàn)船舶上無船員配備、智能駕駛。跟傳統(tǒng)船舶相比，在節(jié)省人力成本支出方面，具有很大的優(yōu)勢。

表1 無人集裝箱船和雜貨船的燃油消耗節(jié)省對比

根據(jù)《2006國際勞工公約》的強制要求，船舶必須為船員配備滿足舒適性要求的居住艙室和娛樂場所，這一要求，導致船員的人均艙室面積增加；而隔音隔熱等要求導致的艙壁建造材料變重、空船重量增加。隨著技術的發(fā)展，完全自主化的水面船最終會出現(xiàn)。完全自主海上水面船，與傳統(tǒng)的船舶相比，集成各種的先進技術，并由此帶來全新的船舶設計，具體如下：

1、無生活區(qū)及附屬的消防、救生設施；

2、駕室變小，并集成先進的傳感器和深海導航系統(tǒng)；

3、機艙雙主機或者多主機布置，或者以石墨烯電池技術為代表的電池推進改變傳統(tǒng)的推進形式。

駕駛室和生活區(qū)的消失，使得生活污水處理系統(tǒng)、廚房、家具、倉庫、通風設施、救生艇筏等設備和屬具免除配備，從而使得船舶的貨物處所能更大，船舶單航次運力得到增加。節(jié)省的生活區(qū)建造費用，免除的生活污水處理系統(tǒng)及救生設備的初裝和維護費用以及裝貨處所增加所帶來的運力增加的紅利，綜合起來，效益極其可觀。盡管，各種先進系統(tǒng)的集成，增加了海上自主水面船建造費用。但不足于抵消上述經(jīng)濟效益。據(jù)報道，“YARA Birkeland”建造成本達到了2500萬美元，大約是同尺寸普通船舶的三倍。但是，由于純電力和無船員的設計，通過節(jié)省燃料費用和配員費用，“YARA Birkeland”每年可節(jié)省多達90%的運營成本。

另外，燃料費用支出是船舶運行航次成本里最大的一項。根據(jù)不同時期的油價和航次，燃料支出能占到航次成本里的40%～60%。完全自主化的海上自主水面船在減輕空船重量方面有很大優(yōu)勢?？沾亓繙p輕，燃油消耗量也相應下降。根據(jù)美國船級社（ABS）的能效管理指導手冊，每立方米的駕駛室相當于70KG的空船重量，減輕1%的空船鋼材重量，可以減少0．34%的燃油消耗。以集裝箱船和雜貨船為例，假設船上沒有配備船員，相應的計算結果詳見表1。對集裝箱船來說，駕駛室的消除使得船舶可以每天節(jié)省0．83噸燃油，相當于375美元；對雜貨船來說，每天能節(jié)省0．063噸的燃油，相當于節(jié)省27美元/天。

根據(jù)中國船級社《智能船舶規(guī)范》，海上自主水面船具有智能航行和智能能效管理的功能。得益于計算機技術、控制技術對感知獲得的信息進行分析和處理的能力，自主航行船舶可以對航路和航速進行優(yōu)化設計。而關于提高能效管理方面，自主航行船舶通過對船舶航行狀態(tài)、耗能狀況的在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)自動采集，對船舶能效狀況、航行及裝載狀態(tài)進行評估，并通過大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值分析及優(yōu)化技術，為船舶提供數(shù)據(jù)分析結果和輔助決策建議以提高船舶能效管理水平，進而可以降低船舶燃油消耗成本。以“大智”輪的試航結果表明，智能系統(tǒng)均滿足技術設計要求，所有性能指標達到或優(yōu)于預期。該船采用了高性能三葉槳和全球首臺滿足英國勞氏船級社和中國船級社智能船舶規(guī)范的“智能應用機”WinGD W5X52，快速性表現(xiàn)良好，低油耗特點非常突出，實際海試測得服務航速下油耗低至17．67噸/天，相比母型船Green Dolphin 38800噸散貨船降低約3．6%。

表2 2011～2016航運傷亡數(shù)據(jù)

航行更安全

安全，是航運亙古不變的話題。航運安全，包括船舶安全、人員安全和環(huán)境安全。雖然，與其他行業(yè)相比，海運具有較好的安全記錄。但是，海運界發(fā)生的大事故，往往都是災難性的。1912年的“泰坦尼克”號事件，造成超過1500人喪生，促使了SOLAS公約的制定；1967年的“托利-堪庸”輪溢油事故，導致12萬噸原油泄漏，造成英國南海岸、法國北海岸和荷蘭西海岸大面積污染；2018年1月發(fā)生在中國東海的“桑吉”輪事故，造成32名伊朗船員死亡。

隨著科技的進步，船上設備越來越先進和可靠。但作為航運重要因素的人，其可靠性卻未得到同比例提高。人為因素，世界海事大學人為因素研究專家保姆樂教授指出，60%～90%的海上事故由人為失誤造成。表2為來自歐洲海事局的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示在2011～2016年發(fā)生的1170件事故當中，有60．5%是由人為失誤造成的。

以2018年1月發(fā)生在中國東海的“桑吉”輪事故為例，根據(jù)聯(lián)合調(diào)查組公布的調(diào)查報告，“兩船未按照《1972年國際海上避碰規(guī)則》第五條要求保持正規(guī)瞭望，且均未按照避碰規(guī)則第七條要求就碰撞危險做出正確的判斷”是導致此次悲劇的原因。很顯然，這是一起由人為因素導致的特大事故。

顯然，在未來航運中，盡可能消除人為因素在整個海運環(huán)節(jié)中的比重，是提高航運安全性的重要途徑。通過歐盟MUNIN項目驗證結果，未來的海上自主水面船，在技術成熟可靠的前提下，通過配備先進傳感器模塊、深海自主導航系統(tǒng)遠程支持系統(tǒng)、機艙智能檢測和控制系統(tǒng)，消除或盡量降低人為失誤的發(fā)生頻率，最大限度的降低人為因素對航運安全的影響。

同時，海上事故也經(jīng)常伴隨著人員傷亡。來自英國研究機構的數(shù)據(jù)顯示，1976～2002年期間，海員的工傷事故率是其他行業(yè)的28倍之多。同樣，表2摘自歐洲海事局2017的年度報告，數(shù)據(jù)顯示，2011～2016年期間，總計有18655起事件報告，其中有16539起事故報告，5607人次受傷，600人死亡。

在上述人員傷亡數(shù)據(jù)中，海員傷亡占了4380人次，占比高達78%。居高不下的工傷事故率和不可預知的海盜風險，使得海員成為一種高風險的職業(yè)。隨著海上自主水面船的出現(xiàn)，會逐步降低在船海員的數(shù)量，直至高科技智能機器人完全替代海員從事這份高危行業(yè)。

根據(jù)中國船級社發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》，海上自主水面船，配備船體監(jiān)測系統(tǒng)和航行輔助決策系統(tǒng)。船體監(jiān)測系統(tǒng)對涉及船體結構安全的重要參數(shù)以及相關海洋環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。這些參數(shù)包括但不限于船體結構總縱強度、諸如大型集裝箱船貨艙口角隅等關鍵結構區(qū)域、船舶運動、船舶運動加速度、首部砰擊、海況數(shù)據(jù)和船舶航行參數(shù)等數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)輔助決策功能，不同的船型需要安裝足夠數(shù)量的不同類型的傳感器。當相應參數(shù)超出報警值，輔助決策系統(tǒng)應該能提供相應操作的輔助決策。例如，在港裝卸貨物過程中，當船體結構應力發(fā)生報警時，系統(tǒng)應能夠給出是否繼續(xù)裝卸貨、調(diào)整裝卸貨艙及卸貨速度等操作指導。船體監(jiān)測系統(tǒng)和航行輔助決策系統(tǒng)的配備，可以使自主水面船探知潛在的各種風險，從而提高航行的安全性。

表3 IMO第三次溫室氣體研究報告數(shù)據(jù)

IMO第三次溫室氣體排放研究-CO2e排放

航運更綠色

據(jù)有關資料統(tǒng)計，當前世界貿(mào)易海運量的97%由排水量超過9億噸的8萬艘船舶承擔，能耗約占世界總能耗的3%，造成的污染占全球污染的3%～7%。船舶航運對環(huán)境的污染主要有冷卻水的污染、壓載水的污染、生活和衛(wèi)生用水的污染、船舶垃圾的污染和船舶廢氣的污染。以溫室氣體為例，根據(jù)IMO第三次溫室氣體研究報告提供的數(shù)據(jù)（表3），2007～2012期間，航運板塊年平均分別貢獻了3．1%的CO2和2．8%的溫室氣體排放。

盡管在IMO及各方的努力下，國際航運業(yè)通過引進能效管理指數(shù)和能效管理計劃，以及清潔替代能源的使用，CO2排放下降了超過10%。但是，在替代能源出現(xiàn)之前，大幅度降低航運板塊CO2的比例會變得越來越困難。而海上自主水面船的出現(xiàn)，成為綠色航運的新希望。

首先，海上自主水面船集合綠色船舶技術。通過綜合分析正在建造或者測試的海上自主水面船，我們看到，無壓載水技術、全電力或者電池推進技術和減阻設計等綠色船舶技術集合體現(xiàn)在海上自主水面船上。具體仍以挪威在建項目“Yara Birkeland”號為例，通過無壓載水設計，減少壓載水中外來物種的入侵對全球性的海洋健康造成的巨大傷害；通過使用全電力推進，節(jié)省了燃油，減少了碳氧化物和氮氧化物的排放；通過全新船體設計，減輕船舶阻力和空船質量，降低燃油消耗，提高能效管理指數(shù)。據(jù)報道，“Yara Birkeland”號在其整個生命周期內(nèi)將不燃燒化石燃料，而是在裝卸過程中使用挪威清潔水力發(fā)電的能量進行充電，其可以每年減少700噸的二氧化碳排放。

同時，海上自主水面船的出現(xiàn)，使船體結構和船載設備發(fā)生了巨大變化。與傳統(tǒng)船舶相比，未來海上自主水面船在提升能效管理方面，有很大提升空間。來自摩洛哥卡薩布蘭卡大學的Abdelmoula教授團隊，通過詳細的采樣和計算，給出了如表4的詳細數(shù)據(jù)。

表4 船載設備功率及潛在溫室氣體減排收益

通過數(shù)據(jù)可知，單從設備減少方面來分析，海上自主水面船在節(jié)能減排方面效果明顯。如果再集合先進技術帶來的節(jié)能減排效益，海上自主水面船作為綠色航運的新希望，值得期待。