智能船舶創(chuàng)新發(fā)展思考

張繼光，高 陽，陶子健，陳 旺

（1. 中國船舶集團有限公司, 北京100097；2. 中船航?？萍加邢挢熑喂?，北京100070；3. 上海外高橋造船有限公司，上海200137；4.中船動力研究院有限公司，上海201206）

0 前 言

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術發(fā)展迅速，人類開啟以智能為標志的第四次工業(yè)革命，傳統(tǒng)裝備制造業(yè)正在發(fā)生深刻的變革，大型無人機、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、自動駕駛高鐵應勢而出，逐步走向商業(yè)應用；作為水上運輸?shù)妮d體，傳統(tǒng)船舶向智能船舶發(fā)展勢不可擋，并將重構未來航運及船舶工業(yè)體系，對全球航運整體經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性提升產(chǎn)生深遠影響。因此，智能船舶成為全球航運、船舶工業(yè)的技術創(chuàng)新焦點，終極目標是什么以及如何發(fā)展成為行業(yè)熱議話題。

1 智能船舶概念

智能船舶不僅是一艘船舶，其實質是一個智能的海洋運輸工具，由智能船舶支撐的未來航運將是智能的海洋運輸系統(tǒng)。 因此，要將智能船舶放在航運的背景下，從系統(tǒng)的角度去理解智能船舶。 航運涉及船舶營運、港口、海事監(jiān)管、船舶制造、船舶檢驗等多部門、多層次運行要素，以智能船舶為核心的智能航運必將發(fā)生重構，貨物自動裝卸、無人駕駛、自主避碰，自主停靠、自動通關、數(shù)字檢驗等新技術將不斷催生智能航運的新應用、新業(yè)態(tài)。 作為核心的智能船舶目前有狹義和廣義兩種概念提法。 狹義來講，從船本身出發(fā)，智能船舶是綜合運用感知、通信、控制、人工智能等先進信息技術，具備復雜環(huán)境下自身感知、智能決策、多等級自動控制，比傳統(tǒng)船舶更加安全、經(jīng)濟、環(huán)保、高效的新一代船舶。 廣義來講，智能船舶是以船舶為載體，以信息為紐帶，縱向貫穿船舶工業(yè)上下游，橫向連接行業(yè)生態(tài)價值鏈，形成設備、系統(tǒng)、平臺、體系、生態(tài)相融合的產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展新業(yè)態(tài)。 一般研究智能船舶聚焦狹義范疇討論，如果談到智能船舶催生的新模式，則從頂層體系工程角度考慮研究，支撐智能航運體系，兩者相輔相成，相互促進，相互發(fā)展。

2 智能船舶國內外發(fā)展現(xiàn)狀

韓國造船企業(yè)致力于研制自主航行船舶，建設營運服務體系。 韓國目標研制全船自動化程度達90%的LEVEL 4 級智能船舶，開發(fā)建立自航船舶試航中心、港內自航船舶遠程航行控制中心，形成智能船舶應用服務及制度，并計劃2024 年在1 700 TEU集裝箱船上實現(xiàn)實船應用（定員4 人不干預航行操作）。 日本企業(yè)機構重點研究船-岸、航運業(yè)數(shù)據(jù)的標準化， 日本企業(yè)通過智能船舶應用平臺研制項目（SSAP 1/SSAP 2），建立智能船舶數(shù)據(jù)中心，致力于制定ISO 標準，搶占先發(fā)優(yōu)勢。 歐盟研發(fā)以無人自主控制技術及遠程控制技術為核心的控制系統(tǒng)， 計劃2034 年前完成無人船的研制和自主航行的可行性驗證。 英國Rolls Royce 公司計劃分步實施智能船舶研制，2020 年實現(xiàn)船舶航行遠程支持和操作，2025 年實現(xiàn)近海航區(qū)船舶的遠程控制，2030 年實現(xiàn)遠海航區(qū)船舶的遠程控制，2035 年完成無人自主控制船舶研制。 挪威Kongsberg 公司通過無人自主控制系統(tǒng)研發(fā)， 計劃2018年下半年實現(xiàn)有人船操作，2019年實現(xiàn)遙控操作，2020 年實現(xiàn)完全自主操作并實施世界上第一艘全電推、零排放、自主航行的120 TEU無人集裝箱船“YARA BIRKELAND”號研發(fā)設計，2019年交付開始營運驗證。智能船舶法規(guī)方面，英國勞氏船級社、挪威船級社都形成了智能船舶入級指導文件，IMO也開展了有關海上自主水面船舶（MASS）立法工作。

國內，中國船舶企業(yè)以頂層規(guī)劃、總體設計為牽引，通過構建船舶基礎數(shù)據(jù)平臺，研制滿足功能需求的智能設備及系統(tǒng)，從而實現(xiàn)智能船舶體系化協(xié)同發(fā)展。2017年，中船集團率先研發(fā)推出了iDolphin 38 800 DWT智能散貨船“大智”號，獲得英國勞氏船級社和中國船級社智能船舶附加符號，該船已交付使用。 通過智能船舶1.0 研發(fā)專項，完成網(wǎng)絡信息平臺及5 項智能功能應用的研制、實現(xiàn)船岸一體的通信， 并在400 000 DWT 超大型礦砂船（VLOC）和308 000 DWT 超大型原油船（VLCC）兩型4 艘示范船上實現(xiàn)示范應用，建立了我國智能船舶“平臺+應用”模式；同時，上海船舶研究設計院在2019 年上海海事展推出了滿足L1 級（輔助決策） 的iSealion-D型、L3 級（有條件自主）的iSealion-C 型和滿足L5 級（完全自主）的iSealion-F 型的700 TEU 集裝箱船，其中，iSealion-F 型700 TEU 集裝箱船采用混合動力模式，具備自主航行、自主靠離泊、自主錨泊、自主系泊、自主貨物管理等能力， 能夠實現(xiàn)泊位-泊位的全自動航行，滿足船舶能效設計指數(shù)（EEDI） PhaseⅢ的要求，并可以通過集裝箱模塊拓展多種能源形式，進一步提升船舶的安全性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。 另外珠海云州公司實施了“筋斗云”無人貨物運輸船開發(fā)，并于2019 年12 月份正式開啟了自主航行船舶的探索和實踐。 法規(guī)方面， 中國船級社2015 年頒布全球首部《智能船舶規(guī)范》，并出臺了《船舶智能機艙檢驗指南》《船舶集成平臺檢驗指南》《船舶網(wǎng)絡系統(tǒng)要求及安全評估指南》等智能船舶檢驗文件。

綜上，在智能船舶研發(fā)領域，我國與國外都處于初級階段：在頂層規(guī)劃和總體設計方面，我國略有領先；在關鍵技術和智能設備及系統(tǒng)研發(fā)方面，我國仍與國外存在較大差距。 因此，我國繼續(xù)發(fā)揮頂層規(guī)劃和總體設計的牽引作用，全面提升智能系統(tǒng)及設備研發(fā)、標準體系建立、測試驗證等能力，實現(xiàn)智能船舶及產(chǎn)業(yè)鏈體系化協(xié)同發(fā)展十分必要。

3 智能船舶技術特征

智能船舶的發(fā)展必須滿足商業(yè)航運對于船舶安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性方面的根本要求，智能船舶也將通過船舶技術與智能技術相互的融合創(chuàng)新，重構常規(guī)船舶的技術體系，具備類似“耳朵、眼睛、大腦、四肢”等感知、決策、執(zhí)行能力，從而滿足智能航運對于智能船舶的跨代要求。 綜上，智能船舶歸納為“全面信息感知、高度自主航行、超級節(jié)能環(huán)保、絕對安全可靠、群體智能協(xié)同”等五大技術特征：

1） 全面信息感知：智能船舶具有全面感知自身信息和所處復雜環(huán)境的能力。

2） 高度自主航行：智能船舶在控制方式上逐步具備全工況自動駕駛、自動避碰、自動靠離泊能力。

3） 超級節(jié)能環(huán)保：智能船舶將是跨代的船舶產(chǎn)品，全壽期綜合運營成本降低20%以上，滿足未來的環(huán)保要求。

4） 絕對安全可靠：智能船舶能夠預防船舶安全故障和抵御信息威脅，具備保障船舶航行和信息安全的能力，例如人為故障率降低到1%。

5）群體智能協(xié)同：智能船舶作為海上個體節(jié)點，具備個體之間相互智能經(jīng)驗分享和借鑒，實現(xiàn)群體協(xié)同效能優(yōu)化提升的能力。

4 智能船舶發(fā)展路徑

發(fā)展智能船舶出現(xiàn)了兩種思路。 第一種是電子信息、人工智能研究機構為主體推動的船舶智能化，第二種是以傳統(tǒng)船舶設計制造企業(yè)提出的智能船舶。 前者針對常規(guī)船舶加裝信息感知、決策設備，從而實現(xiàn)船舶設備互通互聯(lián)、綜合能效管控、設備健康管理、輔助駕駛等功能，通過船舶信息化提升了船舶經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性；后者以船舶水動力線型創(chuàng)新、設備系統(tǒng)重構、信息流程再造及人工智能技術為手段開發(fā)新一代船舶，實現(xiàn)船舶安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性大幅提升。 兩種發(fā)展思路其實是智能船舶發(fā)展的兩條技術路線。 第一條技術路線為船舶智能化，主要打通船舶設備之間的信息孤島，建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡信息平臺實現(xiàn)全船設備信息互聯(lián)互通，同步增加傳感器，獲取船舶設備營運參數(shù)，在此基礎上，通過數(shù)據(jù)分析決策提升現(xiàn)有船舶運行效率和降低全壽期運營成本。 目前“大智”號、400 000 DWT 智能VLOC和308 000 DWT 智能VLCC 即屬于船舶智能化，側重于系統(tǒng)設備智能化升級。 第二條技術路線為智能船舶，以船舶及設備系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)為基礎，以滿足未來智能航運對安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性的最新跨代要求為目標，研究新的船舶總體布置和系統(tǒng)構成，將原有的船舶總體、結構、電氣、舾裝、輪機等專業(yè)重構為船舶總體、導航系統(tǒng)、動力能源系統(tǒng)、錨系泊系統(tǒng)、任務系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)等六大系統(tǒng)，依托船舶航行大數(shù)據(jù)和人工智能技術，構建更加耦合集成的船舶設計建造操作流程，實現(xiàn)設計制造閉環(huán)，滿足商業(yè)航運對船舶的根本要求。 歐盟、韓國自主航行船舶以及國內iSealion-F 型智能船舶屬于第二種技術路線，致力于研制完全融合智能技術的經(jīng)濟、安全、綠色的未來船舶。 當前兩種技術路徑相互共存，前者是后者的初級階段，后者是前者最終的質變方向。

5 智能船舶發(fā)展重點任務

發(fā)展智能船舶重點要開展五方面重點工作：一是繼續(xù)強化智能船舶頂層規(guī)劃，梳理智能船舶產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系、技術創(chuàng)新體系、營運服務體系和法規(guī)標準體系，開展智能船舶總體設計，推出原理概念船，健全法規(guī)完善標準；二是設立智能船舶專項，集聚行業(yè)優(yōu)勢企業(yè)研發(fā)機構，瞄準提升船舶經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性開展自主航行控制、信息安全、自主避碰等關鍵技術攻關，為智能船舶研制提供技術支撐，并開展實船技術驗證，進一步提升技術成熟度，推動技術成果產(chǎn)業(yè)化；三是協(xié)同開展智能船舶設備系統(tǒng)研制，以整船研制帶動配套設備發(fā)展；四是建立我國智能船舶海洋試驗場，為智能船舶研發(fā)設計建造提供全體系標準化驗證手段；五是積極構建智能船舶營運服務體系，形成基于云架構的船舶設計、制造、遠程營運控制和配套設備檢驗的智能船舶服務體系，進一步提升和增強智能船舶效益。

6 結 語

智能船舶是船舶工業(yè)轉型升級、實現(xiàn)高質量發(fā)展的重要著力點。近幾年，我國船舶工業(yè)相繼推出了“大智” 號智能38 800 DWT散貨船、400 000 DWT超大型礦砂船、308 000 DWT 超大型原油船、13 500 TEU 智能超大型集裝箱船等一批智能船舶，實現(xiàn)了智能船舶第一階段發(fā)展目標。 國外日韓、歐洲在第一條技術路線基礎上已啟動部署高度自主集裝箱船、Yara 無人船等研發(fā)項目，發(fā)力瞄準智能船舶，搶占技術發(fā)展高點。我國發(fā)展智能船舶與世界主要造船強國基本保持同步，國家相繼出臺了《智能船舶發(fā)展行動計劃》《智能航運發(fā)展指導意見》推動我國智能船舶發(fā)展，一方面鼓勵常規(guī)船舶的智能化升級，一方面指導企業(yè)加快科技創(chuàng)新，積極儲備智能船舶，加快構建新的市場競爭優(yōu)勢，促進行業(yè)集聚共識，協(xié)同攻關，推動我國智能船舶發(fā)展。