智能船舶七大關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)船舶工業(yè)經(jīng)濟(jì)與市場(chǎng)研究中心 桂傲然

信息感知與通信導(dǎo)航是目前智能船舶最為核心的智能技術(shù)，而智能集成平臺(tái)是各關(guān)鍵技術(shù)的連接中心。

目前，智能船舶已成為國(guó)際海事界研發(fā)和關(guān)注的新熱點(diǎn)。智能船舶通過(guò)將現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等新技術(shù)與傳統(tǒng)船舶技術(shù)進(jìn)行融合，從而達(dá)到安全可靠、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的目的。本文基于智能船舶模塊的功能和經(jīng)濟(jì)性，剖析各關(guān)鍵技術(shù)在其中發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)和作用，以及技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀，為智能船舶項(xiàng)目決策與未來(lái)智能船舶體系構(gòu)建提供依據(jù)。

七大關(guān)鍵技術(shù)助力六大智能模塊實(shí)現(xiàn)

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《智能船舶規(guī)范》，智能船舶的智能模塊分為智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺(tái)六個(gè)部分，而信息感知技術(shù)、通信導(dǎo)航技術(shù)、能效控制技術(shù)、航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)、自主航行技術(shù)七大技術(shù)在六大模塊中發(fā)揮著重要的作用，為智能船舶的正常運(yùn)行提供有力保障。

信息感知技術(shù)：船舶信息感知是指船舶能夠基于各種傳感設(shè)備、傳感網(wǎng)絡(luò)和信息處理設(shè)備，獲取船舶自身和周?chē)h(huán)境的各種信息，包括船舶航速、航向、時(shí)空位置等的變化等，使船舶能夠更安全、可靠航行的一種技術(shù)手段。目前，常用的船舶狀態(tài)感知技術(shù)手段有雷達(dá)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、全球定位系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)（CCTV）等。

信息感知技術(shù)是智能技術(shù)的基礎(chǔ)，在智能模塊中負(fù)責(zé)信息收集，為智能分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。例如，在智能航行模塊中，信息感知技術(shù)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)，供航行中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)分析和自動(dòng)控制；在智能船體模塊中，信息感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全參數(shù)的監(jiān)測(cè)以及海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，從而對(duì)智能船體起到支持的作用；在智能能效管理模塊，信息感知技術(shù)負(fù)責(zé)船舶能效在線(xiàn)智能監(jiān)控并進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋。

通信導(dǎo)航技術(shù)：通信導(dǎo)航技術(shù)是運(yùn)用各種技術(shù)手段用于實(shí)現(xiàn)船舶上各系統(tǒng)和設(shè)備之間，以及船舶與岸站、船舶與航標(biāo)之間的信息交互，從而通過(guò)航位推算、無(wú)線(xiàn)電信號(hào)、慣性解算、地圖匹配、衛(wèi)星定位及多方式組合以達(dá)到確定運(yùn)載體的動(dòng)態(tài)狀態(tài)和位置等參數(shù)的綜合技術(shù)，通信導(dǎo)航技術(shù)可細(xì)分為船舶通信技術(shù)和船舶導(dǎo)航技術(shù)兩個(gè)部分。

通信導(dǎo)航技術(shù)對(duì)智能船舶的線(xiàn)路規(guī)劃和航行起到重要的作用。在智能航行模塊中，通信導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)船、岸、船-船之間聯(lián)系，協(xié)助船舶能在開(kāi)闊水域、狹窄水道、復(fù)雜環(huán)境條件下自動(dòng)避碰。而非航行模塊中，通信導(dǎo)航技術(shù)也能夠提供信息傳遞的功能，例如在智能能效管理模塊中，通信導(dǎo)航技術(shù)能夠?qū)⒛芎?、航速、縱傾角等多維度多渠道信息匯總傳遞至控制決策中心。

能效控制技術(shù)：也稱(chēng)船舶能效管理控制計(jì)劃，是通過(guò)對(duì)能效指標(biāo)進(jìn)行分析和匯總整理，指導(dǎo)船舶能效因素（航線(xiàn)設(shè)計(jì)、航速、船舶浮態(tài)、動(dòng)力設(shè)備）和人員培訓(xùn)等技術(shù)措施的改善，最終實(shí)現(xiàn)減少排放、提高能效目的的技術(shù)手段。

能效控制技術(shù)服務(wù)于智能能效管理模塊。通過(guò)信息感知技術(shù)采集和通信導(dǎo)航技術(shù)傳遞的船舶航行狀態(tài)、耗能狀況信息，結(jié)合航線(xiàn)特點(diǎn)、燃料消耗、經(jīng)濟(jì)效益等評(píng)估結(jié)果，提供基于不同目標(biāo)的航速優(yōu)化方案，為船舶能效管理提供輔助決策建議。

航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)：航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)是指船舶根據(jù)航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情況、公司船期信息、航道水流分布信息、航道航行難易信息，智能實(shí)時(shí)選擇船舶在航道內(nèi)的位置和航道，以?xún)?yōu)化航線(xiàn)，達(dá)到安全高效、綠色環(huán)保的方法。目前常用的航線(xiàn)規(guī)劃方法包括：線(xiàn)性規(guī)劃方法、混合整數(shù)規(guī)劃模型、遺傳算法、模擬退火、粒子群優(yōu)化算法等。

航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)主要體現(xiàn)在智能航行模塊中航路設(shè)計(jì)和優(yōu)化，通過(guò)航線(xiàn)計(jì)劃、航線(xiàn)監(jiān)控、自動(dòng)避碰等功能，讓船舶的海上運(yùn)輸更加安全高效，從而縮短運(yùn)輸航程，降低燃料消耗。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)：由兩部分組成，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是以監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)等技術(shù)為手段，判斷設(shè)備是處于穩(wěn)定狀態(tài)或正在惡化。故障診斷技術(shù)就是在船舶機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中或基本不拆卸設(shè)備的情況下，判斷被診斷對(duì)象的狀態(tài)是否處于異常狀態(tài)或故障狀態(tài)，以及劣化狀態(tài)發(fā)生的部位或零部件，并判定產(chǎn)生故障的原因，以及預(yù)測(cè)狀態(tài)劣化的發(fā)展趨勢(shì)等。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域在智能船體和智能機(jī)艙兩大模塊。該技術(shù)基于采集數(shù)據(jù)結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)全生命周期對(duì)船體、主機(jī)等關(guān)鍵配套的監(jiān)控，定量評(píng)估使用情況，并結(jié)合輔助決策系統(tǒng)提高船體和設(shè)備安全性，減少維修費(fèi)用。

遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)：船舶遇險(xiǎn)預(yù)警及求救系統(tǒng)是指船舶在遭遇惡劣海況、天氣或其他特殊情況時(shí)能夠?qū)Υ昂叫凶藨B(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，并能在船舶發(fā)生傾覆等突發(fā)情況時(shí)自動(dòng)向監(jiān)控中心或周?chē)鞍l(fā)出求救信號(hào)，指引搜救人員和船舶前往遇難遇險(xiǎn)船舶開(kāi)展救助的方法手段。

遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)是智能集成平臺(tái)以及智能貨物管理模塊所搭載的關(guān)鍵技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)減輕了海上環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)人員的依賴(lài)性，并提高了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警率，及時(shí)控制事故的蔓延，提升工作效率和船上人員財(cái)務(wù)的安全性。

自主航行技術(shù)：智能航行系指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等對(duì)感知和獲得的信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)船舶航路和航速進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化；可行時(shí)，借助岸基支持中心，船舶能在開(kāi)闊水域、狹窄水道、復(fù)雜環(huán)境條件下自動(dòng)避碰，實(shí)現(xiàn)自主航行。

自主航行技術(shù)是智能船舶實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的關(guān)鍵所在。但由于自主航行的可靠性和穩(wěn)定性需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的真實(shí)環(huán)境下的反復(fù)測(cè)試，并且還需要與之配套的國(guó)際和國(guó)內(nèi)水上交通法律、法規(guī)的修改和完善，因此，距離無(wú)人駕駛船舶大規(guī)模的投入生產(chǎn)和營(yíng)運(yùn)還有較長(zhǎng)的一段時(shí)間，所以自主航行屬于尚未實(shí)現(xiàn)的高級(jí)功能。

綜上所述，智能船舶七項(xiàng)關(guān)鍵智能技術(shù)中在船舶各大智能模塊的體現(xiàn)如上表，可以看到，信息感知與通信導(dǎo)航是目前智能船舶最為核心的智能技術(shù)，而智能集成平臺(tái)是各關(guān)鍵技術(shù)的連接中心。

表1 與船舶防腐相關(guān)的技術(shù)委員會(huì)和工作組

關(guān)鍵技術(shù)在多領(lǐng)域具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

隨著電氣技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟，人工智能技術(shù)介入船舶行業(yè)并產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，尤其是在航行、操縱、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的巨大優(yōu)勢(shì)，使智能船舶成為船舶行業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的新契機(jī)?？偟膩?lái)說(shuō)，智能技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)可以歸結(jié)為以下六點(diǎn)。

一、降低操作風(fēng)險(xiǎn)，提高航行安全性

信息感知技術(shù)和通信導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于降低操作風(fēng)險(xiǎn)，提高航行安全性。在交通密集的狹窄海域，以及船隊(duì)海上航行過(guò)程中，對(duì)船體自身監(jiān)控和船舶之間的通信有很高要求。在這些應(yīng)用場(chǎng)景下，船舶之間通過(guò)收集、傳輸數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)情報(bào)共享、入侵預(yù)警、碰撞避免等功能。以往這類(lèi)功能主要通過(guò)傳統(tǒng)AIS、聲納、UHF通信手段等完成。然而，近年來(lái)隨著海上航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展和海洋多種業(yè)務(wù)綜合系統(tǒng)的不斷應(yīng)用，使得船舶間的通信需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)的船舶間通信手段和網(wǎng)絡(luò)，越來(lái)越難以滿(mǎn)足這一不斷增長(zhǎng)的需求。在這一背景下，艦載通信設(shè)備的功能不斷提升，提供更大的通信帶寬和更加便利的通信手段。通過(guò)這些工具能夠?qū)?fù)雜的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，并為船員和其他智能系統(tǒng)提供更好的船舶周?chē)h(huán)境感知度，以使船舶的操作運(yùn)行更加簡(jiǎn)單、安全、高效。

二、提高能源效率，經(jīng)濟(jì)環(huán)保雙贏

能效管理控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于提高能源效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保雙贏。船舶節(jié)能一直是世界各國(guó)造船界和航運(yùn)界研究的重要課題，它關(guān)系到節(jié)約燃料資源和費(fèi)用、環(huán)境保護(hù)以及船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益等問(wèn)題。船舶的節(jié)能技術(shù)改造，不僅可節(jié)省燃油費(fèi)用，減少船舶的運(yùn)輸成本，提高企業(yè)的利潤(rùn)率，給企業(yè)帶來(lái)高的經(jīng)濟(jì)效益，還可以減少船舶造成的環(huán)境污染，獲得經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙重效益。

三、合理航線(xiàn)規(guī)劃，提升運(yùn)營(yíng)效率

航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于合理航線(xiàn)規(guī)劃，提升運(yùn)營(yíng)效率。早期的航線(xiàn)設(shè)計(jì)通常是船長(zhǎng)根據(jù)自己的多年航行經(jīng)驗(yàn)，并參照一些安全的經(jīng)典航線(xiàn)，結(jié)合每次的航行任務(wù)對(duì)航線(xiàn)進(jìn)行分析，航線(xiàn)的優(yōu)劣完全取決于航海人員的經(jīng)驗(yàn)多少、作業(yè)的熟練程度及其工作態(tài)度。隨著電子海圖(CECDIS)等現(xiàn)代綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，船舶的航線(xiàn)設(shè)計(jì)主要在ECDIS上實(shí)現(xiàn)，但是航線(xiàn)的設(shè)計(jì)上仍舊有一定的主觀性，設(shè)計(jì)航線(xiàn)的人員很難參考其他有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)者的成果。目前自動(dòng)化的航線(xiàn)規(guī)劃是電子海圖應(yīng)用的重要內(nèi)容，運(yùn)用信息智能處理技術(shù)進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃，可更好地進(jìn)行航線(xiàn)設(shè)計(jì)，減少人為失誤，進(jìn)一步提高航線(xiàn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，對(duì)于保障海上船舶安全經(jīng)濟(jì)航行、提高航運(yùn)效率、降低營(yíng)運(yùn)成本、避免海上交通事故的發(fā)生、減少船舶運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響具有重要意義。

四、預(yù)防潛在風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約維修成本

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于預(yù)防潛在風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約維修成本。船舶設(shè)備現(xiàn)行的維修方式主要是以預(yù)防為主的維修方式，大型檢修的方式是定期維修和保養(yǎng)。雖然定期進(jìn)行大型檢查能夠保障船舶的安全性，但難免帶來(lái)安全性過(guò)剩的經(jīng)濟(jì)損失，給維修成本乃至產(chǎn)品帶來(lái)壓力。狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估是對(duì)傳統(tǒng)船舶管理模式的改革，船舶狀態(tài)檢測(cè)和評(píng)估的結(jié)果能為實(shí)施狀態(tài)維修提供客觀依據(jù)，實(shí)現(xiàn)最少的維修費(fèi)用投入獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而提高船舶管理公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

五、增加應(yīng)急能力，保障人財(cái)兩全

遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于增加應(yīng)急能力，保障人財(cái)兩全。近年來(lái)，水上交通事故頻發(fā)，僅我國(guó)水域范圍內(nèi)遇險(xiǎn)船舶每年財(cái)產(chǎn)損失達(dá)百億以上。智能遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)快速、高效、便捷地在海域上空對(duì)遇險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行定位與顯示，具有成本低、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，有助于提高水上搜救的效率，降低事故后果的嚴(yán)重性。

六、實(shí)現(xiàn)無(wú)人航運(yùn)，推動(dòng)行業(yè)變革

自主航行技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)無(wú)人航運(yùn)，推動(dòng)行業(yè)變革。從宏觀上講，自主航行給航運(yùn)所帶來(lái)的影響，正如智能手機(jī)給通訊業(yè)帶來(lái)的顛覆性改變。一方面，通過(guò)采用自主航行技術(shù)，能夠降低船員數(shù)量及所需空間和設(shè)備，從而節(jié)省建造和運(yùn)營(yíng)成本、減少船舶重量、降低用電負(fù)荷，并增加船舶空間和載貨能力。另一方面，導(dǎo)致船舶海上事故的主要原因是決策和操作過(guò)失、應(yīng)急反應(yīng)不當(dāng)?shù)热藶橐蛩?。而在無(wú)人船的設(shè)計(jì)方案中，船舶的操縱主要是通過(guò)專(zhuān)家決策系統(tǒng)與遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)在勞動(dòng)條件更好的岸上進(jìn)行操作，從而從根本上減少人為因素對(duì)船舶航行安全的影響。

摸索前行任重道遠(yuǎn)

智能船舶是未來(lái)船舶發(fā)展的必然方向，也將是未來(lái)世界船舶工業(yè)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。但目前，智能船舶的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，歐洲、韓國(guó)、日本以及我國(guó)等全球主要船舶建造中心都在積極開(kāi)展研發(fā)工作，推進(jìn)智能技術(shù)應(yīng)用將成為智能船舶發(fā)展的關(guān)鍵。

一、技術(shù)研發(fā)與實(shí)船應(yīng)用并重

由于目前智能船舶的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，智能船舶也將隨著技術(shù)的發(fā)展不斷地更新變化，采用研發(fā)與應(yīng)用并重的分步實(shí)施策略能夠有效推進(jìn)智能船舶的發(fā)展。以典型船企現(xiàn)代重工智能船舶技術(shù)的發(fā)展歷程為例，自2011年開(kāi)始開(kāi)發(fā)智能船舶技術(shù)，先后陸續(xù)在其交付的300艘船舶上應(yīng)用智能技術(shù)，這一過(guò)程中逐漸完成了智能航行、通信導(dǎo)航、電子海圖等相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，形成了數(shù)字化主題的智能船舶產(chǎn)業(yè)。

二、跨行業(yè)合作實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

發(fā)展智能船舶絕不能局限于船舶行業(yè)，大量的互聯(lián)網(wǎng)、通信等不同領(lǐng)域企業(yè)也紛紛加入智能船舶的研發(fā)項(xiàng)目中。此前，歐洲、日本等多家單位已經(jīng)開(kāi)展了跨行業(yè)跨領(lǐng)域合作，并取得了巨大突破：羅羅攜手芯片巨頭英特爾開(kāi)展無(wú)人船研制，完成無(wú)人船的自動(dòng)系泊實(shí)驗(yàn)；而日本三菱重工與多家船企、高校、機(jī)構(gòu)合作研發(fā)了智能船舶導(dǎo)航系統(tǒng)。

三、開(kāi)創(chuàng)制造業(yè)的新服務(wù)模式

智能船舶能夠更好地服務(wù)船舶運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)船舶、港口、船東、船廠之間的信息共享，建立一體化的船舶運(yùn)營(yíng)服務(wù)模式。智能船舶在未來(lái)會(huì)改變船廠的運(yùn)營(yíng)模式，而船廠不再是單純的制造船舶，船舶產(chǎn)業(yè)鏈條上的企業(yè)關(guān)系將進(jìn)行重組，船舶制造企業(yè)將基于智能船舶提供全方位、全生命周期的綜合服務(wù)。