智能船舶系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

許維明 瞿榮澤 薛國良 徐敏義 祝 曉 劉志堅 張奇奇

（1.大連中遠海運川崎船舶工程有限公司 大連 116052；2.大連海事大學 輪機工程學院 大連 116026）

0 引言

自美國2012 年提出“工業(yè)互聯(lián)網”概念、德國2013 年推出“工業(yè)4.0”項目、我國2015 年提出“中國制造2025”戰(zhàn)略以來，高端制造業(yè)已成為世界科技革命和產業(yè)變革的新高地[1-2]。其中，海洋工程裝備及高技術船舶相關技術的研究在“中國制造2025”強國戰(zhàn)略中被列為十大領域之一，對智能船舶的發(fā)展而言也是難得的歷史機遇。

眾所周知，在傳統(tǒng)交通工具領域，船舶智能化起步并不晚，早期也積累了一些較為成熟的技術（如無人機艙和自動化駕駛技術等），但近20 年來智能船舶技術發(fā)展卻較為緩慢。這主要是由于船舶本身的標準化程度低、配套設備品種繁多、數(shù)字化水平參差不齊等因素，導致船舶數(shù)據收集水平低下，難以形成標準的數(shù)據分析方法和理論。此外，高額的通訊帶寬和網絡安全建設投入，也影響了船東投資智能船舶發(fā)展的積極性。

世界航運業(yè)復蘇緩慢、智能船舶研究的高投入和當前全球相對稀缺的衛(wèi)星寬帶資源等因素限制了初期智能船舶的發(fā)展。然而，隨著智能船舶技術被普遍視為下一代船舶工業(yè)技術革命，世界主要造船國家開始發(fā)力，大力投入智能船舶研究。同時，隨著近年來低軌寬帶衛(wèi)星的發(fā)射和運營，在未來將為海洋船舶提供速率更高、資費更低、時延更少和全球無縫隙覆蓋的衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網服務，大規(guī)模的云計算服務有望在未來的智能船舶系統(tǒng)上實現(xiàn)[3]。

縱觀近年來智能船舶系統(tǒng)發(fā)展，船舶智能化設備不斷豐富，智能系統(tǒng)配套軟件逐漸完善，產學研合作力度加大，互聯(lián)網通信領域企業(yè)跨界合作，都是智能船舶研究進入快速發(fā)展時期的福音。

1 智能船舶發(fā)展概況

國際海事組織（international maritime organization,IMO）于2006 年5 月通過了E-Navigation 相關工作項目，E-Navigation 成為最早期的智能船舶概念，即利用電子信息技術協(xié)調船岸通信和導航信息，實現(xiàn)船舶、船岸和岸端之間信息互通，促進海洋環(huán)境保護和船舶高效安全航行。[4]智能船舶被IMO、國際標準化組織（international organization for standardization,ISO）等列為重要議題，國際船舶和航運業(yè)勢必向船舶智能化方向發(fā)展，世界各大船級社也針對智能船舶發(fā)布了相關規(guī)范和指南文件，見表1。

表1 各大船級社智能船舶相關規(guī)范文件

為加快建設海洋強國、制造強國、交通強國的戰(zhàn)略目標，我國大力發(fā)展智能船舶技術，推動船舶工業(yè)高質量發(fā)展。2017 年，工業(yè)與信息化部設立了高技術船舶科研專項“智能船舶1.0”；2018 年，工業(yè)與信息化部、交通運輸部與國防科工局聯(lián)合編制了《智能船舶發(fā)展行動計劃（2019—2021 年）》；2019 年，交通運輸部等七部門聯(lián)合印發(fā)了《智能航運發(fā)展指導意見》。

2 智能船舶系統(tǒng)

2.1 概述

智能船舶的智能化水平集中體現(xiàn)在船舶已配置的智能系統(tǒng)。智能船舶系統(tǒng)涵蓋了當前智能船舶的基礎共性技術和關鍵核心技術，也是對船舶總體、動力、感知、通信、控制和人工智能等多學科交叉的集成創(chuàng)新能力展示。[6]

在中國船級社發(fā)布的相關指南中，將智能船舶系統(tǒng)功能分為8 個部分，分別為智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺、遠程控制和自主操作，這些功能逐漸發(fā)展形成相應的子系統(tǒng)。但由于不同類型船舶營運任務不同，所需要的智能系統(tǒng)功能也會有較大差異。以大型海洋運輸船舶為例，這類船舶主要有液化天然氣船、大型油輪、大型散貨船和集裝箱船等類型，共性特點主要表現(xiàn)為：船舶及貨物附加值高、船舶噸位大、事故導致的后果或危害較大，并且這類船短期內對遠程控制和自主操作功能的需求并不強烈。盡管如此，各類型船舶對智能船舶系統(tǒng)功能依然具有普遍共性需求，主要包括智能航行系統(tǒng)、智能機艙系統(tǒng)、智能能效系統(tǒng)和智能集成平臺系統(tǒng)。

2.2 智能船舶系統(tǒng)設備

在構建智能船舶系統(tǒng)總體方案之前，首先要根據船舶實際運營任務需求來配置各智能系統(tǒng)，結合船舶結構、機械設備布局、智能設備配置、船員操作規(guī)范和習慣等因素明確各智能系統(tǒng)的設備。

智能集成平臺系統(tǒng)的主要設備有集成平臺交換機、通信網關、服務器、防火墻、多計算機切換器和綜合顯示工作站等；智能機艙系統(tǒng)主要設備包括機艙狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件、設備運行維護軟件、機艙主要機械設備傳感器、軸系振動數(shù)據采集箱和軸系油液監(jiān)測箱等；智能能效系統(tǒng)主要設備包括智能能效服務器、報警監(jiān)控系統(tǒng)、通導、液位遙測、配電板、流量計和軸功率儀等；智能航行系統(tǒng)主要設備包括防火墻、不間斷電源、氣象工控機、通導交換機、航路服務器、航路系統(tǒng)交換機、視頻圖形陣列（video graphios array,VGA）發(fā)送器/接收器、圖像采集卡、圖像服務器、DC 12 V和24 V電源、航行系統(tǒng)相關傳感器和顯示器等。

智能船舶系統(tǒng)設備的安裝應在滿足船舶電氣設備安裝規(guī)范的前提下，根據各智能系統(tǒng)的技術要求合理調整船舶結構并優(yōu)化設備布置。某智能船舶系統(tǒng)主要設備布置信息見表2。

表2 智能船舶系統(tǒng)主要設備布置信息

2.3 智能船舶系統(tǒng)網絡拓撲圖

智能船舶項目根據不同船型和營運任務可以設計出不同的智能船舶系統(tǒng)，其智能系統(tǒng)設備及其布置、供電方式、通信協(xié)議和接口并不唯一[7]。智能系統(tǒng)設備與實船設備關聯(lián)集成，構建了各智能功能系統(tǒng)和集成平臺系統(tǒng)，形成了智能船舶系統(tǒng)總體方案。智能船舶系統(tǒng)網絡拓撲圖如下頁圖1 所示。

圖1 智能船舶系統(tǒng)網絡拓撲圖

智能航行系統(tǒng)是智能船舶系統(tǒng)的關鍵核心技術，融合了先進的傳感和感知技術，配置氣導、通導等智能導航設備，通過采集分析船舶航行環(huán)境、船舶狀態(tài)、設備狀態(tài)等數(shù)據信息，實現(xiàn)航線與航速的設計和優(yōu)化、開闊水域自主航行、輔助避碰決策等功能。智能航行系統(tǒng)一定程度上降低了船員的誤操作和海損事故的發(fā)生率，提高了船舶航行的安全性。

智能集成平臺系統(tǒng)是智能船舶系統(tǒng)方案的框架基礎，綜合了智能系統(tǒng)集成、平臺管理和船岸同步子模塊等功能，實現(xiàn)船舶信息管理、智能航行、智能能效和智能機艙等功能系統(tǒng)的數(shù)據采集、存儲、整合、交互、共享和展現(xiàn)。集成平臺系統(tǒng)數(shù)據接口方案完整，具備開放性，可擴展新的智能系統(tǒng)并與岸端保持良好的數(shù)據交互。

智能機艙系統(tǒng)是智能集成平臺系統(tǒng)上的重要功能應用，不僅可以監(jiān)測機艙主推進相關設備與系統(tǒng)的狀態(tài)，還提供船舶設備優(yōu)化使用、科學維護、全壽命周期管理等方面輔助決策支持。該系統(tǒng)基于機艙主要設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據和集成平臺整合的船舶設備運行數(shù)據，通過分析評估機艙各設備與系統(tǒng)的運行情況及健康狀況，提出針對性的合理建議和預見性診斷，降低了機艙設備突發(fā)故障的幾率和維護成本。

智能能效系統(tǒng)集成在智能集成平臺系統(tǒng)上，是一個營運經濟性管理系統(tǒng)。智能能效管理可基于船舶航行狀態(tài)信息和營運能耗的監(jiān)測數(shù)據，對船舶裝載狀態(tài)、出行計劃、能源使用狀況等進行分析評估，提供能效/能耗評估報告、航線/航速優(yōu)化、縱傾和配載優(yōu)化等輔助決策支持。該系統(tǒng)為船員和船東提供了船舶能效監(jiān)測、分析、評估、報告、報警與決策建議等服務，使船舶營運管理更高效、經濟且環(huán)保。

3 智能船舶系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀

智能船舶系統(tǒng)屬于大型綜合動態(tài)系統(tǒng)，融合了人工智能和現(xiàn)代信息技術等新技術，具有較好的安全性、環(huán)保性和經濟性等特點[6]。以下僅從智能航行系統(tǒng)、智能機艙系統(tǒng)、智能能效系統(tǒng)和智能集成平臺系統(tǒng)等方面簡述國內外研究現(xiàn)狀。

3.1 國外研究現(xiàn)狀

全球智能船舶研制和智能船舶系統(tǒng)開發(fā)呈現(xiàn)快速發(fā)展的整體趨勢。然而，由于國際各方的關注重點和技術優(yōu)勢存在差異，各國智能船舶系統(tǒng)研究方向和路徑不盡相同。中國、韓國、日本等亞洲國家的智能船舶系統(tǒng)研究注重船舶整體智能化水平的提升，在大型遠洋船舶上已安裝使用了初期的智能系統(tǒng)；英國、挪威、芬蘭、丹麥等歐洲國家及羅爾斯·羅伊斯公司（下文簡稱“羅羅公司”）等企業(yè)選擇由“局部智能”向“全局智能”的過渡方式，首先在小型船舶如拖船、渡輪上開展智能船舶技術研發(fā)和系統(tǒng)應用[8]。

3.1.1 智能航行系統(tǒng)

國際海事組織于2017 年新增“自主無人船舶”議題，并于2019 年以通函方式批準了《水面自主船舶試航暫行指南》。目前，由于國際法律公約限制和智能航行技術適用性，國外智能航行系統(tǒng)的研究大多傾向于在小型船舶上開展船舶態(tài)勢感知、遠程遙控駕駛、自主航線優(yōu)化和開闊水域的輔助避碰等技術研究。

2017 年，羅羅公司與全球拖船運營商Svitzer合作，在丹麥哥本哈根港成功展示了拖船遠程遙控系統(tǒng)。船長28 m 的Svitzer Hermod 號拖船安全地執(zhí)行了?？?、解鎖、360°旋轉等操控動作，全程由船長在Svitzer 總部基地進行遙控，遙控操作中心重新定義了船舶的控制方式。

2017 年，挪威YARA 公司和Kongsberg 公司合作建造了首艘自動駕駛電動集裝箱船——YARA Birkeland 號。該船可通過全球定位系統(tǒng)、雷達、攝像機和傳感器等設備實現(xiàn)了在航道中自動避讓功能，而配套的自動停泊系統(tǒng)則可以完成自主船舶停泊和起航。其船體已于2020 年2 月下水，但由于新冠疫情和全球前景變化，而后暫停了進一步開發(fā)。

2018 年，羅羅公司和芬蘭國有渡輪運營商Finferries 在芬蘭圖爾庫市南部的群島成功展示了世界首艘全自動渡船——Falco 號汽車渡船。該船長53.8 m，既可完全自主運行，也能通過指揮中心遠程控制。同年，芬蘭瓦錫蘭集團成功試驗了船舶自動靠泊系統(tǒng)，在挪威海事局的見證下，船長85 m的Folgefonn 號渡船自主操作，實現(xiàn)了3 個港口航線的不間斷運營。這是此類尺寸船舶首次嘗試在完全無人操作模式下實現(xiàn)岸到岸的全面自動化航行。

3.1.2 智能機艙系統(tǒng)

國外智能機艙系統(tǒng)主要由全球著名的柴油機廠商配套開發(fā)，機艙綜合狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)是其研發(fā)的重點，目前市場上已有多種成熟的機艙狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)。[9]

MAN Diesel &Turbo 公司早期開發(fā)了計算機控制故障監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對柴油機運行狀態(tài)參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，記錄并存儲各時段數(shù)據，比較當前狀態(tài)參數(shù)和診斷數(shù)據庫故障參數(shù)，生成故障診斷報告和建議維護措施，其維護保養(yǎng)應用程序會列出維修計劃表和備件庫存明細表。此外，該系統(tǒng)的趨勢分析功能促進了柴油機的預防性維護，降低了突發(fā)性故障風險。芬蘭瓦錫蘭公司開發(fā)的MAPEX狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)可通過對柴油機狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)柴油機活塞環(huán)磨損趨勢預測、氣缸內燃燒狀態(tài)評估和柴油機軸系健康情況分析。德國LEMAG 公司的柴油機在線監(jiān)測系統(tǒng)、EUB 研究所的故障診斷系統(tǒng)以及挪威Kongsberg 公司和美國KYMA 公司的發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，均已應用于實船。

2010 年，韓國現(xiàn)代重工啟動“智能船舶1.0”計劃，開發(fā)了基于有線/無線船舶綜合管理網通訊技術的船舶主機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助信息與通信技術優(yōu)化了460 多種設備部件的綜合管理，其遠程技術不僅實現(xiàn)了對船舶設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，還促進了遠程維修技術應用。[10]

3.1.3 智能能效系統(tǒng)

智能能效管理系統(tǒng)是“智能船舶”和“綠色船舶”的重點研究技術之一，國外船舶能效管理系統(tǒng)研究起步較早，已有多種能效監(jiān)控系統(tǒng)投入使用，市場占有率較高。[11]

2009 年，德國勞氏船級社旗下海事咨詢公司Future Ship 開發(fā)了“ECO-Assistant”船舶能效軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過船舶營運參數(shù)（如航速、排水量和水深等）計算出特定船舶的最佳縱傾角度，進而降低燃油消耗和二氧化碳排放量，最多可提升6%效率，并且投資回收期僅幾個月。2011 年，韓國三星重工開發(fā)了船舶能效管理系統(tǒng)（ship energy efficiency management system，SEEMS），可利用數(shù)據采集技術、遠距離數(shù)據傳輸技術、數(shù)據庫和計算機軟件等技術提高能效管理系統(tǒng)的集成度和智能化水平，至少可節(jié)省15%的能耗[11]。冰島Marorka 公司開發(fā)的船舶能效管理系統(tǒng)能夠通過監(jiān)控船舶性能參數(shù)，綜合分析船舶運行數(shù)據、航次計劃和能效評估等信息，形成高精度的航線優(yōu)化和縱傾優(yōu)化方案，其精密的計算模式和可靠的系統(tǒng)表現(xiàn)廣受好評。

羅羅公司開發(fā)的智能能效管理系統(tǒng)可利用大數(shù)據和人工智能算法等技術降低船舶能源消耗和營運成本，此外還可分析評估機艙設備運行狀態(tài)，提供維護管理的輔助決策建議，大大提高了船舶能效監(jiān)測和設備維護的智能化水平。

3.1.4 智能集成平臺系統(tǒng)

國外自20 世紀80 年代就開始研究船舶數(shù)字化平臺管理系統(tǒng)，已開發(fā)出綜合平臺管理系統(tǒng)[12]。目前國際主要船舶自動化設備供應商（如ABB、SAM、Konsberg 等公司）的綜合平臺管理系統(tǒng)都較為成熟，且已占據大部分市場份額[13-16]。

SAM 公司的綜合平臺管理系統(tǒng)是開放式的體系，在船舶網絡框架下，各設備依據不同功能被分類集成為相應的系統(tǒng)。綜合平臺管理系統(tǒng)遵循統(tǒng)一的操作和設計方式，使用通用的硬件平臺，提供良好的人機交互界面，降低了設備安裝維護難度、備件數(shù)量和人員培訓成本，從而實現(xiàn)降本增效。Konsberg 公司的綜合平臺管理系統(tǒng)通過冗余的大通信寬帶網絡系統(tǒng)集成了船舶導航、動態(tài)定位、舵系操縱、推進控制、機艙自動化和安全管理等獨立子系統(tǒng)，采取分布式控制策略和通用的通信協(xié)議，實現(xiàn)了各子系統(tǒng)間的數(shù)據信息交互，具有較強的邏輯性，便于船員管理。

2012 年，日本相關單位啟動了“智能船舶應用平臺”項目研究。該項目研發(fā)了1 套智能信息與控制系統(tǒng)，通過集成主機遙控、壓載水管理、船舶電力管理、電子海圖等傳統(tǒng)船載監(jiān)控系統(tǒng)，借助遠程數(shù)據傳輸和存儲技術，搭建了服務于各應用系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據交互平臺，實現(xiàn)了智能航行、智能機艙、智能能效和遠程維護管理等功能。目前，該平臺系統(tǒng)已在渡船和油船上實際應用[17]。

3.2 國內研究現(xiàn)狀

3.2.1 智能航行系統(tǒng)

智能航行系統(tǒng)是我國智能船舶亟需突破的關鍵核心技術之一，國內圍繞智能航行系統(tǒng)開展了智能航行技術、遠程遙控駕駛技術、自主航行避碰技術等研究。

武漢理工大學科研團隊開創(chuàng)了“航行腦”智能航行系統(tǒng)，設計構造了1 套模仿“人腦”工作模式的“人工智腦”系統(tǒng)。該系統(tǒng)被設計成3 個相互關聯(lián)的工作空間模塊，即“感知空間”、“認知空間”和“決策執(zhí)行空間”。3 個模塊相互協(xié)作，實現(xiàn)了船舶智能航行的“感知、認知、決策與控制”全過程[18]。

2018 年，基于“航行腦”概念的“船岸協(xié)同安全輔助駕駛系統(tǒng)”被部署于南京板橋汽渡。該系統(tǒng)對渡區(qū)的船舶和水域進行全局監(jiān)控，有效提升了氣渡船水域的航行安全性[19]。

2019 年，武漢理工大學首次實現(xiàn)了8 500 km洲際遠程駕控試驗，在荷蘭瓦赫寧根遠程操控了在中國武漢湯遜湖內進行試驗的自航模型船。

2019 年5 月，全球首艘智能集裝箱船荷花號交付運營。荷花號的智能船舶系統(tǒng)是由上海船舶運輸科學研究所聯(lián)合中國船級社等單位自主研制，其智能航行系統(tǒng)可通過感知航行態(tài)勢，智能切換船岸通信路由，構建船岸協(xié)同的航路選擇模式，實現(xiàn)船舶航行風險、時效、成本和能耗的綜合優(yōu)化，保障航行安全。

同年6 月，我國首艘滿足IMO 海上自主水面船舶要求的自主航行試驗船 ——智騰號順利完成了自主航行和自主避碰試驗，其自主智能航行系統(tǒng)由中國船舶集團有限公司第七〇四研究所研發(fā)。該系統(tǒng)集成了智能態(tài)勢感知系統(tǒng)、自主航行決策系統(tǒng)和自主駕駛控制系統(tǒng)，具備自主航行、自動避碰、自主靠離泊和遠程遙控等功能，未來將應用于小型自主航行集裝箱船。

3.2.2 智能機艙系統(tǒng)

中國船級社《智能船舶規(guī)范》第4 章給出了智能機艙的定義和一般要求。我國在智能機艙方面已進行了大量基礎性研究，但國內開發(fā)智能機艙設備與系統(tǒng)的廠家并不多，成熟應用的相對較少。

國內，上海三進科技發(fā)展有限公司基于控制器局域網（controller area network,CAN）總線技術，開發(fā)了CJB 3100 系列監(jiān)測報警系統(tǒng)。比太系統(tǒng)工程有限公司聯(lián)合華東船舶工業(yè)學院，研發(fā)了船舶自動化監(jiān)控系統(tǒng)和Seainfo 軟件系統(tǒng)[20]。武漢理工大學提出了船用發(fā)動機綜合狀態(tài)診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多個子系統(tǒng)，對主/輔發(fā)動機轉速、氣缸壓力、軸系振動、軸功率、機艙設備熱力參數(shù)、船舶油耗和航速等運行參數(shù)進行綜合診斷和評估。該狀態(tài)診斷系統(tǒng)綜合應用多種診斷方法，實現(xiàn)對整個機艙的智能監(jiān)控[21]。王延濤等[22]提出1 種新的智能機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用總線式分布結構設計，提高了系統(tǒng)各模塊的自制權。與傳統(tǒng)報警系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)結構更簡單靈活，危險信號響應迅速，報警信息反饋及時，具備很強的可靠性。孟慶寶[23]研發(fā)的艦船智能機艙系統(tǒng)可通過CAN 總線和以太網技術實現(xiàn)機艙監(jiān)控數(shù)據的傳輸與共享，運用模塊化技術提高了艦船智能機艙系統(tǒng)的維護效率。

目前，國內已有大型運輸船舶配置新型智能機艙系統(tǒng)。以某大型智能散貨船為例，通過運用數(shù)據采集及測量技術、狀態(tài)分析及預測技術等關鍵技術，實現(xiàn)了基于熱工參數(shù)及振動的故障分析和關鍵狀態(tài)趨勢預測，搭建了機艙設備狀態(tài)監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)架構。該智能機艙系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 智能機艙系統(tǒng)圖

3.2.3 智能能效系統(tǒng)

中國船級社發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》和《智能船舶能效管理檢驗指南》對我國船舶智能能效優(yōu)化提出明確要求[24]。目前國內的船舶能效監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)已取得一些進展，但智能能效控制系統(tǒng)技術研究仍處于起步階段，智能能效管理系統(tǒng)仍需不斷更新和完善。

國內，中遠集裝箱運輸有限公司與上海海事大學合作開發(fā)了船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)測燃油消耗情況、分析油耗異常原因、提供能效優(yōu)化方案，有效實現(xiàn)了船舶營運過程中的降本增效和節(jié)能環(huán)保[25]。

中國船級社聯(lián)合大連海事大學等科研單位先后研發(fā)了多款船舶能效系統(tǒng)，并基于船舶能效數(shù)據庫、應用系統(tǒng)軟件和船載數(shù)據采集與管理軟件開發(fā)了營運船舶能效管理和計算軟件系統(tǒng)。船舶能效在線智能管理系統(tǒng)利用大數(shù)據和人工智能算法等技術，可提供船舶能效綜合智能優(yōu)化方案[26]。武漢理工大學開發(fā)了船舶能效與通航環(huán)境數(shù)據監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)可對船舶主機轉速、轉矩、油耗、軸功率、船舶對水/對地航速、風速風向與航道水深等船舶姿態(tài)、能耗和通航環(huán)境數(shù)據進行實時的采集與監(jiān)控[27]。

滬東中華造船（集團）有限公司為中遠海運集團設計建造了首艘獲得CCS 認證的智能能效管理船舶——中遠海運乞力馬扎羅號。該船的智能能效系統(tǒng)不僅能監(jiān)測船舶能耗水平，還能為船員和船東提供能效優(yōu)化輔助決策[28]。

3.2.4 智能集成平臺系統(tǒng)

中國船級社《智能船舶規(guī)范》曾給出了智能集成平臺系統(tǒng)層次劃分和總體結構，見圖3。

圖3 智能集成平臺系統(tǒng)總體結構

目前，我國的船舶智能集成平臺系統(tǒng)研制還在起步階段，且主要應用于國內自主研發(fā)的智能船舶。

國內，常熟瑞特電氣股份有限公司開發(fā)了智能船舶集成信息平臺。該平臺統(tǒng)一了船舶各智能系統(tǒng)數(shù)據的信息模型，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據的可靠交互和信息可視化[29]。中國船舶及海洋工程設計研究院為我國極地科考船研發(fā)并加裝了智能機艙集成平臺系統(tǒng)。該集成平臺系統(tǒng)項目的實施，使我國極地科考破冰船邁入世界先進行列[30]。

2018 年8 月，工信部高技術船舶科研專項“智能船舶1.0”的專項智能系統(tǒng)聯(lián)合調試順利結束，總體聯(lián)調測試了各應用功能，確定了各智能系統(tǒng)的交互方案，為智能系統(tǒng)裝船奠定了基礎。同年，全球首艘30 萬t 智能超大型油輪凱征輪及其姊妹船新海遼輪、全球首艘40 萬t 智能超大型礦砂船明遠輪及其姊妹船明卓輪成功交付。這4 艘智能示范船應用“平臺+應用”的設計理念，搭建了智能綜合網絡信息平臺，顯著提高運營能效和管理水平，同時獲得了中國船級社和挪威船級社的智能船舶符號認證[31-32]。2019 年，荷花號智能集裝箱船應用“1+N”智能體系框架，搭建了匯集智能機艙、智能航行和智能能效等功能系統(tǒng)的集成平臺，使船舶更“聰明”，營運更高效，航行更安全。2022 年3 月，搭載了增強視覺輔助航行和3D 影像智能輔助靠泊功能的山東新時代輪交付，并具備遠程監(jiān)測、遠程運維和遠程管控3 個維度的船岸交互服務能力。

4 智能船舶系統(tǒng)發(fā)展趨勢

IMO 在海上安全委員會（marine safety committee,MSC）第99 屆會議上，正式宣布將研究并制定相關公約規(guī)范解決海上水面自動船舶（maritime autonomous surface ship,MASS）的安全、環(huán)保等一系列問題。此后，MASS 成為每屆MSC 會議的熱點議題。2022 年4 月，MSC 第105 屆會議制定了為MASS 開發(fā)IMO 規(guī)則的工作計劃。將先以非強制性原則制定規(guī)則，預計在2024 年下半年通過。在此基礎上，制定強制性規(guī)則，預計在2028 年生效。由此可見，智能船將迎來加速發(fā)展階段。結合國內外發(fā)展現(xiàn)狀分析，智能船舶系統(tǒng)將向新型智能系統(tǒng)、智能系統(tǒng)網絡安全、船岸通訊系統(tǒng)升級、智能船舶測試驗證技術等方向發(fā)展。

4.1 新型智能系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代信息技術和人工智能等技術在智能船舶領域的不斷發(fā)展與應用，船舶智能感知系統(tǒng)、智能航行系統(tǒng)、網絡與通信系統(tǒng)等關鍵智能技術將迎來突破性進展。不同類型船舶根據其執(zhí)行任務不同，可細分出各自的智能系統(tǒng)發(fā)展路線，產生專業(yè)化、定制化的新型智能系統(tǒng)，船舶設備智能化水平、設備集成化、船岸協(xié)同交互程度將進一步提高。

在當前航運市場低迷、船舶運力過剩和節(jié)能減排限制等現(xiàn)實條件下，發(fā)展智能船舶、綠色船舶、新能源船舶，提高船舶營運效率，降低船舶排放，減少因人員失誤導致的事故，保障船舶航行安全，開發(fā)配套的新型智能任務系統(tǒng)，是世界各大航運公司未來發(fā)展的重點轉移方向。未來智能船舶在感知、認知、決策、控制和執(zhí)行等功能模塊將會誕生船用智能機器人、遠程駕駛控制系統(tǒng)、自動靠離泊系統(tǒng)、自主避碰系統(tǒng)、船岸協(xié)同系統(tǒng)、船舶排放監(jiān)控系統(tǒng)和貨物智能管理系統(tǒng)（裝卸貨）等新型智能系統(tǒng)。

4.2 智能系統(tǒng)網絡安全

隨著船舶網絡化程度逐漸提高，船舶網絡安全開始面臨威脅[33-34]，船舶智能系統(tǒng)網絡安全已引起國際海事領域的密切關注。國際船級社協(xié)會將船舶網絡安全監(jiān)管作為未來主要工作之一，波羅的海航運工會于2016 年發(fā)布了第1 版《船舶網絡安全指南》，國際海事組織先后批準通過了《海事網絡風險管理指南》和《安全管理體系中的海事網絡風險管理》，中國船級社編寫了2020 年生效的《海事網絡風險評估與管理體系指南》（2019）。

目前，我國智能船舶發(fā)展的重點任務主要包括提升智能船舶網絡和信息安全防護能力，智能船舶系統(tǒng)要求實現(xiàn)船舶的網絡與鏈路安全、系統(tǒng)硬件與軟件安全、船舶數(shù)據安全。2019 年全球首艘大型集裝箱智能船舶荷花號獲得中國船級社頒發(fā)的全球首張智能船舶網絡安全證書。

4.3 船岸通訊系統(tǒng)升級

智能船舶系統(tǒng)的進一步發(fā)展需要寬帶互聯(lián)網平臺支持的大規(guī)模云計算服務，需要占據一定的衛(wèi)星寬帶資源。2017 年，我國首顆高通量通信衛(wèi)星成功發(fā)射，實現(xiàn)了大陸東部附近水域航行船舶的低資費衛(wèi)星寬帶服務。預計未來10～ 15 年，智能船舶能夠得到高速率、低費率和低延遲的衛(wèi)星寬帶服務[35]。

智能船舶需要包含船舶、港口物流及船隊調度管理的船岸一體綜合服務，船岸通訊系統(tǒng)是其核心，海事衛(wèi)星通信技術的發(fā)展將促使船岸通訊系統(tǒng)升級，確保智能船舶船岸通訊系統(tǒng)在高通量、低時延條件下的可靠性。

4.4 智能船舶測試驗證技術

世界主要航運國家和各大船級社都在積極探索智能船舶功能測試技術、測試標準體系和分類等級劃分。目前已有多個國家建立了智能船舶水上實驗場，但智能船舶功能測試的驗證方法、測試標準、操作規(guī)范和海況場景等都在探索階段[36]。

2016 年，挪威設立了全球首個智能船舶海上試驗區(qū)（Trondheimsfjorden 試驗場），其位于挪威特隆赫姆峽灣區(qū)，目前已有多家高校和公司在此開展無人駕駛技術的測試。2017 年，芬蘭建立了全球首個對外開放的海上無人船測試場（Jaakonmeri測試場），其所在海域和航道環(huán)境復雜，可以實現(xiàn)多場景的試驗，有利于進行船舶自動駕駛技術測試。2018 年，比利時向公眾開放了智能航行測試場，該試驗場以萊茵河航行管理委員會制定的智能船舶等級分類規(guī)范標準進行測試。

2018 年，珠海開始建設亞洲首個無人船試驗場，并取得了中國船級社首張測試場服務供應方認可證書；隨后，國內在山東日照、青島和廣東湛江等地，相繼建設了多個智能船舶海上試驗場。

目前，國內外智能船舶海上試驗場大多針對小型無人船進行智能航行系統(tǒng)能力的測試，對大型船舶智能航行系統(tǒng)外的智能能效系統(tǒng)、智能貨物系統(tǒng)、智能機艙狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及船岸信息一體化系統(tǒng)等智能系統(tǒng)的海上試驗驗證還沒有建立相應的評價標準和測試體系。

5 結語

目前，世界范圍的智能船舶研究仍在探索和發(fā)展，船舶智能系統(tǒng)總體設計尚不完善，智能船舶關鍵核心技術還未突破，智能船舶功能驗證和評價標準體系仍在探索，智能船舶相關國際公約法規(guī)尚處于起步階段。當前，我國智能船舶發(fā)展適逢機遇也面臨挑戰(zhàn)，因此應根據智能航行技術的需要，積極開展智能船舶系統(tǒng)網絡安全、船岸通訊系統(tǒng)升級和智能船舶測試驗證技術的研究，同時開展各類新型智能系統(tǒng)攻關。

展望我國智能船舶發(fā)展，還需通過國家智能船舶重點項目的引導，加快關鍵核心技術和重點系統(tǒng)設備的研發(fā)，加速智能船舶技術、新一代信息技術和人工智能技術的融合，為各類型船舶量身定制智能化發(fā)展策略，有序推進各船型智能船舶系統(tǒng)發(fā)展，努力提升智能船舶的相關性能。