論智能船舶內(nèi)涵及分級

李 路

（上海船舶研究設(shè)計院 上海 201203）

0 引 言

當(dāng)前，全球正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命，這是利用數(shù)字化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時代，也是繼蒸汽機(jī)、電氣化和信息化以后，全球工業(yè)全面智能化升級的時代。

自21 世紀(jì)以來，包括中國在內(nèi)的世界主要造船大國先后開始了智能船舶的研制，近期也相繼在智能船舶領(lǐng)域加大加快推進(jìn)戰(zhàn)略布局，旨在搶占這一未來技術(shù)高地，獲得“自主船”時代發(fā)展先機(jī)[1]。韓國更是在其《韓國造船再騰飛戰(zhàn)略》中提出，到2030 年韓國造船業(yè)將在自主航行船舶領(lǐng)域爭取50%的全球市場占有率，守住造船業(yè)全球第1 的位置[2]。同時，國際海事組織（international maritime organization，IMO）自2018 年第99 次會議之后，便開始海上水面自主船（maritime autonomous surface ships，MASS）規(guī)則的立法工作，并在2022 年第105 次會議上通過了推動MASS 發(fā)展的路線圖，目標(biāo)是到2024 年底通過非強(qiáng)制性的MASS 規(guī)則，并計劃于2028 年1 月1 日強(qiáng)制生效。

船舶工業(yè)作為傳統(tǒng)工業(yè)的重要組成部分，面臨著國際法規(guī)和國外產(chǎn)業(yè)競爭的雙重壓力。中國要想在全球競爭中脫穎而出，實(shí)現(xiàn)將船舶工業(yè)做強(qiáng)、做優(yōu)和做大的目標(biāo)，進(jìn)而獲得新的發(fā)展動能，船舶智能化轉(zhuǎn)型升級已勢在必行。

1 智能船舶內(nèi)涵

目前對工業(yè)4.0 的普遍認(rèn)識為：其是1 套應(yīng)用于工業(yè)的技術(shù)，將機(jī)器、產(chǎn)品和服務(wù)連接起來，通過收集和分析數(shù)據(jù)，建立靈活、快速和高效的流程，以生產(chǎn)價廉物美的產(chǎn)品。在該范圍內(nèi)考慮的最相關(guān)技術(shù)便是物聯(lián)網(wǎng)、云計算、網(wǎng)絡(luò)安全、增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)、增材制造、自主機(jī)器人、仿真和區(qū)塊鏈等。[3]

然而，與汽車、航空、航天等其他行業(yè)相比，船舶的智能化進(jìn)展卻略顯緩慢，這是因為船舶領(lǐng)域有其自身的特點(diǎn)和難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）系統(tǒng)復(fù)雜度高

船舶系統(tǒng)涉及的專業(yè)廣，囊括總體、結(jié)構(gòu)、舾裝、輪機(jī)、電氣這5 大專業(yè)，并可進(jìn)一步細(xì)分為幾十個小專業(yè)。同時，船舶系統(tǒng)及零件數(shù)量也十分龐大。以國產(chǎn)首艘豪華郵輪愛達(dá)·魔都號為例，其零件數(shù)量就達(dá)到千萬級別，是飛機(jī)的數(shù)十倍、汽車的數(shù)百倍。全船包含了136 套系統(tǒng)、2 萬余套設(shè)備、2 500 萬個零件，還擁有長度分別為4 200 km 的電纜、350 km 的管系和450 km 的風(fēng)管等。[4]

（2）標(biāo)準(zhǔn)化程度低

船舶種類多達(dá)上百種。其中既有散貨船、集裝箱船、油船這類用于大宗貨物運(yùn)輸?shù)拇停灿幸夯烊粴獯?、汽車滾裝船這類用于運(yùn)輸專門品類的高端船型，還有用于運(yùn)送旅客并提供休閑娛樂的客船、旅游船，以及用于工程作業(yè)的風(fēng)機(jī)安裝船、油田服務(wù)的油田守護(hù)船等。此外，即使是同種船型，不同的噸位、載重量或船東，也會使得建造交付的船舶差異巨大，這也導(dǎo)致造船更多是定制化小批量（甚至單件）生產(chǎn)，而非大批量建造。而且，船舶根據(jù)不同的航區(qū)（如遠(yuǎn)洋船舶、沿海船舶、近海船舶和內(nèi)河船舶等），其船型及相應(yīng)的設(shè)備配置也會有較大差別。

（3）自主配套不足

船舶是連接世界貨物運(yùn)輸?shù)闹饕d體，全球90%以上的貨物是由船舶運(yùn)輸，船舶工業(yè)也是中國參與國際化競爭最早且最全面的行業(yè)之一。盡管我國在提升設(shè)備自主配套率方面投入了大量人力物力，設(shè)備自主配套能力近年來也有顯著提升，但絕大部分船舶設(shè)備的自主配套率仍不足30%；而與此同時，國外設(shè)備數(shù)據(jù)的開放性問題又對我國實(shí)現(xiàn)船上設(shè)備信息互聯(lián)提出了挑戰(zhàn)。

（4）產(chǎn)業(yè)相關(guān)方多源

遠(yuǎn)洋船舶價值巨大。如1 艘1 萬標(biāo)準(zhǔn)箱的集裝箱船價值超過1 億美元，且除了傳統(tǒng)的自營船東外，還有船舶租賃、船舶管理、船舶保理等相關(guān)方參與到船舶運(yùn)營之中。另外，遠(yuǎn)洋船舶在世界各個港口之間運(yùn)輸不同品類的貨物，又要與港口、海關(guān)、航道、貨主等多方互通信息。

（5）數(shù)字化基礎(chǔ)薄弱

與陸上產(chǎn)品相比，船舶數(shù)字化基礎(chǔ)相對薄弱，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

① 船舶航行于大海，與外界通信難度較大，故對設(shè)備的可靠性要求很高。船東更傾向于使用成熟可靠的產(chǎn)品，而對于相對新興的數(shù)字化、電子化設(shè)備的接受程度較低。

② 船用設(shè)備開發(fā)周期長且價格高，但由于其需適應(yīng)海上高鹽霧、高潮濕、易振動等復(fù)雜多變的環(huán)境，故也不適合直接移植使用陸上數(shù)字化設(shè)備。

③ 盡管國外船用設(shè)備廠商數(shù)字化程度較高，但也未達(dá)到陸上產(chǎn)品的水準(zhǔn)，并且開放度不夠；國內(nèi)船用設(shè)備廠商則因數(shù)字化基礎(chǔ)較差且研發(fā)需大量投入，故轉(zhuǎn)型意愿不足。

從上述分析可以看出，船舶行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級需要付出更多努力、克服更多困難。若要獲得解鎖智能船舶發(fā)展的鑰匙，首先必須對智能船舶的內(nèi)涵有清晰的理解和認(rèn)識。

《智能船舶發(fā)展白皮書-遠(yuǎn)洋船舶篇（2023）》[1]（下文簡稱“白皮書”）把智能船舶定義為：綜合運(yùn)用感知、通信、控制、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)，具備對復(fù)雜環(huán)境及自身狀態(tài)的自主感知、智能決策、多等級自動控制能力，比傳統(tǒng)船舶更加安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的新一代船舶。

具體而言，智能船舶在從出生到消亡的全生命周期（即從研發(fā)、設(shè)計、建造再到運(yùn)營和拆解）活動中，都比傳統(tǒng)船舶具備更高的智能化水平和自主能力。其不是簡單的自動化，而是賦予了船舶人類思維的能力，能夠在復(fù)雜的環(huán)境和場景下進(jìn)行自我學(xué)習(xí)并不斷進(jìn)化分析決策和執(zhí)行能力；此外，智能船舶也是其全生命周期的不同相關(guān)方在不同層次、維度上的數(shù)據(jù)、知識和模型的載體和集成平臺。

2 國際上對智能船舶的分級

雖然智能船舶已經(jīng)持續(xù)研究了十幾年，但其發(fā)展進(jìn)程（尤其是產(chǎn)業(yè)層面）仍處于初級階段，其中一部分重要原因是行業(yè)內(nèi)缺乏對智能船舶分級的科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)定義。

分級評價可以幫助人們更客觀地認(rèn)識和評價對象，促進(jìn)各類對象的改進(jìn)和提升，同時也可以為決策者和社會大眾提供參考，推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)范化和發(fā)展，最終在業(yè)內(nèi)形成統(tǒng)一認(rèn)識和理解，推動相關(guān)技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。如在交通領(lǐng)域，美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布的自動駕駛汽車分級標(biāo)準(zhǔn)SAE J3016《標(biāo)準(zhǔn)道路機(jī)動車駕駛自動化系統(tǒng)分類與定義》[5]（見表1），就對自動駕駛汽車行業(yè)的發(fā)展起到了重要的跨行業(yè)推動與示范作用。

表1 SAE J3016 對自動駕駛汽車的分級與定義

雖然IMO、各大船級社對于智能船舶分級給出了自己的理解和定義，但由于各自關(guān)注領(lǐng)域的不同，行業(yè)內(nèi)至今并沒有形成適用于智能船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的統(tǒng)一分級方法和定義。

2.1 IMO MASS Code

IMO 在海上安全委員會第99 次會議上，提出有關(guān)MASS 的臨時性定義與分級[6]，見下頁表2。IMO 出于其職責(zé)和使命，將 MASS Code 分級更多聚焦于海上人命安全，主要是以“人員是否在船”和“船舶駕駛模式”作為分級標(biāo)準(zhǔn)，解決的是在其分級下確保不同自主水平的船舶航行和人員安全問題，重點(diǎn)研究目前的規(guī)范體系如何適應(yīng)自主水面船的問題，而對于船舶自身智能化的水平卻關(guān)注較少。

表2 IMO 提出的有關(guān)MASS 的臨時性定義與分級

2.2 船級社規(guī)范

世界上各主要船級社先后發(fā)布了自己的智能船舶規(guī)范或相關(guān)指南，如中國船級社的《智能船舶規(guī)范》、日本船級社的《Guidelines for digital smart ships》、挪威 船 級 社 的《Class guideline for smart vessel》等；同時，各船級社還針對船舶的自主水平給出了各自的分級定義，參見圖1。

圖1 各船級社針對船舶自主水平所給出的分級定義

通過分析研究這些規(guī)范和指南，可見目前各船級社對于船舶自主水平分級大多聚焦在自主航行，而對于智能舶舶尚未形成整體上的分級定義，僅是以智能船舶附加標(biāo)志來界定船舶所具備的智能功能；此外，對智能機(jī)艙、智能能效管理[7]等智能功能也沒有分級標(biāo)準(zhǔn)來評價其智能水平。

3 智能船舶的智能分級

智能船舶發(fā)展的十幾年，是不同國家、不同企業(yè)展現(xiàn)能力的十幾年，也是對于智能船舶不斷探索、不斷完善的十幾年。經(jīng)過這十幾年的研究，船舶行業(yè)在智能船舶領(lǐng)域積累了大量成功經(jīng)驗，形成了不少智能船舶方面的規(guī)范、指南和成果。不過正如前文所述，智能船舶分級至今仍未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也未被船東所普遍認(rèn)可和接受。如何通過合理分級來促進(jìn)船舶工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級，進(jìn)而通過標(biāo)準(zhǔn)化的引領(lǐng)來實(shí)現(xiàn)智能船舶行業(yè)快速發(fā)展，便是本文的研究重點(diǎn)。

船舶是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，要衡量船舶智能水平不可能僅僅局限在某一方面，而應(yīng)該以系統(tǒng)工程的觀念，自頂而下對全船的智能水平進(jìn)行統(tǒng)一的分級和評價。若某艘船雖具備了自主航行的功能，但其他方面（如設(shè)備運(yùn)維、貨物裝卸等）還處于比較低級的智能水平，很難想象船東會接受這樣的智能船舶。組成船舶的各個子系統(tǒng)的智能水平應(yīng)該基于應(yīng)用場景和運(yùn)營工況來設(shè)定并相互協(xié)調(diào)，如此才能保證智能船舶分級、最終實(shí)現(xiàn)的功能和呈現(xiàn)的智能化水平為船東所需。

基于系統(tǒng)工程的分級方法和流程如下：

（1）首先對船舶整體的智能化水平進(jìn)行統(tǒng)一分級定義，確定智能船舶整體級智能水平，實(shí)現(xiàn)整體級智能分級定義；

（2）根據(jù)船東關(guān)心的不同船型典型應(yīng)用場景或船舶運(yùn)營工況，將智能船舶整體級智能水平分解為場景工況級智能水平，實(shí)現(xiàn)智能船舶場景工況級智能分級定義；

（3）針對每種應(yīng)用場景和運(yùn)營工況研究其相關(guān)的組成設(shè)備和系統(tǒng)，并對每種設(shè)備系統(tǒng)定義其需要具備的智能化水平和能力，將每個場景工況級智能水平分解為設(shè)備系統(tǒng)級智能水平，實(shí)現(xiàn)智能船舶設(shè)備系統(tǒng)級智能分級定義；

（4）針對每種設(shè)備和系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需要研究其組成的零部件和元器件所需具備的智能化水平和能力，將每個設(shè)備系統(tǒng)級智能水平再分解為部件級智能化水平，從而實(shí)現(xiàn)智能船舶部件級智能分級定義。

白皮書按以上方法進(jìn)行了智能船舶分級嘗試并作如下展示。

3.1 智能船舶整體級智能分級

白皮書綜合參考MASS 規(guī)則及各船級社的分級，并參照無人駕駛汽車的分級方法，考慮不同智能等級之間的漸近和遞進(jìn)關(guān)系，將智能船舶分為L1 至L5 這5 個等級，并從系統(tǒng)控制、營運(yùn)監(jiān)視、失效應(yīng)對、監(jiān)管地點(diǎn)這4 個維度來界定船舶整體的智能水平，如表3 所示。

表3 智能船舶分級方法及相應(yīng)的智能水平

白皮書主要從船舶自主控制程度以及人是否在控制回路的角度，按以上4 個維度進(jìn)行分級分類。另外，智能船舶的整體智能水平還表現(xiàn)為2 個重要特征，即船舶數(shù)字化水平和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力。數(shù)字化是自主化的基石，高水平的自主船舶離不開相匹配的船舶數(shù)字化支撐環(huán)境；而系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力則是體現(xiàn)智能化與自動化區(qū)別的關(guān)鍵要素。

表4 同樣按智能船舶分級（L1 至L5），對船舶數(shù)字化和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)所需的能力進(jìn)行分析和歸納。

表4 智能船舶等級及相應(yīng)的數(shù)字化和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力

3.2 智能船舶場景工況級智能分級

白皮書以遠(yuǎn)洋船舶為目標(biāo)對象，選取主力船型中最常用的航行、錨系泊和裝卸貨這3 個典型工況和應(yīng)用場景，并對組成各場景工況的關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行分解，如圖2 所示。

圖2 智能船舶場景工況級智能分級示意圖

不同的應(yīng)用場景和運(yùn)營工況因其功能實(shí)現(xiàn)與作用域的差異，對于不同的分級、場景工況級智能水平也會呈現(xiàn)較大的差異性，這也正是進(jìn)行場景工況級智能分級的原因。

表5 重點(diǎn)對于航行、錨系泊這2 個場景工況進(jìn)行示例說明。

表5 航行與錨系泊場景工況示例

3.3 智能船舶設(shè)備系統(tǒng)級及部件級的智能分級

白皮書根據(jù)選定的3 個應(yīng)用場景和運(yùn)營工況及其構(gòu)成設(shè)備系統(tǒng)，各選擇1 種關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)作為示例，通過描述該設(shè)備系統(tǒng)在不同分級下所需具備的自主能力來定義設(shè)備系統(tǒng)級智能分級。下頁表6 說明了航行工況下主推進(jìn)系統(tǒng)在不同智能等級下所需具備的能力。不過，白皮書沒有給出進(jìn)一步的部件級智能分級。

表6 航行工況下的主推進(jìn)系統(tǒng)智能等級及相應(yīng)能力

3.4 智能分級的定義

由于多種原因，白皮書并未完成對智能船舶分級的完整定義。這除了時間和篇幅受限等因素，更主要的是要形成行業(yè)共識的有價值且有助于行業(yè)發(fā)展的分級定義，需要行業(yè)內(nèi)各優(yōu)勢單位秉持開放合作的精神，依托各自的專業(yè)優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，經(jīng)過充分研討，才有可能形成。

4 結(jié) 語

對于智能船舶這一未來重要的產(chǎn)業(yè)競爭高地，只有深刻理解其內(nèi)涵，充分認(rèn)識船舶的專業(yè)性、復(fù)雜性，以及數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級的艱巨性，同時融合最新的數(shù)字孿生、人工智能、大數(shù)據(jù)和機(jī)器人等技術(shù)，才能明晰智能船舶的發(fā)展方向并制定出適合中國船舶工業(yè)實(shí)際的智能船舶發(fā)展路徑,實(shí)現(xiàn)船舶業(yè)的第四次工業(yè)革命。同時，要重視智能船舶分級對推動行業(yè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)作用，集合行業(yè)內(nèi)外力量盡快形成適應(yīng)中國的智能船舶分級體系。這樣不僅可以幫助行業(yè)明確發(fā)展目標(biāo)、優(yōu)化行業(yè)資源、促進(jìn)協(xié)同合作，還有助于中國在智能船舶的國際競爭中實(shí)現(xiàn)從跟跑、并跑邁向領(lǐng)跑。