內(nèi)河水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施及船舶技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

于全虎

（江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司 鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

截至2022 年末，全國內(nèi)河航道通航總里程達(dá)12.80 萬km，其中等級航道占比52.7%，主要內(nèi)河通航水系為長江、珠江、黃河、黑龍江、京杭運(yùn)河、閩江和淮河水系；運(yùn)輸船舶總數(shù)為10.95 萬艘，凈載重量為15 249.73 萬t，載客量為57.27 萬客位，呈現(xiàn)水運(yùn)總量上升及船舶大型化趨勢[1]。

2019 年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，提出到2035 年基本建成交通強(qiáng)國，到本世紀(jì)中葉全面建成交通強(qiáng)國；并且提出交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模質(zhì)量、技術(shù)裝備、科技創(chuàng)新能力、智能化與綠色化水平均應(yīng)位居世界前列等發(fā)展目標(biāo)。2020年，交通運(yùn)輸部印發(fā)《內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展綱要》，提出建設(shè)干支銜接、江海聯(lián)通的內(nèi)河航道體系，推進(jìn)專業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)輸船舶發(fā)展，顯著提高新能源和清潔能源船舶占比等。

2021 年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，遠(yuǎn)景展望至21 世紀(jì)中葉的國家綜合立體交通網(wǎng)和交通基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)目標(biāo)，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綠色化等。同年，國務(wù)院頒布《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，提出完善內(nèi)河高等級航道的電子航道圖，繼續(xù)實施數(shù)字航道和智慧航道的建設(shè)及服務(wù)能力提升工程，增強(qiáng)船舶航行全過程船岸協(xié)同能力；還要推廣綠色智能船舶并推進(jìn)自主航行等技術(shù)應(yīng)用，強(qiáng)化自主航行和船岸協(xié)同等船舶智能技術(shù)研發(fā)，推動船舶智能航行的遠(yuǎn)程操控和岸基協(xié)同等整體技術(shù)體系應(yīng)用；推動內(nèi)河船舶增加清潔能源利用量，推進(jìn)內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化以及5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能（artificial intelligence，AI）、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)與交通運(yùn)輸深度融合，實現(xiàn)北斗系統(tǒng)對交通運(yùn)輸重點(diǎn)領(lǐng)域全面覆蓋等。

2022 年，工業(yè)和信息化部等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快內(nèi)河船舶綠色智能發(fā)展的實施意見》，提出至2025 年突破液化天然氣、甲醇、氫燃料、電池等船舶綠色動力關(guān)鍵技術(shù)，顯著提升船舶裝備的智能化水準(zhǔn)，基本形成內(nèi)河船舶綠色智能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系。2023 年，工業(yè)和信息化部等五部委聯(lián)合印發(fā)《船舶制造業(yè)綠色發(fā)展行動綱要（2024—2030 年）》，提出到2025 年初步構(gòu)建、2030 年基本建成我國船舶制造業(yè)綠色發(fā)展體系，其中要求推動沿海內(nèi)河船舶電氣化改造工程試點(diǎn)，研發(fā)和示范應(yīng)用多種LNG、電池動力船型，以及研發(fā)和試點(diǎn)甲醇、氫等動力船型，形成綠色船舶標(biāo)準(zhǔn)化和譜系化供給能力。

上述政策性文件對我國內(nèi)河水運(yùn)和船舶技術(shù)提出了創(chuàng)新發(fā)展的總體要求，為新時代內(nèi)河航運(yùn)加快高質(zhì)量發(fā)展指明了方向，同時給予了重要政策保障。本文通過梳理提煉國內(nèi)外內(nèi)河水運(yùn)與船舶發(fā)展的現(xiàn)狀、相關(guān)政策演變，分析創(chuàng)新技術(shù)研究進(jìn)展與典型案例，對內(nèi)河水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施及船舶技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 內(nèi)河運(yùn)輸船型標(biāo)準(zhǔn)化和譜系化

1.1 國外發(fā)展情況

歐洲內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)達(dá)國家通過共同規(guī)劃建設(shè)連通多國的水運(yùn)網(wǎng)，并積極落實相應(yīng)優(yōu)惠政策，將河流渠化、航道整治和船型標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)推進(jìn)。目前歐盟內(nèi)河運(yùn)輸船舶的主尺度在許可小幅調(diào)整的前提下基本實行了標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)各區(qū)域運(yùn)輸市場需求和通航條件，結(jié)合航道寬度、水深和跨河橋梁凈空高等因素適用不同的標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度，與我國的標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度制定原則類似。歷經(jīng)百余年的發(fā)展和迭代更新，萊茵河水系船型的主尺度已較為標(biāo)準(zhǔn)。

歐洲各國在積極推進(jìn)內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化的同時，也相當(dāng)重視航道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，通過建設(shè)信息交管系統(tǒng)，實現(xiàn)航道動態(tài)監(jiān)控、船舶定位信息聯(lián)通、加強(qiáng)危險品船舶管理等。美國在內(nèi)河水系的綜合開發(fā)中，將發(fā)展航運(yùn)放在重要位置，已形成了全美內(nèi)河深水航道網(wǎng)，通過實施航道和船閘等基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，極大地推動了船型標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。密西西比河水系經(jīng)過百余年的綜合開發(fā)，已成為世界上最先進(jìn)發(fā)達(dá)的現(xiàn)代化內(nèi)河航道網(wǎng)，其水域航行船舶也實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化[2]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展情況

我國內(nèi)河運(yùn)輸船型標(biāo)準(zhǔn)化起步于20 世紀(jì) 70 年代中期，工作重點(diǎn)為船型的簡統(tǒng)優(yōu)選，發(fā)布了內(nèi)河船型的修（制）造標(biāo)準(zhǔn)。1981—2001 年，船型標(biāo)準(zhǔn)化處于發(fā)展階段，船型簡統(tǒng)優(yōu)選與制定船型標(biāo)準(zhǔn)同步進(jìn)行，優(yōu)選出200 多種不同水域的優(yōu)良代表船型并向全國推薦，還制定了《長江水系分節(jié)駁船型尺度系列》國家標(biāo)準(zhǔn)，先后發(fā)布了《長江中下游推船船型系列》、《長江水系機(jī)動駁船系列》、《長江下游水網(wǎng)貨駁船型系列》、《珠江水系自航駁頂推船隊尺度系列》和《江海直達(dá)貨船船型系列》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2002—2013 年，船型標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入重點(diǎn)推進(jìn)階段：2003 年，交通部公布包含16 型貨船、3 型集裝箱船、3 型分節(jié)駁和2 型推船的京杭運(yùn)河標(biāo)準(zhǔn)船型系列；2004 年1 月1 日，京杭運(yùn)河船型標(biāo)準(zhǔn)化示范工程在山東、江蘇、浙江、河南、安徽和上海開始實施；交通部于2004 年至“十二五”期間陸續(xù)發(fā)布并修訂出臺了《川江及三峽庫區(qū)運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》、《京杭運(yùn)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》和《珠江干線貨運(yùn)船舶船型主尺度系列》等主要水域的過閘運(yùn)輸船型主尺度系列，覆蓋京杭運(yùn)河、長江、珠江、閩江和黑龍江水系等主要內(nèi)河通航水域，提出內(nèi)河過閘運(yùn)輸船型的規(guī)范化主尺度共163 種；2006 年，交通部編制了《全國內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》，指導(dǎo)船型標(biāo)準(zhǔn)化工作并推進(jìn)建立長效機(jī)制；2013 年，交通運(yùn)輸部、財政部與18 個省級政府聯(lián)合出臺《“十二五”期推進(jìn)全國內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化工作實施方案》，船型標(biāo)準(zhǔn)化實施范圍由內(nèi)河重點(diǎn)水域擴(kuò)展至《全國內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》確定的“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”全國高等級航道網(wǎng)，船型標(biāo)準(zhǔn)化開始全面推進(jìn)階段。2019 年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布《內(nèi)河過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》（GB38030-2019），歸并簡化了之前的主尺度系列，并確定了124 種船型，將長江水系、京杭運(yùn)河和淮河水系、西江航運(yùn)干線、珠江水系“三線”以及黑龍江－松花江的內(nèi)河過閘運(yùn)輸船舶部分主尺度要求，上升為強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。至此，我國內(nèi)河船舶標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已基本完善，主要水域和運(yùn)輸船舶類型也基本全覆蓋。

縱觀國外船型標(biāo)準(zhǔn)化歷史，我國船型標(biāo)準(zhǔn)化工作處于尚未成熟的全面快速發(fā)展階段。歷史上，我國內(nèi)河航道長期處于碎片化開發(fā)以及通航設(shè)施等級不斷變化的環(huán)境中。然而隨著內(nèi)河航道加快升級，為提高通航適應(yīng)性需相應(yīng)不斷調(diào)整船舶主尺度并界定優(yōu)秀船型，船型譜系規(guī)劃總體遵循由繁入簡的原則[4]。伴隨未來內(nèi)河航道大規(guī)模建設(shè)完成，通航船型主尺度與航道長遠(yuǎn)規(guī)劃的匹配逐漸清晰，內(nèi)河船型主尺度系列將繼續(xù)同步整合，在實用性船型優(yōu)選的基礎(chǔ)上形成譜系化。

2 水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字、信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)深度融合

2.1 國內(nèi)外航道數(shù)字化發(fā)展及智慧航道建設(shè)概況

內(nèi)河航道是國家層級重要的公益性交通基礎(chǔ)設(shè)施，是我國綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分。數(shù)字航道是綜合應(yīng)用地理信息系統(tǒng)、寬帶網(wǎng)絡(luò)、遙感遙測、通訊、虛擬仿真和多媒體等技術(shù)手段，實現(xiàn)航道業(yè)務(wù)流程、動態(tài)監(jiān)測管理和輔助決策服務(wù)等的數(shù)字化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的技術(shù)體系，是智慧航道的發(fā)展基礎(chǔ)。2005 年，交通部在長江干線南京至瀏河口段航道開啟了長江數(shù)字航道與智能航運(yùn)建設(shè)示范工程；2008 年，該工程完成電子航道圖、船舶動態(tài)監(jiān)控、船舶導(dǎo)航、航標(biāo)遙測遙控等系統(tǒng)，以及系統(tǒng)支撐平臺和相應(yīng)配套設(shè)施構(gòu)成的國內(nèi)首條內(nèi)河數(shù)字航道建設(shè)，實現(xiàn)長江航道圖數(shù)字化、船舶與航標(biāo)監(jiān)控實時化、船舶導(dǎo)航自動化和信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化，航道管理和對外服務(wù)由傳統(tǒng)模式進(jìn)入數(shù)字化和信息化時代[5]。

2019 年，長江數(shù)字航道實現(xiàn)全面聯(lián)通運(yùn)行，建立了長江數(shù)字航道數(shù)據(jù)交換、智慧管養(yǎng)與信息服務(wù)一體化協(xié)同系統(tǒng)，如下頁圖1 所示[6]。智慧航道是在現(xiàn)代信息技術(shù)、AI 和航道業(yè)務(wù)的融合引領(lǐng)下，由數(shù)字航道體系演進(jìn)生成的新一代航道信息化戰(zhàn)略體系，以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素和核心驅(qū)動，深度融合大數(shù)據(jù)、北斗、5G 和AI 等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)航道網(wǎng)動態(tài)運(yùn)行管理服務(wù)、船舶與航道高效協(xié)同的現(xiàn)代化航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施[7]。2022 年，江蘇省交通運(yùn)輸廳發(fā)布國內(nèi)首個智慧航道建設(shè)技術(shù)指南《江蘇省智慧航道建設(shè)技術(shù)指南》，定義智慧航道為綜合運(yùn)用5G、大數(shù)據(jù)、北斗、AI、建筑信息模型（building information modeling，BIM）等新一代信息技術(shù)，提升航道及其沿線相關(guān)設(shè)施的設(shè)計、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)行、服務(wù)全生命周期智慧化。

圖1 長江干線數(shù)字航道生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)

2023 年，江蘇省交通運(yùn)輸廳啟動京杭運(yùn)河蘇北段智慧航道建設(shè)項目，通過建設(shè)船閘感知和立體傳輸網(wǎng)、船閘指揮中心、數(shù)據(jù)中心、水上服務(wù)區(qū)、錨地及交通卡口監(jiān)控攝像機(jī)網(wǎng)、船舶自動識別系統(tǒng)和北斗基站、能見度儀、流速流向儀和氣象儀等感知裝備，并配套相應(yīng)的通信、存儲和供電系統(tǒng)等，形成5G 感知網(wǎng)絡(luò)對航道全覆蓋，為航道運(yùn)行調(diào)度和養(yǎng)護(hù)管理等提供實時動態(tài)信息。

近年來，我國在長江、西江和京杭運(yùn)河等干線航道積極開展數(shù)字航道建設(shè)，繪制約14 000 km 電子航道圖，并在部分航段探索電子航道圖應(yīng)用、航道養(yǎng)護(hù)主動巡檢、航標(biāo)和水位自動化監(jiān)測、過閘信息服務(wù)等，推動了航道運(yùn)行監(jiān)測、航道維護(hù)管理、航道應(yīng)急調(diào)度、航道信息服務(wù)和船閘智能調(diào)度等業(yè)務(wù)發(fā)展。我國內(nèi)河智慧航道目前總體處于數(shù)字化初級階段，網(wǎng)絡(luò)化和智能化應(yīng)用尚需加強(qiáng)提升，與國家及相關(guān)部門推進(jìn)航道高質(zhì)量發(fā)展的要求相比尚有差距。據(jù)歐洲議會官網(wǎng)顯示，歐盟2021 年在更新的“連接歐洲設(shè)施”計劃中提出“內(nèi)河航道數(shù)字化”項目，通過制定跨歐洲運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)走廊的內(nèi)陸水道數(shù)字化共同戰(zhàn)略，使內(nèi)河水運(yùn)具備長遠(yuǎn)競爭力和可持續(xù)性[8]。

《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》提出推進(jìn)交通的智慧發(fā)展，加強(qiáng)內(nèi)河高等級航道在線監(jiān)測，推動船岸協(xié)同和自動化碼頭等發(fā)展，加快提升交通科技創(chuàng)新能力并推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化和網(wǎng)聯(lián)化?！笆奈濉钡奖臼兰o(jì)中葉，融合新一代信息技術(shù)的我國內(nèi)河智慧航道發(fā)展迎來重大機(jī)遇和黃金發(fā)展期，今后應(yīng)在完善航道物理和規(guī)則空間的基礎(chǔ)上，聚焦賽博空間的理論和技術(shù)突破，基于航道感知和認(rèn)知、AI、時空地理信息、大帶寬無線通信等先進(jìn)技術(shù)，在物理、規(guī)則和賽博空間建立支撐船舶智能航行的能力[9]。

2.2 國內(nèi)外港口智能化發(fā)展及智慧港口建設(shè)概況

港口自動化、智慧化發(fā)展是伴隨商船大型化、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展、港區(qū)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)升級而逐漸發(fā)展起來的。智慧港口強(qiáng)調(diào)充分利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和智能感知的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合應(yīng)用自動化設(shè)備，實現(xiàn)港口供應(yīng)鏈上下游各功能模塊的協(xié)同聯(lián)動以及各物流要素的無縫銜接，達(dá)到了運(yùn)營自主、資源共享和顯著降低成本的效果，終極目標(biāo)是實現(xiàn)綠色、高效、智能、安全和柔性化運(yùn)作的港口新形態(tài)。國外智慧港口建設(shè)起步較早，對智慧港口的研究目前主要聚焦于發(fā)展愿景和發(fā)展理念等；國內(nèi)智慧港口建設(shè)起步雖較晚，但后期加快了建設(shè)步伐，對智慧港口的研究多關(guān)注于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)的應(yīng)用，而較少規(guī)劃港口的未來發(fā)展，對智慧港口的評價指標(biāo)體系等規(guī)范研究更是尚處于初級階段[10-11]。

2015 年，新加坡海事和港口管理局提出“下一代港口2030 年”戰(zhàn)略，以大士港智能港口建設(shè)為核心，通過融合新一代技術(shù)打造穩(wěn)定高效和可持續(xù)發(fā)展的未來港口。國內(nèi)青島、廈門、天津和上海等地的港口在自動化碼頭和智慧物流平臺建設(shè)等方面也積累了豐富經(jīng)驗：廈門港在國內(nèi)首個建成自動化集裝箱碼頭，并完成傳統(tǒng)集裝箱碼頭的全流程智能化改造；青島港建成全球首個5G 智慧碼頭，并且使用的自動化軌道吊采用氫動力為全球首創(chuàng)；上海港建成全球規(guī)模最大、智能化程度最高且擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的洋山四期全自動化集裝箱碼頭；天津港建成全球首個“智慧零碳”智能化集裝箱碼頭。2021 年，交通運(yùn)輸部印發(fā)《交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動方案（2021—2025 年）》，提出推進(jìn)碼頭作業(yè)裝備自動化、建設(shè)港口智慧物流服務(wù)平臺等智慧港口建設(shè)行動任務(wù)，推進(jìn)一批沿海和內(nèi)河既有集裝箱碼頭的智能升級和新一代自動化碼頭建設(shè)，探索內(nèi)河傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化改造經(jīng)驗。推動智慧港口業(yè)務(wù)從試驗到商用，建設(shè)綠色、安全、高效的多層次智慧化港口將是未來發(fā)展方向。我國大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、北斗、AI 等高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，必將加速推進(jìn)港口數(shù)字化和智慧化進(jìn)程。

3 船舶智能化及配員少人化

3.1 智能船舶技術(shù)的核心要素

智能航運(yùn)是傳統(tǒng)航運(yùn)要素與現(xiàn)代通信、傳感、信息、AI 等高新技術(shù)深度融合形成的現(xiàn)代航運(yùn)新業(yè)態(tài)，包括智能船舶、智能港口、智能航保、智能航運(yùn)服務(wù)和智能航運(yùn)監(jiān)管等方面。智能船舶是智能航運(yùn)的關(guān)鍵核心要素，集成了智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理等多項功能，其中智能航行是智能船舶依靠集成化智能技術(shù)解決航行過程中的船舶運(yùn)動控制問題，而智能機(jī)艙等則是解決船舶內(nèi)部運(yùn)行的控制問題。船舶智能航行主要包括自主航行、遙控駕駛和輔助航行這3 種形態(tài)，其中自主航行和遙控駕駛還可細(xì)分為無人在船、有人在船等情形[12]。船舶智能技術(shù)融合了傳感器、5G、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、AI、北斗等多學(xué)科技術(shù)，通過自動感知并獲取船舶自身、水域環(huán)境、物流和港口等方面的數(shù)據(jù)信息，基于大數(shù)據(jù)、計算機(jī)和自動控制等技術(shù)，實現(xiàn)船舶航行、管理、維保、貨物運(yùn)輸?shù)鹊淖灾鳑Q策、運(yùn)行和安全航行。

3.2 國外智能船舶發(fā)展概況

日本注重?fù)屨贾悄艽皣H標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域的主動權(quán)，牽頭發(fā)布或在研多項國際標(biāo)準(zhǔn)。2018 年，日本政府發(fā)布《海洋基本計劃》三期，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)應(yīng)加強(qiáng)對“i-Shipping”等智能船舶項目的支持；同年，日本國土交通省設(shè)立以岸基駕控中心建設(shè)和實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作為目標(biāo)的船舶遠(yuǎn)程駕駛示范項目，日本船級社則成立“海事業(yè)大數(shù)據(jù)中心”，實時收集并處理、分析船舶機(jī)艙數(shù)據(jù)，為設(shè)備的維護(hù)和優(yōu)化提供合理化建議。

日本目前已完成對遠(yuǎn)程控制導(dǎo)航的測試以及對自主船舶技術(shù)框架的原則性批準(zhǔn)（approval in principle, AIP）認(rèn)證，其無人船項目“MEGURI 2040”也于2022 年完成了對“Mikage”194 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船、“Suzaku”204 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船、“Sea Friend Zero”小型客船、“SOLEIL”大型客滾船和“Sunflower Shiretoko”大型車客渡船的自主航行試驗。

2019 年，韓國政府發(fā)布《智能自航船舶及航運(yùn)港口應(yīng)用服務(wù)開發(fā)》，提出依靠高新技術(shù)推動高附加值智能船舶研發(fā)。目前韓國主要造船企業(yè)的智能船舶技術(shù)平臺體系或計劃有三星重工的“智能船舶解決方案”、現(xiàn)代重工的“綜合智能船舶解決方案”、大宇造船的“智能船舶4.0 服務(wù)架構(gòu)”，并已應(yīng)用于多艘商船。

歐洲國家將技術(shù)要素視作智能船舶發(fā)展的核心競爭力，歐洲點(diǎn)對點(diǎn)短途海運(yùn)市場規(guī)模廣闊，又因人力成本較高，因此更傾向于小型船舶的自主無人化技術(shù)體系研發(fā)，注重推進(jìn)無人化和少人化操作實踐。相關(guān)智能船舶項目有歐盟的“自主船舶”項目、德國的“智能化及網(wǎng)絡(luò)支持的海上無人導(dǎo)航系統(tǒng)”項目、英國的“高級無人駕駛船舶應(yīng)用開發(fā)計劃”、法國的“自主航運(yùn)”等。荷蘭鹿特丹港與內(nèi)陸間超過40%的運(yùn)輸由內(nèi)河船完成，荷蘭智能航運(yùn)平臺（Netherlands forum smart shipping，SMASH）于2021 年發(fā)布了智能航運(yùn)路線圖，提出無人船、內(nèi)河貨船、內(nèi)河渡船等5 種智能航運(yùn)技術(shù)應(yīng)用場景（見圖2），以及船舶內(nèi)部系統(tǒng)、導(dǎo)航和制導(dǎo)、遠(yuǎn)程和岸基控制等10 個研發(fā)領(lǐng)域（見圖3）[13]。SMASH 預(yù)計：到2030 年，荷蘭25%的內(nèi)河貨船將達(dá)到“自主人工輔助”的自動化水平，并且擁有具備自主航行功能的內(nèi)河渡船隊。2021 年11 月，歐洲船企制造的全球首艘零排放、全自動商用120 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船“Yara Birkeland”首航。該船長79.5 m、寬14.8 m、吃水6 m、最大航速13 kn，采用6.8 MW·h 的儲能電池推進(jìn)。

圖2 荷蘭智能航運(yùn)發(fā)展的5 個技術(shù)應(yīng)用場景

3.3 國內(nèi)智能船舶發(fā)展概況

中國是世界上最早推出智能船舶指南的國家。2015 年，中國船級社（CCS）發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》 （2015），將智能船舶的功能劃分為智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨管和智能集成平臺。2017 年，我國學(xué)者提出了可完成船舶航行“感知、認(rèn)知、決策與控制”全過程的“航行腦”系統(tǒng)（navigation brain system，NBS）概念設(shè)計[14]。2017 年11 月，中國船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司建造的全球首艘智能商船——智慧海豚型38 800 t 智能散貨船“大智”命名交付。該船安裝了全球首個可自主學(xué)習(xí)并包含智能航行、智能機(jī)艙和智能能效管理子系統(tǒng)的船舶智能運(yùn)維系統(tǒng)，同時被授予CCS 智能船符號i-SHIP（NMEI）以及英國勞氏船級社智能船符號CYBER-SAFE、CYBERPERFORM 和CYBER-MAINTAIN。2019 年5 月，國內(nèi)首艘無人駕駛自主航行系統(tǒng)實驗船“智騰”首航。該船長21.08 m、寬5.40 m、型深2.20 m、吃水0.7 m、排水量約25 t、設(shè)計航速14 kn，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)便能實現(xiàn)在全自由海域精準(zhǔn)航行。其智能船舶系統(tǒng)由自主駕駛、動力控制、態(tài)勢感知、通導(dǎo)、船岸通訊系統(tǒng)和全船數(shù)據(jù)平臺構(gòu)成，具備人工駕駛、遠(yuǎn)程遙控、自動避碰、自主航行、自動靠離泊、自主循跡等功能。2019 年5 月，交通運(yùn)輸部等七部門聯(lián)合發(fā)布《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》，提出到2025 年突破一批制約智能航運(yùn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，使我國成為全球智能航運(yùn)發(fā)展創(chuàng)新中心。

2019 年12 月，國內(nèi)企業(yè)研發(fā)的自主航行無人貨船初代試驗示范平臺“筋斗云0 號”首航。該船長13.2 m，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)及數(shù)字化控制與自主航行系統(tǒng)，可完成船端的“感知-決策-控制”；同時利用“數(shù)字孿生技術(shù)”在岸基實時監(jiān)督并控制船舶，實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、自主循跡、會遇避碰和遙控靠離泊。2021 年9 月，我國自主研發(fā)的300 標(biāo)準(zhǔn)箱商用自主航行集裝箱船“智飛”首航。該船采用直流混動電力推進(jìn)系統(tǒng)，具備人工駕駛、無人自主航行、遠(yuǎn)程遙控駕駛模式，通過衛(wèi)星通信和5G 等多網(wǎng)多模通信與航運(yùn)、港口、海事、航保等岸基生產(chǎn)、調(diào)度控制、服務(wù)、監(jiān)管等機(jī)構(gòu)和設(shè)施實現(xiàn)協(xié)同，實現(xiàn)智能船舶與港口無人化碼頭間的船岸協(xié)同作業(yè)。

2021 年11 月，交通運(yùn)輸部印發(fā)《關(guān)于組織開展自動駕駛和智能航運(yùn)先導(dǎo)應(yīng)用試點(diǎn)的通知》，鼓勵內(nèi)河航行的輔助駕駛、遠(yuǎn)程駕駛以及特定條件下的自主駕駛等應(yīng)用示范，支持船舶編隊智能航行試點(diǎn)示范。 2022 年，第18 個“中國航海日”發(fā)布的《中國智能航運(yùn)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展預(yù)測》預(yù)測：至2025 年，我國智能航運(yùn)總體將達(dá)到國際先進(jìn)水平，輔助駕駛技術(shù)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，遙控駕駛和自主駕駛技術(shù)實現(xiàn)多樣本應(yīng)用；至2035 年，總體將達(dá)到國際領(lǐng)先水平；至2050 年，有望全面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

3.4 海洋和內(nèi)河智能船舶協(xié)同發(fā)展并實現(xiàn)少人化

智能船舶發(fā)展的第1 階段“互聯(lián)互通”和第2階段“系統(tǒng)整合”技術(shù)當(dāng)前已相對成熟，后續(xù)的遠(yuǎn)程控制和自主操作技術(shù)階段尚需加強(qiáng)研發(fā)。以歐洲“Yara Birkeland”和我國“智飛”集裝箱船為代表的先進(jìn)智能船舶已開始運(yùn)營，但尚未真正實現(xiàn)完全自主航行。智能船舶是未來船舶發(fā)展的必然趨勢，現(xiàn)有智能船舶的技術(shù)研發(fā)基本集中于海洋船舶應(yīng)用領(lǐng)域，僅少數(shù)國家（如荷蘭）在其“智能航運(yùn)路線圖”提出了內(nèi)河船舶應(yīng)用場景，我國“筋斗云0 號”試驗船的未來試驗場景也包含了內(nèi)河水域。

我國內(nèi)河智能船舶與助航技術(shù)僅處于較為初級的探索和發(fā)展階段。2018 年7 月，南京板橋長江汽渡船上開始應(yīng)用智能安全輔助駕駛系統(tǒng)，通過船舶對航行環(huán)境和自身狀態(tài)的感知來提高碰撞風(fēng)險預(yù)警能力，證明相對易于達(dá)成船岸協(xié)同的內(nèi)河船舶實現(xiàn)智能化航行完全具備可行性。船舶智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用可有效降低船員的工作負(fù)荷，減少配員數(shù)量。歐洲國家人口少且人力成本高企，日本面臨人口老齡化危機(jī)，減少船員需求是其推進(jìn)船舶智能化的主要原因之一，我國內(nèi)河航運(yùn)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展也需要通過船舶智能化來降低人力成本。

4 船舶能源綠色化、多元化及電力推進(jìn)主流化

4.1 綠色低碳是世界航運(yùn)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)

我國航運(yùn)業(yè)實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展是落實“碳達(dá)峰，碳中和”國家重大戰(zhàn)略，參與全球溫室氣體減排行動的重要舉措。2018 年，國際海事組織（international maritime organization, IMO）第72 屆海上環(huán)境保護(hù)委員會（marine environment protection committee, MEPC）通過了國際海運(yùn)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，即：到2030 年，全球海運(yùn)單位運(yùn)輸活動CO2平均排放量比2008 年至少降低40%，并爭取到2050 年降低70%；到2050 年，溫室氣體年度總排放量比2008 年至少減少50%。

綠色航運(yùn)的核心要素是綠色船舶，其主要技術(shù)路線有：通過船型技術(shù)革新，優(yōu)化總體布置和主尺度、優(yōu)化線型改善阻力推進(jìn)性能、設(shè)置減阻附體裝置、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造材料輕量化等來實現(xiàn)節(jié)能減排；使用清潔能源動力控制船舶大氣污染物排放；船舶主動力裝置的廢熱回收利用等。傳統(tǒng)內(nèi)河航運(yùn)燃料主要是柴油和重燃油，燃燒時產(chǎn)生大量CO2、SOX、NOX和油污等污染物和顆粒物，航運(yùn)業(yè)的綠色能源主要有液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）、（liquefied petroleum gas, LPG）、甲醇、氨燃料等清潔能源和太陽能、風(fēng)能、電能、氫能等新能源。

《關(guān)于加快內(nèi)河船舶綠色智能發(fā)展的指導(dǎo)意見》明確以 LNG 動力、氣電混動、電池動力為內(nèi)河船舶動力綠色升級的導(dǎo)向主線，同時推動甲醇動力應(yīng)用于貨船，探索氫燃料電池動力在客船的應(yīng)用也成為重要發(fā)展方向。各類船用替代能源主要理化特性見表1[16]。

表1 船用替代能源主要理化特性對比表

4.2 國內(nèi)外船舶應(yīng)用綠色新能源發(fā)展概況

2000 年，挪威首先將LNG 作為電力推進(jìn)渡輪“Glutra”的動力燃料；2011 年，全球首艘LNG動力25 000 t 成品油船“Bit Viking”投入營運(yùn)。2010 年，內(nèi)河LNG 雙燃料動力船“武輪拖302”試航，開啟了我國LNG 動力船技術(shù)探索試驗的先河。2012 年，中國海事局發(fā)布《關(guān)于明確LNG 燃料動力船舶改造試點(diǎn)工作有關(guān)事宜的通知》，正式開始全國性的LNG 動力船“油改氣”改造試點(diǎn)工作。在總結(jié)前期LNG 船試點(diǎn)改造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，CCS 于2013 年發(fā)布《天然氣燃料動力船規(guī)范》，目前我國內(nèi)河LNG 動力船的設(shè)計、建造和應(yīng)用處于世界先進(jìn)水平。2023 年，以特制可移動LNG 燃料罐箱替代傳統(tǒng)固定式LNG 氣罐的200 標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)河LNG 動力集裝箱船“宏遠(yuǎn)徐州”和“宏遠(yuǎn)武漢”在徐州首航。這種LNG 燃料補(bǔ)充模式不同于以往的靠泊岸基站或躉船加注，而是換裝集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)的LNG 供氣裝置，可選擇20 ft（609.6 cm）和40 ft（1 219.2 cm）供氣裝置自由組合成船舶LNG 儲存系統(tǒng)，探索出LNG 動力船無需依賴加氣站（船）即可快速補(bǔ)充燃料的新路徑，突破了傳統(tǒng)LNG 加注站不足所制約LNG 動力船發(fā)展的瓶頸。

氫燃料動力應(yīng)用的典型船舶有德國“Alsterwasser”內(nèi)河游船、荷蘭“Nemo H2”內(nèi)河客船、挪威“MF Hydra”海洋輪渡、美國“SeaChange”海洋客渡輪、法國“Energy Observer”海洋雙體豪華艇、中國“蠡湖”號內(nèi)河游艇等[17]。隨著CCS《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》（2022）發(fā)布，國內(nèi)氫能船舶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系得到不斷完善。2023年，國內(nèi)首艘入級CCS 的“三峽氫舟1”示范船正式下水。該船總長49.9 m、型寬10.4 m、型深3.2 m、吃水2.10 m、最高航速達(dá)28 km/h，20 km/h 航速時的續(xù)航里程可達(dá)200 km，航區(qū)為內(nèi)河B 級和J2 級。該船以氫燃料電池和1 800 kW·h 鋰電池組成動力系統(tǒng)，氫燃料電池額定輸出功率為500 kW，船上儲氫能提供約4 000 kW·h 電能，由此也標(biāo)志著我國氫燃料動力船已正式進(jìn)入工程化應(yīng)用階段。

2015 年，世界首艘甲醇燃料動力船“Stena Germanica”在瑞典哥德堡和德國基爾之間首航，這艘長240 m 的渡輪可裝載300 輛汽車和1 500 名乘客，主機(jī)可以使用甲醇或傳統(tǒng)船用燃油。2020 年，我國首艘甲醇雙燃料動力貨船“江龍”號完成試航，該船長40 m、寬8 m、型深2.7 m、自重172 t，發(fā)動機(jī)采用甲醇和空氣預(yù)混合的雙燃料模式運(yùn)行。2021 年，韓國尾浦造船建造的甲醇雙燃料動力甲醇運(yùn)輸船“Capilano Sun”交付，該船長186.07 m、寬32.3 m、載重量50 000 t，采用水與甲醇混合調(diào)節(jié)燃燒溫度技術(shù)，無需脫硫裝置即可滿足Tier III NOX排放規(guī)則。2022 年，CCS 發(fā)布《船舶應(yīng)用甲醇/乙醇燃料指南》替代《船舶應(yīng)用替代燃料指南》（2017）的甲醇/乙醇部分，進(jìn)一步完善了甲醇/乙醇燃料的船舶應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2022 年，廣船國際有限公司自主研發(fā)建造的49 900 t 甲醇雙燃料動力化學(xué)品/成品油船“Stena Pro Patria”交付。該船是國內(nèi)承接、建造和交付的首艘甲醇雙燃料動力船舶，主動力具有燃油、甲醇、燃油水合物和甲醇水合物這4 種燃料模式，是船舶領(lǐng)域首次應(yīng)用水合物燃料。2021 年，國內(nèi)首艘以高溫甲醇燃料電池作為動力電源的游船“嘉鴻01”完成首航，200 kg甲醇可使該船在內(nèi)湖以5.5 kn 航速行駛超過20 h。

船舶動力電能儲存設(shè)備主要是動力鋰電池和超級電容等，目前獲得應(yīng)用的動力鋰電池主要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰和鈦酸鋰電池。鈦酸鋰電池作為功率型鋰電池其功率密度較低、價格昂貴，更適合于高倍率充放電的功率型或快充型應(yīng)用場合；磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元鋰電池適于對單位容量有較高要求的能量型應(yīng)用場合即動力電池。錳酸鋰電池的循環(huán)性能與高溫電化學(xué)穩(wěn)定性較差，磷酸鐵鋰電池的本征安全性高于三元鋰電池，其能量密度、安全性、單位電量價格、循環(huán)性能、充電速度等指標(biāo)較為均衡，尤其適合船舶動力儲能所需的大容量應(yīng)用，加之船用設(shè)備的安全性要求普遍高于陸用設(shè)備，所以目前國內(nèi)船用動力鋰電池主要選用磷酸鐵鋰電池。歐洲雖然磷酸鐵鋰和三元鋰電池都有應(yīng)用，但偏重于三元鋰電池。

動力鋰電池在船舶上可單獨(dú)作為船舶推進(jìn)動力源，或與其他能源裝置共同構(gòu)成混合動力系統(tǒng)。如在光伏系統(tǒng)中，動力鋰電池作為光伏間歇發(fā)電的儲能器以提高負(fù)載輸出的穩(wěn)定性，或作為發(fā)電機(jī)組的功率響應(yīng)遲滯與突變負(fù)荷間的緩沖供能源，還可用于燃油主動力的輔助動力源等。動力鋰電池和超級電容構(gòu)成混合儲能裝置，可實現(xiàn)能量型和功率型儲能的優(yōu)勢互補(bǔ)，用作船舶電網(wǎng)短時過剩能源的回收儲能裝置，可提高節(jié)能率并改善電網(wǎng)電能質(zhì)量[18-19]。2015 年建成的挪威汽車渡船“Ampere”采用了全電池動力推進(jìn)；2017 年建成的500 噸級貨船“浙湖州貨1625”采用鋰電池和超級電容提供主動力源，并由光伏和風(fēng)力提供輔助供電；2019年交付的“河豚”號是2 000 噸級“鋰電池+超級電容”動力自卸船。

近年來，鋰電池動力船獲得了快速發(fā)展。“君旅號”300 客位內(nèi)河客船、“云港電拖一號”沿海港作拖輪等均完全使用磷酸鐵鋰電池供能，“國創(chuàng)”64 標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)河集裝箱船、“江遠(yuǎn)百合”120 標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)河集裝箱船、“港航船途01”108 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船等均采用了集裝箱式移動電源（containerized mobile power supply，CMPS），“易航-藍(lán)天”120標(biāo)準(zhǔn)箱河海直達(dá)集裝箱船則采用“CMPS+柴電”系統(tǒng)。2022 年首航的“長江三峽1”1 300 客位游輪搭載了目前世界上容量最大的7 500 kW·h 動力鋰電池，并且采用“高壓充電、低壓補(bǔ)電”的方案。除了河海直達(dá)船因CCS 船舶技術(shù)要求限制，內(nèi)河電力推進(jìn)船舶逐漸由“柴電+儲能”模式向純電模式發(fā)展。CMPS 因其具備通用化的尺寸和接口與船舶電網(wǎng)可安全快捷地連接或脫離，以及可利用峰谷電價差、易于使用租賃用電模式等優(yōu)勢，更利于市場推廣。

2023 年世界新船訂單中的539 艘采用了替代燃料，其中包括218 艘LNG 動力船、130 艘甲醇動力船、44艘LPG動力船和121艘電池混合動力船。LPG 動力船當(dāng)前僅限于氣體運(yùn)輸船、LPG 運(yùn)輸船、乙烷運(yùn)輸船這3 類海洋船型。由此可見，LNG 仍是中短期內(nèi)船用燃油的主流替代燃料，而甲醇作為新興的船用燃料，也越來越受到重視。雖然使用甲醇燃料比使用重燃料油的新造船成本增加約10%，但使用 LNG 的新造船成本則會高出約22%。作為已廣泛使用的工業(yè)產(chǎn)品，甲醇的安全性比LNG 高，甲醇的價格在等效能源基礎(chǔ)上與船用柴油基本持平，甲醇的儲運(yùn)已成體系，全球很多港口都具備甲醇的供應(yīng)潛力，這是甲醇相較于LNG、液氫和液氨等燃料的優(yōu)勢。然而，甲醇毒性較強(qiáng)、甲醇揮發(fā)蒸氣在空氣中燃燒的危險性大，且較小的能量密度帶來燃料艙容的增加，故限制了其在小型船舶和客船上應(yīng)用。

甲醇動力船現(xiàn)階段均以煤炭、天然氣、焦?fàn)t氣等制作的化石甲醇作為燃料。由4.1 節(jié)中的表1 可見，甲醇比船用柴油的CO2排放僅降低約5%，普通甲醇顯然難以滿足未來碳減排目標(biāo)，只有可再生能源生產(chǎn)的綠色甲醇得以廣泛應(yīng)用，才能真正體現(xiàn)甲醇的碳減排優(yōu)勢，但目前綠色甲醇的成本卻超過傳統(tǒng)船用燃料的2 倍。氫動力船舶目前主要以氫燃料電池形式應(yīng)用于小型船舶動力或作為船舶輔助發(fā)電裝置，氫氣和柴油雙燃料發(fā)動機(jī)尚處于實驗應(yīng)用階段。氨燃料發(fā)動機(jī)目前尚未進(jìn)入商用階段，進(jìn)而限制了氨動力船的商用化，使用液氨的船舶運(yùn)行和改裝建造成本與 LNG 相當(dāng)。

4.3 船舶應(yīng)用綠色新能源及采用電力推進(jìn)漸成主流

未來內(nèi)河船舶清潔能源將呈現(xiàn)多元化發(fā)展：減排的漸進(jìn)式要求、基礎(chǔ)設(shè)施完善度、成套技術(shù)的成熟度、減排貢獻(xiàn)度等原因?qū)е轮卸唐谌砸詡鹘y(tǒng)低硫燃油為主，LNG 與甲醇為輔，液氫等清潔能源逐步發(fā)展應(yīng)用的格局；而從長期來看，甲醇較LNG可能更具潛在優(yōu)勢。動力鋰電池船的設(shè)計、建造和后期營運(yùn)與傳統(tǒng)燃油動力船的技術(shù)差距相對較小，又具備“零排放”優(yōu)勢，伴隨動力鋰電池技術(shù)進(jìn)步帶來的價格下降，純動力電池（尤其是CMPS 供電）船舶未來可能成為內(nèi)河發(fā)展最快的新能源船舶。由于電力推進(jìn)技術(shù)能更好滿足智能船舶所需的操控性和可靠性、易于實現(xiàn)自動控制及推進(jìn)功率冗余等要求，使用LNG、甲醇和氫能等提供電能的電力推進(jìn)船舶也是重要發(fā)展方向之一。作為可無限獲取的清潔能源，太陽能、風(fēng)能與其他清潔能源等多種動力形式的集成，也是內(nèi)河綠色船舶技術(shù)發(fā)展的重要探索方向[20-22]。

5 內(nèi)河貨船編隊航行成為創(chuàng)新模式

5.1 船舶編隊航行理念

20 世紀(jì)90 年代，拖船拖帶駁船隊的運(yùn)輸模式是長江中下游干散貨運(yùn)輸?shù)闹髁鞣绞健＞庩犞?，拖船與駁船之間采用短纜相連。但在風(fēng)浪中，拖船與駁船之間相對運(yùn)動大、纜繩受力變化大，導(dǎo)致編隊適航性差，因此逐漸被適航性更好的單體機(jī)動貨船取代。隨著智能航運(yùn)的發(fā)展，研究滿足內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展需求的創(chuàng)新航運(yùn)模式非常必要。2006 年，挪威科技大學(xué)和挪威海事機(jī)器人協(xié)會聯(lián)合對智能船舶編隊進(jìn)行研究并完成實船試驗。2017 年，荷蘭海事技術(shù)基金會組織協(xié)調(diào)的新興內(nèi)河和海運(yùn)概念項目提出“船舶編隊”水運(yùn)新模式。該模式實質(zhì)是一種特定的半自主水上運(yùn)輸，亦屬于智能船舶技術(shù)領(lǐng)域，編隊由1 艘“領(lǐng)航船”以及1 艘或多艘“跟隨船”組成。船舶編隊運(yùn)輸概念基于近海和內(nèi)陸水運(yùn)鏈整合理念，目的是降低勞動成本、提高行業(yè)競爭力以及進(jìn)一步增強(qiáng)物流靈活性。該項目的試驗研究結(jié)論認(rèn)為船舶編隊運(yùn)輸在技術(shù)上可實現(xiàn)，在一定條件下能達(dá)到足夠的安全水平，同時航運(yùn)市場也存在發(fā)展船舶編隊運(yùn)營的可行商業(yè)模式。國內(nèi)研究也認(rèn)為在近海、內(nèi)河運(yùn)用智能船舶編隊運(yùn)輸模式，通過遙控和船舶間合作可減少船舶配員，智能駕駛可降低勞動成本；隊內(nèi)船舶在鄰近海濱或內(nèi)陸目的港的地點(diǎn)接駁及離開編隊，可實現(xiàn)內(nèi)河和近海航道一體化，提高內(nèi)河、近海航道利用率，從而降低航運(yùn)成本[24]。

5.2 船舶編隊航行技術(shù)發(fā)展概況

船舶實現(xiàn)編隊航行的邏輯與單艘智能船舶航行的邏輯類似，都是遵循感知-決策-控制-感知的閉環(huán)邏輯。編隊的控制結(jié)構(gòu)主要有集中式控制、分散式控制和分布式控制等，編隊的常見控制方法如虛擬結(jié)構(gòu)法、領(lǐng)導(dǎo)-跟隨法、人工勢場法、基于圖論法和基于行為法等。當(dāng)前內(nèi)河船舶編隊技術(shù)體系中的編隊控制、編隊環(huán)境感知、編隊狀態(tài)檢測技術(shù)等已存在一定的理論基礎(chǔ)，但編隊自主航行、編隊路徑規(guī)劃、編隊能效控制等技術(shù)與實際應(yīng)用仍有較大距離，內(nèi)河船舶編隊技術(shù)整體上仍處于理論驗證階段，必須伴隨智能船舶的技術(shù)發(fā)展，結(jié)合大量的試驗驗證和評估才可能實用化[25]。除了船舶編隊的控制結(jié)構(gòu)和控制方法研究，基于計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）理論得到最優(yōu)船體型線和船舶編隊隊形，可以降低編隊航行總阻力，達(dá)到節(jié)能減排、降低運(yùn)營成本的目的[26]。內(nèi)河船舶編隊航行技術(shù)在未來的成熟應(yīng)用將進(jìn)一步提升內(nèi)河運(yùn)輸效率和安全性，充分挖掘內(nèi)河航運(yùn)的優(yōu)勢。

6 岸基控制中心成為關(guān)鍵設(shè)施并和能源供給設(shè)施網(wǎng)聯(lián)化

6.1 岸基控制中心成為智能航運(yùn)時代的關(guān)鍵設(shè)施

傳統(tǒng)岸基支持系統(tǒng)是指船舶營運(yùn)公司為船舶提供資源和技術(shù)支持的陸上基站，而數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展增強(qiáng)了船岸協(xié)作能力。岸基船舶協(xié)同控制中心概念如圖4 所示，通過將實船機(jī)艙集控室（engine control room，ECR）轉(zhuǎn)移至岸基船舶控制中心（ship control centre，SCC），從而有效實現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程遙控。

圖4 岸基船舶協(xié)同控制中心概念

內(nèi)河船平均預(yù)算遠(yuǎn)低于海船，難以負(fù)擔(dān)昂貴的智能航行設(shè)備，所以建立完善的無線通訊網(wǎng)絡(luò)、岸基控制中心等陸地基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展人機(jī)協(xié)同、船岸協(xié)同，打造高費(fèi)效比的船岸協(xié)同智能系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程駕控、自主航行的發(fā)展路線更為實用。通過岸基控制船舶航行，既降低了對技術(shù)人員和高素質(zhì)船員的配員需求，又能提高航行安全性和運(yùn)營效率。智能船舶發(fā)展高階階段的無人自主運(yùn)輸船，需要協(xié)同控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程遙控、船舶控制器的更新等更多功能[27-29]。

2006 年，IMO 海上安全委員會（maritime safety committee，MSC）第81 次會議通過了“E-航?！保‥-Navigation）項目，即應(yīng)用電子手段在船與岸上進(jìn)行海事信息的采集、集成、交換、展示和分析，以增強(qiáng)船舶泊位導(dǎo)航及相關(guān)服務(wù)，保障航行安全和安保，實施海上環(huán)境保護(hù)。“E-航?！睉?zhàn)略的核心是岸基技術(shù)支持系統(tǒng)，國外比較成功的“E-航海”示范項目有歐盟的MONALISA 工程、EfficienSea 工程、ACCSEAS 工程，以及新加坡聯(lián)合馬來西亞的馬六甲海峽MEH 等工程[30]。

2016 年，中國海事局發(fā)布了“IMO E-航海戰(zhàn)略與中國E-航海發(fā)展研究”重點(diǎn)科技項目，通過建設(shè)示范工程促進(jìn)我國“E-航海”戰(zhàn)略的實施。近幾年，我國相繼建設(shè)了洋山港、天津港、長江口、珠江口等水域“E-航?！笔痉豆こ?，在提升助航效能、增強(qiáng)船舶航行安全、加大海上環(huán)境保護(hù)、推動航海保障更高效和更先進(jìn)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用[31]。2019 年，英國政府發(fā)布《海事2050 戰(zhàn)略》研究報告，指出為智能船舶服務(wù)的岸基控制中心建設(shè)是其未來的政策重點(diǎn)。2021 年，韓國大宇造船啟用大宇造船智能船舶解決方案的岸基控制中心，通過采集并監(jiān)控大宇建造的在各海域運(yùn)營船舶產(chǎn)生的航行數(shù)據(jù)，確認(rèn)船上主要設(shè)備的狀態(tài)并實時傳送至岸基控制中心，結(jié)合氣象、港口信息、燃料價格、運(yùn)費(fèi)指數(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等外部數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為船東提供定制化數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

6.2 岸基數(shù)字信息設(shè)施與能源供給設(shè)施趨向網(wǎng)聯(lián)化融合發(fā)展

“十一五”期間，我國內(nèi)河水運(yùn)管理信息服務(wù)建設(shè)取得了初步成績，交通運(yùn)輸部印發(fā)的《公路水路交通運(yùn)輸信息化“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等系列文件為內(nèi)河船聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的政策環(huán)境和技術(shù)基礎(chǔ)。例如：江蘇省建成內(nèi)河水運(yùn)船聯(lián)網(wǎng)，采用“一主（南京）二分（淮安、無錫）”的方式構(gòu)建了江蘇省水運(yùn)數(shù)據(jù)中心；中國移動通信集團(tuán)“內(nèi)河航運(yùn)公共信息平臺”建立了集船載移動終端、手機(jī)終端和企業(yè)計算機(jī)終端一體化的虛擬專用信息網(wǎng)絡(luò)平臺；南京理工大學(xué)基于船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展了水路危險貨物運(yùn)輸應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計研究等[32-33]。我國推進(jìn)內(nèi)河船舶岸基信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)已近20 年，在保障內(nèi)河安全暢通、提高水路運(yùn)輸效率和質(zhì)量、提供優(yōu)質(zhì)高效信息服務(wù)等方面取得了長足進(jìn)步。內(nèi)河通航水域較海洋更容易通過船岸協(xié)同控制中心完成與船舶之間的數(shù)據(jù)交換，支撐船舶自主航行和遠(yuǎn)程遙控，所以岸基控制中心的規(guī)劃發(fā)展在內(nèi)河船舶智能化的進(jìn)程中具有關(guān)鍵性意義，將成為未來內(nèi)河水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的核心部分?！秶揖C合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》提出推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與能源網(wǎng)融合發(fā)展，通過強(qiáng)化交通與能源基礎(chǔ)設(shè)施共建共享來提高設(shè)施利用效率。相信隨著新能源未來在內(nèi)河船舶領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，LNG/氫/甲醇加注站、岸基充/換電站等基礎(chǔ)設(shè)施必將成為內(nèi)河航道體系的重要組成模塊。岸基協(xié)同控制中心掌握大量區(qū)域船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)，并能與船舶通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，便于建立供給與消費(fèi)協(xié)同、多種能源協(xié)同、集中與分布式協(xié)同的新型生態(tài)化能源系統(tǒng)，通過信息網(wǎng)絡(luò)體系將航道、港口和船舶等水運(yùn)要素和能源供給設(shè)施等能源要素網(wǎng)聯(lián)化，對提高船舶能源供給安全性、效率和最優(yōu)化利用具有重要意義。

7 結(jié) 語

內(nèi)河水運(yùn)在公路、鐵路等主要運(yùn)輸方式中具有運(yùn)量大、能耗少、成本低、污染小和占地少等優(yōu)勢，長期以來對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)很大。2022 年，我國的內(nèi)河貨運(yùn)量為44.02 億t，約占全國貨運(yùn)量（506.63 億t）的8.7%；完成貨物周轉(zhuǎn)量19 025.73 億t·km，約占全國貨物周轉(zhuǎn)量（226 160.96 億t·km）的8.4%；而同期的德國和美國，貨物周轉(zhuǎn)量占比分別為28%和15%。我國內(nèi)河航運(yùn)與歐美發(fā)達(dá)國家相比，在提升綜合交通運(yùn)輸體系中的比較優(yōu)勢方面還有很大的發(fā)展空間。至2023 年底，我國造船國際市場份額已連續(xù)14 年居世界首位，但內(nèi)河船舶的研發(fā)技術(shù)、制造工藝及規(guī)模等主要方面均不及遠(yuǎn)洋船舶。

未來內(nèi)河水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施將與數(shù)字、信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)深度融合，岸基控制中心成為關(guān)鍵性設(shè)施并和能源供給設(shè)施網(wǎng)聯(lián)化。綜合運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)和清潔能源技術(shù)構(gòu)建多類、多式能源協(xié)同和分布供給系統(tǒng)，可提高船舶能源補(bǔ)給安全性和航運(yùn)效率，并優(yōu)化能源利用率。相較于海運(yùn)廣闊的地理空間范圍，內(nèi)河航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化發(fā)展更易于實現(xiàn)對內(nèi)河船舶智能航行的技術(shù)支撐，岸基控制中心與船舶協(xié)同實現(xiàn)遠(yuǎn)程駕控和自主航行等或?qū)⒊蔀閮?nèi)河船舶重要的智能航行模式。

未來船舶趨向船型標(biāo)準(zhǔn)化、譜系化、智能化、配員少人化、能源綠色化及多元化、電力推進(jìn)主流化發(fā)展。通過簡統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)化船型并迎合智能化技術(shù)和裝備的應(yīng)用，可提升航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率，有效改善內(nèi)河水運(yùn)的運(yùn)力結(jié)構(gòu)，提高物流周轉(zhuǎn)效率；水運(yùn)和船舶智能化發(fā)展將大幅降低船員人力成本同時提高航運(yùn)安全性；船舶能源由石化能源逐步向綠色化多元能源體系轉(zhuǎn)化，不僅滿足了水運(yùn)業(yè)對經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的長期發(fā)展要求，同時克服了單一能源體系的諸多局限性，保障了船舶能源可持續(xù)發(fā)展；智能化大趨勢下電力推進(jìn)更易于實現(xiàn)船舶精準(zhǔn)控制和動力系統(tǒng)冗余設(shè)置的要求，未來船舶動力系統(tǒng)采用綠色多能源混合動力技術(shù)將是大勢所趨。

基于智能駕駛、數(shù)字化互聯(lián)互通、自主遙控等技術(shù)的船舶編隊營運(yùn)模式可減少船舶配員數(shù)量，還可實現(xiàn)近海和相鄰內(nèi)河航道一體化綜合高效利用，降低航運(yùn)成本，是未來智能化技術(shù)與水運(yùn)及船舶技術(shù)融合發(fā)展的重要切入點(diǎn)。

通過探索推進(jìn)人工智能、大數(shù)據(jù)、無線通訊、新材料、新能源等高新技術(shù)在內(nèi)河水運(yùn)及船舶技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，在相關(guān)重點(diǎn)技術(shù)前沿超前規(guī)劃布局，從而推進(jìn)構(gòu)建新一代內(nèi)河水運(yùn)系統(tǒng)，充分發(fā)揮內(nèi)河水運(yùn)優(yōu)勢，使內(nèi)河水運(yùn)成為提升綜合交通運(yùn)輸體系核心競爭力的重要組成部分。