智能船舶漸行漸近

祁 斌

為了應對越來越嚴格的環境法案和不斷增長的運營成本，船舶或者說船舶的操作正變得越來越復雜，其結果就是對高素質人員的需求越來越多，而目前的情況卻是船員或相關運營人員的能力已漸漸跟不上節奏，合格人員的數量越來越滿足不了需求，從而就造成了人員的缺口。面對這一情況，“大數據”時代的來臨正好為人們指出了一條道路，那就是“智能船舶”。

智能船舶的概念

船舶是一種受到環境因素影響非常大的裝備，目前船員對于船舶狀況、航行狀態等的判斷主要還是依靠經驗和理論知識，這樣一來難免會出現不恰當的決策，造成不必要的人力、物力或財力損失。而智能船舶簡單來說，就是以“大數據”為基礎，運用先進的信息化技術，如實時數據傳輸和匯集、大計算容量、數字建模能力、遠程控制、傳感器等，實現船舶智能化的感知、判斷分析，以及決策和控制，從而更好地保證船舶的航行安全和效率，大幅度減少甚至杜絕人為因素造成的事故，避免與貨主的糾紛等。舉個不恰當的例子，非智能船和智能船之間的關系就好比手工制作的產品和機械化流水線出來的產品，僅從效率、精度及安全性來看，后者肯定要高于前者。所以說，智能船舶所具備的基本功能通俗點來講就是安全、經濟、效率，當然還有環保，最終目的就是讓船東“省錢、省力、省心”。

智能船舶之所以智能，關鍵就在于分析、決策、以及成長，即能在大量信息中，將相關的數據融會貫通，然后進行綜合的評估與分析，這就需要船舶具備高水準的數據分析系統，進而做出最合適的決策并進行船上系統的操作以管理推進、導航及其他系統，且隨著收集數據量的增加，系統功能會隨之增強。還有一點就是，智能船舶不僅需要自身智能，而且還需要船岸一體，岸上的支撐建設同樣不可少，否則也就談不上信息支撐、遠程遙控了。從韓國現代重工及韓國電子通訊研究院(ETRI)共同開發、被選為IEC國際標準(IEC 61162-450)的“有/無線船舶綜合管理網通訊技術”(SAN：Ship Area Network) 來看，其最大優點就是利用IT技術對船內原本獨立管理的460余種部件進行了綜合管理，從而使主機等與航行有關的裝置更便于管理，同時也可在陸地利用遠程技術對船舶狀態進行實時監管，此外還可進行遠程維修。

技術發展現狀

智能船舶的發展并不是一蹴而就的，而是一個循序漸進的過程，從局部到整體，從海上到岸上。就目前的技術情況來看，智能船舶才剛剛起步，我們可以做的就是先讓船上的操作更簡化、更統一，這也是實現智能船舶的第一步。當前出現的比較多也比較熱門的智能船舶技術就是綜合船橋系統（IBS）。

IBS可以說是實現智能船舶的最重要組成部分，其發展從二十世紀70年代開始，至今已經成為船舶自動化領域的核心裝備。它是一種集海上綜合導航（包括各種分導信息測量、采集、優化處理和分發使用，航行狀態監視、預報、航線計劃、航路導航、航海作業管理、綜合航務管理等）、操縱駕駛、機艙監測和遙控、自動避碰、航行控制、綜合通信管理以及艦船安全、消防、自動監測和報警等眾多功能為一體的高度信息化、自動化的集成系統。國際海事組織（IMO）對IBS的定義為：它是船舶導航與控制的集成系統，通過系統設備及子系統間的相互聯通，集中顯示和使用來自傳感器和數據接口的信息，它的目的是提高船舶航行的自動化程度和經濟性，提高船員操作和管理效率，保證船舶和船上全體人員的安全。下面將以Sperry Marine公司的IBS作為案例進行簡單介紹。圖1為一種典型的IBS組成結構圖。

圖1 基于環形網絡的IBS

Sperry Marine公司綜合船橋系統。諾思羅普格魯曼集團公司旗下的Sperry Marine公司(前身是利頓航海公司) 是全球航海電子產品的知名品牌之一，主要針對商用船舶和軍用市場提供船舶導航和控制設備，其產品由三個品牌——Sperry，Decca和C.Plath的 產 品構成。

該公司的VisionMaster FT綜合船橋系統把船舶所有的航行傳感器和系統，包括雷達、電子海圖顯示及信息系統、電羅經、測深儀、測速儀、差分全球定位系統（DGPS）以及自動舵合并成為一個完全綜合的成套設備，其中心部件是該廠生產的船用航行管理系統（VMS）軟件，這種軟件能提供簡捷、準確的航線計劃并且與雷達目標和自動識別系統一起，在電子海圖顯示及信息系統上給出船舶的準確位置和移動的清晰畫面。

Performance Based Navigation（PBN）是其VisionMaster FT船舶艦橋系統中為提高運營效率而設計的系統模塊，主要功能包括實時海圖更新和燃油管理，可根據航行時的天氣狀況等自動規劃航線以及優化油耗，并能提供遠程診斷、軟件更新和其他技術支持。該模塊可集成在IBS中，通過企業網關，既能與同系列的任何產品進行無縫對接，又能通過海事衛星實現船上用戶與岸上用戶之間的信息傳輸。

從船隊管理的角度出發，該系統模塊試圖從根本上改變船隊原有的單線運營模式，建立船隊之間更緊密的聯系和合作。從資產管理的角度出發，該模塊分為三個子模塊，分別為：節能優化、海圖顯示，以及船舶遠程管理。從使用者的角度，該模塊有船用界面和公司管理人員界面，并能通過企業網關互通信息。

圖3 PBN網絡架構圖（下）與傳統航行構架的比較

開航前，管理人員將船舶貨物積載和掛靠港等信息輸入后，使用航行計劃功能得到一份航行計劃和燃油計劃。

航行中，既可以自動執行最佳航速計劃，又保留了手動設定航速的功能；根據實時的天氣和洋流預測、抵離港時間和實際航行路線偏離情況等，對比航行計劃，自動調整航速、航線計劃以及發動機模式；向管理人員報告航程信息、燃油計劃和航行計劃的執行情況等。

圖4 航線優化流程圖

圖5 航線優化功能示意圖

航行中記錄的信息在經過計算后得出船舶累積節省的燃油量，并在管理人員界面生產一份報告，通過直觀的圖表顯示a）當次航程的燃油量與歷史數據的對比；b）實際的燃油量與計劃的燃油量的對比。

另外，該系統還集成了設備遠程診斷的功能。通過船舶遠程管理功能模塊，將設備狀態報告給岸上管理人員進行遠程診斷、在線維修以及軟件的升級，能有效減少設備維護和維修費用，提高維修工作的執行效率，延長設備壽命周期。

圖6 船舶遠程管理界面示意圖

除了IBS，其他許多技術也將成為智能船舶的構成部分，比如船上設備的遠距離監控。羅·羅公司可謂是這方面的業內領先者，其在挪威Alesund和芬蘭Rauma均設有控制中心，可實時監控大量其在全球范圍內的船舶和推進設備之運行情況。

未來智能船舶

上述這些僅僅是目前人們已經開發出的比較熱門的技術，未來的智能船舶肯定不止于此。我們可以想象到的是，除了自主航行、遠程遙控等主要關鍵技術，一些細節部分同樣可以智能化，譬如自動靠泊、離岸，自主維修，自動清洗（如海底門濾器），自動更換設備部件，自我防護（針對海盜等），自動補給等。另外，隨著智能化程度越來越高，船上所需人員肯定會越來越少，甚至實現無人。事實上，無人船在某些海事領域即將成為現實，其對海上安全方面的影響無疑是積極的，雖然仍會有很多規范方面的問題需要攻克，但這并不會改變業界對無人船的認同。不過從個人角度來看，船上最好還是留有至少一人，主要是考慮到一些船即便是有了智能也處理不了的突發狀況。從另一方面來看，未來也許會從人服務于船轉變為船服務于人，比如由于船上配置人員減少，那么考慮到船員情緒，就可以家庭為單位上船，此時就要考慮人員的健康和教育問題，如遠程醫療診斷、機器人手術、遠程教育和娛樂等，甚至是船上生態循環系統。

以羅·羅公司的“未來操作者體驗概念”（Future Operator Experience Concept，簡稱“oX”）系統來說，其是羅·羅對當今船舶使用者的經驗研究后的產物，可根據不同船上人員進行操作環境的轉換，如大型貨船和PSV。該系統使用3D動畫，采用最先進的數字技術以實現更安全、更高效的船舶操作，不過要到2025年才能看到實物。該“oX”船橋系統為船員提供了智能工作站，可自動識別進入船橋的船員并調整到該人員所偏愛的“風格”。船橋的窗戶可放大顯示船周圍的真實環境，類似多年前就已成功應用于航空航天領域的平視顯示（Head Up Display，HUD）。該系統的功能包括清晰呈現人眼無法看見的潛在危險，例如精確定位海冰、拖船或其他小艇等船員無法看到的物件，特別是對大型集裝箱船上的船員而言。

智能船舶的技術雖然剛剛起步，很多技術還不成熟，但隨著船舶技術、信息技術的發展，特別是“大數據”的智能應用，正推動著智能船舶的加速出現。未來10 ～20年船舶智能的發展將是決定未來船舶行業發展方向、船型變化、船員能力要求的重要因素。在2014年10月10日舉行的國內首屆“大數據與智能船舶發展”高峰論壇中，中船集團副總經理南大慶，中國船舶工業系統工程研究院院長、海洋裝備信息智能化管理與應用技術創新中心主任張宏軍等代表性人物均肯定了智能船舶的重要性。可以說，智能船舶對于現在的傳統船舶系統來說，就像蒸汽動力對于風帆動力、燃油對于煤炭，終將取代老一代產品，未來我們將看到越來越多復雜、尖端、高度自動化，甚至是無人的智能船舶航行于海上。