智能船舶技術和無人駕駛技術研究

龔瑞良吉雨冠

（1.常熟瑞特電氣股份有限公司 常熟215500；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

智能船舶技術和無人駕駛技術研究

龔瑞良1吉雨冠2

（1.常熟瑞特電氣股份有限公司 常熟215500；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

智能船舶概念的興起以及智能船舶技術的日益發展，已使船舶智能化成為全球航運的大勢所趨。文中結合中國船級社今年3月正式發布的《智能船舶規范》，具體介紹了智能船舶技術的六大功能模塊（智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺）的主要功能、技術要求，以及實現無人駕駛技術的主要功能和實現難點，對相關技術人員依據《智能船舶規范》進行設計、制造智能船舶方面具有一定借鑒作用。

智能船舶技術；無人駕駛技術；智能船舶規范

引 言

2016年3月1日，由中國船級社（CCS）編制的《智能船舶規范》已正式生效，這意味著智能船舶及無人駕駛時代的到來。

阿波羅登月時，宇航員曾說過：“人類的一小步，是科學技術的一大步。”《智能船舶規范》必將引領船舶的設計、制造、使用管理、維護保養、貨物運輸向著智能化方向邁進一大步。船舶作為物流不可替代的主體，人們對其要求也越來越高——大噸位、大尺度、快速、安全、高效等。難以想象，若沒有智能化，將如何滿足時代的發展需求！

1 現 狀

1961年，日本建成“金華山丸”號散貨船，實現機艙集中控制和駕駛室遙控主機，成為世界上第一艘自動化船舶。

1970年，日本建成“星光丸”號油輪，除機艙集中控制和駕駛室遙控主機外，通過各子程序和接口對全船實現控制和管理。

1985年，中國滬東造船廠建成“柏林快航”號集裝箱船，配置了自動操舵系統（Ship Opera Tion Center，SOC）、自動導航系統（Automaic Radar Plotter Apparatus，ARPA）、船舶管理中心（Ship Management Center，SMC），通過計算機系統對全船實現綜合管理。由此，我們看到了智能化的雛形。

2011年3月，日本現代重工推出智能型船1.0型4 500 標準箱集裝箱船，采用了現代重工及韓國電子通訊研究院（ETRI）共同開發、并被選為IEC國際標準（IEC 61162-450）“有線/無線船舶綜合管理網通訊技術”（SAN：Ship Area Network）船舶智能技術。世界第一艘智能化船舶正式誕生。［1］

2016年4月，芬蘭羅爾斯·羅伊斯公司在赫爾辛基芬蘭地亞大廈宣布：一年來，“高級無人駕駛船舶應用開發計劃（AAWA）”項目取得了豐碩成果。未來數月，該項目將在芬蘭船運公司“Stella”號（科爾波和豪特謝爾之間運營的65 m渡船）上，進行不同運營狀況和不同氣候條件下的一系列試驗。

2016年4月9日，美國五角大樓的研究機構國防高級研究計劃局（DARPA）宣布，美國軍方將開展為期兩年的世界上最大無人駕駛船舶“海獵人”號的測試和試驗工作。該船主尺度為長132 ft（40 m）、排水量145 t、航速30 mile/h（26 kn）。

芬蘭羅爾斯·羅伊斯公司羅爾斯·羅伊斯船舶業務創新副總裁Oskar Levander表示，將在這一個十年結束之前，看到無人駕駛船舶的商業應用。五角大樓的研究機構國防高級研究計劃局（DARPA）發言人Jared B.Adams表示，無人駕駛船舶不僅可能改變海上作戰方式，也可能實現無人駕駛船舶的商業運輸。

2 規范的歷史意義和引領技術先行的現實意義

中國船級社（CCS）《智能船舶規范》是至今為止首部涵蓋了智能船舶從設計、建造到運營全生命周期的船級社規范，具有深遠的歷史意義和引領技術先行的現實意義。CCS《智能船舶規范》共分7章：第1章通則、第2章智能航行、第3章智能船體、第4章智能機艙、第5章智能能效管理、第6章智能貨物管理、第7章智能集成平臺。規范在內容上脈絡清晰，自成體系，具有可操作性； 六大功能的劃分方式涵蓋了船上各智能化系統；此外規范內容立足于現有的規范體系，能與目前CCS的規范要求相互融合。同時，規范開放式的編寫方式充分考慮到未來智能船舶技術的發展，便于今后不斷納入新的應用成果，完善和細化已有的技術要求。具有融合成熟技術的歷史意義！

規范中還對各項智能功能所對應的計算機系統和軟件開發、送審資料、試驗檢驗及人員配備作出明確要求。考慮到智能船舶技術的不斷發展，規范對新技術的應用作出原則要求：當采用新技術的系統和設備經風險評估和試驗證明能夠達到CCS規范要求的同等安全水平，這些系統和設備的設計可偏離CCS的規范要求。同時給出風險評估方法和新技術批準的依據，具有引領技術先行的現實意義。

智能船舶分為六大功能模塊：智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺。當船舶的各項功能均符合CCS智能船舶規范要求時，可授予智能船舶附加標志：

i-Ship（Nx，Hx，Mx，Ex，Cx，Ix）括號內的字母是智能船舶的功能標志，其與智能船舶功能模塊的對應如下：

N —— 智能航行功能標志；

H —— 智能船體功能標志；

M —— 智能機艙功能標志；

E —— 智能能效管理功能標志；

C —— 智能貨物管理功能標志；

I —— 智能集成平臺功能標志；

X —— 可選功能補充標志。

當船舶具有某一智能功能，即可單獨授予相關的智能功能標志［2］。

智能船舶要實現商業或軍事利益的最大化，不僅要實現船舶本身（點）的智能化，還要實現與所屬船舶公司管理中心（線）的聯系和管理，并且要實現與國家或地區（面）物流網的資源共享。

2.1 智能船舶技術

智能船舶技術泛指利用傳感器、通信、物聯網、互聯網等技術手段，自動感知和獲得船舶自身、海洋環境、物流、港口等方面的信息和數據，并基于計算機技術、自動控制技術和大數據處理和分析技術，在船舶航行、管理、維護保養、貨物運輸等方面實現智能化運行的船舶，以使船舶更加安全、環保、經濟、可靠［2］。

2.1.1 自動航行系統

自動航行系統包含自動導航系統和自動操舵系統。只要輸入航行計劃，船舶起錨離港后，系統自動進行航向、航速、船位檢測，并自動保持航跡、航向、航速，安全地到達目的地。像無人機那樣，預先制定航行計劃，輸入預定航線，在整個船舶航行過程中，人們不介入船舶操縱，只是處于監視狀態和負責設備故障的排除。實現船舶自動化航行后，不僅減少船員勞動強度，還將大大提高船舶的經濟性和安全可靠性［3，5］。

而“智能航行”要求是利用計算機技術、控制技術等對感知和獲得的信息進行分析和處理，對船舶航路和航速進行設計和優化；航行時，借助岸基支持中心，船舶能在開闊水域、狹窄水道、復雜環境條件下自動避碰，實現自主航行。智能航行具有以下功能：基本功能為航路設計和優化；補充功能為自主航行或高級自主航行。

現舉例說明“導航雷達”如何適應智能規范要求以及需改進提高的方向。

（1）避碰ARPA功能

不同船型有不同的回轉半徑，不同速度下有不同的轉彎角速度。要想真正實現船舶避碰ARPA功能，每種船型的數學模型是不一樣的。如果是運輸船舶，不同（裝載量），其特性也不一樣的。換言之，船舶避碰ARPA軟件還要具有“不斷學習”的能力。

與傳統的“ARPA功能”相比，新型導航雷達要與“船舶能效管理系統”有接口關系，實現自身船型特性數據的輸入和實時修正。

（2）“觀察”功能

眾所周知，導航雷達是船舶的眼睛。根據天氣、海浪、目標的大小需經常變換量程，需要調節增益。在無人駕駛的情況下，導航雷達能進行智能化的自動切換嗎？

與傳統的“觀察”相比，新型導航雷達要與“船舶氣象儀”及其他氣象設備有接口關系，獲得實現天氣、海浪等氣象特性數據的自動輸入和實時修正。根據目標的大小需要變換量程，或者需要調節增益，新型導航雷達本身能夠實現自動調節。另外，借助岸基支持中心，也能遙控實現自動調節。

（3）“融合”功能

現代導航雷達顯示器能夠與“電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）”和 “船舶自動識別系統（AIS）進行融合。這樣的雷達畫面，就是智能船舶的實時場景。

與傳統的“融合觀察”相比，新型導航雷達能夠與對外通信系統或情報系統有接口關系，能夠將“實時場景”傳輸到岸基支持中心。

通過以上論述和分析我們發現，原有的導航設備（含導航雷達）尚無法滿足智能化和無人駕駛要求。隨著對智能化船舶的深化研究，對單體設備和所屬系統的要求，以及設備與設備間的要求、系統與系統間的要求，都會隨著深化設計，不斷提出新的智能化技術要求，這意味著設備、系統的軟件也將不斷創新和升級。

2.1.2 船體應力檢測系統

船體應力檢測系統是船舶電氣信號系統的子系統，船體應力檢測系統一般包含長基線應力儀、加速度儀、傾斜儀等。

CCS《鋼質海船入級規范》2015第2分冊（船體分冊），第2.2.8條款中，對“裝載手冊和裝載儀”提出：要求提供船舶裝載工況的設計依據，包括沿船長的許用靜水彎距和許用靜水切力曲線；各種裝載工況下的靜水彎距和靜水切力的計算值；結構（如艙口蓋、甲板、雙層底）所容許的局部載荷［3］。

而“智能船體”是基于船體數據庫的建立與維護，為船體全生命周期內的安全和結構維修保養提供輔助決策，同時還可以通過船體相關數據的自動采集與監測，提供船舶操縱的輔助決策。

（1）船體全生命周期管理包括下列功能：

船體建造監控管理；

船體結構厚度監控與強度評估；

船體檢查保養計劃；

破損穩性和結構剩余強度評估。

（2）船體監測及輔助決策系統包括下列功能：

船體監測系統；

航行輔助決策系統。

2.1.3 機艙自動化系統

機艙自動化系統包含：機艙檢測、報警、控制系統；主機和可調螺距螺旋槳的遙控系統；船舶電站自動化系統；輔鍋爐、其他機電設備的自動化控制系統等。

AUT-0標志表示推進裝置由駕駛室控制站控制、機艙集控室和機器處所的無人值班。其主要功能是檢測、控制機電設備的工作狀態和參數，如壓力、溫度、電流、電壓、功率、頻率、轉速、流量、液位、絕緣電阻、電動機的起停、閥的開與關等，并進行指示、報警、控制、記錄。當機電設備故障時，工作參數超限時，發出報警指示。這種報警還延伸至駕駛室、輪機員住所、公共場所［3，5］。

而“智能機艙”的要求是：能夠綜合利用狀態監測系統所獲得的各種信息和數據，對機艙內機械設備的運行狀態、健康狀況進行分析和評估，用于機械設備操作決策和維護保養計劃的制定。并具有以下功能：

（1）對機艙內的主推進發動機、輔助發電用發動機、軸系的運行狀態進行監測；

（2）根據狀態監測系統收集的數據，對機械設備的運行狀態和健康狀況進行分析和評估；

（3）根據分析與評估結果，提出糾正建議，為船舶操作提供決策建議。

2.1.4 綜合橋樓系統

關于綜合橋樓系統的要求，可查閱相關標準和設計手冊。

2.1.5 船舶能效管理系統

2011年CCS發布了《船舶能效管理認證規范》，并于2012年1月1日生效。國際海事組織（IMO）海洋環境保護保護委員會第62屆大會（MEPC62）早在2011年7月就通過對《國際防止船舶污染公約》附則VI（MARPOL ANEX VI）的一項修正案，把有關新船能效設計指數（EEDI）和船舶能效管理計劃（SEEMP）的內容納入其中。MEPC.212（63）發布了2012年《新船實際能效設計指數（EEDI）計算方式導則》；MEPC.213（63）發布了《2012年船舶能效管理計劃（SEEMP）編制導則》；MEPC.214（63）發布了《2012年能效設計指數（EEDI）檢驗和發證導則》；MEPC.215（63）發布了用于《能效設計指數（EEDI）的基準線計算導則》［4］。

而“智能能效管理”是指能夠通過對船舶航行狀態、耗能狀況的在線監測與數據的自動采集，對船舶能效狀況、航行及裝載狀態等進行評估，并通過大數據分析、數值分析及優化技術，為船舶提供數據評估分析結果和輔助決策建議，以及航速優化、基于縱傾優化的最佳配載等解決方案，實現船舶能效實時監控、智能評估及優化，不斷提高船舶能效管理水平。

2.1.6 船舶智能貨物管理系統

智能貨物管理是指利用傳感器等感知設備對貨物、貨艙和貨物保護系統的參數進行自動采集，并基于計算機技術、自動控制技術和大數據處理、分析，以實現貨艙、貨物和貨物保護系統狀態的監測、報警、輔助決策和控制，同時還可以基于監測和獲得的數據，進行貨物優化配載和自動裝卸，從而實現船舶貨物的智能管理。

2.1.7 智能集成平臺

船舶授予智能集成平臺功能標志，應至少集成智能航行、智能機艙和智能能效管理三個系統的數據，形成船上數據與應用的統一集成平臺。集成平臺應具備開放性，能夠整合現有船上信息管理系統及后續新增系統，以實現對船舶的全面監控與智能化管理，并與岸上實現數據交互。

2.2 無人駕駛技術

無人駕駛技術是在“船舶智能技術”基礎上的又一次飛躍。無人駕駛技術是指通過智能化技術和遙控技術實現對無人船舶的駕駛和控制。

2.2.1 無人駕駛船舶與無人機區別

隨著無人機技術的日益成熟，無人機的應用越來越寬泛。但我們必須清醒地認識到，無人駕駛船舶與無人機相比還存在很大區別：

（1）船舶的靠停碼頭

船舶的安全靠離碼頭受到船體自重、線形、慣性、吃水、風速、風向、水流等因素的影響，因而通過遙控的無人駕駛船舶有一定難度。

（2）船舶的狹窄航道航行

狹窄航道的流速和流向都在不斷變化，并且暗礁的自動識別難以普及（技術上是可行的，但性價比太低），因此通過遙控的無人駕駛船舶有一定風險。

（3）錨地的拋錨和避風

錨地拋錨和避風也是常有的事，每個港口附近的錨地情況不盡相同，通過遙控的無人駕駛船舶有一定困難。

2016年8月18日，煙臺中集來福士海洋工程有限公司與上海億石創業投資有限公司簽訂了無人艇研發制造合作協議。億石擁有全球科學家、知識產權、重點大學和專業實驗室的資源整合，研發的無人艇和水面水下機器人能夠實現在高精度GPS/北斗導航定位下的全天候自動巡航與避險、遠程偵查操作、專業設備載荷搭載、360度視角視頻傳輸、語音對講等功能，主要應用于油氣開發領域，也充分運用在抗災救險、調查軍事、離岸風能建設等諸多方面。預計年內投產即可達到近億元產值，之后將以每年50%的速度遞增。

2.2.2 船舶遠程識別和跟蹤系統

船舶遠程識別和跟蹤系統由船載終端設備、通信服務提供商（CSP）、應用服務提供商（ASP），可實現航行船舶全球識別和跟蹤。

船舶設計實用手冊（2013版）［5］中，對“電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）”、“自動雷達標繪儀（ARPA）”、“船舶自動識別系統（AIS）”以及綜合橋樓系統（CCS-OMBO或ABS-NIBS）提出過許多與船舶遠程識別和跟蹤系統的接口要求：

（1）要求“電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）”將相關的導航信息疊加到電子海圖上綜合顯示，具有海圖自動修正、報文收發、岸船雙向文本通信功能。可以使用電子海圖導航海圖（EMC）和光柵海圖；可以設計和監視航線；可以擱淺報警；可以顯示ARPA目標數據，疊加雷達圖像等。

（2）要求自動雷達標繪儀（ARPA）能夠提供連續、準確和迅速的航行形勢估計，而且能夠顯示船舶周圍態勢，確保船舶安全航行。可錄取和自動跟蹤多批目標；可以顯示目標運動軌跡；可以對危險目標發出警告信號；可以自動校準、自動調整、故障自檢和指示。

（3）要求船舶自動識別系統（AIS）可連續向配有相應設備的岸上交通控制站和其他船舶、飛機發送船舶識別碼、船型、航向、航速、航行狀況，以及與航行有關的吃水、貨物種類、目的地、估計到達時間；或接收岸上交通控制站和其他船舶、飛機發送來的有關信息，為船舶避碰、安全航行提供有效保障。它與船舶遠程識別和跟蹤系統（LRIT）形成互補，主要作用于近距離接收和發送。

（4）要求綜合橋樓系統（CCS-OMBO或ABSNIBS）將導航設備、操機操舵設備等通過接口網絡有機地結合在一起，將各種導航設備的輸出信息進行優化綜合處理，實時、連續、精確地提供船位信息和各種航海參數，實現一人駕駛。

如果我們能把現有的船舶自動化、船舶航行自動化（ECDIS、ARPA、AIS等）、船舶遠程識別和跟蹤系統（LRIT）及其他遙控技術融合在一起，就可以實現自主航行船舶的遙控。航行計劃可以在綜合橋樓系統進行，也可以通過岸基控制指揮中心導入命令數據；并可通過短波、超短波、衛星等通信技術，實現船岸之間的無縫連接和數據傳輸及實時監控［5］。

2.2.3 無人駕駛技術主要功能

無人駕駛技術主要功能有：

（1）具有航路的設計和優化能力，根據船舶所具有的技術條件和性能，特定的航行任務、吃水情況、貨物特點和船期計劃，充分考慮風、浪、流、涌等因素，在保證船舶、人員和貨物安全的條件下，設計和優化航路、航速，盡量減少燃料消耗，并在整個航行期間不斷優化。

（2）具有岸基支持中心、惡劣天氣航行系統、應急事態處理、自動避碰系統和航跡監控系統。

（3）具有自主航行、高級自主航行風險分析系統，包括推進系統、船舶操舵系統、導航系統、輔助系統的故障模式和影響分析。

3 結 論

恩格斯曾對人類需求與科技發展的關系做過如下表述：“社會一旦有技術上的需要，則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。”芬蘭圖爾庫大學經濟學院協作研究中心開發經理Jouni Saarni表示：“遙控與無人駕駛船舶可能會重新定義船舶行業以及業內參與者的角色，對船舶公司、船舶制造商和船舶系統供應商產生重大影響。”對世界范圍內的船舶進行持續實時的遠程監控會將船舶更緊密地整合到物流或供應鏈中，讓全球企業能盡力發揮整個船隊的最大效率，實現節支增收。這會潛在地催生全新的船舶業務，如在線貨運服務市場、更加高效的資產組合和租賃以及新型聯盟等。在這些新業務中，有些是針對市場上現有參與者的支持性業務，而讓新的參與者進入本行業（諸如Uber、Spotify 和Airbnb等其他行業的參與者），則更具有潛在的強大競爭性［1］。

智能船舶及無人駕駛時代的到來，究竟會給世界帶來多大的影響，我們且拭目以待！

［1］李源.船舶行業新技術盤點［J］.船海動態聚焦，2015（11）.

［2］中國船級社.船舶智能規范［S］.2016.

［3］中國船級社.鋼質海船入級規范［M］.北京：人民交通出版社，2015.

［4］中國船級社.船舶能效管理認證規范［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］中國船舶工業集團公司.船舶設計實用手冊：電氣分冊 ［M］.北京：國防工業出版社，2013.

Intelligent ship technology and unmanned navigation technology

GONG Rui-liang1JI Yu-guan2
（1.Changshu Rate Electric Co.，Ltd.，Changshu 215500，China；2.Marine Design & Research Institute of China，Shanghai 200011，China）

As the concept and technology of intelligent ships are increasingly developing，the intelligent ship has become the global shipping trend.Combined with the CCS "Rules for Intelligent Ships" which has been released in March，2016，this paper introduces the main function and technical requirement of the six functional modules of the intelligent ship，including intelligent navigation，intelligent hull，intelligent machinery，intelligent energy efficiency management，intelligent cargo management and intelligent integration platform.It also discusses the main function and realization difficulties of unmanned navigation，which can provide references for the relevant designers to design and manufacture intelligent ships according to "rules for intelligent ships".

intelligent ship technology； unmanned navigation technology； intelligent ship regulation

U666

A

1001-9855（2016）05-0082-06

2016-07-20；

2016-09-20

龔瑞良（1965-），男，高級工程師，研究方向：電氣自動化。吉雨冠（1959-），男，研究員，研究方向：艦船通信及導航。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.082