38 800 DWT貨船智能航行應用研究

黃麗萍+米燕+王云英

摘 要：隨著國內與國際貿易量的日益增加，對海上貨物運輸的效率、安全與節能提出了新的挑戰。伴隨著智能技術的發展，船舶的智能化程度也在不斷提高，給智能航行的實現提供了良好的平臺基礎。本文介紹了船舶智能航行的主要特征及其各功能的實現，展望了未來船舶智能航行系統的發展趨勢。

關鍵詞：智能航行；智能船舶；海上運輸；航路優化

中圖分類號：U675.79 文獻標識碼：A

38 800 DWT Smart Ship Intelligent Navigation Research

HUANG Liping， MI Yan， WANG Yunying

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited，Guangzhou 511440 ）

Abstract： With the development

of the world economy，The volume of domestic and international trade is increasing day after day. The marine transportation is facing the new challenges in efficiency， safety and energy efficiency. With the development of the intelligent industry， the intelligence of the ship is also improving， this provides a good platform for the realization of intelligent navigation. This paper introduces the main characteristics of ship intelligent navigation and the realization of its various functions. Finally， the future technology development of the system was forecasted.

Key words： Intelligent navigation； Intelligent ship； Route optimization

1 前言

隨著計算機技術、傳感器技術、通信技術、信息技術的不斷進步，推動了船舶導航設備、自動化設備、環境感知設備的更新與升級；物聯網技術、信息物理系統和大數據技術的應用，更加快了船船、船岸之間信息交互的發展。這些都為船舶實現智能航行提供了重要的支持[1]。

傳統航行中無論是大船還是小船對船員的配備都有一定的要求，而工作環境惡劣、勞動強度大以及危險性高，使得愿意從事航海專業的人越來越少。隨著船舶智能化程度的提高、智能航行的逐步實現，大大減輕了船員的工作量，并有效降低了因人為操作失誤引發的風險。

2 智能航行系統簡介

智能船舶系指利用傳感器、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[2]。

中國船級社（CCS）《智能船舶規范（2015）》中，將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；智能集成平臺。其中，智能航行系統利用通導設備自動地感知并獲取各種航行相關信息，能實時地接受岸基云服務平臺提供的各種信息，并通過數據的運算與處理，使船舶能在開闊水域、狹窄水道、復雜環境下自動避碰，實現自主航行。

根據CCS《智能船舶規范》2015中的表述：“航路設計和優化，一般應具有以下優化功能：（1）確定到達時間；（2）最短航行時間；（3）最低燃油消耗；（4）最低總成本；（5）船舶經受的最高風浪等級”。本項目安裝的的航路優化模塊，可以滿足上述入級要求。

3 智能航行系統組成

智能航行系統分別在駕駛室、集控室設立了工作站，用來顯示采集船上的各個傳感器的信息，包括軸功率儀、電子流量計、轉速處理盒、震動處理盒以及各個交換機上的傳感器信息。岸基的氣象信息通過衛星將信號傳輸到智能航行系統并經過分析后，將有用數據傳輸到網絡交換機供其它系統使用。

智能航行系統包括了常規的通導設備，以及在信息顯示系統里面增加的航路優化模塊，增加了光纖羅經以準確測量船舶的姿態信息并將優化的航路通過網絡交換機實現數據共享。

智能航行系統共有兩臺交換機實現數據冗余。智能集成平臺將全船所有系統共用6個交換機實現數據共享，其中第1、3、5號交換機和第2、4、6交換機各形成一個回路，組成雙環網實現數據冗余。與常規船不同的是本船將主要用于航行的3、4號交換機的信息也放在平臺上共享，實現全船信息全系統信息共享。

智能航行系統由三大系統組成：船端系統；通信系統；岸端系統。如圖1所示。

船端系統用于接收岸端氣導數據，采集船上傳感器實時數據（當前時間、船位經緯度、船首向、船跡向、航速、船舶姿態、實時氣象、實時水深、船舶吃水等），結合船舶本身的技術參數、航次參數（起始港經緯度、目的港經緯度、預計離港時間、到港時間要求、航次載重噸、航次排水量、航次抗風等級、航次的不可用主機轉速區間；航次首尾吃水，航次GM值、重心距水面高度、重心距基線高度等）。

岸端系統從氣象數據提供方獲取氣象數據，包括：海面風場的風速與風向；風浪與涌浪的浪高、浪向與浪周期；洋流的流速與流向；海冰與海霧數據等。數據在傳輸到船端之前，需根據船舶狀態及航次信息對數據進行裁剪、壓縮后再發送，減少通信網絡的帶寬負擔。endprint

通信系統（衛星）負責把岸端氣象數據等信息傳輸到船上，船上通過VSAT系統接收岸端的數據信息并輸送至船端的數據中心，供智能航行優化模塊進行分析和優化，優化后的航線輸送到電子海圖，供船員參考使用。

4 智能航行系統功能的實現

4.1 智能航行控制臺

采用多個26寸多功能工作站，可以在不同位置切換顯示不同內容（X雷達、S雷達、電子海圖、信息顯示系統CONNING等），使操作簡單方便。本項目智能航行模塊是集成在駕駛室控制臺的中間臺的信息顯示系統CONNING工作站內，優化后的航路可通過交換機實現數據共享，控制臺上的每個工作站均可顯示航路信息，便于船員觀看操作。

4.2 智能航行系統流程

見圖2。

航行前要對智能航行系統進行初始化（主要是對船舶參數的初始化），例如：船舶水線長、船舶型寬、船舶型深、空船重心到船首距離、空船重心到船尾距離；舭龍骨長、舭龍骨寬、舭龍骨半徑、舭龍骨面積；船舶進流段長度、螺旋槳位置坐標；船舶主機在不同轉速時的靜水船速、功率及燃油消耗率；船舶靜水力曲線等。因為不同船舶參數會導致船舶的回轉半徑等操縱性的差異，即使是同一船舶，在不同的載況下其性能參數也不盡相同。

初始化完成后，操作人員開始在系統中設定航次任務，確定航路設計的依據：（1）到達時間；（2）最短航行時間；（3）最低燃油消耗；（4）最低總成本；（5）船舶經受的最高風浪等級。然后，通過智能航行系統模塊進行航線規劃并得到初始航線。

在之后的航行過程中，智能航行系統通過從岸端獲得的氣象信息，對航線進行不斷優化，并將優化后的航線發送到交換機并在ECDIS進行共享。

在船舶航行中，智能航行系統實時讀取傳感器數據，并定時或手動從岸端獲取氣象數據。當氣象信息或者船端數據與之前采集到的數據發生變化后，系統將會重新計算航路，生成新的航線，并把優化后的航路輸出到ECDIS系統，以供船員參考使用。

航次結束后，將本次航次數據上報到岸基服務站系統，進行航次對比的評估。也可將本次航路儲存在船舶的數據中心，供其它船舶參考選用。

4.3 航路設計和優化

本智能航行項目的基本功能為航路設計與優化。它是根據船舶的技術條件和性能、特定的航行任務、吃水情況、貨物特點和船期計劃等，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，并在整個航行期間不斷優化。一般分為初始優化和動態優化。

航路初始優化主要是根據船舶自身條件、航行時間、初始設定航行速度以及起止港口的地理位置等數據，或利用解析法生成一條從起始港口到目的港口的大圓航線，或采用《世界大洋航路》中對應的經典航線作為初始航線。初始航線生成以后，基于收到的氣象預報數據，對航線上可能遇到的天氣情況進行檢查，如果航線上有遭遇臺風的危險，則進行一定的避讓。

在初始航線基礎上，對航線進行實時優化，主要是根據最新的天氣預報、船舶當前座標、燃油剩余情況和貨物情況等，針對航線上出現臺風等惡劣天氣或障礙物時對航行線路的改變和新線路的設計，以達到避讓危險、航行時間最短和航行效率最優，這種優化稱之為動態優化。

5 智能航行發展趨勢

智能航行是在大數據、信息物理系統、物聯網等技術的推動下發展的，是繼船舶自動化、信息化后船舶行業的又一個重要發展趨勢。對于航運業來說，智能航行系統的應用為降低運輸成本、提高運營效率帶來很大幫助，有助于船員優化航行線路、節省航行時間、節省燃油成本、降低航行風險等。

但智能航行的發展也會遇到一些阻礙，主要表現在：

（1）構建全球范圍內任何地點、任何時間的船舶物聯網在技術上可行，但當前海事衛星通信帶寬有限，需對船舶通信系統進行布設、更新和升級，費用昂貴；

（2）大數據處理和無人駕駛過程對計算能力要求很高，普通計算機很難滿足需求，除不斷升級硬件外，還應從處理算法和分布式計算等方面來提升處理速度與能力；

（3）系統智能化程度越高，人的參與就越少，一旦發生事故就可能造成比較嚴重的后果，因此智能化系統的可靠性和安全性尚有待提高。

參考文獻

[1] 嚴新平，柳晨光. 智能航運系統的發展現狀與趨勢[J/OL]. 智能系統學

報，2016，11（06）.

[2]中國船級社.智能船舶規范（2015）[S].

[3] 柳晨光，初秀民等. 船舶智能化研究現狀與展望[J]. 船舶工程， 2016，

38（03）.endprint