智能船舶工程科技發展戰略研究

郎舒妍 ，曾曉光 ，張民

（1.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京100101；2.中國船舶重工國際貿易有限公司，北京 100861）

近年來，隨著新興技術的快速發展。“智能化”逐步走進人們的視野，“汽車智能化”“醫療智能化”，甚至“城市智能化”，諸如此類概念的提出和應用，正在極大地改變著人們的生活。作為傳統行業的船舶工業，在外部技術推動與內生需求牽引的雙重作用下，也在加快發展船舶智能化技術，開發智能船舶，推動行業發展邁向新階段。

一、智能船舶技術分類

智能化是指利用先進的數據傳輸技術、“互聯網+”技術、人工智能技術以及數控技術等聯合在一起對某個對象展開應用，這些應用主要包括自主學習、故障診斷、自主評價、態勢感知以及行為決策等[1]。智能化一般具有以下4 個方面的特點：一是具備感應外部信息的能力，即能夠收集、整理來自外部環境的信息；二是具有自主分析能力，通過感應獲得的外部信息，利用已經存在的程序設定和知識儲備對感應的外部信息進行分析、比較、計算、預測等；三是具備自主學習能力，能夠通過對以往案例的數據信息進行分析研究，并以此反復學習新環境變化帶來的知識；四是具備自主決策能力，可對外部環境的變化進行分析研究，形成并傳輸相應的對策信息。

船舶智能化不僅僅表現在船體本身，新技術的興起將會深入到船舶設計、建造、營運各個階段，簡化船舶設計建造流程，優化船舶各項功能，提高效率，提升經濟性[2]。智能船舶技術分類，如表1所示。

表1 智能船舶技術分類

二、智能船舶技術的發展現狀

（一）國外智能船舶技術的發展現狀

在智能船舶裝備方面，新興技術的崛起，如云計算技術、衛星通信技術、傳感器技術等，帶動船舶工業走向數字化、網絡化和智能化。可以說，智能船舶為船舶安全、節能、環保、高效等技術需求帶來了發展的新契機，為航運業實現降本增效、低碳經濟帶來了新希望，智能船舶為船舶工業技術發展提供了新的動力和方向[3]。當前，在世界范圍內，美國、日本、韓國、歐洲都在積極發展智能船舶裝備技術，發展路徑大多一致，但各有側重。

自2010年起，韓國現代重工集團先后啟動了“智能船舶1.0/2.0”計劃，項目研究內容旨在研發基于有/無線船舶綜合管理網通信技術的船舶主機遠程監控系統，以此實現經濟、安全、高效航行服務。2011年，韓國三星重工集團開發了船舶能效管理系統，該能效管理系統能夠收集并整理船舶在運營過程中機艙內的數據信息，通過通信技術、數據分析技術、決策支持技術，提高船舶能效管理智能化水平。此外，2012年12 月，由日本船舶配套協會和日本船技術等多家企業和科研院所著手開展“智能船舶應用平臺”項目研究。“智能船舶應用平臺”主要是通過研發智能信息與控制系統，使得船舶實現機艙狀態監測、船體外部環境感知、遠程運維等功能（見圖1）。2016年，羅爾斯羅伊斯公司推出了“高級無人駕駛船舶應用開發計劃”（AAWA）白皮書，白皮書中預計到2020年，利用遠程操作和輔助功能操作來實現船舶少人化；到2025年實現近海船舶的遠程遙控；到2030年實現遠洋無人船舶的遠程控制；到2035年實現自主遠洋無人船舶（見圖2）。

在智能設計方面，當前美國、日本、韓國、歐洲國家等在船舶智能化設計中占據領先水平，并已普遍采用三維設計建模，實現了設計和生產協同一體化。2009年，美國電船公司以每年建造兩艘“弗吉尼亞級”潛艇和每艘成本降至20 億美元為目標，完成了“面向制造的設計”項目研究。同年，美國在CVN-78 設計中以計算機輔助三維交互應用（CATIA）為核心，在應用洞穴狀自動虛擬系統（CAVE）技術的基礎上，實施被稱為三維可視化協同工具（ROVR）的新一代沉浸式三維虛擬現實系統，實現基于CATIA 三維設計模型的瀏覽、漫游與協同。

圖1 智能船舶應用平臺系統結構圖

圖2 羅爾斯羅伊斯公司無人船舶技術路線圖

在智能制造方面，世界各大船企都在積極布局“智能化”制造模式，希望利用豐富的數據來提高設計和建造的效率。為振興造船海洋事業，韓國政府積極推進智能船廠建設，先后提出一系列重點研發計劃。日本政府也提出“i-shipping”概念，旨在利用數字化技術、互聯網及大數據等技術打造可視化船廠。2016年，大宇造船海洋工程有限公司提出“shipyard 4.0”概念，意在搭建物聯網平臺，將3D設計生產信息系統向移動端延伸，助力配套企業構建智能工廠。2017年，韓國現代重工集團提出建設“smart factory”，內容主要包括構建智能工作環境、布局窄帶物聯網、建設儲能和能源管理系統以及使用虛擬現實（VR）技術進行安全管控等。

在智能航運方面，從全球范圍看，以北歐為代表的多個國家，均在積極推動智能航運研究。2016年，商船三井株式會社宣布成立智能航運辦公室，旨在努力實現其新技術開發理念之一的“用于更安全船舶運行的先進支持技術”，通過基于信息通信技術應用，從而成為客戶可靠的物流業務合作伙伴。2017年，瓦錫蘭集團收購英國Guidance Marine 公司，利用Guidance Marine 公司的核心競爭力（包括高精度控制應用的位置測量傳感器和系統開發），對瓦錫蘭集團在雷達技術、導航和動態定位領域的活動形成互補，加速將航運引入一個新的效率時代。2018年，韓國三星重工集團宣布選擇亞馬遜網絡服務系統（AWS）作為其首選的云計算服務供應商，以支持韓國三星重工集團發展自主航運、向數字化轉型，在智能航運中取得優勢。

（二）國內智能船舶技術的發展現狀

在智能船舶裝備方面，2017年，中國船舶集團工業有限公司交付首艘智能船舶“大智號”，“大智號”相較于常規船舶，可向船東提供更為全面深入的數據采集、分析挖掘和決策優化服務，從而降低營運成本，減少關鍵系統和設備故障，縮減設備維護成本，使船舶更加安全、環保、經濟和舒適[4]。2018年，廣東珠海萬山無人船舶海上測試試驗場正式啟動建設。該試驗場計劃建設成為亞洲首個無人船海上試驗場，并將成為世界上面積最大的無人船海上測試場。

在智能設計方面，2007年，上海申博信息系統工程有限公司和上海船廠聯合開發船舶制造三維設計系統SB3DS。2012年，南通中遠海運川崎船舶工程有限公司在數字化設計（CAD）系統的基礎上，開發了數字化工藝設計（CAPP）和數字化制造（CAM）系統，進一步推動了產品生產設計協同一體化的進程。

在智能制造方面，2015年，南通中遠海運川崎船舶工程有限公司第4條機器人自動化生產線點火投產，該生產線自動化程度高，機器人和焊接部材均可靈活轉換，效率可提高40%以上，可保障全天作業。2018年，武昌船舶重工集團有限公司推出國內首條船舶工業智能無人生產線。據悉，該生產線年產量可達3 萬根，采用激光視覺系統，打通組對焊接系統全流程，將現有生產線產能提高15%，實現無人全自動化直管柔性制造。

在智能航運方面，2014年，上海洋山深水港四期碼頭正式開始建設，該碼頭首創多元化堆場作業交互模式，同時運用了電力驅動技術、第二代港口船舶岸基供電、節能新光源、太陽能輔助供熱等技術，是“零排放”的“綠色碼頭”。2018年，中遠海運集裝箱運輸有限公司新版電子商務平臺的網站正式上線。新版網站從以往船東視角轉向用戶視角，以“客制化”服務（以滿足客戶需求為出發點的定制化服務）為出發點，圍繞用戶的諸多痛點來對各項功能和流程進行不斷地優化，為客戶推出主動推送的信息服務。

（三）智能船舶技術發展現狀分析

1.國外智能船舶技術發展循序漸進，分階段實施

從國外智能船舶技術發展路線來看，先后經歷了信息集成階段、信息互聯互通階段、信息分析處理階段及實船應用示范階段。在信息集成階段，具有代表性的是信息集成平臺，主要收集船體能源消耗、航行環境、船載設備等方面的數據；在互聯互通階段，主要集中于通信技術發展，如有/無線船舶綜合管理網通信技術，旨在建立船-岸、船-船之間的信息交互；在信息分析處理階段，將互聯網技術、人工智能技術、數據分析技術運用在船舶的數據處理分析上，以此監測控制船舶運營狀態；而實船試驗及應用示范階段，則主要集中于成品智能船舶的研發[5,6]。

2.“輔助決策”“自主航行”是智能船舶技術發展的重點方向

輔助決策主要是指通過建立專家數據庫系統，為船舶設計、建造、營運以及拆解的船體結構安全、故障診斷等提供決策建議，利用傳感器技術監測和采集船體結構及設備的數據信息，為船舶航行提供決策依據。自主航行是指通過網絡數據分析平臺，對船舶在營運過程中感知到的信息進行研究分析，對船舶航線及航速進行輔助優化；進一步通過建立岸基中心，船舶實現在開闊水域、狹窄水道及復雜海況下的自主靠離泊、自主避碰，即所謂的自主航行。

3.“智能船廠”技術發展迅速，逐漸形成“三步走”的發展戰略

近年來，包括日韓在內的船企在推行“智能船廠”方面開展了大量的工作，并在研究發展過程中逐步形成“三步走”的發展戰略。如韓國的“三步走”戰略：①實現信息管理系統集成，制造過程全面自動化、數字化和智能化，基于物聯網技術的全要素實時監控與管理；②實施數字化虛擬智能船廠建設；③邁向人與環境相協調的智能船廠。日本船企則是瞄準先進信息技術，推動大數據、物聯網、虛擬現實技術和產業發展深度融合：①作業過程可視化與數據化；②推進“智能造船集群”，減少造船各環節中的浪費；③引進智能裝備優化建造流程。

4.智能航運向無人運營時代邁進，綜合服務平臺助力智能航行發展

基于云存儲和大數據分析技術，以無人船為代表的智能航運變得不再遙不可及。通過對貨物發出及到達時間、最優航行線路等信息進行測算，無人船根據實時天氣、海況以及港口信息數據分析，調整航行計劃，實現最優航行路線[7]。此外，利用物聯網技術、船舶自動識別系統（AIS）定位技術，加強對航運狀態的動態監測與感知，綜合服務平臺能夠實現跨部門和跨區域的信息資源共享、業務協同處理和綜合服務，降低物流成本，節能減排，形成暢通、高效、平安、綠色的現代化航運體系。

三、我國智能船舶技術的現狀與差距

在智能船舶裝備方面，當前我國船舶制造業取得了一定的成績，但在快速發展的同時，遇到的問題和挑戰也同時制約著我國造船業的發展。智能船舶的到來，為我國船舶工業加快實現轉型升級、搶占市場先機、提升核心競爭力提供了突破口。近年來，我國對智能船舶的研制步伐不斷加快。基于前期研究工作基礎，我國在智能船舶發展上取得了一定成果。通過對國內外智能船舶發展情況的研究可知，智能船舶作為新興發展方向，雖然我國在某些方面與國外研究還有差距，但整體差距不大。

在智能設計方面，我國船企在設計過程中已應用三維建模，但還遠未實現全過程的三維設計，同時設計與建造仍作為兩個獨立的系統分別運作，未能形成協同操作，沒有將設計成果直接應用于建造。在設計建造的某些階段應用了數字化，但未綜合考慮從設計到建造的全過程，數字化程度還較低。

在智能制造方面，整體而言，我國當前仍處于規劃探索階段。主要體現在：①船舶設計數字化技術儲備不足；②船舶制造裝備與系統的自動化、智能化水平低；③造船過程管控缺少有效的數據支持；④數字化工藝設計能力嚴重不足，其中包括三維數字建模數據源不唯一、工藝信息不完整及缺乏工藝數據庫支撐[8]。

在智能航運方面，我國智能航運建設比歐美國家相對落后，無論是理念上還是技術上都尚未成熟，信息化往往沿用傳統、落后的管理信息系統開發理論與方法，企業信息化系統各自為政。信息化與航運企業管理業務匹配度不高，不能很好地提供服務；航運企業智能化認識不深刻，不能提出明確的航運智能化需求，缺乏科學的、可持續的智能化規劃[9]。

四、我國智能船舶技術發展保障措施與建議

（一） 注重頂層設計，制定階段化的研發策略

現階段，世界各國在其智能船舶的技術發展中都制定了詳細的研發策略，并按時間節點分步推進其發展計劃和目標。此外，主要智能船舶研發機構十分注重技術研發與產品應用相結合的發展模式，并推出了一系列智能船型。因此，建議我國在推進其智能船舶研發項目中，注重制定較為詳盡的研發策略，按計劃推進智能船舶有關技術發展；同時加強智能船舶設計推廣和應用示范，推進智能船舶產業化發展。

（二） 借助行業外力量，多方合作提升技術研發能力

智能船舶技術涉及多個行業的先進技術，國外智能船舶研發機構在推進技術研發過程中，紛紛采取多方合作的方式來提升其智能船舶技術發展。值得注意的是，合作的對象不僅僅局限在船舶行業，大量在數據信息處理、衛星通信、計算機技術領域占據領先地位的研發機構或企業，成為國外造船業爭相合作的對象。因此，建議我國造船業加強行業間的相互合作，與相關領域占據技術優勢的企業展開合作，推進智能船舶產學研合作力度，推動智能船舶技術綜合發展。

（三）加強互聯互通，提升船舶綜合服務保障能力

船岸一體化是智能船舶技術發展的重要方向，通過建立信息交互平臺和岸基中心，實現船舶、岸基中心、船東、造船企業之間的信息互聯互通。同時，船廠也將由單一的船舶制造向船舶全生命周期方向轉變，以此在船舶運營中提供更好的服務。建議我國在智能船舶研發過程中注重岸基中心的建設，建立覆蓋全球的智能船舶及配套設備服務平臺，以適應智能船舶發展的新模式，實現由單純船舶制造向綜合服務的轉變。

（四）加強多層次人才隊伍建設，注重國際技術交流合作

以多種方式吸引智能船舶高層次人才，培養一批領軍人才和青年拔尖人才，加強智能船舶相關學科專業體系和人才培養體系建設。大力開展國際技術交流活動，采取科技合作、技術轉移、技術并購、資源共同開發與利用、參與國際標準制定等多種方式，快速提升我國智能船舶技術的發展水平與創新能力。