船舶智能化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉佳銘，李 赫

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 201913；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引言

經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)不斷深化下，世界各國(guó)之間的貿(mào)易往來(lái)愈加密切，作為貿(mào)易往來(lái)的主要途徑，水路運(yùn)輸憑借運(yùn)輸量大、成本低的優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛的認(rèn)可。當(dāng)前水路運(yùn)輸占原油運(yùn)輸總量95%，鐵礦石運(yùn)輸總量99%以上，成為一種不可或缺的運(yùn)輸方式。但是，隨著船只數(shù)量不斷增長(zhǎng)，水路運(yùn)輸人力成本增加和安全性下降等問(wèn)題的出現(xiàn)，業(yè)內(nèi)開(kāi)始注重先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)船舶智能化發(fā)展。MUNIN項(xiàng)目是以無(wú)人散貨輪為研究獨(dú)享，可以實(shí)現(xiàn)船舶自主航行，并且根據(jù)系統(tǒng)中所規(guī)劃的氣象導(dǎo)航、航行路徑和航行參數(shù)自動(dòng)化更新存儲(chǔ)，聯(lián)合船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、雷達(dá)和紅外傳感器對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如果在航行過(guò)程中遇到其他船只或是障礙物，可以根據(jù)國(guó)際海上避碰規(guī)則自動(dòng)規(guī)避操作。船舶的各項(xiàng)參數(shù)均會(huì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)疥懙乜刂浦行模诰嚯x陸地較近時(shí)，可以通過(guò)3G、4G網(wǎng)絡(luò)連接通信。這一項(xiàng)目的展開(kāi)，大大促進(jìn)了船舶智能化研究和發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)際上已經(jīng)發(fā)布了相關(guān)智能船舶規(guī)范，明確規(guī)定了智能船舶在航行和管理方面的要求，加強(qiáng)對(duì)其研究，有助于對(duì)相關(guān)研究歸納和總結(jié)，為后續(xù)相關(guān)工作提供一定的參考。

1 智能船舶的發(fā)展背景

在全球貿(mào)易往來(lái)愈加密切的今天，水上運(yùn)輸量不斷增加，船舶逐漸朝著智能化方向發(fā)展。智能船舶的發(fā)展，可以有效改善傳統(tǒng)船舶行駛中的環(huán)境污染、行駛安全和人力成本增長(zhǎng)更加等問(wèn)題，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 節(jié)能減排

船舶在運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，也會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)不同程度上的污染，主要表現(xiàn)在溫室氣體的排放。為了有效解決這一問(wèn)題，國(guó)際海事組織頒布了相應(yīng)的傳播能效設(shè)計(jì)指數(shù)，減少船舶尾氣排放成為首要目標(biāo)。通過(guò)節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，在降低能源損耗的同時(shí)，還可以降低運(yùn)營(yíng)成本。具體措施包括：設(shè)計(jì)阻力較小的船型、采用節(jié)能的發(fā)動(dòng)機(jī)和清潔能源、使用能效控制技術(shù)[1]。

1.2 船舶安全性

船舶航行中，可能因客觀因素而出現(xiàn)碰撞事故，其中絕大多數(shù)的碰撞事故是由人為導(dǎo)致。一旦出現(xiàn)碰撞事故，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)品泄露，污染水上運(yùn)輸環(huán)境。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，通過(guò)信息感知技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)和安全預(yù)警技術(shù)等前沿技術(shù)應(yīng)用，可以有效提升船舶的安全性。

1.3 人力成本

面對(duì)水上運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)成本逐漸上漲，主要原因是由于船員工資和維修成本增加。如何降低船舶運(yùn)營(yíng)成本，大力推行智能船舶發(fā)展是必然選擇，可以實(shí)現(xiàn)船舶無(wú)人化運(yùn)營(yíng)，輔助架勢(shì)技術(shù)、機(jī)艙值班無(wú)人化以及故障自診斷技術(shù)，可以有效降低人力成本，為船舶運(yùn)營(yíng)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

智能船舶是水上運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的必然選擇，也可以將其看作是一場(chǎng)技術(shù)革命。智能設(shè)備如何代替人類(lèi)去控制和管理機(jī)器受到社會(huì)廣泛的關(guān)注。在商業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用較為廣泛，依托于數(shù)字化技術(shù)和傳感器可以反饋客戶(hù)習(xí)慣，針對(duì)性地提供服務(wù)，以此來(lái)提升人們的生活質(zhì)量[3]。因此，在這樣的背景下，智能船舶已經(jīng)不再是單一的技術(shù)，而是科技快速發(fā)展的客觀表現(xiàn)，其中集合了大量先進(jìn)技術(shù)和材料，對(duì)于智能船舶發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。

2 智能船舶概念

就智能船舶本質(zhì)來(lái)看，其利用物聯(lián)網(wǎng)、通信、傳感器和互聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化感知獲取港口、船舶以及物流等相關(guān)信息，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析，為后續(xù)的船舶航行、管理和保養(yǎng)提供支持，促使更加環(huán)保、安全，滿(mǎn)足船舶的智能化運(yùn)行和管理[4]。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)際海事組織對(duì)于智能船舶發(fā)展提出了新的要求，實(shí)現(xiàn)船舶和岸上信息收集、顯示，促使船舶之間、船舶與岸上信息交流，在維護(hù)船舶運(yùn)行安全的同時(shí)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。智能船舶的發(fā)展，經(jīng)過(guò)了以下階段：1）智能船舶主要局限在船舶設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析；2）智能船舶應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，與岸上數(shù)據(jù)中心連接，為船舶提供環(huán)保、安全建議，促使船舶半自動(dòng)化航行；3）智能船舶可以分析船舶數(shù)據(jù)和港口物流信息，實(shí)現(xiàn)船舶、岸上密切連接，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)化控制；4）智能船舶完全自主化無(wú)人駕駛[5]。

3 船舶智能化研究現(xiàn)狀

3.1 船舶智能航行

船舶智能航行集合了大量先進(jìn)技術(shù)，包括信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器等先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展和完善，促使傳播自動(dòng)化設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備和環(huán)境感知設(shè)備優(yōu)化升級(jí)[6]。當(dāng)前，智能船舶逐漸形成信息物理系統(tǒng)，依托于大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶、岸上信息交互，形成前沿的綜合船橋系統(tǒng)。新一代的綜合船橋系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)較為突出，可以實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)導(dǎo)航和自動(dòng)化控制，在航行過(guò)程中如果遇到其他船只、障礙物，可以智能感知躲避。如果在船舶航行過(guò)程中，如果出現(xiàn)故障，可以自行診斷和解決。同時(shí)，綜合船橋系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶的運(yùn)行狀態(tài)和周?chē)闆r，不需要人員操控，降低船舶的運(yùn)營(yíng)成本同時(shí)，為船舶運(yùn)行安全提供堅(jiān)實(shí)保障。綜合船橋系統(tǒng)與人工智能聯(lián)合應(yīng)用，促使船舶無(wú)人駕駛技術(shù)不斷成熟化，未來(lái)必將朝著更高層次發(fā)展。而船舶無(wú)人駕駛技術(shù)較為復(fù)雜，需要涉及到大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，無(wú)論是理論還是技術(shù)都處于發(fā)展階段，有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

3.2 船舶智能管理和控制

智能船舶發(fā)展中，智能管理和控制十分關(guān)鍵，為后續(xù)的船舶管理和航行帶來(lái)了有利支持[7]。當(dāng)前，我國(guó)的傳播交通服務(wù)覆蓋范圍較廣，依托于船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)及語(yǔ)音和雷達(dá)等交互手段，實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶運(yùn)行狀態(tài)，滿(mǎn)足船舶智能化管理和控制。在智能船舶管理和服務(wù)中，引進(jìn)了大量現(xiàn)代化技術(shù)和手段，諸如長(zhǎng)江電子航道圖，動(dòng)態(tài)顯示出船舶航線(xiàn)、虛擬航標(biāo)、水深、水位預(yù)測(cè)和安全預(yù)警等服務(wù)，為船舶運(yùn)行安全提供堅(jiān)實(shí)保障。歐洲內(nèi)河信息服務(wù)，則可以顯示當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)、電子江圖以及船舶登記信息等內(nèi)容，并反饋船舶的航行軌跡、具體位置和貨物信息。智能船舶發(fā)展中，依托于電子簽證管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不停船簽證，滿(mǎn)足船舶智能化管理與服務(wù)[8]。

3.3 智能化發(fā)展障礙

智能船舶發(fā)展中過(guò)程中，經(jīng)歷了多個(gè)階段，其中不可避免的面臨一系列困難和阻礙，具體表現(xiàn)在以下2點(diǎn)[9]：

1）受到各方限制，海事衛(wèi)星通信寬帶限制較大，通信成本高，想要在全球任何位置實(shí)現(xiàn)定位和交互的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，還有待進(jìn)一步升級(jí)和完善，設(shè)計(jì)合理的船舶通信系統(tǒng)。

2）提高數(shù)據(jù)計(jì)算能力，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和計(jì)算滿(mǎn)足無(wú)人駕駛需要，這是單一計(jì)算機(jī)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，需要不斷推動(dòng)軟、硬件更新升級(jí)，在分布式計(jì)算和處理算法基礎(chǔ)上，提升數(shù)據(jù)信息的計(jì)算速度。

4 智能船舶的核心技術(shù)

智能船舶的功能較為豐富，其中集合了眾多先進(jìn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能化航行、智能機(jī)艙、智能船體、智能貨物管理、智能能效管理和智能集成平臺(tái)，促使智能船舶功能逐漸多樣化。智能船舶先進(jìn)技術(shù)包括以下幾種。

4.1 信息感知技術(shù)

智能船舶中的信息感知技術(shù)，主要是通過(guò)傳感設(shè)備、傳感網(wǎng)絡(luò)和信息處理設(shè)備，智能化感知獲取船舶自身狀態(tài)和周邊環(huán)境信息，輔助船舶無(wú)人操控需要，為船舶安全提供堅(jiān)實(shí)保障[10]。船舶感知自身狀態(tài)，包括駕駛臺(tái)、船艙、貨倉(cāng)中各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，了解船舶的航行速度、位置和方向，通過(guò)傳感器來(lái)獲取溫度、轉(zhuǎn)速、壓力和液位等信息；周?chē)h(huán)境信息則包括其他船只、障礙物、氣象條件、水深、水流速度和方向等等，通過(guò)AIS、視頻攝像機(jī)、還是雷達(dá)、激光雷達(dá)傳感器、激光傳感器、風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、計(jì)程儀、能見(jiàn)度采集設(shè)備、航行數(shù)據(jù)記錄儀和電子海圖等，實(shí)現(xiàn)船岸信息交互獲取，獲取數(shù)據(jù)量較大、信號(hào)種類(lèi)繁多，信息之間存在矛盾沖突，還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

4.2 通信導(dǎo)航技術(shù)

此種技術(shù)在智能船舶航行中具有重要指向作用，將設(shè)備和船舶連接在一起，實(shí)現(xiàn)船岸信息交互。一般情況下，常用通信方式包括海事專(zhuān)網(wǎng)、VHF、海事衛(wèi)星與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。通過(guò)通信導(dǎo)航技術(shù)，可以指定船舶航行，選擇目的地、船舶定位和路徑計(jì)算。就當(dāng)前智能船舶中應(yīng)用的導(dǎo)航技術(shù)來(lái)看，主要是以無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)為主，為新時(shí)期的智能船舶導(dǎo)航提供支持[11]。

4.3能效控制技術(shù)

船舶運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的同時(shí)，加劇二氧化碳等溫室氣體排放，對(duì)于生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的污染和破壞。為了可以降低船舶溫室氣體排放、提高船舶能效，國(guó)際海事組織頒布了新造船設(shè)計(jì)能效指數(shù)和船舶營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)等指標(biāo)。智能船舶在長(zhǎng)期發(fā)展和完善中，除了提升船舶智能化水平的同時(shí)，還要注重綠色環(huán)保理念的滲透，分析智能船舶裝載量、通航環(huán)境和主機(jī)功率等因素，保證船舶安全、環(huán)保航行的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化控制船舶的裝載量、航速和吃水等內(nèi)容，盡可能降低船舶營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)。

4.4 航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)

航線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)主要是為船舶航行規(guī)劃航線(xiàn)，結(jié)合水上交通流控制信息、船道水流分布信息、前方航道船舶密度和航道航行難易等相關(guān)信息，智能化選擇航線(xiàn)，確定航道位置，滿(mǎn)足船舶航行安全、節(jié)能環(huán)保需要[12]。當(dāng)前的航線(xiàn)規(guī)劃方法較為多樣，包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、混合整數(shù)規(guī)劃模型和模擬退火等智能化算法，選擇最佳的航線(xiàn)。

4.5 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，依托于先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，判斷設(shè)備是否穩(wěn)定運(yùn)行，可以及時(shí)反饋設(shè)備故障問(wèn)題。在未來(lái)智能船舶發(fā)展中，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行故障診斷，以及多尺度分析法來(lái)建立設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。依托于故障診斷技術(shù)，可在不拆卸船舶設(shè)備的前提下了解設(shè)備設(shè)計(jì)運(yùn)行狀況，對(duì)設(shè)備信息綜合分析和處理，判斷監(jiān)測(cè)對(duì)象是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，分析設(shè)備故障原因，了解設(shè)備的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，有助于規(guī)避設(shè)備故障問(wèn)題出現(xiàn)，提升設(shè)備運(yùn)行效率，為智能船舶運(yùn)行安全提供保障。智能船舶通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，了解船舶設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在智能診斷技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)支持下深層次剖析其中的故障隱患，確保船舶安全穩(wěn)定航行。

4.6 遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)

一旦發(fā)現(xiàn)水上交通事故，可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。船舶碰撞是當(dāng)前較為常見(jiàn)的水上交通事故，在水上事故中占比較高。船舶碰撞事故發(fā)生后，通過(guò)遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)可以降低事故發(fā)生幾率，為人員生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障。

4.7 自主航行技術(shù)

在智能船舶航行中，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)支持，可以實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)備相關(guān)信息的集成處理，實(shí)現(xiàn)船舶航線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。依托于岸基支持中心，可以幫助船舶在復(fù)雜環(huán)境下自動(dòng)躲避，滿(mǎn)足船舶的自主航行。在船舶自主航行相關(guān)研究中，“天象一”號(hào)以及“水面無(wú)人智能測(cè)量平臺(tái)工程樣機(jī)”最為典型。

5 智能船舶發(fā)展趨勢(shì)

智能船舶發(fā)展中技術(shù)不斷改進(jìn)和完善，無(wú)論是理論還是技術(shù)都處于完善階段，而狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、通信導(dǎo)航技術(shù)、通信技術(shù)和環(huán)境感知技術(shù)得到了廣發(fā)能應(yīng)用，但是部分技術(shù)由于缺少理論支持，所以實(shí)際應(yīng)用還存在一定不足，有待進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。未來(lái)智能船舶發(fā)展中，在信息技術(shù)、傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。影響智能船舶發(fā)展的因素較為多樣，包括通信導(dǎo)航、信息感知和能效管控等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化靠泊、離岸，滿(mǎn)足船舶的自動(dòng)化清洗、維修和防護(hù)，推動(dòng)智能船舶發(fā)展。只有這樣，才能保證船舶安全航行，節(jié)能環(huán)保。

智能船舶是船舶未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，發(fā)展前景良好，但是由于理論和技術(shù)水平還處于發(fā)展階段，同預(yù)期目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。因此，未來(lái)智能船舶的發(fā)展應(yīng)從以下3方面著手改進(jìn)：

1）智能船舶的船員數(shù)量減少。為了有效提升船舶安全性，需要持續(xù)加強(qiáng)相關(guān)理論和技術(shù)研究。

2）合理利用大數(shù)據(jù)技術(shù)。在海量信息中挖掘有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。

3）關(guān)于智能船舶海洋航行研究眾多，但是內(nèi)河環(huán)境下的相關(guān)研究較少，還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。如何充分發(fā)揮智能船舶的價(jià)值，還需要拓寬應(yīng)用范圍，尤其是在軍事領(lǐng)域應(yīng)用。

智能船舶航行和管理優(yōu)勢(shì)突出，可以降低人為管理的偏差，減少故障幾率。但是由于系統(tǒng)自身漏洞，可能存在無(wú)法有效控制船舶的現(xiàn)象，埋下一系列安全隱患，帶來(lái)嚴(yán)重的安全事故。未來(lái)在故障診斷技術(shù)和可靠性理論完善發(fā)展中，可以有效提升IBS系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。與此同時(shí)，未來(lái)智能船舶發(fā)展中還要加強(qiáng)數(shù)據(jù)的合理開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，借助大數(shù)據(jù)深度分析海量數(shù)據(jù)中有價(jià)值的信息，為后續(xù)的管理和服務(wù)提供可靠依據(jù)。

6 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)前智能船舶發(fā)展中，無(wú)論是理論還是技術(shù)均不夠成熟，還有待進(jìn)一步改進(jìn)，正確看待智能船舶的未來(lái)發(fā)現(xiàn)。依托于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、信息技術(shù)構(gòu)建船舶智能化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)智能船舶的自動(dòng)控制和管理，為智能船舶運(yùn)行安全提供堅(jiān)實(shí)保障。