海事航海保障智能船舶關鍵技術發展思考

摘要：針對海事航海保障船舶智能化水平不高的問題，本文首先介紹國內外智能船舶技術發展現狀；然后結合現有海事航海保障業務開展及船舶配備情況，分析指出智能船舶技術發展存在的問題；最后從智能航行、智能機艙、智能能效管理、智能作業、遠程控制等5個角度對海事航海保障船舶智能化轉型進行了分析，可為海事航海保障智能船舶關鍵技術發展提供參考。

關鍵詞：海事；航海保障；智能船舶；智能航保；航標；測繪

0 引 言

加快推進智能航保建設，能夠推進“陸海空天”一體化水上交通運輸安全保障體系建設。實現海事航海保障船舶智能化可以有效推進智能航保建設。智能船舶是利用傳感器、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。隨著科學技術的不斷發展，船舶將逐步實現智能化，并最終替代傳統船舶在航運領域廣泛應用。總體來看，關于智能船舶發展的研究主要圍繞貨船、客船等常規船型進行，針對特殊船型的研究較少。本文將結合國內外智能船舶技術發展現狀，針對現階段海事航海保障船舶智能化轉型存在的問題，提出關于海事航海保障智能船舶關鍵技術發展的幾點思考。

1 國內外智能船舶技術發展現狀

2022年，4 500 m3智能耙吸式挖泥船首制船“航浚4017”交付，該輪裝備了智能疏浚系統，可以大幅度提升作業效率、降低船舶運行成本；同年，長江干線首艘綠色智能LPG內河船“華南6”輪交付，該輪可以完成智能機艙管理和能耗監控管理，實時監控船舶設備運行狀態和設備能量消耗；2022年，韓國大宇造船海洋研發建造的首艘自主航行試驗船“DAN-V”號成功進行了自主航行船舶海上試驗；同年，現代重工旗下Avikus成功實現了搭載自主航行解決方案的18萬m3 LNG船“Prism Courage”號橫渡大洋的目標。

2 海事航海保障現狀分析

2.1 ?海事航海保障業務開展現狀

海事航海保障單位履行航標管理維護、港口航道測量繪圖、水上安全通信以及應急支持與服務等保障職責，為服務國家重大戰略和區域經濟社會發展作出了積極貢獻。截至2022年底，海事航海保障單位共管理沿海航標20 616座，其中公用航標11 139座、專用航標9 477座，管理沿海AIS基站219座，內河AIS基站410座；2022年全年維護航標3 519 643總座天，北方海區冬季換標2 225座；全年測量總面積22 309.15換算m2；全年公益通信量1 982 389次，播發安全信息749 185條；全年應急設標129座，完成應急掃測836.84換算 km2，處理遇險緊急特殊通信33起。

2.2 ?海事航海保障船舶配備現狀

以北方海區航海保障單位北海航海保障中心為例，共計配備船舶45艘：大型航標船3艘，其中現役最先進的大型航標船為“海巡156”輪，于2023年列編，是我國首艘具有破冰功能的大型航標船；中型航標船3艘，其中現役最先進的中型航標船為“海巡1506”輪，于2019年列編，是我國海事系統首艘采用全電力驅動、雙回轉舵槳推進的中型航標船；小型航標船21艘；航標巡檢艇11艘；中型測量船2艘；躉船5艘。為提高船員工作效率、降低船舶管理成本，北海航海保障中心研發應用了船舶信息管理系統，系統涵蓋證書管理、維修保養、船員培訓等方面，能夠為船舶管用養修提供各類數據，也為船舶管理單位的相關考核提供了重要依據。

3 海事航海保障智能船舶技術發展存在的問題

隨著工業和信息化技術的發展，越來越先進的導航設備、動力設備及作業設備投入使用，提高了海事航海保障船舶的信息化與自動化水平，但是單純增加先進設備的數量并不意味著船舶實現了智能化。總體來看，海事航海保障船舶現在仍然處于“欠智能”狀態。

3.1 ?針對特殊水域的智能航行系統亟待開發

區別于貨船、客船等常規船舶，海事航海保障船舶多數情況下是在航道、港池等水域航行或作業，通航環境復雜、水文氣象多變，對駕駛人員的綜合素質要求嚴苛，需要實時根據天氣、海況、通航密度、設備工況等操縱船舶。新造大、中型海事航海保障船舶普遍配備了自動舵、艏側推、動力定位等系統來輔助船員操縱船舶，但是受限于復雜的通航環境和作業環境，日常航行及作業中絕大多數情況下采用手操舵模式，很少使用自動舵；艏側推及動力定位系統一般僅在作業及靠離泊中使用，而且艏側推及動力定位系統的使用對航速有限制，船速過高時，對船舶操縱的影響微乎其微。總體來看，大量自動化設備的疊加使用并未徹底解放船員，相反導致船員工作強度增大，精神高度緊張，易因疲勞導致航行事故及作業事故發生；相比較于智能航行系統具備高智能化、高精度的優點，人工操縱船舶存在一定的誤差，不利于航海保障工作的高效開展。因此，智能航行系統特別是基于海事航海保障船舶航行及作業特點的避碰決策系統亟待研發應用。

3.2 ?船岸一體的智能服務體系不完善

現階段的海事航海保障船舶運行及管理還是以岸基為主。航標作業方面，執行航標作業任務的船舶往往同時聽令船舶管理部門和航標管理部門的指令，運行效率不高，盡管投入使用了航標運行保障系統，但是航標參數及作業任務仍然依靠人工錄入，并且海事航海保障船舶也未接入該系統，具體作業時間由船長依據自身經驗來確定，航標管理部門不能實時掌握作業進度，作業精度也完全依賴于船長的操縱水平，航標管理部門不能第一時間發現偏差并予以糾正；船舶管理方面，以國內首艘根據CCS智能機艙和智能能效要求建造的大型航標船“海巡156”輪為例，雖然該輪是我國排水量最大、智能化程度最高的大型航標船，具備智能決策和維護功能，但是該輪的智能機艙和智能能效管理還是以本船為主，無法將船舶工況數據和能耗數據實時傳輸至岸端船舶信息管理系統，需要船舶管理人員手動錄入相關信息，且不具備智能分析及決策功能，總體來看，海事航海保障船岸一體的智能服務體系還不完善。

3.3 ?多功能的智能作業水平亟待提高

目前，智能作業技術蓬勃發展，廣泛應用于機械制造等行業，但是在航海保障領域尚未深入使用。在海事測繪方面，以我國設備設施最先進的新一代大型專業海道測量船“海巡08”輪為例，盡管該輪配備了功能齊全的測量系統和數據處理中心，可以實現從測量到出圖在一艘船上完成，但是作業前仍然需要相應職能部門根據經驗和氣象海況制定作業計劃；在航標作業方面，以中國海事系統首制全電力推進系統中型航標船“海巡1506”輪為例，作業設備配置1臺12 t-15 m的航標起重機，1臺150 kN錨鏈絞車，左右兩舷各配備1套升降導鏈輪、1套棄鏈裝置、2套15 kN液壓牽引絞車，設備自動化程度較高，航標作業能力較強，但是船上未配備綜合作業系統，所有設備均由船員操作，無自主或自動控制功能。總體來看，海事航海保障船舶智能作業水平不高，需要配備大量的培訓合格的船員來操控各種設備，在無法有效降低船舶配員的同時，由于各式各樣的作業設備設施數目不斷增加，也導致船員操作及維修保養設備的負擔激增。

4 海事航海保障智能船舶技術發展要點

全面實現船舶智能化并非一蹴而就，需要在多個領域加快研發進度。雖然海事航海保障船舶基本滿足了現階段業務開展的需要，但是在一些智能船舶關鍵技術的研究進度遠落后于其他類型船舶，為助力智能航保建設，亟需在以下5個關鍵技術方面加快研究進度，以滿足海事航海保障事業發展的需要。

4.1 ?智能航行

智能航行能夠為船舶提供航速和航路優化的決策建議，最終目標是實現全航程自主航行，理論上能夠顯著降低由人為因素導致的水上交通事故的發生率。發展智能航行技術的最重要前提是確保航行安全，但綜合現有技術發展水平，智能航行仍然處于起步階段。海事航海保障船舶現在處于大量搭載航行輔助系統階段，如自動舵系統、艏側推系統、動力定位系統等，雖然操縱性能得到極大提升，但是仍然依靠船員的決策進行操縱，并且海事航海保障船舶多數情況下是在航道、港池等復雜通航環境下航行和作業，實現全航程自主航行的最終目標難以一蹴而就。實現智能航行，首要實現航行態勢智能傳感，包括船舶自身態勢和周圍環境態勢，船舶自身態勢包括航速、航向、吃水等，周圍環境態勢包括航標、過往船只、水文氣象等；其次是研發適用于海事航海保障船舶的智能航行系統，特別是避碰決策系統，該系統是實現海事航海保障船舶智能航行的基礎，除了具有航線規劃與航速設計功能外，還應具備水文氣象信息感知、航行態勢認知、航行避碰決策等高等級功能，以此實現海事航海保障船舶在船員監視及岸基指導下逐步實現具有在港池、航道等復雜環境下自主航行、自動靠離泊功能，最終實現全航程自主航行。

4.2 ?智能機艙

智能機艙能夠為船舶設備與系統的使用、操作和控制、檢修、管理等方面的決策提供支持，可以大大減少機艙人員及岸基管理人員的工作強度。為實現海事航海保障船舶智能機艙建設，一是加快設備改造和研發，特別是引入電力推進等新的船舶動力形式，新建大、中型海事航海保障船舶配備了無人值守機艙和全電力推進動力系統，較采用柴油機、齒輪箱、軸系等作為動力系統的傳統船舶，電力推進系統可控性得到提升且易于實現智能監控，機艙智能化改造的難度也大大降低，特別是隨著國內首艘根據CCS智能機艙和智能能效要求建造的大型航標船“海巡156”輪入列，加快了智能機艙的建設步伐；二是在無人值守機艙和全電力推進動力的基礎上，充分利用可視化設備及傳感設備實現機艙設備的自主監控，并實時傳輸驅動電機、船舶電網等系統的工況數據，同時建立岸基機艙集控中心，逐步將智能機艙的研發側重點由單船的機艙集控室轉移到岸基多船的集控中心，實現單船機艙輔助決策、船隊數據共享共用的船-岸一體的智能機艙系統。

4.3 ?智能能效管理

為保護生態環境，順應能源結構轉型，船舶動力正朝向綠色低碳的方向飛速發展，特別是以風力、電力等為代表的低排放、低污染的新能源技術不斷在船舶動力中使用。智能能效管理能夠實現船舶能效實時監測、評估及優化，不斷提高船舶能效管理水平，進而減少能源消耗，達到節能減排的目的。為實現海事航海保障船舶能效智能管理，一是要構建船岸一體的智能能效信息服務體系，船端設備執行單船的數據采集任務，岸基系統執行多船的智能分析與決策任務，在信息實時動態交互與分析決策的基礎上，實現船舶能效管理的智能一體化，該體系可與智能機艙系統同步研發、同步應用；二是要構造海事航海保障船舶智能能效管理模型，區別于貨船大多數處于定速航行狀態，海事航海保障船舶在航行及作業時大多數處于機動航行狀態，速度、航向、船舶姿態等時刻在變化，因此要優化能耗算法，充分挖掘船舶能效提升的潛力；三是要推進船舶動力升級，在大、中型海事航海保障船舶普遍采用全電力推進動力系統的基礎上，積極探索其它形式的新能源在海事航海保障船舶上的應用，以滿足生態環境保護和能源結構轉型的要求。

4.4 ?智能作業

實現海事航海保障船舶智能化作業，應按照人員在船監控的半智能作業——人員在岸監控的智能作業——無需人員監控的智能作業的路徑進行研發。一是要構建船岸一體的智能作業系統，該平臺應具備作業任務編制、作業任務下達、作業任務執行、作業任務評估等主要功能，是智能作業的中樞系統，根據作業任務，智能調派作業船舶和工作人員，通過綜合分析天氣、海況及通航環境等信息后，做出最優化的作業方案；二是積極探索新型作業模式，以航標巡檢為例，可在航標巡檢船上搭載無人機，利用巡檢船高速和續航長的優點，快速沿航道行駛，搭載CCTV系統、燈質檢測系統、北斗定位系統的船載無人機迅速起飛對沿途航標進行巡檢，巡檢數據實時傳輸至岸端綜合作業系統，分析研判航標是否正常，并反饋至航標巡檢船，由船舶行駛至受損航標進行維護；三是積極研發自主作業設備，以航標智能拋設系統為例，該系統通過北斗和CORS高精度定位，獲取船舶拋設裝置處的精準位置、航速、航向等信息，在此基礎上解算出拋設裝置相對于目標作業點的態勢，結合拋設過程中沉石下沉速度、水深等信息，解算出最佳拋設位置和時機，待航標作業船舶到達最佳位置后，系統下達指令，自動拋出浮標。

4.5 ?遠程控制

中國船級社《智能船舶規范》（2023）將遠程控制分為R1和R2兩類，其中R1需要船員在船，R2無需船員在船。無論是否需要船員在船，均需要建立遠程控制站。鑒于海事航海保障船舶智能化轉型研究較慢，應按照完全由船員在船控制—部分功能由岸上控制，船員在船監控—全部由岸上控制，船員不在船監控的思路逐級開展研究。一是要搭建岸基控制中心，岸基控制中心是智能航行和智能作業過程中的駕控中心和監管中心，最終目標是實現遠程控制船舶航行和作業；二是加強環境再現的研究，只有實現船舶自身狀態以及航行態勢的可視化，才能實現遠程控制，船舶自身狀態可視化需要強化信號傳輸技術，航行態勢、作業現場、周圍水域的可視化可以借助虛擬現實技術實現；三是要加強網絡安保，智能船舶與岸基控制中心通信頻繁，若船岸之間的通信網絡受到攻擊，船舶自身狀態和航行態勢數據易被篡改，其損失和后果將不堪設想，因此網絡可靠性與安全至關重要，需要在船舶信息加密與解密、遠程控制權限管理與授權等方面開展細致研究，進而提升遠程控制系統抗網絡攻擊的能力。

5 結 論

順應時代發展趨勢，發展海事航海保障智能船舶，將船舶運行中的部分工作或全部工作交給人工智能程序完成，既可降低船舶配員和船員工作負擔，在很大程度上解決人為操作失誤帶來的各種安全問題，也能夠提高海事航海保障服務水平。海事航海保障船舶具有相對固定的航線和特定的作業任務，航行環境相對固定，且距離陸地較近，便于開展智能船舶研究。目前的海事航海保障船舶智能化建設仍處于初級階段，需要在智能技術的研發與測試上堅持長期科研攻關，通過不斷的技術改造與創新，為海事航海保障船舶智能化轉型持續賦能。

參考文獻

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作者簡介：

邢玉林，碩士研究生，工程師，從事航標管理專業，主要研究方向：航標設置與運維、航標裝備信息化與智能化，（E-mail）：13130588903@163.com，13130588903