智能船舶技术和无人驾驶技术研究

龚瑞良吉雨冠

（1.常熟瑞特电气股份有限公司 常熟215500；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

智能船舶技术和无人驾驶技术研究

龚瑞良1吉雨冠2

（1.常熟瑞特电气股份有限公司 常熟215500；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

智能船舶概念的兴起以及智能船舶技术的日益发展，已使船舶智能化成为全球航运的大势所趋。文中结合中国船级社今年3月正式发布的《智能船舶规范》，具体介绍了智能船舶技术的六大功能模块（智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台）的主要功能、技术要求，以及实现无人驾驶技术的主要功能和实现难点，对相关技术人员依据《智能船舶规范》进行设计、制造智能船舶方面具有一定借鉴作用。

智能船舶技术；无人驾驶技术；智能船舶规范

引 言

2016年3月1日，由中国船级社（CCS）编制的《智能船舶规范》已正式生效，这意味着智能船舶及无人驾驶时代的到来。

阿波罗登月时，宇航员曾说过：“人类的一小步，是科学技术的一大步。”《智能船舶规范》必将引领船舶的设计、制造、使用管理、维护保养、货物运输向着智能化方向迈进一大步。船舶作为物流不可替代的主体，人们对其要求也越来越高——大吨位、大尺度、快速、安全、高效等。难以想象，若没有智能化，将如何满足时代的发展需求！

1 现 状

1961年，日本建成“金华山丸”号散货船，实现机舱集中控制和驾驶室遥控主机，成为世界上第一艘自动化船舶。

1970年，日本建成“星光丸”号油轮，除机舱集中控制和驾驶室遥控主机外，通过各子程序和接口对全船实现控制和管理。

1985年，中国沪东造船厂建成“柏林快航”号集装箱船，配置了自动操舵系统（Ship Opera Tion Center，SOC）、自动导航系统（Automaic Radar Plotter Apparatus，ARPA）、船舶管理中心（Ship Management Center，SMC），通过计算机系统对全船实现综合管理。由此，我们看到了智能化的雏形。

2011年3月，日本现代重工推出智能型船1.0型4 500 标准箱集装箱船，采用了现代重工及韩国电子通讯研究院（ETRI）共同开发、并被选为IEC国际标准（IEC 61162-450）“有线/无线船舶综合管理网通讯技术”（SAN：Ship Area Network）船舶智能技术。世界第一艘智能化船舶正式诞生。［1］

2016年4月，芬兰罗尔斯·罗伊斯公司在赫尔辛基芬兰地亚大厦宣布：一年来，“高级无人驾驶船舶应用开发计划（AAWA）”项目取得了丰硕成果。未来数月，该项目将在芬兰船运公司“Stella”号（科尔波和豪特谢尔之间运营的65 m渡船）上，进行不同运营状况和不同气候条件下的一系列试验。

2016年4月9日，美国五角大楼的研究机构国防高级研究计划局（DARPA）宣布，美国军方将开展为期两年的世界上最大无人驾驶船舶“海猎人”号的测试和试验工作。该船主尺度为长132 ft（40 m）、排水量145 t、航速30 mile/h（26 kn）。

芬兰罗尔斯·罗伊斯公司罗尔斯·罗伊斯船舶业务创新副总裁Oskar Levander表示，将在这一个十年结束之前，看到无人驾驶船舶的商业应用。五角大楼的研究机构国防高级研究计划局（DARPA）发言人Jared B.Adams表示，无人驾驶船舶不仅可能改变海上作战方式，也可能实现无人驾驶船舶的商业运输。

2 规范的历史意义和引领技术先行的现实意义

中国船级社（CCS）《智能船舶规范》是至今为止首部涵盖了智能船舶从设计、建造到运营全生命周期的船级社规范，具有深远的历史意义和引领技术先行的现实意义。CCS《智能船舶规范》共分7章：第1章通则、第2章智能航行、第3章智能船体、第4章智能机舱、第5章智能能效管理、第6章智能货物管理、第7章智能集成平台。规范在内容上脉络清晰，自成体系，具有可操作性； 六大功能的划分方式涵盖了船上各智能化系统；此外规范内容立足于现有的规范体系，能与目前CCS的规范要求相互融合。同时，规范开放式的编写方式充分考虑到未来智能船舶技术的发展，便于今后不断纳入新的应用成果，完善和细化已有的技术要求。具有融合成熟技术的历史意义！

规范中还对各项智能功能所对应的计算机系统和软件开发、送审资料、试验检验及人员配备作出明确要求。考虑到智能船舶技术的不断发展，规范对新技术的应用作出原则要求：当采用新技术的系统和设备经风险评估和试验证明能够达到CCS规范要求的同等安全水平，这些系统和设备的设计可偏离CCS的规范要求。同时给出风险评估方法和新技术批准的依据，具有引领技术先行的现实意义。

智能船舶分为六大功能模块：智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台。当船舶的各项功能均符合CCS智能船舶规范要求时，可授予智能船舶附加标志：

i-Ship（Nx，Hx，Mx，Ex，Cx，Ix）括号内的字母是智能船舶的功能标志，其与智能船舶功能模块的对应如下：

N —— 智能航行功能标志；

H —— 智能船体功能标志；

M —— 智能机舱功能标志；

E —— 智能能效管理功能标志；

C —— 智能货物管理功能标志；

I —— 智能集成平台功能标志；

X —— 可选功能补充标志。

当船舶具有某一智能功能，即可单独授予相关的智能功能标志［2］。

智能船舶要实现商业或军事利益的最大化，不仅要实现船舶本身（点）的智能化，还要实现与所属船舶公司管理中心（线）的联系和管理，并且要实现与国家或地区（面）物流网的资源共享。

2.1 智能船舶技术

智能船舶技术泛指利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理和分析技术，在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶，以使船舶更加安全、环保、经济、可靠［2］。

2.1.1 自动航行系统

自动航行系统包含自动导航系统和自动操舵系统。只要输入航行计划，船舶起锚离港后，系统自动进行航向、航速、船位检测，并自动保持航迹、航向、航速，安全地到达目的地。像无人机那样，预先制定航行计划，输入预定航线，在整个船舶航行过程中，人们不介入船舶操纵，只是处于监视状态和负责设备故障的排除。实现船舶自动化航行后，不仅减少船员劳动强度，还将大大提高船舶的经济性和安全可靠性［3，5］。

而“智能航行”要求是利用计算机技术、控制技术等对感知和获得的信息进行分析和处理，对船舶航路和航速进行设计和优化；航行时，借助岸基支持中心，船舶能在开阔水域、狭窄水道、复杂环境条件下自动避碰，实现自主航行。智能航行具有以下功能：基本功能为航路设计和优化；补充功能为自主航行或高级自主航行。

现举例说明“导航雷达”如何适应智能规范要求以及需改进提高的方向。

（1）避碰ARPA功能

不同船型有不同的回转半径，不同速度下有不同的转弯角速度。要想真正实现船舶避碰ARPA功能，每种船型的数学模型是不一样的。如果是运输船舶，不同（装载量），其特性也不一样的。换言之，船舶避碰ARPA软件还要具有“不断学习”的能力。

与传统的“ARPA功能”相比，新型导航雷达要与“船舶能效管理系统”有接口关系，实现自身船型特性数据的输入和实时修正。

（2）“观察”功能

众所周知，导航雷达是船舶的眼睛。根据天气、海浪、目标的大小需经常变换量程，需要调节增益。在无人驾驶的情况下，导航雷达能进行智能化的自动切换吗？

与传统的“观察”相比，新型导航雷达要与“船舶气象仪”及其他气象设备有接口关系，获得实现天气、海浪等气象特性数据的自动输入和实时修正。根据目标的大小需要变换量程，或者需要调节增益，新型导航雷达本身能够实现自动调节。另外，借助岸基支持中心，也能遥控实现自动调节。

（3）“融合”功能

现代导航雷达显示器能够与“电子海图显示与信息系统（ECDIS）”和 “船舶自动识别系统（AIS）进行融合。这样的雷达画面，就是智能船舶的实时场景。

与传统的“融合观察”相比，新型导航雷达能够与对外通信系统或情报系统有接口关系，能够将“实时场景”传输到岸基支持中心。

通过以上论述和分析我们发现，原有的导航设备（含导航雷达）尚无法满足智能化和无人驾驶要求。随着对智能化船舶的深化研究，对单体设备和所属系统的要求，以及设备与设备间的要求、系统与系统间的要求，都会随着深化设计，不断提出新的智能化技术要求，这意味着设备、系统的软件也将不断创新和升级。

2.1.2 船体应力检测系统

船体应力检测系统是船舶电气信号系统的子系统，船体应力检测系统一般包含长基线应力仪、加速度仪、倾斜仪等。

CCS《钢质海船入级规范》2015第2分册（船体分册），第2.2.8条款中，对“装载手册和装载仪”提出：要求提供船舶装载工况的设计依据，包括沿船长的许用静水弯距和许用静水切力曲线；各种装载工况下的静水弯距和静水切力的计算值；结构（如舱口盖、甲板、双层底）所容许的局部载荷［3］。

而“智能船体”是基于船体数据库的建立与维护，为船体全生命周期内的安全和结构维修保养提供辅助决策，同时还可以通过船体相关数据的自动采集与监测，提供船舶操纵的辅助决策。

（1）船体全生命周期管理包括下列功能：

船体建造监控管理；

船体结构厚度监控与强度评估；

船体检查保养计划；

破损稳性和结构剩余强度评估。

（2）船体监测及辅助决策系统包括下列功能：

船体监测系统；

航行辅助决策系统。

2.1.3 机舱自动化系统

机舱自动化系统包含：机舱检测、报警、控制系统；主机和可调螺距螺旋桨的遥控系统；船舶电站自动化系统；辅锅炉、其他机电设备的自动化控制系统等。

AUT-0标志表示推进装置由驾驶室控制站控制、机舱集控室和机器处所的无人值班。其主要功能是检测、控制机电设备的工作状态和参数，如压力、温度、电流、电压、功率、频率、转速、流量、液位、绝缘电阻、电动机的起停、阀的开与关等，并进行指示、报警、控制、记录。当机电设备故障时，工作参数超限时，发出报警指示。这种报警还延伸至驾驶室、轮机员住所、公共场所［3，5］。

而“智能机舱”的要求是：能够综合利用状态监测系统所获得的各种信息和数据，对机舱内机械设备的运行状态、健康状况进行分析和评估，用于机械设备操作决策和维护保养计划的制定。并具有以下功能：

（1）对机舱内的主推进发动机、辅助发电用发动机、轴系的运行状态进行监测；

（2）根据状态监测系统收集的数据，对机械设备的运行状态和健康状况进行分析和评估；

（3）根据分析与评估结果，提出纠正建议，为船舶操作提供决策建议。

2.1.4 综合桥楼系统

关于综合桥楼系统的要求，可查阅相关标准和设计手册。

2.1.5 船舶能效管理系统

2011年CCS发布了《船舶能效管理认证规范》，并于2012年1月1日生效。国际海事组织（IMO）海洋环境保护保护委员会第62届大会（MEPC62）早在2011年7月就通过对《国际防止船舶污染公约》附则VI（MARPOL ANEX VI）的一项修正案，把有关新船能效设计指数（EEDI）和船舶能效管理计划（SEEMP）的内容纳入其中。MEPC.212（63）发布了2012年《新船实际能效设计指数（EEDI）计算方式导则》；MEPC.213（63）发布了《2012年船舶能效管理计划（SEEMP）编制导则》；MEPC.214（63）发布了《2012年能效设计指数（EEDI）检验和发证导则》；MEPC.215（63）发布了用于《能效设计指数（EEDI）的基准线计算导则》［4］。

而“智能能效管理”是指能够通过对船舶航行状态、耗能状况的在线监测与数据的自动采集，对船舶能效状况、航行及装载状态等进行评估，并通过大数据分析、数值分析及优化技术，为船舶提供数据评估分析结果和辅助决策建议，以及航速优化、基于纵倾优化的最佳配载等解决方案，实现船舶能效实时监控、智能评估及优化，不断提高船舶能效管理水平。

2.1.6 船舶智能货物管理系统

智能货物管理是指利用传感器等感知设备对货物、货舱和货物保护系统的参数进行自动采集，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理、分析，以实现货舱、货物和货物保护系统状态的监测、报警、辅助决策和控制，同时还可以基于监测和获得的数据，进行货物优化配载和自动装卸，从而实现船舶货物的智能管理。

2.1.7 智能集成平台

船舶授予智能集成平台功能标志，应至少集成智能航行、智能机舱和智能能效管理三个系统的数据，形成船上数据与应用的统一集成平台。集成平台应具备开放性，能够整合现有船上信息管理系统及后续新增系统，以实现对船舶的全面监控与智能化管理，并与岸上实现数据交互。

2.2 无人驾驶技术

无人驾驶技术是在“船舶智能技术”基础上的又一次飞跃。无人驾驶技术是指通过智能化技术和遥控技术实现对无人船舶的驾驶和控制。

2.2.1 无人驾驶船舶与无人机区别

随着无人机技术的日益成熟，无人机的应用越来越宽泛。但我们必须清醒地认识到，无人驾驶船舶与无人机相比还存在很大区别：

（1）船舶的靠停码头

船舶的安全靠离码头受到船体自重、线形、惯性、吃水、风速、风向、水流等因素的影响，因而通过遥控的无人驾驶船舶有一定难度。

（2）船舶的狭窄航道航行

狭窄航道的流速和流向都在不断变化，并且暗礁的自动识别难以普及（技术上是可行的，但性价比太低），因此通过遥控的无人驾驶船舶有一定风险。

（3）锚地的抛锚和避风

锚地抛锚和避风也是常有的事，每个港口附近的锚地情况不尽相同，通过遥控的无人驾驶船舶有一定困难。

2016年8月18日，烟台中集来福士海洋工程有限公司与上海亿石创业投资有限公司签订了无人艇研发制造合作协议。亿石拥有全球科学家、知识产权、重点大学和专业实验室的资源整合，研发的无人艇和水面水下机器人能够实现在高精度GPS/北斗导航定位下的全天候自动巡航与避险、远程侦查操作、专业设备载荷搭载、360度视角视频传输、语音对讲等功能，主要应用于油气开发领域，也充分运用在抗灾救险、调查军事、离岸风能建设等诸多方面。预计年内投产即可达到近亿元产值，之后将以每年50%的速度递增。

2.2.2 船舶远程识别和跟踪系统

船舶远程识别和跟踪系统由船载终端设备、通信服务提供商（CSP）、应用服务提供商（ASP），可实现航行船舶全球识别和跟踪。

船舶设计实用手册（2013版）［5］中，对“电子海图显示与信息系统（ECDIS）”、“自动雷达标绘仪（ARPA）”、“船舶自动识别系统（AIS）”以及综合桥楼系统（CCS-OMBO或ABS-NIBS）提出过许多与船舶远程识别和跟踪系统的接口要求：

（1）要求“电子海图显示与信息系统（ECDIS）”将相关的导航信息叠加到电子海图上综合显示，具有海图自动修正、报文收发、岸船双向文本通信功能。可以使用电子海图导航海图（EMC）和光栅海图；可以设计和监视航线；可以搁浅报警；可以显示ARPA目标数据，叠加雷达图像等。

（2）要求自动雷达标绘仪（ARPA）能够提供连续、准确和迅速的航行形势估计，而且能够显示船舶周围态势，确保船舶安全航行。可录取和自动跟踪多批目标；可以显示目标运动轨迹；可以对危险目标发出警告信号；可以自动校准、自动调整、故障自检和指示。

（3）要求船舶自动识别系统（AIS）可连续向配有相应设备的岸上交通控制站和其他船舶、飞机发送船舶识别码、船型、航向、航速、航行状况，以及与航行有关的吃水、货物种类、目的地、估计到达时间；或接收岸上交通控制站和其他船舶、飞机发送来的有关信息，为船舶避碰、安全航行提供有效保障。它与船舶远程识别和跟踪系统（LRIT）形成互补，主要作用于近距离接收和发送。

（4）要求综合桥楼系统（CCS-OMBO或ABSNIBS）将导航设备、操机操舵设备等通过接口网络有机地结合在一起，将各种导航设备的输出信息进行优化综合处理，实时、连续、精确地提供船位信息和各种航海参数，实现一人驾驶。

如果我们能把现有的船舶自动化、船舶航行自动化（ECDIS、ARPA、AIS等）、船舶远程识别和跟踪系统（LRIT）及其他遥控技术融合在一起，就可以实现自主航行船舶的遥控。航行计划可以在综合桥楼系统进行，也可以通过岸基控制指挥中心导入命令数据；并可通过短波、超短波、卫星等通信技术，实现船岸之间的无缝连接和数据传输及实时监控［5］。

2.2.3 无人驾驶技术主要功能

无人驾驶技术主要功能有：

（1）具有航路的设计和优化能力，根据船舶所具有的技术条件和性能，特定的航行任务、吃水情况、货物特点和船期计划，充分考虑风、浪、流、涌等因素，在保证船舶、人员和货物安全的条件下，设计和优化航路、航速，尽量减少燃料消耗，并在整个航行期间不断优化。

（2）具有岸基支持中心、恶劣天气航行系统、应急事态处理、自动避碰系统和航迹监控系统。

（3）具有自主航行、高级自主航行风险分析系统，包括推进系统、船舶操舵系统、导航系统、辅助系统的故障模式和影响分析。

3 结 论

恩格斯曾对人类需求与科技发展的关系做过如下表述：“社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”芬兰图尔库大学经济学院协作研究中心开发经理Jouni Saarni表示：“遥控与无人驾驶船舶可能会重新定义船舶行业以及业内参与者的角色，对船舶公司、船舶制造商和船舶系统供应商产生重大影响。”对世界范围内的船舶进行持续实时的远程监控会将船舶更紧密地整合到物流或供应链中，让全球企业能尽力发挥整个船队的最大效率，实现节支增收。这会潜在地催生全新的船舶业务，如在线货运服务市场、更加高效的资产组合和租赁以及新型联盟等。在这些新业务中，有些是针对市场上现有参与者的支持性业务，而让新的参与者进入本行业（诸如Uber、Spotify 和Airbnb等其他行业的参与者），则更具有潜在的强大竞争性［1］。

智能船舶及无人驾驶时代的到来，究竟会给世界带来多大的影响，我们且拭目以待！

［1］李源.船舶行业新技术盘点［J］.船海动态聚焦，2015（11）.

［2］中国船级社.船舶智能规范［S］.2016.

［3］中国船级社.钢质海船入级规范［M］.北京：人民交通出版社，2015.

［4］中国船级社.船舶能效管理认证规范［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］中国船舶工业集团公司.船舶设计实用手册：电气分册 ［M］.北京：国防工业出版社，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

龚瑞良（1965-），男，高级工程师，研究方向：电气自动化。吉雨冠（1959-），男，研究员，研究方向：舰船通信及导航。

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