智能船舶系统电气解决方案

李铭志，何炎平，刘亚东，黄超



智能船舶系统电气解决方案

李铭志1，何炎平1、2，刘亚东1、2，黄超1

（1．上海交通大学海洋工程国家重点试验室，上海 200240；2．高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200120）

介绍了中国船级社（CCS）编制的《智能船舶规范》对智能船舶的定义及其功能要求，针对《智能船舶规范》对智能船舶在取得智能航行功能、智能船体功能、智能机舱功能、智能能效管理功能、智能货物管理功能和智能集成平台功能及其功能补充标志的要求，分析了各部分相关的现有技术和目前还存在的技术差距，给出了对应的电气解决方案及所涉及到的关键技术。

智能船舶 电气系统 关键技术

引言

近年来，计算机技术的飞跃发展及其在船舶行业的广泛应用，大大促进了航海事业的进步。各个地区，各个组织都制定智能化目标，最具代表性的是IMO主导的以实现“航行更安全，成本更低”为目标的E-navigation[1]，欧盟启动的旨在消除欧洲各区域、各国家、各内河之间的信息交换障碍的River Information Services System[2]（RIS，欧洲内河航运综合信息服务系统），我国船级社编制的CCS《智能船舶规范》[3]。呈现出了海洋、内河及船舶多方位百花齐放式的智能化进程[4]。

早在1986年，日本东京商船大学、电气通信大学、东京水产大学联合研究智能船舶，想基于陆上保障系统、船舶状态监测系统，再辅以人工智能做出各种决策，实现最佳船舶操纵、自动近岸航行、信息生活保障和自动生产等功能。1987年东京商船大学实习船“汐路丸”按无人驾驶船设计，可实现智能化靠离码头[5]。此外，英国制造的“MARS”号无人驾驶船，计划在2020年横跨整个大西洋[6]。2015年，韩国现代重工集团与埃森哲合作设计“互联智能船舶”，致力于通过应用数字技术帮助船东更好地管理船队，充分挖掘潜能，节约运营成本[7]。2016年8月，中集来福士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，通过使用高速识别技术、神经元网络芯片技术、高速传感器技术和云平台数据库实现自动巡航与避险、远程侦查等功能[8]。

一方面计算机技术的发展为交通、航运和船舶的智能化提供了基础；另一方面，智能化手段能够有效降低减小人员劳动强度、降低误操作、提高船舶控制和管理水平、优化船舶运营性能从而降低成本、提高收益、保障安全。因此，智能船舶是全球造船人当前最为迫切的梦想。

1 智能船舶的定义

2015年12月，由CCS编制的《智能船舶规范》正式对外发布。规范中，定义智能化为由现代通信与信息技术、计算机网络技术、智能控制技术等汇集而成的针对某个对象的应用，这些应用通常包括但不限于评估、诊断、预测和决策等。规范指出，智能一般具有如下特点[3]：

1) 具有感知能力：即借助传感器技术，能够感知外部世界、获取外部世界的关键信息；

2) 具有记忆和思维能力：即借助人工智能技术，能够实现信息的存储、挖掘和融合，能够通过对信息进行加工，使其转换为可用的知识，并能基于此做出各种所需的推理分析；

3) 具有学习能力和自适应能力：即借助人工智能技术，通过对外部环境的不断学习，归纳积累相关知识，使系统能够适应环境的任意变化；

4) 具有行为决策能力：即能够借助专家知识、神经网络等智能手段，根据外部世界的变化做出适当的决策和响应。

CCS《智能船舶规范》定义智能船舶为：利用传感器、通信、互联网、数据处理等技术手段，感知船舶自身、物流货物、海洋环境、港口航道、气象环境等信息，并基于人工智能技术、自动控制技术、大数据分析处理技术，在船舶操纵、管理、维护保养和货物运输等方面实现智能化运行的船舶[4]。

2 智能化要求及解决方案

CCS《智能船舶规范》对智能船舶的功能进行了详细划分[3]，分为智能航行、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六个部分，并对每个部分的功能做了详细的要求。本文基于这些要求，继续探讨各部分相关的现有技术和目前还存在的技术差距，并基于此给出对应的电气解决方案，讨论所涉及到的关键技术。

2.1 CCS对智能航行功能的要求和解决方案

2.1.1 CCS要求[3]

1）对船舶运营消耗、物流信息、气象环境、海洋环境和港口航道信息历史数据进行分析处理；

2）基于分析结果、航行任务和物流信息对船舶航线和航速进行设计和优化。

补充功能：可借助岸基支持，实现开阔水域、狭窄水道、复杂环境条件下的自动避碰、自主航行功能，或者具有自动靠离码头、自动通过船闸等高级自主航行功能。

2.1.2现有技术及技术差距

现有技术：航行任务、货物特点、船期计划的计划管理技术；主要航区的波浪散布图，季风、洋流分布图等历史统计资料；气象传真机、风向风速仪、风温廓线仪等成熟探测设备。

技术差距：卫星遥感、海洋环境监测力度和技术有待提高；海洋环境预报技术还有待提高；船舶综合性能及能耗水平的快速预报技术有待提高[9]。

2.1.3解决方案

除了配置常规的气象传真机、风向风速仪、电子海图等航行设备以外，还需配置基于海洋环境历史统计数据、海洋环境预报技术的航线优化系统。

前期的规划中，尤其是航线环境条件，在远洋航运中肯定只有历史统计数据，因此前期的航路规划为以历史统计数据为基础的概率型规划和优化，在整个航行期间，需根据短期的预报，甚至当前感知的信息，不断进行优化。

需配置射频、4G等通信设备，与港口、狭窄航道管理部门进行通信。同时，针对每一个特殊的航道都建立通行流程，当船舶航行到适当位置时，与航道管理部门建立实时通信，根据自主航行给出的策略，配合通过。

2.1.4关键技术

海洋环境预报技术：对海洋气象、海洋波浪等海洋环境的准确预报，将为航线优化提供坚实基础，是对航行优化可靠性的有效保证。

复杂条件下的船舶控制技术：包括对危险信息的感知技术（比如码头、障碍物测距、外形识别，测深等），船舶精确控制技术（对于有动力定位系统的船舶非常容易实现，但是对于装定距桨的大型集装箱船就不是非常简单）。

特殊航道模型的建立：最适合的模式是由本航道建立模型，并对通行船舶提出智能通行要求（数据交换），比如巴拿马运河，在智能船舶到达一定距离之前，就能根据航道模型（港口直接发送或者符合规定的预定静态模型）实现和航道的通信，备妥相关自动化设备，双方都达到规定的状态时，允许其在智能模式下通行。

2.2 CCS对智能船体功能的要求和解决方案

2.2.1 CCS要求

1）基于对船体结构相关参数的采集和监测，建立船体数据库，并具有便捷的维护措施；

2）基于船体数据库，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。

补充功能：可基于船体数据库和对船体结构的监测数据，为船舶操纵提供辅助决策。

一是在资金使用管理环节，制定了《赣州市财政扶贫专项资金管理办法》，对资金的使用范围、审核拨付和管理监督等进行了明确。同时，对所有纳入整合的财政涉农扶贫资金要求按照中央、省“专项扶贫资金管理办法”的规定管理和使用，做到资金管理监督全覆盖。

2.2.2现有技术及技术差距

现有技术:船舶腐蚀检测技术；船体焊缝无损检测技术。

技术差距:船舶重点部位腐蚀大面积连续监测技术；船体焊缝大面积连续无损监测技术；船体关键部位变形情况的连续监测技术；船体损伤后的强度评估技术[10]；船体损伤对船舶性能的影响。

2.2.3解决方案

配置腐蚀连续监测设备，对船舶关键部位的腐蚀情况进行连续监测。配置船舶焊缝射线无损监测设备，对超过一定厚度、高强度钢及关键部位的焊缝进行连续监测。同时，监测船舶关键部位的裂纹。配置船体形状监测设备，对船舶关键部位的变形情况进行连续监测。

建立包括建造信息、维护信息、船舶运营信息等内容的船体维护数据库，采用人工智能技术，通过对数据的分析推断，给出维护保养、航线规格、船舶操纵方面的指导和建议，以满足辅助决策功能的需求。

2.2.4关键技术

大面积，大区域范围内的连续监测：目前已经有点，或者说局部小区域的各种探测技术，但是如何实现大面积，大区域范围内的连续监测，还是一尚待研究的问题。

船体损伤后的强度评估技术和船体损伤对船舶性能的影响程度：目前为止依然是摆在造船人面前的难题。

船体全生命周期安全和维修保养模型的建立：究竟如何建立该模型，感知哪些部位的哪些信息，能够简单而较为准确的描述船舶的结构安全，并能快速的基于此做出各种相关的辅助决策，尤其是要使得该模型有一定的通用性，是一件非常关键和困难的问题。

航线、航区、材料特性对船体腐蚀、变形的影响分析：不同航线，航区，不同的盐度、酸性对不同材料、不同涂层状态船体腐蚀、变形的影响分析是辅助决策的重要依据，同时也有助于船型开发，航行路线选择，新材料研发等方向的发展。

腐蚀、变形对航行经济性的影响分析：腐蚀、变形对航行经济性的影响分析是经济航线规划的重要依据，也是维护计划制定的重要依据，是船舶运营经济性分析的条件之一。

2.3 CCS对智能机舱功能的要求和解决方案

2.3.1 CCS要求

1）对机舱内的主推进发动机、辅助发电用发动机、轴系等主要设备的运行状态进行监测；

2）基于设计参数和监测数据，对主要机械设备的运行状态和健康状况进行监测、分析和评估；

3）根据评估结果，为船舶操纵者提供辅助的决策建议。

补充功能：可根据对机械设备的评估结果，制定相应的维护保养计划。

2.3.2现有技术及技术差距

现有技术:主机、辅机、轴系等关键设备的运行状态监测技术，比如轴转速、轴承温度、润滑压力、故障报警等。

技术差距:没有对柴油机燃烧室温度、增压器性能方面的精细化监测；没有主要设备健康评估模型；没有主要设备性能评估模型。

2.3.3解决方案

利用现有的自动化技术对柴油机、发电机、轴系等主要机械设备及其辅助设备进行持续状态监测，要求主动力设备（包括柴油机、推进电机等）按照《规范》对智能船舶主要设备的要求进行更加细致的监测（比如燃烧室状态，增压器性能）和更加精确的控制（比如喷嘴、润滑油压等），并给出比较详细的能耗和性能参数或者曲线，供上位优化控制。

系统根据各种机舱设备的监测数据，进行系统健康评估和辅助决策技术，包括维护保养的决策（维护时间最短，周期最长，最经济，最可靠）。

2.3.4关键技术

系统健康评估和辅助决策技术：系统的健康评估需建立在设备健康评估的基础之上，维护保养的辅助决策需建立在设备的设计参数基础之上，操纵控制的辅助决策同样需建立在设备的性能参数基础之上，因此，智能船舶机舱主要设备的健康评估和保养计划还需制定相关标准，由船级社把关强制执行，这样才能为整个船舶机舱系统的健康评估和辅助决策提供基础和参考。

2.4 CCS对智能能效功能的要求和解决方案

2.4.1 CCS要求

1）实现对船舶航行信息、能耗状况、海洋环境和气象环境的在线监测；

2）根据监测信息，对船舶能效状况和装载状态等进行评估、报告和报警；

3）基于评估结果，通过大数据分析和人工智能技术，为船舶操纵者提供辅助决策建议。

补充功能：可结合航线特点，提供航速优化方案，基于最佳航态分析，给出基于纵倾优化的最佳配载方案。

2.4.2现有技术及技术差距

现有技术：燃油、滑油等长时间消耗的统计；船舶吃水、货物装载量等数据的统计。

技术差距：燃油、滑油等消耗的精确测量；船舶能效模型的建立[11]；大数据分析和人工智能技术在能效分析中的应用技术。

2.4.3解决方案

建立能效模型，标准化能效指标，根据船舶内部的监测数据（根据负荷计算书，确定主要能耗设备，进行能耗监测；对影响能耗的主要因素，比如船体的涂层、变形，航线海洋环境等进行持续监测）和基于大数据的分析结果，分不同级别，定期为船舶提供数据评估分析结果和航速、航线、配载等操作的辅助决策建议。

2.4.4关键技术

能效模型的建立：实现智能能效的关键是能效模型的建立，包括排放，能耗，经济性，限制条件等。只有模型的科学合理，基于它的结论才可靠合理。

大数据分析技术：通过对大数据中船舶运营数据的挖掘、整理、统计分析，获得很多有价值的信息，如船闸的通行情况、河水的四季变化、河道淤积的变化、航行数据的统计、船舶的功率与航速、船舶能耗数据、风浪对船舶航速的影响、各种节能措施的效果、污底对功率的影响、航线航区的海况资料和各类设备运行状态等。

2.5 CCS对智能货物管理功能的要求和解决方案

2.5.1 CCS要求[3]

1）利用传感器技术，实现对货舱以及货物状态的监测报警和相关辅助决策功能；

2）实现货物保护系统的连续监测报警和相关辅助决策功能；

3）通过对能耗、货物、货舱、物流信息和货物保护系统信息的采集和分析处理，进行货物装载的优化分析和辅助决策。

补充功能：可具有自动装卸货功能。

2.5.2现有技术及技术差距

现有技术：对普通货舱及货物的监测报警、其保护系统的监测报警及自动装卸货技术。

技术差距：针对危险货物、特殊货物的监测报警、其保护系统的监测报警及自动装卸货技术；货物优化配载技术；船舶动稳性模型。

2.5.3解决方案

针对不同的装载类型（集装箱、散货、液货等）及不同的货物特性（毒、腐蚀等），制定不同的监视参数，尤其是危险货物。根据危害级别，制定预警、报警和故障处理方案。

根据不同的船舶特性（稳性、纵倾、安全特性）制定对应的装卸货流程和限制条件，自动装卸货系统可以根据限制条件进行自动调节装卸。

2.5.4关键技术

船舶稳性模型的建立：自动装卸货需以稳性模型为基础，在保证安全的前提下作业。因此稳性模型的建立是自动装卸货的基础，也是应急处理方案制定的依据。

危险货物监视技术：根据危险货物的特性和危害性，制定针对性的监视、报警和应急处理标准。系统可以基于此制定各种符合船舶实际装载情况的个性化方案。

2.6 CCS对智能集成平台的要求和现有技术差距

2.6.1 CCS要求

1）集成智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效、智能货物管理等所有系统的数据；

2）能够整合船上所有计算机系统，提供可扩展接口，实现对船舶的全面监控与智能化管理；

3）通过统计分析、综合评估，能够根据用户需求，通过界面设置，定制各种个性化、自动化和标准化的分析报告；

4）能够根据用户设定，为船舶运营安全、经济、时效等相关指标提供综合预报、预警和评估；

5）利用船舶历史运行状态及相关参数，为当前的船舶操作及管理方案提供趋势预测；

6）系统能够支持辅助决策，提高船舶性能，减少人为失误。能够根据评估及预测结果，为事故响应、风险规避、环境保护、事故预防、能耗减小、资源优化等提供综合的管理及操作方案；

7）能够实现船岸数据交互。

2.6.2现有技术及技术差距

现有技术:基于温度、压力等船舶主要设备运行状态监测的船舶自动化技术；船舶局域网技术；数据远传（船岸数据交互）技术。

技术差距:无盲区，无间断地宽带船岸通信技术；各种辅助决策技术、预测预报技术等智能化技术。

2.6.3解决方案

建立基于宽带技术的船内局域网系统，并建立可以实现船岸数据交互的数据远传系统。局域网系统连接船内所有自动化、智能化系统。数据远传系统可以实现船内局域网数据的发送和岸上所有命令通告的接收功能。

建立智能船舶数据中心，制定数据分析策略，给出各种预测和辅助决策，为事故响应、风险反应规划、环境保护措施、事故察觉和预防、经济性能提升、资源管理和通信等提供综合的管理及操作方案。

2.6.4关键技术

数据平台的建立：每个船舶得共享这些数据，并建立一个平台来存储这些数据，大数据平台的建立是海洋、内河、船舶智能化的基础。

3 结论

虽然GPS、AIS、电子海图、VHF等无线电设备和导航设备等都广泛应用在现代船舶上，同时，基于各种自动化设备的综合桥楼系统、集成控制系统和机舱监测报警系统等自动化系统都已普遍应用，且技术成熟，但是，距离上述智能船舶对智能化的要求还有不少差距。无论是尚有技术难度的船-岸大容量通信技术、大数据分析技术、智能决策技术，还是现有数据的融合及转化，还是为了长远考虑必须规划和整理的相关标准，都是摆在造船人面前的艰巨任务。

建议结合E-航海、E-内河的规划，基于已有的技术和基础设施，加快关键技术的研究，扩展现有设备的智能化功能。

建议从国家层面整体规划和顶层设计海洋、内河、陆地、空中多维一体的交通运输系统，借鉴其它行业的成功经验和先进技术，融合现有的技术和基础设施，努力补齐最短的那块板，实现我国交通运输行业的整体发展和壮大。

[1] 王党卫, 胡安平. E-Navigation技术及其发展建议[J]. 中国电子科学研究院学报, 2013, 8(01): 32-35.

[2] 罗本成, 解玉玲. 欧洲内河航运综合信息服务系统概述[J]. 水运管理, 2007, 29(2): 37-39.

[3] 中国船级社. 智能船舶规范[S]. 北京：人民交通出版社, 2015.

[4] 贺辞. CCS《智能船舶规范》六大功能模块要求[J].中国船检, 2016(3): 84-85.

[5] Takai T, Ohtsu K. Automatic Berthing Experiments Using "Shioji-Maru"[J]. 日本航海学会论文集, 1990: 267-276.

[6] 顾继光. 世界第一艘无人驾驶船将穿越大西洋[EB/OL]. http://uzone.univs.cn/news2_2008_723342. html.

[7] 美通社. 现代重工携手埃森哲打造“互联智能船舶”[EB/OL]. http://www.prnasia.com/story/126758-1. shtml.

[8] 国际船舶网. 中集来福士进军无人艇市场[EB/OL]. http://www.eworldship.com/html/2016/Shipyards_0822/118849.htmlc.

[9] 陈昌运, 董国祥, 陈霞萍, 等. 船舶综合性能预报系统[J]. 上海船舶运输科学研究所学报, 2007, 30(2): 81-87.

[10] 胡胜谦. 船舶损伤后船体剩余强度评估方法研究[D]. 江苏科技大学, 2012.

[11] 刘伊凡, 张剑, 张跃文. 纵倾优化下的船舶能效数值模型[J]. 船舶工程, 2015, (12): 31-34

Electrical Solutions on an Intelligent Ship

Li Mingzhi1, He Yanping1、2, Liu Yadong1、2, Huang Chao1

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China；2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

U662.9

A

1003-4862（2017）04-0005-05

2016-11-08

海洋工程国家重点试验室自主研究课题（GKZD010068）

李铭志（1983-），男，博士研究生，主要从事疏浚优化控制和船舶电气方面的研究。

E-mail: limz_2008@sjtu.edu.cn