上海船界发力智能船舶

本刊记者 王孙

上海船界发力智能船舶

本刊记者 王孙

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要建造一艘真正意义上的智能船舶，应从船舶总体设计的初期就将智能化的基因注入其中，对智能管理系统的构建、船舶整体的感知布局、智能功能的设定作出整体的设计和部署。

随着信息化技术的迅速发展，智能船舶（The Connected Ship）正在成为全球船舶工程界的科技创新前沿课题。《中国制造2025》明确提出，要“提升高技术船舶的国际竞争力，掌握重点配套设备集成化、智能化和模块化设计核心技术”，并将智能船舶列为重点发展的高技术船舶领域之一。日前，在上海市船舶与海洋工程学会举办的 “智能船舶与数字化技术研讨会”上，有关专家针对智能船舶的发展趋势和关键技术，发表学术观点，介绍示范项目及科研成果，勾勒出我国在智能船舶领域的发展现状。

坚持标准先行引领智能船舶发展方向

近些年来，为了进一步提高经营管理水平，降低船队运营成本，国内外各大航运公司都在争相构建自己的智能化船舶管理平台，市场上也出现了各种智能应用，例如船舶能效监测及管理系统、基于数据驱动的设备健康状态评估系统、基于机理的设备故障诊断系统，以及最佳航速、最佳纵倾选择等等。中国船级社（CCS）上海规范研究所电气室主任、CCS智能船舶专项组副组长孙武认为，许多船舶由于应用一个或多个这类技术系统就称作为智能船舶，其实并非恰当。船舶工程界迫切需要一本规范来明确：什么是智能船舶？智能船舶的具体功能是什么？智能船舶的发展方向是什么？

为了满足市场需求，促进智能船舶的健康发展，中国船级社基于长期研究成果及应用，于2015年12月发布了全球第一部《智能船舶规范》。该规范对于“智能船舶”的定义为：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，以使船舶更安全、更环保、更经济和更可靠。该规范对于智能船舶功能的界定，可以概括为一个平台和五个应用：即船端具有一个网络信息集成平台，并与岸端实现信息交换，实现船舶的运营与管理智能化；船舶具有智能航行如航线设计与优化的应用、智能船体如全生命周期管理的应用、智能机舱如主辅机状态监控的应用、智能能效管理如能效监控的应用、智能货物控制如货物监测辅助决策的应用等。根据每艘智能船舶所具备的功能，CCS将授予相应的附加标志及符号。孙武表示，该规范是根据GBS体系进行编写的，目前还只有目标、功能和满足功能的要求，接下来，CCS还将结合智能船舶的示范应用工程，进一步完善和丰富其技术要求，同时还将开展智能船舶规范的实施研究，完成智能船舶审图、产品认可、建造和运营检验等相关指南的编订。

对于我国智能船舶的发展方向，孙武认为，需深入开展船舶智能系统的开发，特别是在发动机和系统的健康评估以及决策支持系统的开发方面，应将机理研究与数据分析技术相结合。从现状来看，对机理研究不足、与被研究对象集合不够、核心层面应用受制于人等，仍是较为突出的问题。

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以需求为导向推进智能船舶总体设计

中船上海船舶研究设计院高级工程师顾一清提出，从工程应用的角度来看，智能船舶是指以全船智能网络系统为载体，以工程数据分析和处理技术为手段，具备感知、分析、评估等能力，并通过船基和岸基数据服务中心实现船岸一体信息交互，实现基于船基和岸基的辅助决策的船舶。智能船舶的四大主要特征为：全船信息融合、自主评估与决策、船岸一体化、远程支持和服务。对于智能船舶的总体设计，首先应根据船舶运营或作业的特点，梳理其智能化的总体需求；其次，应以需求为导向设定智能功能；然后，应以船舶的船体、性能以及船载各种设备为基础，根据智能功能的实现，设计并优化感知布局；最后，应用先进的信息技术、互联网技术等构建智能管理系统，并通过该系统实现数据分析与评估、辅助决策和运营管理。其中，智能管理系统的构建、智能功能的设定、感知系统的布局，可视为智能船舶的关键技术。

由上海船舶设计研究院牵头，中国船舶工业系统工程研究院、中船黄埔文冲船舶有限公司等单位参加研制的38800吨智能示范船，标志着我国在船舶智能化发展方向上迈出了坚实的第一步。结合该项目的科研实际，顾一清介绍了构建该船智能管理系统的框架及思路。该智能管理系统从上至下可分为应用层、网络层、感知层和基础支撑，应用层是网络和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与用户需求相结合，实现各种智能功能的应用；网络层由船舶有线网络、船岸间无线通信网、网络管理系统和计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息，并生成出有意义的信息，根据历史经验以及理论模型，快速提供决策支持，最终实现集中优化管理；感知层由各种传感器以及传感器网关构成，其作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，其主要功能是识别物体，采集信息；基础支撑则主要指动力、电力、通导、机务、货物等系统。在该船的智能功能上，设定了综合能效管理、设备运行维护、辅助自动驾驶、船岸一体通信等四项基本功能，还具有船舶状态监控等增强功能。

顾一清表示，智能船舶的开发研制是一项系统化的工程，如果只是简单的在传统船舶上增加智能功能应用，是无法从本质上改变船舶的基本属性的，充其量只能说它是一艘具有某些智能功能的船舶。而要建造一艘真正意义上的智能船舶，就应从船舶总体设计的初期，就将智能化的基因注入其中，对智能管理系统的构建、船舶整体的感知布局、智能功能的设定作出整体的设计和部署。尤其是对感知布局和智能网络信息管理系统的设计，应确保信息采集与传输的准确性、合理性、必要性及安全性，同时充分考虑系统的可扩展性，为智能船舶的可持续发展提供良好的基础环境。

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以能效管理为重点掌握智能船舶核心技术

上海船舶运输科学研究所目前也承担了中远海运集团的13500TEU智能示范船的科研任务，该所副所长陆嘉明结合该项目介绍了智能船舶关键系统的实施方案。他提出，智能船舶网络平台、智能航行系统、机舱关键设备健康管理系统和智能能效管理系统是智能船舶的核心系统。

据陆嘉明介绍，在13500TEU智能示范船上，其智能网络系统包括I BS网络、集成平台网，其他如机舱监测报警、VPS系统、配载仪等功能子系统网络通过以太网接口接入到集成平台网，实现数据汇集、数据存储、数据应用服务、船岸数据交互以及移动应用、视频会议等功能。该船的智能航行系统主要由船岸智能通信系统、基于OMBO规范的导航系统和基于IBS系统的网络通信系统组成，其核心技术主要包括智能航速、航行综合优化和自主航行等。在机舱关键设备健康管理上，其主要功能有数据采集、系统检测、故障分析与诊断、系统状态趋势分析、维修保养计划、备品备件管理等。在智能能效管理系统中，还包含了能效管理、能源监测、主副机锅炉等耗能设备工况监测、航行状态信息监测、统计报表等功能。

该所副总工程师陈昌运在报告中进一步介绍了船舶智能能效管理系统的研制规划和关键技术。他指出，船舶智能能效管理涉及经济与环保两大关键要素，是智能船舶最重要的功能模块之一。该所开展船舶智能能效管理研究的思路是：进行实船运营数据监测，建立运营船舶航行性能数据库；构建岸端服务器单元，开展满足智能化管理要求的能效数据船岸轻量化传输技术研究；进行大数据初步分析，在挖掘能效监测数据规律和价值的同时，对算法和统计分析方法进行研究；基于模型试验及数字仿真，研究相关节能减排组合措施在典型系列工况下的节能效果，建立相关图谱。

在集成设计和数字网络方面寻求新突破

来自中船集团第七○八研究所暨船舶设计技术国家工程研究中心的刘晓明发表了对于智能船舶集成设计技术研究的报告。他认为，船舶智能化集成设计的基本思路可以体现在四个层次上：一是信息及数据的采集和存储，二是信息与数据的实时处理与分析，三是基于分析对船舶及系统运行的趋势作出预测和实时优化决策，四是通过长期运行和数据积累，完善运行控制优化和智能决策系统。其主要内容是在现有的船舶机电系统和作业系统的基础上，以协同运行控制和自主控制为目标，进行数据采集应用设计、信息网络资源规划设计和仿真评估及推演设计。

刘晓明提出，智能船舶集成设计的要素是实时信息数据采集系统、分布式智能控制单元、全生命周期信息和模型、智能分析决策系统、高可靠性网络和数据管理系统以及岸端支持系统。构建智能船舶集成设计框架应以数据管理系统为基础，以智能决策分析系统为核心，感知船舶运行环境和状态，围绕船舶运行和作业任务要求，通过实时计算和优化，发送控制指令，并采用系统级和集成平台两级控制模式，安全、环保、高效地完成运行和作业任务。他认为，按照早期较为宽泛的智能化定义，部分船舶的子系统或局部已经实现了智能化，如无人机舱、一人驾驶、智能化损管等，但整船级的智能化船舶设计开发，还有许多关键技术有待突破，许多软硬件集成设备和智能控制系统还需要持续创新。

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对于信息数据的采集、压缩、远程传输、存储、分析和反馈，是实现船舶智能化的关键。上海船舶工艺研究所总工程师谢子明对“智能船舶与数字网络”进行了分析研究。他认为，传统的船岸通讯方式因速度慢、容量小、网络流量大，导致费用昂贵，已经不能满足船舶智能化发展的需求。而以分布数据库同步模式为基础的船岸信息化一体数字网络，将是一种非常具有前途的应用发展方向。

据谢子明介绍，分布在船端和岸端的众多数据库都是通过有线或无线的以太网连接为一体的，如果船上各个设备节点上的数据库与岸上各个节点数据库完全同步、一致、相等，就可以达到船岸信息一体化的要求。而分布数据库同步模式就是通过同步报文的方式，让全平台上所有分布数据库的内容保持一致相等，并实现信息实时传递。与传统的通讯模式相比较，同步模式的数据传输速度要快上数千倍，而网络流量则要减少数万倍。基于该同步模式研发的AutoNet即实时云平台系统，为船岸信息一体化数字网络提供了技术解决方案，并已获得国家发明专利。他建议，国内应积极开展相关标准和产业链适应性研究工作，实现AutoNet芯片的产业化生产和推广应用，推进船舶数字网络平台技术的变革和升级。★

With rapid development of IT, the connected ship has become a frontier topic for scientific and technological innovation of global shipbuilding engineering circles. "Made in China 2025" specifies "Improving international competitiveness of high-technology ships, grasp core technology of integrated, smart and modular design for key marine equipment", and lists the connected ship as one of high-technology ship sectors for priority development. At The Connected Ship and Digital Technology Seminar held by the Shanghai Association of Ships and Ocean Engineering, experts voiced their academic viewpoints on development trends and key technology of the connected ship, present demonstration projects and research findings, and map out development status of Chinese connected ship sector.

Sun Wu, director of the Rules and Research Institute (in Shanghai) of CCS and deputy leader of CCS Smart Ship Expert Panel, believed ship engineering sector requires rules and regulations to clarify what the connected ship is, what functions of the connected ship are, what development direction of the connected ship is. To meet the market requirement and promote healthy development of the connected ship, CCS released the world first Rules for Intelligent Ships in December 2015 and CCS will assign additional mark and symbol depending on function of each smart ship. Next, CCS will further perfect and enrich its technical requirements in line with smart ship demonstration projects while conducting implementation study for the Rules for Intelligent Ships.

Gu Yiqing, senior engineer of the CSSC Shanghai Ship Research and Design Institute, said the 38800t smart demo ship led by the Shanghai institute and participated in by the China State Shipbuilding Industry System Engineering Institute, CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co Ltd and other companies marked a firm step China has taken in smart ship development direction. Its intelligent management system equivalent to human nerve centre and brains is responsible for transmitting and handling information acquired at the perceptive level, generates significant information, rapidly provides decisionmaking support based on historical experience and theoretical model and finally realizes central optimum management.

Shanghai Ship and Shipping Research Institute is undertaking COSCO Shipping Group's 13500TEU smart demo ship research tasks. Vice President Lu Jiaming presented smart ship key system implementation scheme based on the project. He said smart ship network platform, smart navigation system, engine room key equipment health management system and smart energy efficiency management system are the core system of smart ships.

Liu Xiaoming from CSSC No.708 Research Institute and National Engineering Research Centre for Ship Design Technology held basic concepts of smart ship integrated design can be embodied in four levels: 1. Information and data collection and storage, 2. Real time handling and analysis for information and data, 3. Prediction of ships and system operation trends and real-time decision-making, 4. Through long-term operation and data accumulation, perfect operation control optimum and smart decision-making system.

Shanghai Intent on Connected Ship

By Wang Sun