论船舶智能化的未来

刘诗昊

摘 要 随着传感器、信息技术、计算机等的快速发展，船舶智能化便在与三大技术（大数据、物联网、信息物理系统）及多种跨行业的相关概念的碰撞中逐渐兴起。它为船舶未来的发展提出了更加光明的蓝图，使船舶向着更经济、高效、可靠的层面进发。文章首先针对三大技术的层面对船舶智能化进行更深入的探究，然后以智能机舱为例，对船舶智能化的现状和发展机遇进行分析。在智能机舱方面，对机舱的监管、健康诊断和决策系统进行了探讨，并对智能机舱发展所需应对的问题进行了分析。最后在智能船舶为航运带来便利的同时，也提出了一些急需关注的问题。

关键词 智能船舶；信息物理系统；大数据；智能机舱；无人机舱

前言

随着航运业的发展，国际和国内的贸易额与日俱增，交通运输的可靠、效率与节能性正面临新的压力，人们开始意识到船舶已不仅仅是简单的贸易运输工具。在技术不断革新与升级的背景下，船舶也变得有“生机”了，人们开始在船上从设备的维护与替换，进而在软件与核心上实现质的突破，从这一次次尝试开始，船舶也逐渐具有生命力，开始向智能化转变。船舶智能化已成为了全球航运的基本走势（如图 1所示），我国也不能停滞不前，必须认清当前航运发展的方向，才能在船舶智能化发展的路上不落后，保持动力和信心。

中国船级社对“智能船舶”的定义如下：具有感知能力；具有思维与记忆能力；具有行为决策能力；具有自主学习能力[8]。智能化船舶是希望实现流畅及精简管理、减少人为的失误率、提高设备和船舶运行的安全感、降低油耗和污染、优化船舶航行的舒适度等目标。“智能船舶”的发展包括以下几个阶段：互联互通、系统整合、远程控制和自主操作[19]。目前智能船舶发展正处于第一阶段向第二阶段的过渡阶段[20]。

就拿智能航行来说，近年来传感器、计算机、信息技术的发展与进步正在并且将促进船上通导、自动化控制、环境感知设备的更新，而物联网、大数据等技术的进步为船舶新型综合船桥系统（IBS）提供了基础铺垫。作为全球第一艘智能船舶，我国研制的“大智号”已正式交付并投入运营了。（如图2所示）。

“大智号”拥有智慧的“心脏”，即它的智能航行系统，也可称为智能集成平台。通过覆盖全船的监测点，船舶的每个细节的状态将清晰可知。它还可以通过全船监测得到的参数与外部搜集到的环境信息，在健康诊断系统的保证下，自动计算得到最佳航向路线，即所谓的“智能航行”[4]。

智能机舱使无人船舶的实现具有突破性的意义。全球第一艘实现无人驾驶的船舶——“YARA Birkeland”号，已成为航运史的一个标志性事件，但在技术、实用、和法律方面却存在限制，也要将制造所需的高成本考虑进去。无人船分为两个方面：远程遥控、无人自主。远程遥控的实现还需几年，而无人自主需要更长的时间。所以希望“YARA Birkeland”的航行尝试可以为船舶智能化的未来带来更近且现实的希望[6]。

本文将从智能机舱对智能船舶的发展进行分析，并对船舶智能化的未来提出自己的观点和问题。

1 船舶智能化

1.1 简介

现如今，如何提高船舶的智能化水平，从而构建真正的智能船舶框架，这已经是当前船舶发展及研究的主流方向。智能船舶是指以全船智能网络系统为载体，将以工程数据分析及处理技术为“撬棍”，使它能够有感觉、思考、纠错的能力。《智能船舶规范》中指出，智能船舶的功能包括以下7个方面：智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能集成平台和智能货物管理。而智能船舶的七大关键技术是指：信息感知技术、通信导航技术、能效控制技术、航线规划技术、状态监测与故障诊断技术、遇险预警救助技术、驾机一体化和自主航行技术[3]。

1.2 特征

（1）大数据

大数据"是一个体积与数据种类十分巨大的数据集[9]。大数据具备以下5个特征：大体积；多种类；价值密度低；快速且高時效。 它体现在两个方面：在世界范围内对船舶位置与实时状态的监控（广域），还有内河区域实现对机舱设备和航行状态等方面的实时监控（内部细化）。

最早预言大数据时代的来临是麦肯锡.随着近年来的发展，大数据在突破中逐步融入于越来越多的领域，并且渐渐成为我们的日常生活中必不可少的一部分了。大数据的应用的最终目的是最终方案的确立和潜在价值的深究[21]。我们一般会将它与物联网结合使用，在船舶领域便开发得到船联网，通过定位、通信、监控设备来实时监控感知。

（2）物联网

物联网（Internet of things（IoT））是指实时采集所有需要监控、互连、互动的物体或过程等各种信息，借助各种信息传感设备与互联网结合成的一个大型网络。字面上看，就是物物相连；而在信息技术的背景下，它是在信息交换与通信的基础上，加上通信感知技术，将技术应用到不同领域之中，构建人物、物物互联的智能信息感知及服务系统[22]。在船舶方面，全球定位系统、AIS、电子海图等导航设备的普及让船舶也融入信息化和智能化的海洋中，而物联网的出现正是让船舶变得可以感知，自主“思考”，最终“活”了起来。

（3）信息物理系统

要谈起信息物理系统，首先要说说近年来较火爆的工业4.0工业4.0起始于德国为工业生产的自动化要求而提出的生产革命，而德国对工业4.0的概念为：“以信息物理系统为基础的智能化生产”。

信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）是一个集计算、网络和物理环境为一体的多维复杂系统，通过计算、通信、控制技术的有机结合与深度互动，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务[10]。信息物理系统使物理系统具有计算、通信、精准控制、远程协作和自主功能，且CPS具有高性能、安全性、实时性等特点[1]。

发展，正是顺应了信息物理系统的号召。智能化之所以能实现依赖于多种信息的支撑。CPS中节点具有自治协作的功能，这正对应多个通信与传感器节点的分布，便于实现多点控制，动态监控，并且还在不断优化中，以求得到高可靠性和实时性。总之CPS为船舶的安全航行、高效运行、设备兼容带来了新的明灯，使智能船舶的发展更加可观。

2 智能机舱

船舶机舱是船舶正常运行的一个关键组成部分，机舱的实时变化在不断影响着船舶的运营安全与可靠性。从设备的正常工作，内部环境参数的实时变化，还有机舱监测系统的及时响应，这些方面在航运迎来发展新机遇之时都需要进行革新和“灵活化”。船舶机舱监控主要包括以下几个基本方面；设备状态检测（含传感器）、环境状态监测、主机遥控控制、人员舒适度监测等。而智能船舶的兴起，又将为机舱带来哪些惊喜与挑战呢？

2.1 机舱的智能监管

从航运业开始发展之初，船公司便把船舶自动化作为发展目标，于是各种设备便出现在机舱之中，机舱也渐渐变得“拥挤”，于是便引发了设备的监测与管理方面的思考，这时由于各种仪器仪表与集控室的互联为机舱的正常监管带来了方便。而后，无人机舱概念的出现，使大大减少了机舱所需的管理（值班）人员，可以实现对机舱运行所得参数的显示，记录，报警和自动控制。仅仅需要在报警问题比较复杂和紧急时，轮机值班员需亲自处理，保证更加严重的情况出现。

而后，当自动化和信息化都发展愈发成熟，智能化便成为下一个发展方向。就智能机舱的发展方向来看，“智能”应该包含以下几个方面：

实时监测：对机舱内的主机、轴系、辅助机械等进行监测。这虽然是机舱监控系统的基本功能，但是采用更为快速和精准的测量工具会加快数据采集时间，这大大接近了“灵活”化的概念。同时，将实时性变得更加清晰，让数据变得“清晰”，不再只是个概念，达到小数点后几位的认知，从硬件和软件上升级数据采集和电子记录系统，保证数据可查可视，有迹可循，便于快速追踪到指定设备，得到正确且精确的结果。

健康评估：对监测所采集的数据，应用大数据理论，实现设备状态分析与健康状态评估，构建智能健康诊断系统，从而做出及时反馈，对报警等异常状态快速地做出应对措施，使设备恢复正常，并及时记录，以纸质和电子资料的形式同时记录。当然这个系统的诊断还应该包括机舱内环境参数（如温度、湿度、光强）与集控室内环境参数评估，及时做出辅助决策，从而保证设备与人员均处于适宜运行和工作的状态，实现全面健康监测与评估[15]。正如中国海洋及海洋工程设计研究院的庞路在分析《智能船舶规范》的条目后，对机舱智能化的未来发展提出了关键点：状态监测系统和辅助决策系统的构建。他认为在船舶自动化系统发展到瓶颈时，将辅助决策系统与自动化相结合，才能形成智能化的基础。在文中，他以一艘具有DP-2的工程船，将状态检测所得的数据作为辅助决策系统的数据库的蓝本，并通过机舱相关状态信息的补充，构建较为完善的数据库，将数据库和知识库结合，让辅助决策系统更为完善和可靠，如图 3所示。同时，在该系统中增设自动化中心系统，与船舶原本的自动化系统通过以太网连接，逐渐建立集中监控辅助平台；视频实时监视的加入也为船员的操控更加便利[18]。

绿色管理：这一点是针对现在比较流行的环保思想。在航行时，需要进行绿色能源分析，将主机运行参数与船舶航行参数结合起来，使主机工作在能效最高的状态下。这样，我们可以减少能源消耗，将经济效益提高，实现绿色航行、安全航行、高效航行[16]。

2.2 智能化时代的无人机舱发展

船舶自发展以来，逐渐走向自动化的方向，于是机舱的便不再需要那么多人工操作，在《钢质海船入级规范》的自动化方面指出AUT-0为推进装置由驾驶室控制室遥控，机器处所包括集控室周期无人值班。AUT-0对自动化的基本要求为：机舱自动化系统需要采集并集中监控船舶各个主要和重大设备的参数信息，保证主要机电设备能够在无人值班的周期内连续并且正常运行，在异常情况出现时及时报警并通知指定人员[18]。

但在现今智能化时代却又有新的要求，无人机舱需要“喂食”了。在这个背景下，我们可以赋予无人机舱自我感知的意识，自主思考的“新血液”，这或许是船舶智能化的关键一环吧，毕竟现在已经不仅仅是“机舱无人”了，我们已经在迎接“全船无人”的時代了。

2.3 智能机舱的发展分析

虽然船舶智能化的发展让我们对未来的憧憬愈发美好，但是在技术的突破和其他问题上却又必须迎接一些挑战。

首先，提高监测的“安全感”。当前采用总线下分节点进行多台设备的监测已日见成效，而我们已不再满足与节点的多路分控，在智能化的背景下，是否可以将总线也变得“灵活”，因为我们可能会一次性获取多路数据，这样会带来线路“拥挤”，信息和数据也无法及时送到分析与诊断系统中。因此，在监测设备与总监控台之间，由于CAN总线已具有拥挤处理能力，加上多路冗余和主备切换的实现，我们可以让监测线路的数据可以“自主”选择节点和传输路线，提升监测的可靠性，并且在显示页面与形式上进行数据的完整性检查和重点标识，让监测也可以进行互动，保证及时通知到值班员，使异常情况得到及时跟进，直至排除。这样，人、设备、船舶之间将更有安全感。

接着，优化分析的“灵活度”。当多种信息传至健康诊断系统时，由于故障诊断时要在分析前要避免信息冲突，及时“分块”，适当标识，可以通过证据理论、贝叶斯理论等信息融合方法，以减少数据间冲突[7]。最主要的是在分析方法的充实化，在当前分析理论和方法的基础上，创新出新的分析途经，让分析不再只是公式化、流程化，变得更加灵活和可操作性。

最后，力求运行的“互通感”。在数据的采集和分析诊断的缜密之下，必须保证感知的便利性，让信息感知与故障诊断可以快速对接，不浪费时间，得到运行的流畅度，让智能在操作下得到辨识度和认可感。

3 小结

船舶作为常用货物运输工具，自出现以来便在不断发展，在技术上实现一次次突破。从船舶自动化的便利、信息化的全球普及，发展到现今的智能化。传感器、通信、计算机、信息方面的飞速发展，使船舶智能化已成为现今主流方向和发展趋势。船舶智能化是在三大技术（大数据、物联网、信息物理系统）和多种跨行业的相关概念而应运而生的。智能船舶已经在一些方面渐渐形成技术共识，比如智能航行的信息感知，智能集成平台的驾驶机舱一体化分析和智能船舶的智能健康诊断系统。在智能运作和自主分析下，智能船舶不仅减少了营运成本，还使机舱驾驶台的操作更为便利、自主化，真正的由量变走向质变，实现真正的“无人船舶”。

智能船舶的发展也面对着一些不可忽视的阻碍。首先，技术的提升便意味着计算机的硬件水平不能停止与此，还要面临加快处理速度和提高效率，软件和一些分析方法也要及时更新。接着技术人才的培育也要结合智能化的背景进行调整，保证技术与发展跟进甚至超越。其次，智能化的发展会减少船舶人力参与，而系统的自主运作还未达到人们完全的信赖，安全与可靠性不得不加以考虑，毕竟机器也变得更加“不可控了”。

参考文献

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