万千宠爱智能船

2019-02-14丁宝喜

中国船检 2019年1期

丁宝喜

智能船因为其经济成本更低、航行更安全、航运更绿色而成为了其迅猛发展的驱动力。

据统计，全球贸易90%的货物运输都是由远洋船舶完成的，国际航运对世界经济的作用显而易见。随着科技的进步，现在船舶大型化、智能化成为一种不可逆转的趋势。同时，随着人类对海洋的进一步探索，航海教育突破了先前的局限性，复合型海员的队伍越来越庞大。在船舶和船员都越来越好的大背景下，无人船的发展为何能引起航运界的广泛关注？其迅猛发展背后的驱动力究竟是什么？

经济成本更低

盈利，是航运追求的最终目的。在这一目标的导引下，航运界的历次革新和改变都有迹可循。4E级别集装箱船舶的飞速发展，超大型油轮和散货船的出现，以及经济航速的提出，都是特定时期下利润最大化引导航运界带来的改变。如今，海上自主水面船引爆航运界的革命，背后也是“盈利”这一航运终极目标的驱动。

从广义上讲，航运公司的人力成本包括船员成本和岸基管理人员的成本。从狭义上讲，航运公司的人力成本。船员成本，包括工资、加班费、休假、抚恤、差旅、社会福利和事故保险等费用。同时，为了保持船舶的正常运行，除了在船船员劳力成本，还需要两到三倍待换班船员随时保持待命，这些待命船员的工资和福利待遇对航运公司来说，也是一笔不小的开销。在过去几十年里，随着国际劳工组织和国际运输委员会对海员权益保护的日益关注，人力成本在航运公司各项成本中比其他各项成本增加的都要快。来自世界海事大学的航运经济专家马硕教授指出：“对于许多航运公司来说，人力成本支出是在所有成本中支出最高的”。来自德路里 2007年报的数据显示，2001年至2005年期间，散货船、集装箱船和超级油轮的人力成本支出在船舶日均运营成本中可达34%～50%。因此，减少人力成本可以为航运公司带来巨大的经济效益。海上自主水面船的终极目标，是要实现船舶上无船员配备、智能驾驶。跟传统船舶相比，在节省人力成本支出方面，具有很大的优势。

表1 无人集装箱船和杂货船的燃油消耗节省对比

根据《2006国际劳工公约》的强制要求，船舶必须为船员配备满足舒适性要求的居住舱室和娱乐场所，这一要求，导致船员的人均舱室面积增加；而隔音隔热等要求导致的舱壁建造材料变重、空船重量增加。随着技术的发展，完全自主化的水面船最终会出现。完全自主海上水面船，与传统的船舶相比，集成各种的先进技术，并由此带来全新的船舶设计，具体如下：

1、无生活区及附属的消防、救生设施；

2、驾室变小，并集成先进的传感器和深海导航系统；

3、机舱双主机或者多主机布置，或者以石墨烯电池技术为代表的电池推进改变传统的推进形式。

驾驶室和生活区的消失，使得生活污水处理系统、厨房、家具、仓库、通风设施、救生艇筏等设备和属具免除配备，从而使得船舶的货物处所能更大，船舶单航次运力得到增加。节省的生活区建造费用，免除的生活污水处理系统及救生设备的初装和维护费用以及装货处所增加所带来的运力增加的红利，综合起来，效益极其可观。尽管，各种先进系统的集成，增加了海上自主水面船建造费用。但不足于抵消上述经济效益。据报道，“YARA Birkeland”建造成本达到了2500万美元，大约是同尺寸普通船舶的三倍。但是，由于纯电力和无船员的设计，通过节省燃料费用和配员费用，“YARA Birkeland”每年可节省多达90%的运营成本。

另外，燃料费用支出是船舶运行航次成本里最大的一项。根据不同时期的油价和航次，燃料支出能占到航次成本里的40%～60%。完全自主化的海上自主水面船在减轻空船重量方面有很大优势。空船重量减轻，燃油消耗量也相应下降。根据美国船级社（ABS）的能效管理指导手册，每立方米的驾驶室相当于70KG的空船重量，减轻1%的空船钢材重量，可以减少0．34%的燃油消耗。以集装箱船和杂货船为例，假设船上没有配备船员，相应的计算结果详见表1。对集装箱船来说，驾驶室的消除使得船舶可以每天节省0．83吨燃油，相当于375美元；对杂货船来说，每天能节省0．063吨的燃油，相当于节省27美元/天。

根据中国船级社《智能船舶规范》，海上自主水面船具有智能航行和智能能效管理的功能。得益于计算机技术、控制技术对感知获得的信息进行分析和处理的能力，自主航行船舶可以对航路和航速进行优化设计。而关于提高能效管理方面，自主航行船舶通过对船舶航行状态、耗能状况的在线监测与数据自动采集，对船舶能效状况、航行及装载状态进行评估，并通过大数据分析、数值分析及优化技术，为船舶提供数据分析结果和辅助决策建议以提高船舶能效管理水平，进而可以降低船舶燃油消耗成本。以“大智”轮的试航结果表明，智能系统均满足技术设计要求，所有性能指标达到或优于预期。该船采用了高性能三叶桨和全球首台满足英国劳氏船级社和中国船级社智能船舶规范的“智能应用机”WinGD W5X52，快速性表现良好，低油耗特点非常突出，实际海试测得服务航速下油耗低至17．67吨/天，相比母型船Green Dolphin 38800吨散货船降低约3．6%。

表2 2011～2016航运伤亡数据

航行更安全

安全，是航运亘古不变的话题。航运安全，包括船舶安全、人员安全和环境安全。虽然，与其他行业相比，海运具有较好的安全记录。但是，海运界发生的大事故，往往都是灾难性的。1912年的“泰坦尼克”号事件，造成超过1500人丧生，促使了SOLAS公约的制定；1967年的“托利-堪庸”轮溢油事故，导致12万吨原油泄漏，造成英国南海岸、法国北海岸和荷兰西海岸大面积污染；2018年1月发生在中国东海的“桑吉”轮事故，造成32名伊朗船员死亡。

随着科技的进步，船上设备越来越先进和可靠。但作为航运重要因素的人，其可靠性却未得到同比例提高。人为因素，世界海事大学人为因素研究专家保姆乐教授指出，60%～90%的海上事故由人为失误造成。表2为来自欧洲海事局的数据，数据显示在2011～2016年发生的1170件事故当中，有60．5%是由人为失误造成的。

以2018年1月发生在中国东海的“桑吉”轮事故为例，根据联合调查组公布的调查报告，“两船未按照《1972年国际海上避碰规则》第五条要求保持正规瞭望，且均未按照避碰规则第七条要求就碰撞危险做出正确的判断”是导致此次悲剧的原因。很显然，这是一起由人为因素导致的特大事故。

显然，在未来航运中，尽可能消除人为因素在整个海运环节中的比重，是提高航运安全性的重要途径。通过欧盟MUNIN项目验证结果，未来的海上自主水面船，在技术成熟可靠的前提下，通过配备先进传感器模块、深海自主导航系统远程支持系统、机舱智能检测和控制系统，消除或尽量降低人为失误的发生频率，最大限度的降低人为因素对航运安全的影响。

同时，海上事故也经常伴随着人员伤亡。来自英国研究机构的数据显示，1976～2002年期间，海员的工伤事故率是其他行业的28倍之多。同样，表2摘自欧洲海事局2017的年度报告，数据显示，2011～2016年期间，总计有18655起事件报告，其中有16539起事故报告，5607人次受伤，600人死亡。

在上述人员伤亡数据中，海员伤亡占了4380人次，占比高达78%。居高不下的工伤事故率和不可预知的海盗风险，使得海员成为一种高风险的职业。随着海上自主水面船的出现，会逐步降低在船海员的数量，直至高科技智能机器人完全替代海员从事这份高危行业。

根据中国船级社发布的《智能船舶规范》，海上自主水面船，配备船体监测系统和航行辅助决策系统。船体监测系统对涉及船体结构安全的重要参数以及相关海洋环境参数进行监测。这些参数包括但不限于船体结构总纵强度、诸如大型集装箱船货舱口角隅等关键结构区域、船舶运动、船舶运动加速度、首部砰击、海况数据和船舶航行参数等数据。为了实现辅助决策功能，不同的船型需要安装足够数量的不同类型的传感器。当相应参数超出报警值，辅助决策系统应该能提供相应操作的辅助决策。例如，在港装卸货物过程中，当船体结构应力发生报警时，系统应能够给出是否继续装卸货、调整装卸货舱及卸货速度等操作指导。船体监测系统和航行辅助决策系统的配备，可以使自主水面船探知潜在的各种风险，从而提高航行的安全性。

表3 IMO第三次温室气体研究报告数据

IMO第三次温室气体排放研究-CO2e排放

航运更绿色

据有关资料统计，当前世界贸易海运量的97%由排水量超过9亿吨的8万艘船舶承担，能耗约占世界总能耗的3%，造成的污染占全球污染的3%～7%。船舶航运对环境的污染主要有冷却水的污染、压载水的污染、生活和卫生用水的污染、船舶垃圾的污染和船舶废气的污染。以温室气体为例，根据IMO第三次温室气体研究报告提供的数据（表3），2007～2012期间，航运板块年平均分别贡献了3．1%的CO2和2．8%的温室气体排放。

尽管在IMO及各方的努力下，国际航运业通过引进能效管理指数和能效管理计划，以及清洁替代能源的使用，CO2排放下降了超过10%。但是，在替代能源出现之前，大幅度降低航运板块CO2的比例会变得越来越困难。而海上自主水面船的出现，成为绿色航运的新希望。

首先，海上自主水面船集合绿色船舶技术。通过综合分析正在建造或者测试的海上自主水面船，我们看到，无压载水技术、全电力或者电池推进技术和减阻设计等绿色船舶技术集合体现在海上自主水面船上。具体仍以挪威在建项目“Yara Birkeland”号为例，通过无压载水设计，减少压载水中外来物种的入侵对全球性的海洋健康造成的巨大伤害；通过使用全电力推进，节省了燃油，减少了碳氧化物和氮氧化物的排放；通过全新船体设计，减轻船舶阻力和空船质量，降低燃油消耗，提高能效管理指数。据报道，“Yara Birkeland”号在其整个生命周期内将不燃烧化石燃料，而是在装卸过程中使用挪威清洁水力发电的能量进行充电，其可以每年减少700吨的二氧化碳排放。

同时，海上自主水面船的出现，使船体结构和船载设备发生了巨大变化。与传统船舶相比，未来海上自主水面船在提升能效管理方面，有很大提升空间。来自摩洛哥卡萨布兰卡大学的Abdelmoula教授团队，通过详细的采样和计算，给出了如表4的详细数据。