船舶智能化研究现状及发展趋势

2021-04-01刘佳铭

机电设备 2021年4期

刘佳铭，李赫

（1. 海军装备部驻上海地区军事代表室，上海 201913；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

经济全球化趋势不断深化下，世界各国之间的贸易往来愈加密切，作为贸易往来的主要途径，水路运输凭借运输量大、成本低的优势，受到了广泛的认可。当前水路运输占原油运输总量95%，铁矿石运输总量99%以上，成为一种不可或缺的运输方式。但是，随着船只数量不断增长，水路运输人力成本增加和安全性下降等问题的出现，业内开始注重先进技术的应用，推动船舶智能化发展。MUNIN项目是以无人散货轮为研究独享，可以实现船舶自主航行，并且根据系统中所规划的气象导航、航行路径和航行参数自动化更新存储，联合船载自动识别系统、雷达和红外传感器对自然环境进行实时监测。如果在航行过程中遇到其他船只或是障碍物，可以根据国际海上避碰规则自动规避操作。船舶的各项参数均会实时传输到陆地控制中心，在距离陆地较近时，可以通过3G、4G网络连接通信。这一项目的展开，大大促进了船舶智能化研究和发展。当前，国际上已经发布了相关智能船舶规范，明确规定了智能船舶在航行和管理方面的要求，加强对其研究，有助于对相关研究归纳和总结，为后续相关工作提供一定的参考。

1 智能船舶的发展背景

在全球贸易往来愈加密切的今天，水上运输量不断增加，船舶逐渐朝着智能化方向发展。智能船舶的发展，可以有效改善传统船舶行驶中的环境污染、行驶安全和人力成本增长更加等问题，具体表现在以下几个方面。

1.1 节能减排

船舶在运输的同时，也会对环境带来不同程度上的污染，主要表现在温室气体的排放。为了有效解决这一问题，国际海事组织颁布了相应的传播能效设计指数，减少船舶尾气排放成为首要目标。通过节能减排技术的应用，在降低能源损耗的同时，还可以降低运营成本。具体措施包括：设计阻力较小的船型、采用节能的发动机和清洁能源、使用能效控制技术[1]。

1.2 船舶安全性

船舶航行中，可能因客观因素而出现碰撞事故，其中绝大多数的碰撞事故是由人为导致。一旦出现碰撞事故，将会带来严重的人员伤亡和经济损失，甚至出现危险品泄露，污染水上运输环境。对于此类问题，通过信息感知技术、状态监测与故障诊断技术和安全预警技术等前沿技术应用，可以有效提升船舶的安全性。

1.3 人力成本

面对水上运输事业的快速发展，运营成本逐渐上涨，主要原因是由于船员工资和维修成本增加。如何降低船舶运营成本，大力推行智能船舶发展是必然选择，可以实现船舶无人化运营，辅助架势技术、机舱值班无人化以及故障自诊断技术，可以有效降低人力成本，为船舶运营带来可观的经济效益[2]。

智能船舶是水上运输业发展的必然选择，也可以将其看作是一场技术革命。智能设备如何代替人类去控制和管理机器受到社会广泛的关注。在商业领域，物联网应用较为广泛，依托于数字化技术和传感器可以反馈客户习惯，针对性地提供服务，以此来提升人们的生活质量[3]。因此，在这样的背景下，智能船舶已经不再是单一的技术，而是科技快速发展的客观表现，其中集合了大量先进技术和材料，对于智能船舶发展具有重要促进作用。

2 智能船舶概念

就智能船舶本质来看，其利用物联网、通信、传感器和互联网等多种技术，实现自动化感知获取港口、船舶以及物流等相关信息，借助大数据技术进行分析，为后续的船舶航行、管理和保养提供支持，促使更加环保、安全，满足船舶的智能化运行和管理[4]。随着技术的快速发展，国际海事组织对于智能船舶发展提出了新的要求，实现船舶和岸上信息收集、显示，促使船舶之间、船舶与岸上信息交流，在维护船舶运行安全的同时，保护生态环境。智能船舶的发展，经过了以下阶段：1）智能船舶主要局限在船舶设备状态远程监测和数据分析；2）智能船舶应用物联网、云计算和大数据分析技术，与岸上数据中心连接，为船舶提供环保、安全建议，促使船舶半自动化航行；3）智能船舶可以分析船舶数据和港口物流信息，实现船舶、岸上密切连接，实现船舶动态化控制；4）智能船舶完全自主化无人驾驶[5]。

3 船舶智能化研究现状

3.1 船舶智能航行

船舶智能航行集合了大量先进技术，包括信息技术、计算机技术、通信技术和传感器等先进技术，经过长期发展和完善，促使传播自动化设备、导航设备和环境感知设备优化升级[6]。当前，智能船舶逐渐形成信息物理系统，依托于大数据技术和物联网技术实现船舶、岸上信息交互，形成前沿的综合船桥系统。新一代的综合船桥系统优势较为突出，可以实现船舶自动导航和自动化控制，在航行过程中如果遇到其他船只、障碍物，可以智能感知躲避。如果在船舶航行过程中，如果出现故障，可以自行诊断和解决。同时，综合船桥系统可以实时监测船舶的运行状态和周围情况，不需要人员操控，降低船舶的运营成本同时，为船舶运行安全提供坚实保障。综合船桥系统与人工智能联合应用，促使船舶无人驾驶技术不断成熟化，未来必将朝着更高层次发展。而船舶无人驾驶技术较为复杂，需要涉及到大量的数据计算，无论是理论还是技术都处于发展阶段，有待进一步改进和完善。

3.2 船舶智能管理和控制

智能船舶发展中，智能管理和控制十分关键，为后续的船舶管理和航行带来了有利支持[7]。当前，我国的传播交通服务覆盖范围较广，依托于船载自动识别系统及语音和雷达等交互手段，实时监控船舶运行状态，满足船舶智能化管理和控制。在智能船舶管理和服务中，引进了大量现代化技术和手段，诸如长江电子航道图，动态显示出船舶航线、虚拟航标、水深、水位预测和安全预警等服务，为船舶运行安全提供坚实保障。欧洲内河信息服务，则可以显示当地的法律法规、电子江图以及船舶登记信息等内容，并反馈船舶的航行轨迹、具体位置和货物信息。智能船舶发展中，依托于电子签证管理系统实现不停船签证，满足船舶智能化管理与服务[8]。

3.3 智能化发展障碍

智能船舶发展中过程中，经历了多个阶段，其中不可避免的面临一系列困难和阻碍，具体表现在以下2点[9]：

1）受到各方限制，海事卫星通信宽带限制较大，通信成本高，想要在全球任何位置实现定位和交互的物联网技术，还有待进一步升级和完善，设计合理的船舶通信系统。

2）提高数据计算能力，通过大数据分析和计算满足无人驾驶需要，这是单一计算机技术无法实现的，需要不断推动软、硬件更新升级，在分布式计算和处理算法基础上，提升数据信息的计算速度。

4 智能船舶的核心技术

智能船舶的功能较为丰富，其中集合了众多先进技术，可以实现智能化航行、智能机舱、智能船体、智能货物管理、智能能效管理和智能集成平台，促使智能船舶功能逐渐多样化。智能船舶先进技术包括以下几种。

4.1 信息感知技术

智能船舶中的信息感知技术，主要是通过传感设备、传感网络和信息处理设备，智能化感知获取船舶自身状态和周边环境信息，辅助船舶无人操控需要，为船舶安全提供坚实保障[10]。船舶感知自身状态，包括驾驶台、船舱、货仓中各设备运行状态信息，了解船舶的航行速度、位置和方向，通过传感器来获取温度、转速、压力和液位等信息；周围环境信息则包括其他船只、障碍物、气象条件、水深、水流速度和方向等等，通过AIS、视频摄像机、还是雷达、激光雷达传感器、激光传感器、风向传感器、风速传感器、计程仪、能见度采集设备、航行数据记录仪和电子海图等，实现船岸信息交互获取，获取数据量较大、信号种类繁多，信息之间存在矛盾冲突，还有待进一步改进和完善。

4.2 通信导航技术

此种技术在智能船舶航行中具有重要指向作用，将设备和船舶连接在一起，实现船岸信息交互。一般情况下，常用通信方式包括海事专网、VHF、海事卫星与移动通信网络技术等。通过通信导航技术，可以指定船舶航行，选择目的地、船舶定位和路径计算。就当前智能船舶中应用的导航技术来看，主要是以无线电导航和卫星导航技术为主，为新时期的智能船舶导航提供支持[11]。

4.3能效控制技术

船舶运输业发展的同时，加剧二氧化碳等温室气体排放，对于生态环境带来了严重的污染和破坏。为了可以降低船舶温室气体排放、提高船舶能效，国际海事组织颁布了新造船设计能效指数和船舶营运能效指数等指标。智能船舶在长期发展和完善中，除了提升船舶智能化水平的同时，还要注重绿色环保理念的渗透，分析智能船舶装载量、通航环境和主机功率等因素，保证船舶安全、环保航行的同时，进一步优化控制船舶的装载量、航速和吃水等内容，尽可能降低船舶营运能效指数。

4.4 航线规划技术

航线规划技术主要是为船舶航行规划航线，结合水上交通流控制信息、船道水流分布信息、前方航道船舶密度和航道航行难易等相关信息，智能化选择航线，确定航道位置，满足船舶航行安全、节能环保需要[12]。当前的航线规划方法较为多样，包括遗传算法、粒子群优化算法、混合整数规划模型和模拟退火等智能化算法，选择最佳的航线。

4.5 状态监测与故障诊断技术

状态监测与故障诊断技术的实际应用，依托于先进技术手段，实时监测设备的运行状况，判断设备是否稳定运行，可以及时反馈设备故障问题。在未来智能船舶发展中，通过大数据技术进行故障诊断，以及多尺度分析法来建立设备状态监测系统。依托于故障诊断技术，可在不拆卸船舶设备的前提下了解设备设计运行状况，对设备信息综合分析和处理，判断监测对象是否处于正常运行状态，分析设备故障原因，了解设备的未来发展趋势。通过状态监测与故障诊断技术，有助于规避设备故障问题出现，提升设备运行效率，为智能船舶运行安全提供保障。智能船舶通过状态监测与故障诊断技术，了解船舶设备的运行状态，在智能诊断技术、大数据分析技术支持下深层次剖析其中的故障隐患，确保船舶安全稳定航行。

4.6 遇险预警救助技术

一旦发现水上交通事故，可能会带来严重的经济损失和人员伤亡。船舶碰撞是当前较为常见的水上交通事故，在水上事故中占比较高。船舶碰撞事故发生后，通过遇险预警救助技术可以降低事故发生几率，为人员生命财产安全提供保障。

4.7 自主航行技术

在智能船舶航行中，通过计算机技术、信息技术和控制技术支持，可以实现船舶设备相关信息的集成处理，实现船舶航线优化设计。依托于岸基支持中心，可以帮助船舶在复杂环境下自动躲避，满足船舶的自主航行。在船舶自主航行相关研究中，“天象一”号以及“水面无人智能测量平台工程样机”最为典型。

5 智能船舶发展趋势

智能船舶发展中技术不断改进和完善，无论是理论还是技术都处于完善阶段，而状态监测与故障诊断技术、通信导航技术、通信技术和环境感知技术得到了广发能应用，但是部分技术由于缺少理论支持，所以实际应用还存在一定不足，有待进一步验证和完善。未来智能船舶发展中，在信息技术、传感技术和大数据技术的广泛应用。影响智能船舶发展的因素较为多样，包括通信导航、信息感知和能效管控等技术，可以实现船舶自动化靠泊、离岸，满足船舶的自动化清洗、维修和防护，推动智能船舶发展。只有这样，才能保证船舶安全航行，节能环保。

智能船舶是船舶未来发展的必然趋势，发展前景良好，但是由于理论和技术水平还处于发展阶段，同预期目标相差甚远。因此，未来智能船舶的发展应从以下3方面着手改进：

1）智能船舶的船员数量减少。为了有效提升船舶安全性，需要持续加强相关理论和技术研究。

2）合理利用大数据技术。在海量信息中挖掘有价值的数据信息。

3）关于智能船舶海洋航行研究众多，但是内河环境下的相关研究较少，还有待进一步改进和完善。如何充分发挥智能船舶的价值，还需要拓宽应用范围，尤其是在军事领域应用。

智能船舶航行和管理优势突出，可以降低人为管理的偏差，减少故障几率。但是由于系统自身漏洞，可能存在无法有效控制船舶的现象，埋下一系列安全隐患，带来严重的安全事故。未来在故障诊断技术和可靠性理论完善发展中，可以有效提升IBS系统运行可靠性。与此同时，未来智能船舶发展中还要加强数据的合理开发和应用，借助大数据深度分析海量数据中有价值的信息，为后续的管理和服务提供可靠依据。