新一代航运系统体系架构与关键技术研究

严新平，李晨，刘佳仑，游旭，王树武，马枫

(1.武汉理工大学，a.智能交通系统研究中心；b.交通与物流工程学院，武汉430063；2.国家水运安全工程技术研究中心，武汉430063)

0 引言

近年来，国内外航运业以提高水上交通运输的经济效益为目标，着眼于运输载体船舶的升级改造和船岸通讯网络的构建，积极开展绿色智能船舶研究，努力提升港航基础设施与运营组织服务[1]。欧盟最早提出了航运综合信息服务的概念并实施“E-航海”战略，通过船端系统环境、物理链路、全球无线电导航支撑系统及岸基技术服务等要素，设计航海保障综合服务体系的总体技术架构。韩国启动了自主船舶及智慧海运物流应用服务研发计划，旨在突破智能船舶装备技术与船岸数据交互与通信技术，建设远程控制与应急救援中心。俄罗斯工业贸易部和交通部通过设立自主和远程导航船舶试验项目，在船舶实际运营中进行自主导航和远程驾驶测试，以建立相应的技术标准体系，为海上水面船舶运营提供法律条件和技术支持。国际海事组织(IMO)发布《水面自主船舶试航暂行指南》[2]。海事数据运营商NAPA 通过小型电子远程服务器和VDR(Voyage Data Recorder)，实现数据收集与传输，研发了用于状态监测、性能评估、预测分析和航程优化的云服务平台。瓦锡兰实现了船舶自动靠离泊测试并将近场高分辨率雷达和动力定位系统应用于智能拖轮项目海试[3]。日本国土交通省在东京湾横滨和横须贺港之间评估示范船舶的远程驾驶和通讯能力。荷兰海事技术基金会组织协调的NOVIMAR(Novel Iwtand Maritime Transport Concepts)项目面向内河、近海运输组织模式创新研究，提出智能船队运输模式(Vessel Train)的概念，由领航船和不同尺度、规格和特性的跟随船舶组成编队[4]。美国DARPA计划投入海上列车(Sea Train)研究，通过降低兴波阻力达成对军舰的集群控制[5]。欧盟自主机器人协作式拖曳项目应用机器人优化船舶应急救援过程的拖曳连接作业[6]。MAMPAEY[7]将实时受力分析和动态优化赋能于电磁式系泊系统，随动调整机械设备和船舶的相对姿态位置。CAVOTEC[8]研发了真空系泊系统，提供岸电供给和自动系泊连接。

自2015年以来，我国先后发布《自主货物运输船舶指南》《绿色生态船舶规范》《智能船舶规范(2020)》，提出包括：场景感知、航行控制、通信导航等在内的功能目标[9]，增加远程控制船舶和自主操作船舶在设备配备、状态监测与健康管理等方面的规定[10]，构建绿色生态船舶指标体系[11]。从2018年起，我国相关部委相继出台《智能航运发展指导意见》《内河航运发展纲要》《交通强国建设纲要》等建设性文件，提出进一步探索发展纯电力、燃料电池等动力船舶，完善水上绿色综合服务区、液化天然气加注码头等绿色服务体系建设，加强港口节能减排技术应用，开发新一代智能交通管理系统的要求，明确了建立智能航运技术协同创新集成平台，到2025年成为全球智能航运发展创新中心的战略目标，增强创新驱动能力，加快智慧物流建设，提升客货运输服务品质。振华重工集团研发了锂电池驱动的自动引导运输车[12]。三峡通航区打造了覆盖坝区岸电设施的一体化运营服务网络。京杭运河水上服务区基本实现了岸电全覆盖。天津港实现了无人驾驶电动集卡成组运行和港口作业机械全电力驱动。中远海运集团采用光伏/并网技术在汽车运输船“中远腾飞号”上安装了太阳能面板[13]。中国船舶集团设计了全球首艘氢燃料试点船舶，采用质子交换膜氢燃料电池作为船舶主动力源，辅以锂电池组进行调峰补偿。武汉理工大学开展基于船岸协同的船舶智能航行控制、通航环境感知与态势表达、航道多源信息融合与智能服务，及水上应急救援等方面研究，提出智能船舶的“航行脑系统”[14]等一批新的方法理论，实现了船舶安全辅助驾驶系统在内河、沿海渡轮场景下的工程应用[15]，搭建了内河船舶新能源系统监管平台并应用于内河光伏发电趸船、柴油/LNG 混合动力船舶与纯电池动力船舶[16]。

随着船舶标准化、绿色化和智能化水平的提升，航道设施结构布局的持续优化，港口装备的加速升级改造和功能服务的不断完善，我国水路运输迅速发展并取得长足进步。截止2020年底，全国货物周转量达到105834.44 亿吨公里，外贸进出口货运量的90%以上通过水路运输完成，航线网络遍布世界主要国家和地区，运输服务不断扩能升质，基本建成了现代航运集疏运体系。我国在港口吞吐量、内河货运量和海运船队规模等方面位居世界前列，为实现“人享其行、货优其流”的目标和交通强国建设奠定了坚实基础。但资源聚集与要素配置能力差，跨区间资源共享匮乏，规划设计与运营管理等环节单独治理、条块分割等问题仍然突出，迫切需要提出未来水路运输的变革性方向，促进整体作用发挥，实现体系性创新。本文提出新一代航运系统的定义和特征，通过探讨系统的基本内涵和运行流程设计了体系架构，给出系统的7大关键技术，为自立自强的水路运输技术研究和体系标准建立提供参考。

1 新一代航运系统的定义与特征

1.1 新一代航运系统的定义

新一代航运系统(New Generation of Waterborne Transportation System，NEW-WTS)是利用高新技术实现航运系统“船-港-货，人-机-环”要素融会贯通、自洽共享，运输船舶组织运营呈现“岸基驾控为主、船端值守为辅”的新型水路运输系统，由绿色智能船舶、数字生态设施、可靠岸基支持、韧性运营服务组成，以信息物理系统为基础，构建数字化创新技术体系。船舶、港口、航道和客货等单元物理分散但信息互联共享，显著提升运输服务的绿色、安全、智能和便捷水平[1]。

1.2 新一代航运系统的特征

当前交通运营作业主要由船舶驾驶员和港口操作人员完成，系统或设备具备基本的状态感知、数据采集和对指令的响应能力，决策和控制程序均为预设值，不具备适应性与延展性，缺乏有效的协同和数据集成处理，尚处于自动化发展阶段。航运装备设施的动力供给仍以传统化石燃料为主，综合能效优化、污染物排放控制等绿色化技术应用紧迫。船舶运行由船端驾驶员操作，岸侧控制能力弱，运营组织由船务公司和货物代理调配，交通管理尚处于被动响应阶段。系统建设应用割裂，功能板块以离散化的信息服务为主，基于功能需求设计的应用方案可持续性低，无法满足绿色智能航运发展的产业要求，整体缺乏体系性创新和资源节约、集约利用。新一代航运系统通过重塑“人-船-岸”间的关系和价值，使得运营组织效率和服务保障能力提升，总体呈现绿色化、智能化、韧性化的特征。

(1)绿色化

航运装备设施绿色化、轻量化且高效环保，减少有害材料的使用，提升材料使役服役性能的同时延长生命周期，动力型式以多能源协同利用为主，温室气体等大气污染物的排放控制能力增强。纯电池动力、燃料电池和太阳能、风能、氢能等可再生能源在船舶与港口得以推广应用，绿色服务区与岸电配套设施实现全覆盖，交通基础设施网与能源网融合发展。

(2)智能化

通过构建数字化创新技术体系，增强水路运输组织运营的数据应用水平，信息互联、系统共建。航运要素单元、功能系统和架构系统具备全息感知、协同认知、智能决策、自动控制、人机协同交互能力，在岸基驾控中心实时对在航运营船舶进行监管、控制和驾驶权切换响应，功能/架构系统高度集成，数据信息充分共享，设备设施协同联动，技术业务深度融合。

(3)韧性化

“船-港-货、人-机-环”的运行流程趋于衔接畅通、协同指挥和主动适应，系统的可持续性与普适性得以提升，对于自然环境、运行冲突的应变能力增强，事前预警、事中处置、事后评价，保持原有功能和恢复可达性，能够有效缓解货物匹配和场桥泊位调度优化等问题，提供个性化、差异化服务，统筹管理、按需分配，减少资源的闲置和浪费。

2 新一代航运系统的体系架构

2.1 信息物理结构

新一代航运系统以实现乘客和货物的舒适搭载与个性化、高效精准位移为服务导向，绿色智能船舶、数字生态设施、可靠岸基支持和韧性运营服务等独立运作而又随机关联的组件、要素和系统适时交互、协同作业。物理世界与信息空间的人、机、物、环境、信息等要素构成平行映射，联通相关的流程、功能、数据，交通要素行为分层涌现、信息交互共享、域内/域间协作、自主运行管理，实现系统内资源配置和运行的按需响应、动态优化[17]，是船舶、交通、信息和通信等多系统协同发展的典型复杂信息物理系统(Cyber-Physical System，CPS)。各要素单元、功能系统间具有松耦合关系，整个系统为耗散结构[18]，处于远离平衡态的自组织状态，是新一代航运系统体系架构的基础，其信息物理结构如图1所示。

图1 新一代航运系统的信息物理结构Fig.1 Cyber-physical systematic structure for new generation of waterborne transportation system

2.2 整体框架

新一代航运系统具有明显的层级特征，分为要素单元级、功能系统级和架构集成级(System of System，SoS)，各架构集成级以任务为导向搭建总体架构，从数据传递到能量传递的总成[19]，以共享资源与能力[20]构成一个实用性更强的系统，实现个体无法达成的整体效果，与多个系统的权值相比，功能更为广泛、性能更加优越。在对新一代航运系统内涵梳理分析的基础上，应用信息物理系统的层级结构[17]提出新一代航运系统物理框架，主要包括：绿色智能船舶、数字生态设施、可靠岸基支持、韧性运营服务4部分，其整体框架如图2所示。

图2 新一代航运系统的整体框架Fig.2 General framework of new generation of waterborne transportation system

(1)绿色智能船舶。乘客与货物承运的主要载体，包括：常规船舶、增强驾驶船舶、辅助驾驶船舶、远程驾驶船舶，以及自主航行船舶，由航行脑系统、绿色动力系统、船用机电设备、通信导航单元、船舶健康运维共同组成。

(2) 数字生态设施。实现船舶时空位移的通道链路与重要节点，包括：数字生态航道、智慧绿色港口和信息基础设施建设3个方面，具体为电子航道图、全息助航设施、数传通信网络与港口自动化装备。

(3)可靠岸基支持。运输船舶的协同指挥平台和新一代航运系统的指令发布终端，完成在航船舶的驾控，对航运全过程进行监管，在紧急情况下介入操作，船东和海事监管机构可在移动终端或第三方平台实时监测和获取信息，由综合集控中心、岸基通讯设施、远程驾控系统和移动服务终端等组成。

(4)韧性运营服务。开放、共享、协同的水路运输管理与服务系统/平台，支持面向具体航行场景、安全管理、物流服务功能需求的个性化定制，提供韧性化运营服务和交通流量预测、航运风险评估、物流组织调度、水上应急救援和船舶运行控制等功能。

2.3 功能逻辑

在船岸协同环境下，传统航运的人为因素将不断弱化，船-船、船-岸、岸-岸耦合增强，系统可柔性测控，随机性减弱，系统的感知、认知、决策及控制主体逐渐从驾驶员/操作员转向机器。运行维护由船员/操作员操作执行演变为人机共驾，经历增强驾驶、辅助驾驶、智能驾驶、自主驾驶等4个特征阶段，不同要素单元、功能系统级、架构集成级混行并存，重构交通系统要素运行规律、个体服务于群体控制的平衡机理等过程[21]。运行模式由交通诱导过渡至主动控制[22]，操作地点从船舶等载运装备移至岸基驾控中心，指令形式由随动操作信息、机械执行信息转化为航向、航速、航迹、航次计划等目标任务，决策端由船舶逐步转向岸侧，人在运营作业的参与度逐渐降低。

在组合通讯链路与“空-天-海-地”一体化网络的支持下，打通新一代航运系统数据链路，使其具备低时延、高带宽、多切片的远程通讯能力，提供可靠的通讯通道和算力支持，建立船岸协同的信息感知、采集网络，数据交互准则。充分利用已有的航保感知网络、北斗导航、视觉监控等岸基支持单元和5G 数传终端等新型信息基础设施[23]，融合船载现有智能监管设备、辅助决策系统和港航全息态势感知设施，建立船岸对于通航环境的基础数字描绘[24]。联通不同业务应用层的信息流，统一存储和管理海量航运数据，打通信息数据间的壁垒，实现各要素单元级、功能系统级和架构集成级的共享复用[25]，完成人由决策控制端向被服务端的转移。在没有足够人类监督和参与的情况下，能够在变化的、不可预测的交通环境“理性地行动”，实现知识库的扩展和任务的迁移[26]，以适应不同操作指令和应用场景，由被动交通响应和优化转向主动交通管理与服务[27]。

3 新一代航运系统的关键技术

新一代航运系统的构建和实现离不开基础理论的指导和技术的支撑，其关键技术主要包括：航运系统规划设计、绿色智能航运装备、数字生态航道建养、船舶运行智能控制、交通运营组织、水上应急救援，以及测试验证评估7个方面。

(1)航运系统规划设计技术

研究不同交通运输网络拓扑结构与交通动力学时空演化规律、网络承载力间的动态耦合关系[28]，形成航运资源协同配置方法理论，规划设计航线网络和整体布局，在客流分布时空不均衡及运力资源有限的情况下[29-30]，提高交通网络运营组织能力，降低乘客出行和货物运输成本，为研判交通运行状况和决策的执行提供有力支撑。开发航运系统仿真平台，分析交通运输网络结构的可达性、可靠性、鲁棒性及抗毁性，实现航运系统的可视化推演。

(2)绿色智能航运装备技术

开展“端-网-云”架构下自动驾驶集卡、轨道平台、大型无人机等港口货物集疏运设备研究与应用，提高换乘、换装水平[31]，完善集疏运体系，研发污染物、碳排放循环利用和监测预警平台，促进港口能源系统[32]相融合，建设水上绿色综合服务区，打造集约高效、功能协同的现代化港口。提升船舶装备的自感知、自决策、自操作、自协同能力，开展辅助驾驶、远程驾控、智能航行、编队航行等功能示范应用，研发无轴轮缘推进、绿色能源动力系统等船舶绿色化关键设备，探索发展纯电力、燃料电池等动力船舶。

(3)数字生态航道建养技术

建立基础设施、运行状态、航道环境数据库，以“高精度数字底图+多维动态信息”的模式实时同步呈现。研发航标运行状态监测与应急反应系统和数字航道技术的集成应用平台，通过电子航道图、多功能航标推动航道终端的标准化，融合基础设施、气象条件、地理信息和水深等数据，实现航运信息系统数据的安全有序运行和共享。突破生态航道智能建养技术，应用数字孪生技术完成全生命周期的航道整治，包括：航道协同化设计、参数可视化施工、动态管理与维护，以及虚拟航标等。

(4)船舶运行智能控制技术

运用移动通信技术构建船岸协同信息传输网络，基于“云-管-端”的云计算基础平台、船载智能终端和船联网云控平台，达成“人-船-岸-云”的高度协同。在岸基驾控中心实现远程故障诊断、在途监测预警和人机协同控制，开阔水域、封闭作业空间等特定场景可独立于人的干预完成相应功能任务[33]，船端控制终端自主完成航行操纵、靠离泊、多船避碰作业[34-36]。通过构建人在回路的协同控制框架，通信不稳定或系统故障时按照驾驶权柔性切换策略，实现控制权在船岸和不同控制站间的切换，根据并发任务执行框架识别系统风险和人因失误[37]。研究编队航行技术，构建具有灵活性、高容错的编队结构，完成队内、队间的相对速度和机动性约束、编队的动态性能响应[38]。

(5)交通运营组织技术

以数据分析为基础实现交通管理的科学化和智能化，推进跨部门、跨区域信息合作共享，完成综合航运网络的组织调度和多运行主体的协同作业[39-40]，消除交通要素间数据共享不足、实时性差、信息延误等问题。突破航运主体碎片信息标准化、基于集成的智能决策分析等技术瓶颈，将离散分布的航行油耗、船舶服务、租船管理等数据整合为物流运输过程中可监控的状态流，按需响应形成科学决策[41]。合理调配船、港、货，完成船舶、港口、场桥、泊位等资源的配置和协同调度优化[42]，提供船舶运力分布预测、港口运营效能分析、航运金融风险测算等服务和灵活的航运物流解决方案。综合环境规制、市场情况等，合理组织和安排船舶的运输生产活动，尽可能取得最大效益，帮助航运企业和海事管理部门处理好外部环境与内部条件之间的动态平衡。

(6)水上应急救援技术

面向水上交通安全管理的业务连续性建立常态监管、异常干预和应急处置的一体化应对，推进内河干线运输、区域航段北斗导航与卫星的常态化应用，构筑功能完善、能力充分的航运安全体系。融合应急救援过程水上、水下救援人员和智能无人设备等施救信息，实现水上交通常态监管和应急处置中多尺度、可视化、信息精准的数据保障和闭环控制，基于多元救援协同通信与控制理论，提供能够适应空中、水面和水下立体救援任务的决策支持。

(7)测试验证评估技术

考虑系统整体架构研究科学性、完整性的应用及验证需求，研发多功能、可广域配置的测试验证平台，应用平行控制理论，以场景、事件、任务为驱动，设计模块化、可剪裁的测试系统，建立物理域与虚拟世界的强关联。融合虚拟仿真和物理实验的优势，测试功能有无、验证结果对错、评估性能优劣[43-44]。综合物理世界和信息空间的安全威胁[45-46]、标准化链接与通信协议等方面，运用复杂系统数字孪生手段，实现定性评价与定量评估。

4 结论

本文基于国内外绿色智能航运的发展现状和技术趋势，提出新一代航运系统的定义和绿色化、智能化、韧性化的系统特征，通过讨论系统的基本内涵和运行流程设计整体架构，阐述系统的功能逻辑，凝练系统的关键技术，明确了运输船舶组织运营“岸基驾控为主，船端值守为辅”的航运新业态，为船舶远程驾控技术的研究和应用奠定基础。新一代航运系统提出水路运输未来的变革性方向，可以有效指导绿色智能航运示范区的规划与建设，为智能、绿色、安全、便捷的水路运输新业态发展和新一代航运系统的规范标准体系建设提供技术支撑。通过新一代航运系统的深入研究和应用，将为旅客和货主提供更加便捷、高效的运输服务，实现船岸协同控制和“人-机-信息”交互，充分发挥航运优势，提升我国水路运输的国际影响力和核心竞争力。