智能船舶系統電氣解決方案

李銘志，何炎平，劉亞東，黃超

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智能船舶系統電氣解決方案

李銘志1，何炎平1、2，劉亞東1、2，黃超1

（1．上海交通大學海洋工程國家重點試驗室，上海 200240；2．高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200120）

介紹了中國船級社（CCS）編制的《智能船舶規范》對智能船舶的定義及其功能要求，針對《智能船舶規范》對智能船舶在取得智能航行功能、智能船體功能、智能機艙功能、智能能效管理功能、智能貨物管理功能和智能集成平臺功能及其功能補充標志的要求，分析了各部分相關的現有技術和目前還存在的技術差距，給出了對應的電氣解決方案及所涉及到的關鍵技術。

智能船舶 電氣系統 關鍵技術

引言

近年來，計算機技術的飛躍發展及其在船舶行業的廣泛應用，大大促進了航海事業的進步。各個地區，各個組織都制定智能化目標，最具代表性的是IMO主導的以實現“航行更安全，成本更低”為目標的E-navigation[1]，歐盟啟動的旨在消除歐洲各區域、各國家、各內河之間的信息交換障礙的River Information Services System[2]（RIS，歐洲內河航運綜合信息服務系統），我國船級社編制的CCS《智能船舶規范》[3]。呈現出了海洋、內河及船舶多方位百花齊放式的智能化進程[4]。

早在1986年，日本東京商船大學、電氣通信大學、東京水產大學聯合研究智能船舶，想基于陸上保障系統、船舶狀態監測系統，再輔以人工智能做出各種決策，實現最佳船舶操縱、自動近岸航行、信息生活保障和自動生產等功能。1987年東京商船大學實習船“汐路丸”按無人駕駛船設計，可實現智能化靠離碼頭[5]。此外，英國制造的“MARS”號無人駕駛船，計劃在2020年橫跨整個大西洋[6]。2015年，韓國現代重工集團與埃森哲合作設計“互聯智能船舶”，致力于通過應用數字技術幫助船東更好地管理船隊，充分挖掘潛能，節約運營成本[7]。2016年8月，中集來福士與上海億石創業投資有限公司簽訂了無人艇研發制造合作協議，通過使用高速識別技術、神經元網絡芯片技術、高速傳感器技術和云平臺數據庫實現自動巡航與避險、遠程偵查等功能[8]。

一方面計算機技術的發展為交通、航運和船舶的智能化提供了基礎；另一方面，智能化手段能夠有效降低減小人員勞動強度、降低誤操作、提高船舶控制和管理水平、優化船舶運營性能從而降低成本、提高收益、保障安全。因此，智能船舶是全球造船人當前最為迫切的夢想。

1 智能船舶的定義

2015年12月，由CCS編制的《智能船舶規范》正式對外發布。規范中，定義智能化為由現代通信與信息技術、計算機網絡技術、智能控制技術等匯集而成的針對某個對象的應用，這些應用通常包括但不限于評估、診斷、預測和決策等。規范指出，智能一般具有如下特點[3]：

1) 具有感知能力：即借助傳感器技術，能夠感知外部世界、獲取外部世界的關鍵信息；

2) 具有記憶和思維能力：即借助人工智能技術，能夠實現信息的存儲、挖掘和融合，能夠通過對信息進行加工，使其轉換為可用的知識，并能基于此做出各種所需的推理分析；

3) 具有學習能力和自適應能力：即借助人工智能技術，通過對外部環境的不斷學習，歸納積累相關知識，使系統能夠適應環境的任意變化；

4) 具有行為決策能力：即能夠借助專家知識、神經網絡等智能手段，根據外部世界的變化做出適當的決策和響應。

CCS《智能船舶規范》定義智能船舶為：利用傳感器、通信、互聯網、數據處理等技術手段，感知船舶自身、物流貨物、海洋環境、港口航道、氣象環境等信息，并基于人工智能技術、自動控制技術、大數據分析處理技術，在船舶操縱、管理、維護保養和貨物運輸等方面實現智能化運行的船舶[4]。

2 智能化要求及解決方案

CCS《智能船舶規范》對智能船舶的功能進行了詳細劃分[3]，分為智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺六個部分，并對每個部分的功能做了詳細的要求。本文基于這些要求，繼續探討各部分相關的現有技術和目前還存在的技術差距，并基于此給出對應的電氣解決方案，討論所涉及到的關鍵技術。

2.1 CCS對智能航行功能的要求和解決方案

2.1.1 CCS要求[3]

1）對船舶運營消耗、物流信息、氣象環境、海洋環境和港口航道信息歷史數據進行分析處理；

2）基于分析結果、航行任務和物流信息對船舶航線和航速進行設計和優化。

補充功能：可借助岸基支持，實現開闊水域、狹窄水道、復雜環境條件下的自動避碰、自主航行功能，或者具有自動靠離碼頭、自動通過船閘等高級自主航行功能。

2.1.2現有技術及技術差距

現有技術：航行任務、貨物特點、船期計劃的計劃管理技術；主要航區的波浪散布圖，季風、洋流分布圖等歷史統計資料；氣象傳真機、風向風速儀、風溫廓線儀等成熟探測設備。

技術差距：衛星遙感、海洋環境監測力度和技術有待提高；海洋環境預報技術還有待提高；船舶綜合性能及能耗水平的快速預報技術有待提高[9]。

2.1.3解決方案

除了配置常規的氣象傳真機、風向風速儀、電子海圖等航行設備以外，還需配置基于海洋環境歷史統計數據、海洋環境預報技術的航線優化系統。

前期的規劃中，尤其是航線環境條件，在遠洋航運中肯定只有歷史統計數據，因此前期的航路規劃為以歷史統計數據為基礎的概率型規劃和優化，在整個航行期間，需根據短期的預報，甚至當前感知的信息，不斷進行優化。

需配置射頻、4G等通信設備，與港口、狹窄航道管理部門進行通信。同時，針對每一個特殊的航道都建立通行流程，當船舶航行到適當位置時，與航道管理部門建立實時通信，根據自主航行給出的策略，配合通過。

2.1.4關鍵技術

海洋環境預報技術：對海洋氣象、海洋波浪等海洋環境的準確預報，將為航線優化提供堅實基礎，是對航行優化可靠性的有效保證。

復雜條件下的船舶控制技術：包括對危險信息的感知技術（比如碼頭、障礙物測距、外形識別，測深等），船舶精確控制技術（對于有動力定位系統的船舶非常容易實現，但是對于裝定距槳的大型集裝箱船就不是非常簡單）。

特殊航道模型的建立：最適合的模式是由本航道建立模型，并對通行船舶提出智能通行要求（數據交換），比如巴拿馬運河，在智能船舶到達一定距離之前，就能根據航道模型（港口直接發送或者符合規定的預定靜態模型）實現和航道的通信，備妥相關自動化設備，雙方都達到規定的狀態時，允許其在智能模式下通行。

2.2 CCS對智能船體功能的要求和解決方案

2.2.1 CCS要求

1）基于對船體結構相關參數的采集和監測，建立船體數據庫，并具有便捷的維護措施；

2）基于船體數據庫，為船體全生命周期內的安全和結構維修保養提供輔助決策。

補充功能：可基于船體數據庫和對船體結構的監測數據，為船舶操縱提供輔助決策。

一是在資金使用管理環節，制定了《贛州市財政扶貧專項資金管理辦法》，對資金的使用范圍、審核撥付和管理監督等進行了明確。同時，對所有納入整合的財政涉農扶貧資金要求按照中央、省“專項扶貧資金管理辦法”的規定管理和使用，做到資金管理監督全覆蓋。

2.2.2現有技術及技術差距

現有技術:船舶腐蝕檢測技術；船體焊縫無損檢測技術。

技術差距:船舶重點部位腐蝕大面積連續監測技術；船體焊縫大面積連續無損監測技術；船體關鍵部位變形情況的連續監測技術；船體損傷后的強度評估技術[10]；船體損傷對船舶性能的影響。

2.2.3解決方案

配置腐蝕連續監測設備，對船舶關鍵部位的腐蝕情況進行連續監測。配置船舶焊縫射線無損監測設備，對超過一定厚度、高強度鋼及關鍵部位的焊縫進行連續監測。同時，監測船舶關鍵部位的裂紋。配置船體形狀監測設備，對船舶關鍵部位的變形情況進行連續監測。

建立包括建造信息、維護信息、船舶運營信息等內容的船體維護數據庫，采用人工智能技術，通過對數據的分析推斷，給出維護保養、航線規格、船舶操縱方面的指導和建議，以滿足輔助決策功能的需求。

2.2.4關鍵技術

大面積，大區域范圍內的連續監測：目前已經有點，或者說局部小區域的各種探測技術，但是如何實現大面積，大區域范圍內的連續監測，還是一尚待研究的問題。

船體損傷后的強度評估技術和船體損傷對船舶性能的影響程度：目前為止依然是擺在造船人面前的難題。

船體全生命周期安全和維修保養模型的建立：究竟如何建立該模型，感知哪些部位的哪些信息，能夠簡單而較為準確的描述船舶的結構安全，并能快速的基于此做出各種相關的輔助決策，尤其是要使得該模型有一定的通用性，是一件非常關鍵和困難的問題。

航線、航區、材料特性對船體腐蝕、變形的影響分析：不同航線，航區，不同的鹽度、酸性對不同材料、不同涂層狀態船體腐蝕、變形的影響分析是輔助決策的重要依據，同時也有助于船型開發，航行路線選擇，新材料研發等方向的發展。

腐蝕、變形對航行經濟性的影響分析：腐蝕、變形對航行經濟性的影響分析是經濟航線規劃的重要依據，也是維護計劃制定的重要依據，是船舶運營經濟性分析的條件之一。

2.3 CCS對智能機艙功能的要求和解決方案

2.3.1 CCS要求

1）對機艙內的主推進發動機、輔助發電用發動機、軸系等主要設備的運行狀態進行監測；

2）基于設計參數和監測數據，對主要機械設備的運行狀態和健康狀況進行監測、分析和評估；

3）根據評估結果，為船舶操縱者提供輔助的決策建議。

補充功能：可根據對機械設備的評估結果，制定相應的維護保養計劃。

2.3.2現有技術及技術差距

現有技術:主機、輔機、軸系等關鍵設備的運行狀態監測技術，比如軸轉速、軸承溫度、潤滑壓力、故障報警等。

技術差距:沒有對柴油機燃燒室溫度、增壓器性能方面的精細化監測；沒有主要設備健康評估模型；沒有主要設備性能評估模型。

2.3.3解決方案

利用現有的自動化技術對柴油機、發電機、軸系等主要機械設備及其輔助設備進行持續狀態監測，要求主動力設備（包括柴油機、推進電機等）按照《規范》對智能船舶主要設備的要求進行更加細致的監測（比如燃燒室狀態，增壓器性能）和更加精確的控制（比如噴嘴、潤滑油壓等），并給出比較詳細的能耗和性能參數或者曲線，供上位優化控制。

系統根據各種機艙設備的監測數據，進行系統健康評估和輔助決策技術，包括維護保養的決策（維護時間最短，周期最長，最經濟，最可靠）。

2.3.4關鍵技術

系統健康評估和輔助決策技術：系統的健康評估需建立在設備健康評估的基礎之上，維護保養的輔助決策需建立在設備的設計參數基礎之上，操縱控制的輔助決策同樣需建立在設備的性能參數基礎之上，因此，智能船舶機艙主要設備的健康評估和保養計劃還需制定相關標準，由船級社把關強制執行，這樣才能為整個船舶機艙系統的健康評估和輔助決策提供基礎和參考。

2.4 CCS對智能能效功能的要求和解決方案

2.4.1 CCS要求

1）實現對船舶航行信息、能耗狀況、海洋環境和氣象環境的在線監測；

2）根據監測信息，對船舶能效狀況和裝載狀態等進行評估、報告和報警；

3）基于評估結果，通過大數據分析和人工智能技術，為船舶操縱者提供輔助決策建議。

補充功能：可結合航線特點，提供航速優化方案，基于最佳航態分析，給出基于縱傾優化的最佳配載方案。

2.4.2現有技術及技術差距

現有技術：燃油、滑油等長時間消耗的統計；船舶吃水、貨物裝載量等數據的統計。

技術差距：燃油、滑油等消耗的精確測量；船舶能效模型的建立[11]；大數據分析和人工智能技術在能效分析中的應用技術。

2.4.3解決方案

建立能效模型，標準化能效指標，根據船舶內部的監測數據（根據負荷計算書，確定主要能耗設備，進行能耗監測；對影響能耗的主要因素，比如船體的涂層、變形，航線海洋環境等進行持續監測）和基于大數據的分析結果，分不同級別，定期為船舶提供數據評估分析結果和航速、航線、配載等操作的輔助決策建議。

2.4.4關鍵技術

能效模型的建立：實現智能能效的關鍵是能效模型的建立，包括排放，能耗，經濟性，限制條件等。只有模型的科學合理，基于它的結論才可靠合理。

大數據分析技術：通過對大數據中船舶運營數據的挖掘、整理、統計分析，獲得很多有價值的信息，如船閘的通行情況、河水的四季變化、河道淤積的變化、航行數據的統計、船舶的功率與航速、船舶能耗數據、風浪對船舶航速的影響、各種節能措施的效果、污底對功率的影響、航線航區的海況資料和各類設備運行狀態等。

2.5 CCS對智能貨物管理功能的要求和解決方案

2.5.1 CCS要求[3]

1）利用傳感器技術，實現對貨艙以及貨物狀態的監測報警和相關輔助決策功能；

2）實現貨物保護系統的連續監測報警和相關輔助決策功能；

3）通過對能耗、貨物、貨艙、物流信息和貨物保護系統信息的采集和分析處理，進行貨物裝載的優化分析和輔助決策。

補充功能：可具有自動裝卸貨功能。

2.5.2現有技術及技術差距

現有技術：對普通貨艙及貨物的監測報警、其保護系統的監測報警及自動裝卸貨技術。

技術差距：針對危險貨物、特殊貨物的監測報警、其保護系統的監測報警及自動裝卸貨技術；貨物優化配載技術；船舶動穩性模型。

2.5.3解決方案

針對不同的裝載類型（集裝箱、散貨、液貨等）及不同的貨物特性（毒、腐蝕等），制定不同的監視參數，尤其是危險貨物。根據危害級別，制定預警、報警和故障處理方案。

根據不同的船舶特性（穩性、縱傾、安全特性）制定對應的裝卸貨流程和限制條件，自動裝卸貨系統可以根據限制條件進行自動調節裝卸。

2.5.4關鍵技術

船舶穩性模型的建立：自動裝卸貨需以穩性模型為基礎，在保證安全的前提下作業。因此穩性模型的建立是自動裝卸貨的基礎，也是應急處理方案制定的依據。

危險貨物監視技術：根據危險貨物的特性和危害性，制定針對性的監視、報警和應急處理標準。系統可以基于此制定各種符合船舶實際裝載情況的個性化方案。

2.6 CCS對智能集成平臺的要求和現有技術差距

2.6.1 CCS要求

1）集成智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效、智能貨物管理等所有系統的數據；

2）能夠整合船上所有計算機系統，提供可擴展接口，實現對船舶的全面監控與智能化管理；

3）通過統計分析、綜合評估，能夠根據用戶需求，通過界面設置，定制各種個性化、自動化和標準化的分析報告；

4）能夠根據用戶設定，為船舶運營安全、經濟、時效等相關指標提供綜合預報、預警和評估；

5）利用船舶歷史運行狀態及相關參數，為當前的船舶操作及管理方案提供趨勢預測；

6）系統能夠支持輔助決策，提高船舶性能，減少人為失誤。能夠根據評估及預測結果，為事故響應、風險規避、環境保護、事故預防、能耗減小、資源優化等提供綜合的管理及操作方案；

7）能夠實現船岸數據交互。

2.6.2現有技術及技術差距

現有技術:基于溫度、壓力等船舶主要設備運行狀態監測的船舶自動化技術；船舶局域網技術；數據遠傳（船岸數據交互）技術。

技術差距:無盲區，無間斷地寬帶船岸通信技術；各種輔助決策技術、預測預報技術等智能化技術。

2.6.3解決方案

建立基于寬帶技術的船內局域網系統，并建立可以實現船岸數據交互的數據遠傳系統。局域網系統連接船內所有自動化、智能化系統。數據遠傳系統可以實現船內局域網數據的發送和岸上所有命令通告的接收功能。

建立智能船舶數據中心，制定數據分析策略，給出各種預測和輔助決策，為事故響應、風險反應規劃、環境保護措施、事故察覺和預防、經濟性能提升、資源管理和通信等提供綜合的管理及操作方案。

2.6.4關鍵技術

數據平臺的建立：每個船舶得共享這些數據，并建立一個平臺來存儲這些數據，大數據平臺的建立是海洋、內河、船舶智能化的基礎。

3 結論

雖然GPS、AIS、電子海圖、VHF等無線電設備和導航設備等都廣泛應用在現代船舶上，同時，基于各種自動化設備的綜合橋樓系統、集成控制系統和機艙監測報警系統等自動化系統都已普遍應用，且技術成熟，但是，距離上述智能船舶對智能化的要求還有不少差距。無論是尚有技術難度的船-岸大容量通信技術、大數據分析技術、智能決策技術，還是現有數據的融合及轉化，還是為了長遠考慮必須規劃和整理的相關標準，都是擺在造船人面前的艱巨任務。

建議結合E-航海、E-內河的規劃，基于已有的技術和基礎設施，加快關鍵技術的研究，擴展現有設備的智能化功能。

建議從國家層面整體規劃和頂層設計海洋、內河、陸地、空中多維一體的交通運輸系統，借鑒其它行業的成功經驗和先進技術，融合現有的技術和基礎設施，努力補齊最短的那塊板，實現我國交通運輸行業的整體發展和壯大。

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Electrical Solutions on an Intelligent Ship

Li Mingzhi1, He Yanping1、2, Liu Yadong1、2, Huang Chao1

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China；2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

U662.9

A

1003-4862（2017）04-0005-05

2016-11-08

海洋工程國家重點試驗室自主研究課題（GKZD010068）

李銘志（1983-），男，博士研究生，主要從事疏浚優化控制和船舶電氣方面的研究。

E-mail: limz_2008@sjtu.edu.cn