智能船舶工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究

郎舒妍 ，曾曉光 ，張民

（1.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京100101；2.中國船舶重工國際貿(mào)易有限公司，北京 100861）

近年來，隨著新興技術(shù)的快速發(fā)展。“智能化”逐步走進人們的視野，“汽車智能化”“醫(yī)療智能化”，甚至“城市智能化”，諸如此類概念的提出和應用，正在極大地改變著人們的生活。作為傳統(tǒng)行業(yè)的船舶工業(yè)，在外部技術(shù)推動與內(nèi)生需求牽引的雙重作用下，也在加快發(fā)展船舶智能化技術(shù)，開發(fā)智能船舶，推動行業(yè)發(fā)展邁向新階段。

一、智能船舶技術(shù)分類

智能化是指利用先進的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)、人工智能技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)等聯(lián)合在一起對某個對象展開應用，這些應用主要包括自主學習、故障診斷、自主評價、態(tài)勢感知以及行為決策等[1]。智能化一般具有以下4 個方面的特點：一是具備感應外部信息的能力，即能夠收集、整理來自外部環(huán)境的信息；二是具有自主分析能力，通過感應獲得的外部信息，利用已經(jīng)存在的程序設定和知識儲備對感應的外部信息進行分析、比較、計算、預測等；三是具備自主學習能力，能夠通過對以往案例的數(shù)據(jù)信息進行分析研究，并以此反復學習新環(huán)境變化帶來的知識；四是具備自主決策能力，可對外部環(huán)境的變化進行分析研究，形成并傳輸相應的對策信息。

船舶智能化不僅僅表現(xiàn)在船體本身，新技術(shù)的興起將會深入到船舶設計、建造、營運各個階段，簡化船舶設計建造流程，優(yōu)化船舶各項功能，提高效率，提升經(jīng)濟性[2]。智能船舶技術(shù)分類，如表1所示。

表1 智能船舶技術(shù)分類

二、智能船舶技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）國外智能船舶技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在智能船舶裝備方面，新興技術(shù)的崛起，如云計算技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等，帶動船舶工業(yè)走向數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。可以說，智能船舶為船舶安全、節(jié)能、環(huán)保、高效等技術(shù)需求帶來了發(fā)展的新契機，為航運業(yè)實現(xiàn)降本增效、低碳經(jīng)濟帶來了新希望，智能船舶為船舶工業(yè)技術(shù)發(fā)展提供了新的動力和方向[3]。當前，在世界范圍內(nèi)，美國、日本、韓國、歐洲都在積極發(fā)展智能船舶裝備技術(shù)，發(fā)展路徑大多一致，但各有側(cè)重。

自2010年起，韓國現(xiàn)代重工集團先后啟動了“智能船舶1.0/2.0”計劃，項目研究內(nèi)容旨在研發(fā)基于有/無線船舶綜合管理網(wǎng)通信技術(shù)的船舶主機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以此實現(xiàn)經(jīng)濟、安全、高效航行服務。2011年，韓國三星重工集團開發(fā)了船舶能效管理系統(tǒng)，該能效管理系統(tǒng)能夠收集并整理船舶在運營過程中機艙內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，通過通信技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、決策支持技術(shù)，提高船舶能效管理智能化水平。此外，2012年12 月，由日本船舶配套協(xié)會和日本船技術(shù)等多家企業(yè)和科研院所著手開展“智能船舶應用平臺”項目研究。“智能船舶應用平臺”主要是通過研發(fā)智能信息與控制系統(tǒng)，使得船舶實現(xiàn)機艙狀態(tài)監(jiān)測、船體外部環(huán)境感知、遠程運維等功能（見圖1）。2016年，羅爾斯羅伊斯公司推出了“高級無人駕駛船舶應用開發(fā)計劃”（AAWA）白皮書，白皮書中預計到2020年，利用遠程操作和輔助功能操作來實現(xiàn)船舶少人化；到2025年實現(xiàn)近海船舶的遠程遙控；到2030年實現(xiàn)遠洋無人船舶的遠程控制；到2035年實現(xiàn)自主遠洋無人船舶（見圖2）。

在智能設計方面，當前美國、日本、韓國、歐洲國家等在船舶智能化設計中占據(jù)領先水平，并已普遍采用三維設計建模，實現(xiàn)了設計和生產(chǎn)協(xié)同一體化。2009年，美國電船公司以每年建造兩艘“弗吉尼亞級”潛艇和每艘成本降至20 億美元為目標，完成了“面向制造的設計”項目研究。同年，美國在CVN-78 設計中以計算機輔助三維交互應用（CATIA）為核心，在應用洞穴狀自動虛擬系統(tǒng)（CAVE）技術(shù)的基礎上，實施被稱為三維可視化協(xié)同工具（ROVR）的新一代沉浸式三維虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)基于CATIA 三維設計模型的瀏覽、漫游與協(xié)同。

圖1 智能船舶應用平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 羅爾斯羅伊斯公司無人船舶技術(shù)路線圖

在智能制造方面，世界各大船企都在積極布局“智能化”制造模式，希望利用豐富的數(shù)據(jù)來提高設計和建造的效率。為振興造船海洋事業(yè)，韓國政府積極推進智能船廠建設，先后提出一系列重點研發(fā)計劃。日本政府也提出“i-shipping”概念，旨在利用數(shù)字化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等技術(shù)打造可視化船廠。2016年，大宇造船海洋工程有限公司提出“shipyard 4.0”概念，意在搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺，將3D設計生產(chǎn)信息系統(tǒng)向移動端延伸，助力配套企業(yè)構(gòu)建智能工廠。2017年，韓國現(xiàn)代重工集團提出建設“smart factory”，內(nèi)容主要包括構(gòu)建智能工作環(huán)境、布局窄帶物聯(lián)網(wǎng)、建設儲能和能源管理系統(tǒng)以及使用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)進行安全管控等。

在智能航運方面，從全球范圍看，以北歐為代表的多個國家，均在積極推動智能航運研究。2016年，商船三井株式會社宣布成立智能航運辦公室，旨在努力實現(xiàn)其新技術(shù)開發(fā)理念之一的“用于更安全船舶運行的先進支持技術(shù)”，通過基于信息通信技術(shù)應用，從而成為客戶可靠的物流業(yè)務合作伙伴。2017年，瓦錫蘭集團收購英國Guidance Marine 公司，利用Guidance Marine 公司的核心競爭力（包括高精度控制應用的位置測量傳感器和系統(tǒng)開發(fā)），對瓦錫蘭集團在雷達技術(shù)、導航和動態(tài)定位領域的活動形成互補，加速將航運引入一個新的效率時代。2018年，韓國三星重工集團宣布選擇亞馬遜網(wǎng)絡服務系統(tǒng)（AWS）作為其首選的云計算服務供應商，以支持韓國三星重工集團發(fā)展自主航運、向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在智能航運中取得優(yōu)勢。

（二）國內(nèi)智能船舶技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在智能船舶裝備方面，2017年，中國船舶集團工業(yè)有限公司交付首艘智能船舶“大智號”，“大智號”相較于常規(guī)船舶，可向船東提供更為全面深入的數(shù)據(jù)采集、分析挖掘和決策優(yōu)化服務，從而降低營運成本，減少關鍵系統(tǒng)和設備故障，縮減設備維護成本，使船舶更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟和舒適[4]。2018年，廣東珠海萬山無人船舶海上測試試驗場正式啟動建設。該試驗場計劃建設成為亞洲首個無人船海上試驗場，并將成為世界上面積最大的無人船海上測試場。

在智能設計方面，2007年，上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司和上海船廠聯(lián)合開發(fā)船舶制造三維設計系統(tǒng)SB3DS。2012年，南通中遠海運川崎船舶工程有限公司在數(shù)字化設計（CAD）系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)了數(shù)字化工藝設計（CAPP）和數(shù)字化制造（CAM）系統(tǒng)，進一步推動了產(chǎn)品生產(chǎn)設計協(xié)同一體化的進程。

在智能制造方面，2015年，南通中遠海運川崎船舶工程有限公司第4條機器人自動化生產(chǎn)線點火投產(chǎn)，該生產(chǎn)線自動化程度高，機器人和焊接部材均可靈活轉(zhuǎn)換，效率可提高40%以上，可保障全天作業(yè)。2018年，武昌船舶重工集團有限公司推出國內(nèi)首條船舶工業(yè)智能無人生產(chǎn)線。據(jù)悉，該生產(chǎn)線年產(chǎn)量可達3 萬根，采用激光視覺系統(tǒng)，打通組對焊接系統(tǒng)全流程，將現(xiàn)有生產(chǎn)線產(chǎn)能提高15%，實現(xiàn)無人全自動化直管柔性制造。

在智能航運方面，2014年，上海洋山深水港四期碼頭正式開始建設，該碼頭首創(chuàng)多元化堆場作業(yè)交互模式，同時運用了電力驅(qū)動技術(shù)、第二代港口船舶岸基供電、節(jié)能新光源、太陽能輔助供熱等技術(shù)，是“零排放”的“綠色碼頭”。2018年，中遠海運集裝箱運輸有限公司新版電子商務平臺的網(wǎng)站正式上線。新版網(wǎng)站從以往船東視角轉(zhuǎn)向用戶視角，以“客制化”服務（以滿足客戶需求為出發(fā)點的定制化服務）為出發(fā)點，圍繞用戶的諸多痛點來對各項功能和流程進行不斷地優(yōu)化，為客戶推出主動推送的信息服務。

（三）智能船舶技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.國外智能船舶技術(shù)發(fā)展循序漸進，分階段實施

從國外智能船舶技術(shù)發(fā)展路線來看，先后經(jīng)歷了信息集成階段、信息互聯(lián)互通階段、信息分析處理階段及實船應用示范階段。在信息集成階段，具有代表性的是信息集成平臺，主要收集船體能源消耗、航行環(huán)境、船載設備等方面的數(shù)據(jù)；在互聯(lián)互通階段，主要集中于通信技術(shù)發(fā)展，如有/無線船舶綜合管理網(wǎng)通信技術(shù)，旨在建立船-岸、船-船之間的信息交互；在信息分析處理階段，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)運用在船舶的數(shù)據(jù)處理分析上，以此監(jiān)測控制船舶運營狀態(tài)；而實船試驗及應用示范階段，則主要集中于成品智能船舶的研發(fā)[5,6]。

2.“輔助決策”“自主航行”是智能船舶技術(shù)發(fā)展的重點方向

輔助決策主要是指通過建立專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為船舶設計、建造、營運以及拆解的船體結(jié)構(gòu)安全、故障診斷等提供決策建議，利用傳感器技術(shù)監(jiān)測和采集船體結(jié)構(gòu)及設備的數(shù)據(jù)信息，為船舶航行提供決策依據(jù)。自主航行是指通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析平臺，對船舶在營運過程中感知到的信息進行研究分析，對船舶航線及航速進行輔助優(yōu)化；進一步通過建立岸基中心，船舶實現(xiàn)在開闊水域、狹窄水道及復雜海況下的自主靠離泊、自主避碰，即所謂的自主航行。

3.“智能船廠”技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸形成“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略

近年來，包括日韓在內(nèi)的船企在推行“智能船廠”方面開展了大量的工作，并在研究發(fā)展過程中逐步形成“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。如韓國的“三步走”戰(zhàn)略：①實現(xiàn)信息管理系統(tǒng)集成，制造過程全面自動化、數(shù)字化和智能化，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全要素實時監(jiān)控與管理；②實施數(shù)字化虛擬智能船廠建設；③邁向人與環(huán)境相協(xié)調(diào)的智能船廠。日本船企則是瞄準先進信息技術(shù)，推動大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展深度融合：①作業(yè)過程可視化與數(shù)據(jù)化；②推進“智能造船集群”，減少造船各環(huán)節(jié)中的浪費；③引進智能裝備優(yōu)化建造流程。

4.智能航運向無人運營時代邁進，綜合服務平臺助力智能航行發(fā)展

基于云存儲和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以無人船為代表的智能航運變得不再遙不可及。通過對貨物發(fā)出及到達時間、最優(yōu)航行線路等信息進行測算，無人船根據(jù)實時天氣、海況以及港口信息數(shù)據(jù)分析，調(diào)整航行計劃，實現(xiàn)最優(yōu)航行路線[7]。此外，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）定位技術(shù)，加強對航運狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測與感知，綜合服務平臺能夠?qū)崿F(xiàn)跨部門和跨區(qū)域的信息資源共享、業(yè)務協(xié)同處理和綜合服務，降低物流成本，節(jié)能減排，形成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化航運體系。

三、我國智能船舶技術(shù)的現(xiàn)狀與差距

在智能船舶裝備方面，當前我國船舶制造業(yè)取得了一定的成績，但在快速發(fā)展的同時，遇到的問題和挑戰(zhàn)也同時制約著我國造船業(yè)的發(fā)展。智能船舶的到來，為我國船舶工業(yè)加快實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級、搶占市場先機、提升核心競爭力提供了突破口。近年來，我國對智能船舶的研制步伐不斷加快。基于前期研究工作基礎，我國在智能船舶發(fā)展上取得了一定成果。通過對國內(nèi)外智能船舶發(fā)展情況的研究可知，智能船舶作為新興發(fā)展方向，雖然我國在某些方面與國外研究還有差距，但整體差距不大。

在智能設計方面，我國船企在設計過程中已應用三維建模，但還遠未實現(xiàn)全過程的三維設計，同時設計與建造仍作為兩個獨立的系統(tǒng)分別運作，未能形成協(xié)同操作，沒有將設計成果直接應用于建造。在設計建造的某些階段應用了數(shù)字化，但未綜合考慮從設計到建造的全過程，數(shù)字化程度還較低。

在智能制造方面，整體而言，我國當前仍處于規(guī)劃探索階段。主要體現(xiàn)在：①船舶設計數(shù)字化技術(shù)儲備不足；②船舶制造裝備與系統(tǒng)的自動化、智能化水平低；③造船過程管控缺少有效的數(shù)據(jù)支持；④數(shù)字化工藝設計能力嚴重不足，其中包括三維數(shù)字建模數(shù)據(jù)源不唯一、工藝信息不完整及缺乏工藝數(shù)據(jù)庫支撐[8]。

在智能航運方面，我國智能航運建設比歐美國家相對落后，無論是理念上還是技術(shù)上都尚未成熟，信息化往往沿用傳統(tǒng)、落后的管理信息系統(tǒng)開發(fā)理論與方法，企業(yè)信息化系統(tǒng)各自為政。信息化與航運企業(yè)管理業(yè)務匹配度不高，不能很好地提供服務；航運企業(yè)智能化認識不深刻，不能提出明確的航運智能化需求，缺乏科學的、可持續(xù)的智能化規(guī)劃[9]。

四、我國智能船舶技術(shù)發(fā)展保障措施與建議

（一） 注重頂層設計，制定階段化的研發(fā)策略

現(xiàn)階段，世界各國在其智能船舶的技術(shù)發(fā)展中都制定了詳細的研發(fā)策略，并按時間節(jié)點分步推進其發(fā)展計劃和目標。此外，主要智能船舶研發(fā)機構(gòu)十分注重技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品應用相結(jié)合的發(fā)展模式，并推出了一系列智能船型。因此，建議我國在推進其智能船舶研發(fā)項目中，注重制定較為詳盡的研發(fā)策略，按計劃推進智能船舶有關技術(shù)發(fā)展；同時加強智能船舶設計推廣和應用示范，推進智能船舶產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

（二） 借助行業(yè)外力量，多方合作提升技術(shù)研發(fā)能力

智能船舶技術(shù)涉及多個行業(yè)的先進技術(shù)，國外智能船舶研發(fā)機構(gòu)在推進技術(shù)研發(fā)過程中，紛紛采取多方合作的方式來提升其智能船舶技術(shù)發(fā)展。值得注意的是，合作的對象不僅僅局限在船舶行業(yè)，大量在數(shù)據(jù)信息處理、衛(wèi)星通信、計算機技術(shù)領域占據(jù)領先地位的研發(fā)機構(gòu)或企業(yè)，成為國外造船業(yè)爭相合作的對象。因此，建議我國造船業(yè)加強行業(yè)間的相互合作，與相關領域占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢的企業(yè)展開合作，推進智能船舶產(chǎn)學研合作力度，推動智能船舶技術(shù)綜合發(fā)展。

（三）加強互聯(lián)互通，提升船舶綜合服務保障能力

船岸一體化是智能船舶技術(shù)發(fā)展的重要方向，通過建立信息交互平臺和岸基中心，實現(xiàn)船舶、岸基中心、船東、造船企業(yè)之間的信息互聯(lián)互通。同時，船廠也將由單一的船舶制造向船舶全生命周期方向轉(zhuǎn)變，以此在船舶運營中提供更好的服務。建議我國在智能船舶研發(fā)過程中注重岸基中心的建設，建立覆蓋全球的智能船舶及配套設備服務平臺，以適應智能船舶發(fā)展的新模式，實現(xiàn)由單純船舶制造向綜合服務的轉(zhuǎn)變。

（四）加強多層次人才隊伍建設，注重國際技術(shù)交流合作

以多種方式吸引智能船舶高層次人才，培養(yǎng)一批領軍人才和青年拔尖人才，加強智能船舶相關學科專業(yè)體系和人才培養(yǎng)體系建設。大力開展國際技術(shù)交流活動，采取科技合作、技術(shù)轉(zhuǎn)移、技術(shù)并購、資源共同開發(fā)與利用、參與國際標準制定等多種方式，快速提升我國智能船舶技術(shù)的發(fā)展水平與創(chuàng)新能力。