船舶智能化研究現狀及發展趨勢

劉佳銘，李 赫

（1. 海軍裝備部駐上海地區軍事代表室，上海 201913；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引言

經濟全球化趨勢不斷深化下，世界各國之間的貿易往來愈加密切，作為貿易往來的主要途徑，水路運輸憑借運輸量大、成本低的優勢，受到了廣泛的認可。當前水路運輸占原油運輸總量95%，鐵礦石運輸總量99%以上，成為一種不可或缺的運輸方式。但是，隨著船只數量不斷增長，水路運輸人力成本增加和安全性下降等問題的出現，業內開始注重先進技術的應用，推動船舶智能化發展。MUNIN項目是以無人散貨輪為研究獨享，可以實現船舶自主航行，并且根據系統中所規劃的氣象導航、航行路徑和航行參數自動化更新存儲，聯合船載自動識別系統、雷達和紅外傳感器對自然環境進行實時監測。如果在航行過程中遇到其他船只或是障礙物，可以根據國際海上避碰規則自動規避操作。船舶的各項參數均會實時傳輸到陸地控制中心，在距離陸地較近時，可以通過3G、4G網絡連接通信。這一項目的展開，大大促進了船舶智能化研究和發展。當前，國際上已經發布了相關智能船舶規范，明確規定了智能船舶在航行和管理方面的要求，加強對其研究，有助于對相關研究歸納和總結，為后續相關工作提供一定的參考。

1 智能船舶的發展背景

在全球貿易往來愈加密切的今天，水上運輸量不斷增加，船舶逐漸朝著智能化方向發展。智能船舶的發展，可以有效改善傳統船舶行駛中的環境污染、行駛安全和人力成本增長更加等問題，具體表現在以下幾個方面。

1.1 節能減排

船舶在運輸的同時，也會對環境帶來不同程度上的污染，主要表現在溫室氣體的排放。為了有效解決這一問題，國際海事組織頒布了相應的傳播能效設計指數，減少船舶尾氣排放成為首要目標。通過節能減排技術的應用，在降低能源損耗的同時，還可以降低運營成本。具體措施包括：設計阻力較小的船型、采用節能的發動機和清潔能源、使用能效控制技術[1]。

1.2 船舶安全性

船舶航行中，可能因客觀因素而出現碰撞事故，其中絕大多數的碰撞事故是由人為導致。一旦出現碰撞事故，將會帶來嚴重的人員傷亡和經濟損失，甚至出現危險品泄露，污染水上運輸環境。對于此類問題，通過信息感知技術、狀態監測與故障診斷技術和安全預警技術等前沿技術應用，可以有效提升船舶的安全性。

1.3 人力成本

面對水上運輸事業的快速發展，運營成本逐漸上漲，主要原因是由于船員工資和維修成本增加。如何降低船舶運營成本，大力推行智能船舶發展是必然選擇，可以實現船舶無人化運營，輔助架勢技術、機艙值班無人化以及故障自診斷技術，可以有效降低人力成本，為船舶運營帶來可觀的經濟效益[2]。

智能船舶是水上運輸業發展的必然選擇，也可以將其看作是一場技術革命。智能設備如何代替人類去控制和管理機器受到社會廣泛的關注。在商業領域，物聯網應用較為廣泛，依托于數字化技術和傳感器可以反饋客戶習慣，針對性地提供服務，以此來提升人們的生活質量[3]。因此，在這樣的背景下，智能船舶已經不再是單一的技術，而是科技快速發展的客觀表現，其中集合了大量先進技術和材料，對于智能船舶發展具有重要促進作用。

2 智能船舶概念

就智能船舶本質來看，其利用物聯網、通信、傳感器和互聯網等多種技術，實現自動化感知獲取港口、船舶以及物流等相關信息，借助大數據技術進行分析，為后續的船舶航行、管理和保養提供支持，促使更加環保、安全，滿足船舶的智能化運行和管理[4]。隨著技術的快速發展，國際海事組織對于智能船舶發展提出了新的要求，實現船舶和岸上信息收集、顯示，促使船舶之間、船舶與岸上信息交流，在維護船舶運行安全的同時，保護生態環境。智能船舶的發展，經過了以下階段：1）智能船舶主要局限在船舶設備狀態遠程監測和數據分析；2）智能船舶應用物聯網、云計算和大數據分析技術，與岸上數據中心連接，為船舶提供環保、安全建議，促使船舶半自動化航行；3）智能船舶可以分析船舶數據和港口物流信息，實現船舶、岸上密切連接，實現船舶動態化控制；4）智能船舶完全自主化無人駕駛[5]。

3 船舶智能化研究現狀

3.1 船舶智能航行

船舶智能航行集合了大量先進技術，包括信息技術、計算機技術、通信技術和傳感器等先進技術，經過長期發展和完善，促使傳播自動化設備、導航設備和環境感知設備優化升級[6]。當前，智能船舶逐漸形成信息物理系統，依托于大數據技術和物聯網技術實現船舶、岸上信息交互，形成前沿的綜合船橋系統。新一代的綜合船橋系統優勢較為突出，可以實現船舶自動導航和自動化控制，在航行過程中如果遇到其他船只、障礙物，可以智能感知躲避。如果在船舶航行過程中，如果出現故障，可以自行診斷和解決。同時，綜合船橋系統可以實時監測船舶的運行狀態和周圍情況，不需要人員操控，降低船舶的運營成本同時，為船舶運行安全提供堅實保障。綜合船橋系統與人工智能聯合應用，促使船舶無人駕駛技術不斷成熟化，未來必將朝著更高層次發展。而船舶無人駕駛技術較為復雜，需要涉及到大量的數據計算，無論是理論還是技術都處于發展階段，有待進一步改進和完善。

3.2 船舶智能管理和控制

智能船舶發展中，智能管理和控制十分關鍵，為后續的船舶管理和航行帶來了有利支持[7]。當前，我國的傳播交通服務覆蓋范圍較廣，依托于船載自動識別系統及語音和雷達等交互手段，實時監控船舶運行狀態，滿足船舶智能化管理和控制。在智能船舶管理和服務中，引進了大量現代化技術和手段，諸如長江電子航道圖，動態顯示出船舶航線、虛擬航標、水深、水位預測和安全預警等服務，為船舶運行安全提供堅實保障。歐洲內河信息服務，則可以顯示當地的法律法規、電子江圖以及船舶登記信息等內容，并反饋船舶的航行軌跡、具體位置和貨物信息。智能船舶發展中，依托于電子簽證管理系統實現不停船簽證，滿足船舶智能化管理與服務[8]。

3.3 智能化發展障礙

智能船舶發展中過程中，經歷了多個階段，其中不可避免的面臨一系列困難和阻礙，具體表現在以下2點[9]：

1）受到各方限制，海事衛星通信寬帶限制較大，通信成本高，想要在全球任何位置實現定位和交互的物聯網技術，還有待進一步升級和完善，設計合理的船舶通信系統。

2）提高數據計算能力，通過大數據分析和計算滿足無人駕駛需要，這是單一計算機技術無法實現的，需要不斷推動軟、硬件更新升級，在分布式計算和處理算法基礎上，提升數據信息的計算速度。

4 智能船舶的核心技術

智能船舶的功能較為豐富，其中集合了眾多先進技術，可以實現智能化航行、智能機艙、智能船體、智能貨物管理、智能能效管理和智能集成平臺，促使智能船舶功能逐漸多樣化。智能船舶先進技術包括以下幾種。

4.1 信息感知技術

智能船舶中的信息感知技術，主要是通過傳感設備、傳感網絡和信息處理設備，智能化感知獲取船舶自身狀態和周邊環境信息，輔助船舶無人操控需要，為船舶安全提供堅實保障[10]。船舶感知自身狀態，包括駕駛臺、船艙、貨倉中各設備運行狀態信息，了解船舶的航行速度、位置和方向，通過傳感器來獲取溫度、轉速、壓力和液位等信息；周圍環境信息則包括其他船只、障礙物、氣象條件、水深、水流速度和方向等等，通過AIS、視頻攝像機、還是雷達、激光雷達傳感器、激光傳感器、風向傳感器、風速傳感器、計程儀、能見度采集設備、航行數據記錄儀和電子海圖等，實現船岸信息交互獲取，獲取數據量較大、信號種類繁多，信息之間存在矛盾沖突，還有待進一步改進和完善。

4.2 通信導航技術

此種技術在智能船舶航行中具有重要指向作用，將設備和船舶連接在一起，實現船岸信息交互。一般情況下，常用通信方式包括海事專網、VHF、海事衛星與移動通信網絡技術等。通過通信導航技術，可以指定船舶航行，選擇目的地、船舶定位和路徑計算。就當前智能船舶中應用的導航技術來看，主要是以無線電導航和衛星導航技術為主，為新時期的智能船舶導航提供支持[11]。

4.3能效控制技術

船舶運輸業發展的同時，加劇二氧化碳等溫室氣體排放，對于生態環境帶來了嚴重的污染和破壞。為了可以降低船舶溫室氣體排放、提高船舶能效，國際海事組織頒布了新造船設計能效指數和船舶營運能效指數等指標。智能船舶在長期發展和完善中，除了提升船舶智能化水平的同時，還要注重綠色環保理念的滲透，分析智能船舶裝載量、通航環境和主機功率等因素，保證船舶安全、環保航行的同時，進一步優化控制船舶的裝載量、航速和吃水等內容，盡可能降低船舶營運能效指數。

4.4 航線規劃技術

航線規劃技術主要是為船舶航行規劃航線，結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難易等相關信息，智能化選擇航線，確定航道位置，滿足船舶航行安全、節能環保需要[12]。當前的航線規劃方法較為多樣，包括遺傳算法、粒子群優化算法、混合整數規劃模型和模擬退火等智能化算法，選擇最佳的航線。

4.5 狀態監測與故障診斷技術

狀態監測與故障診斷技術的實際應用，依托于先進技術手段，實時監測設備的運行狀況，判斷設備是否穩定運行，可以及時反饋設備故障問題。在未來智能船舶發展中，通過大數據技術進行故障診斷，以及多尺度分析法來建立設備狀態監測系統。依托于故障診斷技術，可在不拆卸船舶設備的前提下了解設備設計運行狀況，對設備信息綜合分析和處理，判斷監測對象是否處于正常運行狀態，分析設備故障原因，了解設備的未來發展趨勢。通過狀態監測與故障診斷技術，有助于規避設備故障問題出現，提升設備運行效率，為智能船舶運行安全提供保障。智能船舶通過狀態監測與故障診斷技術，了解船舶設備的運行狀態，在智能診斷技術、大數據分析技術支持下深層次剖析其中的故障隱患，確保船舶安全穩定航行。

4.6 遇險預警救助技術

一旦發現水上交通事故，可能會帶來嚴重的經濟損失和人員傷亡。船舶碰撞是當前較為常見的水上交通事故，在水上事故中占比較高。船舶碰撞事故發生后，通過遇險預警救助技術可以降低事故發生幾率，為人員生命財產安全提供保障。

4.7 自主航行技術

在智能船舶航行中，通過計算機技術、信息技術和控制技術支持，可以實現船舶設備相關信息的集成處理，實現船舶航線優化設計。依托于岸基支持中心，可以幫助船舶在復雜環境下自動躲避，滿足船舶的自主航行。在船舶自主航行相關研究中，“天象一”號以及“水面無人智能測量平臺工程樣機”最為典型。

5 智能船舶發展趨勢

智能船舶發展中技術不斷改進和完善，無論是理論還是技術都處于完善階段，而狀態監測與故障診斷技術、通信導航技術、通信技術和環境感知技術得到了廣發能應用，但是部分技術由于缺少理論支持，所以實際應用還存在一定不足，有待進一步驗證和完善。未來智能船舶發展中，在信息技術、傳感技術和大數據技術的廣泛應用。影響智能船舶發展的因素較為多樣，包括通信導航、信息感知和能效管控等技術，可以實現船舶自動化靠泊、離岸，滿足船舶的自動化清洗、維修和防護，推動智能船舶發展。只有這樣，才能保證船舶安全航行，節能環保。

智能船舶是船舶未來發展的必然趨勢，發展前景良好，但是由于理論和技術水平還處于發展階段，同預期目標相差甚遠。因此，未來智能船舶的發展應從以下3方面著手改進：

1）智能船舶的船員數量減少。為了有效提升船舶安全性，需要持續加強相關理論和技術研究。

2）合理利用大數據技術。在海量信息中挖掘有價值的數據信息。

3）關于智能船舶海洋航行研究眾多，但是內河環境下的相關研究較少，還有待進一步改進和完善。如何充分發揮智能船舶的價值，還需要拓寬應用范圍，尤其是在軍事領域應用。

智能船舶航行和管理優勢突出，可以降低人為管理的偏差，減少故障幾率。但是由于系統自身漏洞，可能存在無法有效控制船舶的現象，埋下一系列安全隱患，帶來嚴重的安全事故。未來在故障診斷技術和可靠性理論完善發展中，可以有效提升IBS系統運行可靠性。與此同時，未來智能船舶發展中還要加強數據的合理開發和應用，借助大數據深度分析海量數據中有價值的信息，為后續的管理和服務提供可靠依據。

6 結論

綜上所述，當前智能船舶發展中，無論是理論還是技術均不夠成熟，還有待進一步改進，正確看待智能船舶的未來發現。依托于物聯網、大數據技術、信息技術構建船舶智能化系統，可以實現智能船舶的自動控制和管理，為智能船舶運行安全提供堅實保障。