內河水運基礎設施及船舶技術發展現狀與展望

于全虎

（江蘇省船舶設計研究所有限公司 鎮江 212003）

0 引 言

截至2022 年末，全國內河航道通航總里程達12.80 萬km，其中等級航道占比52.7%，主要內河通航水系為長江、珠江、黃河、黑龍江、京杭運河、閩江和淮河水系；運輸船舶總數為10.95 萬艘，凈載重量為15 249.73 萬t，載客量為57.27 萬客位，呈現水運總量上升及船舶大型化趨勢[1]。

2019 年，中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》，提出到2035 年基本建成交通強國，到本世紀中葉全面建成交通強國；并且提出交通基礎設施規模質量、技術裝備、科技創新能力、智能化與綠色化水平均應位居世界前列等發展目標。2020年，交通運輸部印發《內河航運發展綱要》，提出建設干支銜接、江海聯通的內河航道體系，推進專業、標準化運輸船舶發展，顯著提高新能源和清潔能源船舶占比等。

2021 年，中共中央、國務院印發《國家綜合立體交通網規劃綱要》，遠景展望至21 世紀中葉的國家綜合立體交通網和交通基礎設施體系建設目標，實現數字化、網絡化、智能化和綠色化等。同年，國務院頒布《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》，提出完善內河高等級航道的電子航道圖，繼續實施數字航道和智慧航道的建設及服務能力提升工程，增強船舶航行全過程船岸協同能力；還要推廣綠色智能船舶并推進自主航行等技術應用，強化自主航行和船岸協同等船舶智能技術研發，推動船舶智能航行的遠程操控和岸基協同等整體技術體系應用；推動內河船舶增加清潔能源利用量，推進內河船型標準化以及5G、物聯網、人工智能（artificial intelligence，AI）、云計算和大數據等技術與交通運輸深度融合，實現北斗系統對交通運輸重點領域全面覆蓋等。

2022 年，工業和信息化部等五部委聯合發布《關于加快內河船舶綠色智能發展的實施意見》，提出至2025 年突破液化天然氣、甲醇、氫燃料、電池等船舶綠色動力關鍵技術，顯著提升船舶裝備的智能化水準，基本形成內河船舶綠色智能標準和規范體系。2023 年，工業和信息化部等五部委聯合印發《船舶制造業綠色發展行動綱要（2024—2030 年）》，提出到2025 年初步構建、2030 年基本建成我國船舶制造業綠色發展體系，其中要求推動沿海內河船舶電氣化改造工程試點，研發和示范應用多種LNG、電池動力船型，以及研發和試點甲醇、氫等動力船型，形成綠色船舶標準化和譜系化供給能力。

上述政策性文件對我國內河水運和船舶技術提出了創新發展的總體要求，為新時代內河航運加快高質量發展指明了方向，同時給予了重要政策保障。本文通過梳理提煉國內外內河水運與船舶發展的現狀、相關政策演變，分析創新技術研究進展與典型案例，對內河水運基礎設施及船舶技術發展趨勢進行展望。

1 內河運輸船型標準化和譜系化

1.1 國外發展情況

歐洲內河航運的發達國家通過共同規劃建設連通多國的水運網，并積極落實相應優惠政策，將河流渠化、航道整治和船型標準化協調推進。目前歐盟內河運輸船舶的主尺度在許可小幅調整的前提下基本實行了標準化，并根據各區域運輸市場需求和通航條件，結合航道寬度、水深和跨河橋梁凈空高等因素適用不同的標準船型主尺度，與我國的標準船型主尺度制定原則類似。歷經百余年的發展和迭代更新，萊茵河水系船型的主尺度已較為標準。

歐洲各國在積極推進內河船型標準化的同時，也相當重視航道基礎設施建設，通過建設信息交管系統，實現航道動態監控、船舶定位信息聯通、加強危險品船舶管理等。美國在內河水系的綜合開發中，將發展航運放在重要位置，已形成了全美內河深水航道網，通過實施航道和船閘等基礎設施的標準化建設，極大地推動了船型標準化進程。密西西比河水系經過百余年的綜合開發，已成為世界上最先進發達的現代化內河航道網，其水域航行船舶也實現了標準化和系列化[2]。

1.2 國內發展情況

我國內河運輸船型標準化起步于20 世紀 70 年代中期，工作重點為船型的簡統優選，發布了內河船型的修（制）造標準。1981—2001 年，船型標準化處于發展階段，船型簡統優選與制定船型標準同步進行，優選出200 多種不同水域的優良代表船型并向全國推薦，還制定了《長江水系分節駁船型尺度系列》國家標準，先后發布了《長江中下游推船船型系列》、《長江水系機動駁船系列》、《長江下游水網貨駁船型系列》、《珠江水系自航駁頂推船隊尺度系列》和《江海直達貨船船型系列》等行業標準[3]。

2002—2013 年，船型標準化進入重點推進階段：2003 年，交通部公布包含16 型貨船、3 型集裝箱船、3 型分節駁和2 型推船的京杭運河標準船型系列；2004 年1 月1 日，京杭運河船型標準化示范工程在山東、江蘇、浙江、河南、安徽和上海開始實施；交通部于2004 年至“十二五”期間陸續發布并修訂出臺了《川江及三峽庫區運輸船舶標準船型主尺度系列》、《京杭運河運輸船舶標準船型主尺度系列》和《珠江干線貨運船舶船型主尺度系列》等主要水域的過閘運輸船型主尺度系列，覆蓋京杭運河、長江、珠江、閩江和黑龍江水系等主要內河通航水域，提出內河過閘運輸船型的規范化主尺度共163 種；2006 年，交通部編制了《全國內河船型標準化發展綱要》，指導船型標準化工作并推進建立長效機制；2013 年，交通運輸部、財政部與18 個省級政府聯合出臺《“十二五”期推進全國內河船型標準化工作實施方案》，船型標準化實施范圍由內河重點水域擴展至《全國內河航道與港口布局規劃》確定的“兩橫一縱兩網十八線”全國高等級航道網，船型標準化開始全面推進階段。2019 年，國家標準化管理委員會發布《內河過閘運輸船舶標準船型主尺度系列》（GB38030-2019），歸并簡化了之前的主尺度系列，并確定了124 種船型，將長江水系、京杭運河和淮河水系、西江航運干線、珠江水系“三線”以及黑龍江－松花江的內河過閘運輸船舶部分主尺度要求，上升為強制性國家標準。至此，我國內河船舶標準化的技術標準已基本完善，主要水域和運輸船舶類型也基本全覆蓋。

縱觀國外船型標準化歷史，我國船型標準化工作處于尚未成熟的全面快速發展階段。歷史上，我國內河航道長期處于碎片化開發以及通航設施等級不斷變化的環境中。然而隨著內河航道加快升級，為提高通航適應性需相應不斷調整船舶主尺度并界定優秀船型，船型譜系規劃總體遵循由繁入簡的原則[4]。伴隨未來內河航道大規模建設完成，通航船型主尺度與航道長遠規劃的匹配逐漸清晰，內河船型主尺度系列將繼續同步整合，在實用性船型優選的基礎上形成譜系化。

2 水運基礎設施與數字、信息和網絡技術深度融合

2.1 國內外航道數字化發展及智慧航道建設概況

內河航道是國家層級重要的公益性交通基礎設施，是我國綜合交通運輸體系的重要組成部分。數字航道是綜合應用地理信息系統、寬帶網絡、遙感遙測、通訊、虛擬仿真和多媒體等技術手段，實現航道業務流程、動態監測管理和輔助決策服務等的數字化、虛擬化、網絡化、智能化和可視化的技術體系，是智慧航道的發展基礎。2005 年，交通部在長江干線南京至瀏河口段航道開啟了長江數字航道與智能航運建設示范工程；2008 年，該工程完成電子航道圖、船舶動態監控、船舶導航、航標遙測遙控等系統，以及系統支撐平臺和相應配套設施構成的國內首條內河數字航道建設，實現長江航道圖數字化、船舶與航標監控實時化、船舶導航自動化和信息服務網絡化，航道管理和對外服務由傳統模式進入數字化和信息化時代[5]。

2019 年，長江數字航道實現全面聯通運行，建立了長江數字航道數據交換、智慧管養與信息服務一體化協同系統，如下頁圖1 所示[6]。智慧航道是在現代信息技術、AI 和航道業務的融合引領下，由數字航道體系演進生成的新一代航道信息化戰略體系，以數據為關鍵要素和核心驅動，深度融合大數據、北斗、5G 和AI 等新一代信息技術，實現航道網動態運行管理服務、船舶與航道高效協同的現代化航運基礎設施[7]。2022 年，江蘇省交通運輸廳發布國內首個智慧航道建設技術指南《江蘇省智慧航道建設技術指南》，定義智慧航道為綜合運用5G、大數據、北斗、AI、建筑信息模型（building information modeling，BIM）等新一代信息技術，提升航道及其沿線相關設施的設計、建設、養護、運行、服務全生命周期智慧化。

圖1 長江干線數字航道生產業務系統

2023 年，江蘇省交通運輸廳啟動京杭運河蘇北段智慧航道建設項目，通過建設船閘感知和立體傳輸網、船閘指揮中心、數據中心、水上服務區、錨地及交通卡口監控攝像機網、船舶自動識別系統和北斗基站、能見度儀、流速流向儀和氣象儀等感知裝備，并配套相應的通信、存儲和供電系統等，形成5G 感知網絡對航道全覆蓋，為航道運行調度和養護管理等提供實時動態信息。

近年來，我國在長江、西江和京杭運河等干線航道積極開展數字航道建設，繪制約14 000 km 電子航道圖，并在部分航段探索電子航道圖應用、航道養護主動巡檢、航標和水位自動化監測、過閘信息服務等，推動了航道運行監測、航道維護管理、航道應急調度、航道信息服務和船閘智能調度等業務發展。我國內河智慧航道目前總體處于數字化初級階段，網絡化和智能化應用尚需加強提升，與國家及相關部門推進航道高質量發展的要求相比尚有差距。據歐洲議會官網顯示，歐盟2021 年在更新的“連接歐洲設施”計劃中提出“內河航道數字化”項目，通過制定跨歐洲運輸網絡走廊的內陸水道數字化共同戰略，使內河水運具備長遠競爭力和可持續性[8]。

《國家綜合立體交通網規劃綱要》提出推進交通的智慧發展，加強內河高等級航道在線監測，推動船岸協同和自動化碼頭等發展，加快提升交通科技創新能力并推進基礎設施數字化和網聯化。“十四五”到本世紀中葉，融合新一代信息技術的我國內河智慧航道發展迎來重大機遇和黃金發展期，今后應在完善航道物理和規則空間的基礎上，聚焦賽博空間的理論和技術突破，基于航道感知和認知、AI、時空地理信息、大帶寬無線通信等先進技術，在物理、規則和賽博空間建立支撐船舶智能航行的能力[9]。

2.2 國內外港口智能化發展及智慧港口建設概況

港口自動化、智慧化發展是伴隨商船大型化、數字網絡技術發展、港區網絡基礎設施建設升級而逐漸發展起來的。智慧港口強調充分利用互聯網大數據、物聯網、云計算和智能感知的計算機網絡，結合應用自動化設備，實現港口供應鏈上下游各功能模塊的協同聯動以及各物流要素的無縫銜接，達到了運營自主、資源共享和顯著降低成本的效果，終極目標是實現綠色、高效、智能、安全和柔性化運作的港口新形態。國外智慧港口建設起步較早，對智慧港口的研究目前主要聚焦于發展愿景和發展理念等；國內智慧港口建設起步雖較晚，但后期加快了建設步伐，對智慧港口的研究多關注于大數據和物聯網等新興信息技術的應用，而較少規劃港口的未來發展，對智慧港口的評價指標體系等規范研究更是尚處于初級階段[10-11]。

2015 年，新加坡海事和港口管理局提出“下一代港口2030 年”戰略，以大士港智能港口建設為核心，通過融合新一代技術打造穩定高效和可持續發展的未來港口。國內青島、廈門、天津和上海等地的港口在自動化碼頭和智慧物流平臺建設等方面也積累了豐富經驗：廈門港在國內首個建成自動化集裝箱碼頭，并完成傳統集裝箱碼頭的全流程智能化改造；青島港建成全球首個5G 智慧碼頭，并且使用的自動化軌道吊采用氫動力為全球首創；上海港建成全球規模最大、智能化程度最高且擁有完全自主知識產權的洋山四期全自動化集裝箱碼頭；天津港建成全球首個“智慧零碳”智能化集裝箱碼頭。2021 年，交通運輸部印發《交通運輸領域新型基礎設施建設行動方案（2021—2025 年）》，提出推進碼頭作業裝備自動化、建設港口智慧物流服務平臺等智慧港口建設行動任務，推進一批沿海和內河既有集裝箱碼頭的智能升級和新一代自動化碼頭建設，探索內河傳統集裝箱碼頭自動化改造經驗。推動智慧港口業務從試驗到商用，建設綠色、安全、高效的多層次智慧化港口將是未來發展方向。我國大數據、物聯網、5G、北斗、AI 等高新技術的蓬勃發展，必將加速推進港口數字化和智慧化進程。

3 船舶智能化及配員少人化

3.1 智能船舶技術的核心要素

智能航運是傳統航運要素與現代通信、傳感、信息、AI 等高新技術深度融合形成的現代航運新業態，包括智能船舶、智能港口、智能航保、智能航運服務和智能航運監管等方面。智能船舶是智能航運的關鍵核心要素，集成了智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理等多項功能，其中智能航行是智能船舶依靠集成化智能技術解決航行過程中的船舶運動控制問題，而智能機艙等則是解決船舶內部運行的控制問題。船舶智能航行主要包括自主航行、遙控駕駛和輔助航行這3 種形態，其中自主航行和遙控駕駛還可細分為無人在船、有人在船等情形[12]。船舶智能技術融合了傳感器、5G、互聯網、物聯網、AI、北斗等多學科技術，通過自動感知并獲取船舶自身、水域環境、物流和港口等方面的數據信息，基于大數據、計算機和自動控制等技術，實現船舶航行、管理、維保、貨物運輸等的自主決策、運行和安全航行。

3.2 國外智能船舶發展概況

日本注重搶占智能船舶國際標準化領域的主動權，牽頭發布或在研多項國際標準。2018 年，日本政府發布《海洋基本計劃》三期，重點強調應加強對“i-Shipping”等智能船舶項目的支持；同年，日本國土交通省設立以岸基駕控中心建設和實現遠程操作為目標的船舶遠程駕駛示范項目，日本船級社則成立“海事業大數據中心”，實時收集并處理、分析船舶機艙數據，為設備的維護和優化提供合理化建議。

日本目前已完成對遠程控制導航的測試以及對自主船舶技術框架的原則性批準（approval in principle, AIP）認證，其無人船項目“MEGURI 2040”也于2022 年完成了對“Mikage”194 標準箱集裝箱船、“Suzaku”204 標準箱集裝箱船、“Sea Friend Zero”小型客船、“SOLEIL”大型客滾船和“Sunflower Shiretoko”大型車客渡船的自主航行試驗。

2019 年，韓國政府發布《智能自航船舶及航運港口應用服務開發》，提出依靠高新技術推動高附加值智能船舶研發。目前韓國主要造船企業的智能船舶技術平臺體系或計劃有三星重工的“智能船舶解決方案”、現代重工的“綜合智能船舶解決方案”、大宇造船的“智能船舶4.0 服務架構”，并已應用于多艘商船。

歐洲國家將技術要素視作智能船舶發展的核心競爭力，歐洲點對點短途海運市場規模廣闊，又因人力成本較高，因此更傾向于小型船舶的自主無人化技術體系研發，注重推進無人化和少人化操作實踐。相關智能船舶項目有歐盟的“自主船舶”項目、德國的“智能化及網絡支持的海上無人導航系統”項目、英國的“高級無人駕駛船舶應用開發計劃”、法國的“自主航運”等。荷蘭鹿特丹港與內陸間超過40%的運輸由內河船完成，荷蘭智能航運平臺（Netherlands forum smart shipping，SMASH）于2021 年發布了智能航運路線圖，提出無人船、內河貨船、內河渡船等5 種智能航運技術應用場景（見圖2），以及船舶內部系統、導航和制導、遠程和岸基控制等10 個研發領域（見圖3）[13]。SMASH 預計：到2030 年，荷蘭25%的內河貨船將達到“自主人工輔助”的自動化水平，并且擁有具備自主航行功能的內河渡船隊。2021 年11 月，歐洲船企制造的全球首艘零排放、全自動商用120 標準箱集裝箱船“Yara Birkeland”首航。該船長79.5 m、寬14.8 m、吃水6 m、最大航速13 kn，采用6.8 MW·h 的儲能電池推進。

圖2 荷蘭智能航運發展的5 個技術應用場景

3.3 國內智能船舶發展概況

中國是世界上最早推出智能船舶指南的國家。2015 年，中國船級社（CCS）發布的《智能船舶規范》 （2015），將智能船舶的功能劃分為智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨管和智能集成平臺。2017 年，我國學者提出了可完成船舶航行“感知、認知、決策與控制”全過程的“航行腦”系統（navigation brain system，NBS）概念設計[14]。2017 年11 月，中國船舶工業集團有限公司建造的全球首艘智能商船——智慧海豚型38 800 t 智能散貨船“大智”命名交付。該船安裝了全球首個可自主學習并包含智能航行、智能機艙和智能能效管理子系統的船舶智能運維系統，同時被授予CCS 智能船符號i-SHIP（NMEI）以及英國勞氏船級社智能船符號CYBER-SAFE、CYBERPERFORM 和CYBER-MAINTAIN。2019 年5 月，國內首艘無人駕駛自主航行系統實驗船“智騰”首航。該船長21.08 m、寬5.40 m、型深2.20 m、吃水0.7 m、排水量約25 t、設計航速14 kn，利用北斗衛星導航系統便能實現在全自由海域精準航行。其智能船舶系統由自主駕駛、動力控制、態勢感知、通導、船岸通訊系統和全船數據平臺構成，具備人工駕駛、遠程遙控、自動避碰、自主航行、自動靠離泊、自主循跡等功能。2019 年5 月，交通運輸部等七部門聯合發布《智能航運發展指導意見》，提出到2025 年突破一批制約智能航運發展的關鍵技術，使我國成為全球智能航運發展創新中心。

2019 年12 月，國內企業研發的自主航行無人貨船初代試驗示范平臺“筋斗云0 號”首航。該船長13.2 m，采用電力推進系統及數字化控制與自主航行系統，可完成船端的“感知-決策-控制”；同時利用“數字孿生技術”在岸基實時監督并控制船舶，實現遠程遙控、自主循跡、會遇避碰和遙控靠離泊。2021 年9 月，我國自主研發的300 標準箱商用自主航行集裝箱船“智飛”首航。該船采用直流混動電力推進系統，具備人工駕駛、無人自主航行、遠程遙控駕駛模式，通過衛星通信和5G 等多網多模通信與航運、港口、海事、航保等岸基生產、調度控制、服務、監管等機構和設施實現協同，實現智能船舶與港口無人化碼頭間的船岸協同作業。

2021 年11 月，交通運輸部印發《關于組織開展自動駕駛和智能航運先導應用試點的通知》，鼓勵內河航行的輔助駕駛、遠程駕駛以及特定條件下的自主駕駛等應用示范，支持船舶編隊智能航行試點示范。 2022 年，第18 個“中國航海日”發布的《中國智能航運技術與產業化發展預測》預測：至2025 年，我國智能航運總體將達到國際先進水平，輔助駕駛技術實現規模化應用，遙控駕駛和自主駕駛技術實現多樣本應用；至2035 年，總體將達到國際領先水平；至2050 年，有望全面達到國際領先水平。

3.4 海洋和內河智能船舶協同發展并實現少人化

智能船舶發展的第1 階段“互聯互通”和第2階段“系統整合”技術當前已相對成熟，后續的遠程控制和自主操作技術階段尚需加強研發。以歐洲“Yara Birkeland”和我國“智飛”集裝箱船為代表的先進智能船舶已開始運營，但尚未真正實現完全自主航行。智能船舶是未來船舶發展的必然趨勢，現有智能船舶的技術研發基本集中于海洋船舶應用領域，僅少數國家（如荷蘭）在其“智能航運路線圖”提出了內河船舶應用場景，我國“筋斗云0 號”試驗船的未來試驗場景也包含了內河水域。

我國內河智能船舶與助航技術僅處于較為初級的探索和發展階段。2018 年7 月，南京板橋長江汽渡船上開始應用智能安全輔助駕駛系統，通過船舶對航行環境和自身狀態的感知來提高碰撞風險預警能力，證明相對易于達成船岸協同的內河船舶實現智能化航行完全具備可行性。船舶智能化技術的廣泛應用可有效降低船員的工作負荷，減少配員數量。歐洲國家人口少且人力成本高企，日本面臨人口老齡化危機，減少船員需求是其推進船舶智能化的主要原因之一，我國內河航運實現高質量發展也需要通過船舶智能化來降低人力成本。

4 船舶能源綠色化、多元化及電力推進主流化

4.1 綠色低碳是世界航運發展的重要戰略目標

我國航運業實現綠色低碳發展是落實“碳達峰，碳中和”國家重大戰略，參與全球溫室氣體減排行動的重要舉措。2018 年，國際海事組織（international maritime organization, IMO）第72 屆海上環境保護委員會（marine environment protection committee, MEPC）通過了國際海運溫室氣體減排初步戰略，即：到2030 年，全球海運單位運輸活動CO2平均排放量比2008 年至少降低40%，并爭取到2050 年降低70%；到2050 年，溫室氣體年度總排放量比2008 年至少減少50%。

綠色航運的核心要素是綠色船舶，其主要技術路線有：通過船型技術革新，優化總體布置和主尺度、優化線型改善阻力推進性能、設置減阻附體裝置、船體結構設計和制造材料輕量化等來實現節能減排；使用清潔能源動力控制船舶大氣污染物排放；船舶主動力裝置的廢熱回收利用等。傳統內河航運燃料主要是柴油和重燃油，燃燒時產生大量CO2、SOX、NOX和油污等污染物和顆粒物，航運業的綠色能源主要有液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）、（liquefied petroleum gas, LPG）、甲醇、氨燃料等清潔能源和太陽能、風能、電能、氫能等新能源。

《關于加快內河船舶綠色智能發展的指導意見》明確以 LNG 動力、氣電混動、電池動力為內河船舶動力綠色升級的導向主線，同時推動甲醇動力應用于貨船，探索氫燃料電池動力在客船的應用也成為重要發展方向。各類船用替代能源主要理化特性見表1[16]。

表1 船用替代能源主要理化特性對比表

4.2 國內外船舶應用綠色新能源發展概況

2000 年，挪威首先將LNG 作為電力推進渡輪“Glutra”的動力燃料；2011 年，全球首艘LNG動力25 000 t 成品油船“Bit Viking”投入營運。2010 年，內河LNG 雙燃料動力船“武輪拖302”試航，開啟了我國LNG 動力船技術探索試驗的先河。2012 年，中國海事局發布《關于明確LNG 燃料動力船舶改造試點工作有關事宜的通知》，正式開始全國性的LNG 動力船“油改氣”改造試點工作。在總結前期LNG 船試點改造經驗的基礎上，CCS 于2013 年發布《天然氣燃料動力船規范》，目前我國內河LNG 動力船的設計、建造和應用處于世界先進水平。2023 年，以特制可移動LNG 燃料罐箱替代傳統固定式LNG 氣罐的200 標準箱內河LNG 動力集裝箱船“宏遠徐州”和“宏遠武漢”在徐州首航。這種LNG 燃料補充模式不同于以往的靠泊岸基站或躉船加注，而是換裝集成在標準集裝箱內的LNG 供氣裝置，可選擇20 ft（609.6 cm）和40 ft（1 219.2 cm）供氣裝置自由組合成船舶LNG 儲存系統，探索出LNG 動力船無需依賴加氣站（船）即可快速補充燃料的新路徑，突破了傳統LNG 加注站不足所制約LNG 動力船發展的瓶頸。

氫燃料動力應用的典型船舶有德國“Alsterwasser”內河游船、荷蘭“Nemo H2”內河客船、挪威“MF Hydra”海洋輪渡、美國“SeaChange”海洋客渡輪、法國“Energy Observer”海洋雙體豪華艇、中國“蠡湖”號內河游艇等[17]。隨著CCS《船舶應用燃料電池發電裝置指南》（2022）發布，國內氫能船舶的技術標準體系得到不斷完善。2023年，國內首艘入級CCS 的“三峽氫舟1”示范船正式下水。該船總長49.9 m、型寬10.4 m、型深3.2 m、吃水2.10 m、最高航速達28 km/h，20 km/h 航速時的續航里程可達200 km，航區為內河B 級和J2 級。該船以氫燃料電池和1 800 kW·h 鋰電池組成動力系統，氫燃料電池額定輸出功率為500 kW，船上儲氫能提供約4 000 kW·h 電能，由此也標志著我國氫燃料動力船已正式進入工程化應用階段。

2015 年，世界首艘甲醇燃料動力船“Stena Germanica”在瑞典哥德堡和德國基爾之間首航，這艘長240 m 的渡輪可裝載300 輛汽車和1 500 名乘客，主機可以使用甲醇或傳統船用燃油。2020 年，我國首艘甲醇雙燃料動力貨船“江龍”號完成試航，該船長40 m、寬8 m、型深2.7 m、自重172 t，發動機采用甲醇和空氣預混合的雙燃料模式運行。2021 年，韓國尾浦造船建造的甲醇雙燃料動力甲醇運輸船“Capilano Sun”交付，該船長186.07 m、寬32.3 m、載重量50 000 t，采用水與甲醇混合調節燃燒溫度技術，無需脫硫裝置即可滿足Tier III NOX排放規則。2022 年，CCS 發布《船舶應用甲醇/乙醇燃料指南》替代《船舶應用替代燃料指南》（2017）的甲醇/乙醇部分，進一步完善了甲醇/乙醇燃料的船舶應用技術標準。2022 年，廣船國際有限公司自主研發建造的49 900 t 甲醇雙燃料動力化學品/成品油船“Stena Pro Patria”交付。該船是國內承接、建造和交付的首艘甲醇雙燃料動力船舶，主動力具有燃油、甲醇、燃油水合物和甲醇水合物這4 種燃料模式，是船舶領域首次應用水合物燃料。2021 年，國內首艘以高溫甲醇燃料電池作為動力電源的游船“嘉鴻01”完成首航，200 kg甲醇可使該船在內湖以5.5 kn 航速行駛超過20 h。

船舶動力電能儲存設備主要是動力鋰電池和超級電容等，目前獲得應用的動力鋰電池主要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰和鈦酸鋰電池。鈦酸鋰電池作為功率型鋰電池其功率密度較低、價格昂貴，更適合于高倍率充放電的功率型或快充型應用場合；磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元鋰電池適于對單位容量有較高要求的能量型應用場合即動力電池。錳酸鋰電池的循環性能與高溫電化學穩定性較差，磷酸鐵鋰電池的本征安全性高于三元鋰電池，其能量密度、安全性、單位電量價格、循環性能、充電速度等指標較為均衡，尤其適合船舶動力儲能所需的大容量應用，加之船用設備的安全性要求普遍高于陸用設備，所以目前國內船用動力鋰電池主要選用磷酸鐵鋰電池。歐洲雖然磷酸鐵鋰和三元鋰電池都有應用，但偏重于三元鋰電池。

動力鋰電池在船舶上可單獨作為船舶推進動力源，或與其他能源裝置共同構成混合動力系統。如在光伏系統中，動力鋰電池作為光伏間歇發電的儲能器以提高負載輸出的穩定性，或作為發電機組的功率響應遲滯與突變負荷間的緩沖供能源，還可用于燃油主動力的輔助動力源等。動力鋰電池和超級電容構成混合儲能裝置，可實現能量型和功率型儲能的優勢互補，用作船舶電網短時過剩能源的回收儲能裝置，可提高節能率并改善電網電能質量[18-19]。2015 年建成的挪威汽車渡船“Ampere”采用了全電池動力推進；2017 年建成的500 噸級貨船“浙湖州貨1625”采用鋰電池和超級電容提供主動力源，并由光伏和風力提供輔助供電；2019年交付的“河豚”號是2 000 噸級“鋰電池+超級電容”動力自卸船。

近年來，鋰電池動力船獲得了快速發展。“君旅號”300 客位內河客船、“云港電拖一號”沿海港作拖輪等均完全使用磷酸鐵鋰電池供能，“國創”64 標準箱內河集裝箱船、“江遠百合”120 標準箱內河集裝箱船、“港航船途01”108 標準箱集裝箱船等均采用了集裝箱式移動電源（containerized mobile power supply，CMPS），“易航-藍天”120標準箱河海直達集裝箱船則采用“CMPS+柴電”系統。2022 年首航的“長江三峽1”1 300 客位游輪搭載了目前世界上容量最大的7 500 kW·h 動力鋰電池，并且采用“高壓充電、低壓補電”的方案。除了河海直達船因CCS 船舶技術要求限制，內河電力推進船舶逐漸由“柴電+儲能”模式向純電模式發展。CMPS 因其具備通用化的尺寸和接口與船舶電網可安全快捷地連接或脫離，以及可利用峰谷電價差、易于使用租賃用電模式等優勢，更利于市場推廣。

2023 年世界新船訂單中的539 艘采用了替代燃料，其中包括218 艘LNG 動力船、130 艘甲醇動力船、44艘LPG動力船和121艘電池混合動力船。LPG 動力船當前僅限于氣體運輸船、LPG 運輸船、乙烷運輸船這3 類海洋船型。由此可見，LNG 仍是中短期內船用燃油的主流替代燃料，而甲醇作為新興的船用燃料，也越來越受到重視。雖然使用甲醇燃料比使用重燃料油的新造船成本增加約10%，但使用 LNG 的新造船成本則會高出約22%。作為已廣泛使用的工業產品，甲醇的安全性比LNG 高，甲醇的價格在等效能源基礎上與船用柴油基本持平，甲醇的儲運已成體系，全球很多港口都具備甲醇的供應潛力，這是甲醇相較于LNG、液氫和液氨等燃料的優勢。然而，甲醇毒性較強、甲醇揮發蒸氣在空氣中燃燒的危險性大，且較小的能量密度帶來燃料艙容的增加，故限制了其在小型船舶和客船上應用。

甲醇動力船現階段均以煤炭、天然氣、焦爐氣等制作的化石甲醇作為燃料。由4.1 節中的表1 可見，甲醇比船用柴油的CO2排放僅降低約5%，普通甲醇顯然難以滿足未來碳減排目標，只有可再生能源生產的綠色甲醇得以廣泛應用，才能真正體現甲醇的碳減排優勢，但目前綠色甲醇的成本卻超過傳統船用燃料的2 倍。氫動力船舶目前主要以氫燃料電池形式應用于小型船舶動力或作為船舶輔助發電裝置，氫氣和柴油雙燃料發動機尚處于實驗應用階段。氨燃料發動機目前尚未進入商用階段，進而限制了氨動力船的商用化，使用液氨的船舶運行和改裝建造成本與 LNG 相當。

4.3 船舶應用綠色新能源及采用電力推進漸成主流

未來內河船舶清潔能源將呈現多元化發展：減排的漸進式要求、基礎設施完善度、成套技術的成熟度、減排貢獻度等原因導致中短期仍以傳統低硫燃油為主，LNG 與甲醇為輔，液氫等清潔能源逐步發展應用的格局；而從長期來看，甲醇較LNG可能更具潛在優勢。動力鋰電池船的設計、建造和后期營運與傳統燃油動力船的技術差距相對較小，又具備“零排放”優勢，伴隨動力鋰電池技術進步帶來的價格下降，純動力電池（尤其是CMPS 供電）船舶未來可能成為內河發展最快的新能源船舶。由于電力推進技術能更好滿足智能船舶所需的操控性和可靠性、易于實現自動控制及推進功率冗余等要求，使用LNG、甲醇和氫能等提供電能的電力推進船舶也是重要發展方向之一。作為可無限獲取的清潔能源，太陽能、風能與其他清潔能源等多種動力形式的集成，也是內河綠色船舶技術發展的重要探索方向[20-22]。

5 內河貨船編隊航行成為創新模式

5.1 船舶編隊航行理念

20 世紀90 年代，拖船拖帶駁船隊的運輸模式是長江中下游干散貨運輸的主流方式。編隊中，拖船與駁船之間采用短纜相連。但在風浪中，拖船與駁船之間相對運動大、纜繩受力變化大，導致編隊適航性差，因此逐漸被適航性更好的單體機動貨船取代。隨著智能航運的發展，研究滿足內河水運發展需求的創新航運模式非常必要。2006 年，挪威科技大學和挪威海事機器人協會聯合對智能船舶編隊進行研究并完成實船試驗。2017 年，荷蘭海事技術基金會組織協調的新興內河和海運概念項目提出“船舶編隊”水運新模式。該模式實質是一種特定的半自主水上運輸，亦屬于智能船舶技術領域，編隊由1 艘“領航船”以及1 艘或多艘“跟隨船”組成。船舶編隊運輸概念基于近海和內陸水運鏈整合理念，目的是降低勞動成本、提高行業競爭力以及進一步增強物流靈活性。該項目的試驗研究結論認為船舶編隊運輸在技術上可實現，在一定條件下能達到足夠的安全水平，同時航運市場也存在發展船舶編隊運營的可行商業模式。國內研究也認為在近海、內河運用智能船舶編隊運輸模式，通過遙控和船舶間合作可減少船舶配員，智能駕駛可降低勞動成本；隊內船舶在鄰近海濱或內陸目的港的地點接駁及離開編隊，可實現內河和近海航道一體化，提高內河、近海航道利用率，從而降低航運成本[24]。

5.2 船舶編隊航行技術發展概況

船舶實現編隊航行的邏輯與單艘智能船舶航行的邏輯類似，都是遵循感知-決策-控制-感知的閉環邏輯。編隊的控制結構主要有集中式控制、分散式控制和分布式控制等，編隊的常見控制方法如虛擬結構法、領導-跟隨法、人工勢場法、基于圖論法和基于行為法等。當前內河船舶編隊技術體系中的編隊控制、編隊環境感知、編隊狀態檢測技術等已存在一定的理論基礎，但編隊自主航行、編隊路徑規劃、編隊能效控制等技術與實際應用仍有較大距離，內河船舶編隊技術整體上仍處于理論驗證階段，必須伴隨智能船舶的技術發展，結合大量的試驗驗證和評估才可能實用化[25]。除了船舶編隊的控制結構和控制方法研究，基于計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）理論得到最優船體型線和船舶編隊隊形，可以降低編隊航行總阻力，達到節能減排、降低運營成本的目的[26]。內河船舶編隊航行技術在未來的成熟應用將進一步提升內河運輸效率和安全性，充分挖掘內河航運的優勢。

6 岸基控制中心成為關鍵設施并和能源供給設施網聯化

6.1 岸基控制中心成為智能航運時代的關鍵設施

傳統岸基支持系統是指船舶營運公司為船舶提供資源和技術支持的陸上基站，而數字化技術的快速發展增強了船岸協作能力。岸基船舶協同控制中心概念如圖4 所示，通過將實船機艙集控室（engine control room，ECR）轉移至岸基船舶控制中心（ship control centre，SCC），從而有效實現船舶遠程遙控。

圖4 岸基船舶協同控制中心概念

內河船平均預算遠低于海船，難以負擔昂貴的智能航行設備，所以建立完善的無線通訊網絡、岸基控制中心等陸地基礎設施，發展人機協同、船岸協同，打造高費效比的船岸協同智能系統，實現遠程駕控、自主航行的發展路線更為實用。通過岸基控制船舶航行，既降低了對技術人員和高素質船員的配員需求，又能提高航行安全性和運營效率。智能船舶發展高階階段的無人自主運輸船，需要協同控制系統具有遠程遙控、船舶控制器的更新等更多功能[27-29]。

2006 年，IMO 海上安全委員會（maritime safety committee，MSC）第81 次會議通過了“E-航海”（E-Navigation）項目，即應用電子手段在船與岸上進行海事信息的采集、集成、交換、展示和分析，以增強船舶泊位導航及相關服務，保障航行安全和安保，實施海上環境保護。“E-航海”戰略的核心是岸基技術支持系統，國外比較成功的“E-航海”示范項目有歐盟的MONALISA 工程、EfficienSea 工程、ACCSEAS 工程，以及新加坡聯合馬來西亞的馬六甲海峽MEH 等工程[30]。

2016 年，中國海事局發布了“IMO E-航海戰略與中國E-航海發展研究”重點科技項目，通過建設示范工程促進我國“E-航海”戰略的實施。近幾年，我國相繼建設了洋山港、天津港、長江口、珠江口等水域“E-航海”示范工程，在提升助航效能、增強船舶航行安全、加大海上環境保護、推動航海保障更高效和更先進發展等方面發揮了重要作用[31]。2019 年，英國政府發布《海事2050 戰略》研究報告，指出為智能船舶服務的岸基控制中心建設是其未來的政策重點。2021 年，韓國大宇造船啟用大宇造船智能船舶解決方案的岸基控制中心，通過采集并監控大宇建造的在各海域運營船舶產生的航行數據，確認船上主要設備的狀態并實時傳送至岸基控制中心，結合氣象、港口信息、燃料價格、運費指數和經濟指標等外部數據進行綜合分析，為船東提供定制化數據分析服務。

6.2 岸基數字信息設施與能源供給設施趨向網聯化融合發展

“十一五”期間，我國內河水運管理信息服務建設取得了初步成績，交通運輸部印發的《公路水路交通運輸信息化“十二五”發展規劃》等系列文件為內河船聯網的發展創造了良好的政策環境和技術基礎。例如：江蘇省建成內河水運船聯網，采用“一主（南京）二分（淮安、無錫）”的方式構建了江蘇省水運數據中心；中國移動通信集團“內河航運公共信息平臺”建立了集船載移動終端、手機終端和企業計算機終端一體化的虛擬專用信息網絡平臺；南京理工大學基于船聯網技術開展了水路危險貨物運輸應急系統設計研究等[32-33]。我國推進內河船舶岸基信息網絡設施建設已近20 年，在保障內河安全暢通、提高水路運輸效率和質量、提供優質高效信息服務等方面取得了長足進步。內河通航水域較海洋更容易通過船岸協同控制中心完成與船舶之間的數據交換，支撐船舶自主航行和遠程遙控，所以岸基控制中心的規劃發展在內河船舶智能化的進程中具有關鍵性意義，將成為未來內河水運基礎設施的核心部分。《國家綜合立體交通網規劃綱要》提出推進交通基礎設施網與能源網融合發展，通過強化交通與能源基礎設施共建共享來提高設施利用效率。相信隨著新能源未來在內河船舶領域的廣泛應用，LNG/氫/甲醇加注站、岸基充/換電站等基礎設施必將成為內河航道體系的重要組成模塊。岸基協同控制中心掌握大量區域船舶運行數據，并能與船舶通過網絡進行通信，便于建立供給與消費協同、多種能源協同、集中與分布式協同的新型生態化能源系統，通過信息網絡體系將航道、港口和船舶等水運要素和能源供給設施等能源要素網聯化，對提高船舶能源供給安全性、效率和最優化利用具有重要意義。

7 結 語

內河水運在公路、鐵路等主要運輸方式中具有運量大、能耗少、成本低、污染小和占地少等優勢，長期以來對社會經濟發展的貢獻很大。2022 年，我國的內河貨運量為44.02 億t，約占全國貨運量（506.63 億t）的8.7%；完成貨物周轉量19 025.73 億t·km，約占全國貨物周轉量（226 160.96 億t·km）的8.4%；而同期的德國和美國，貨物周轉量占比分別為28%和15%。我國內河航運與歐美發達國家相比，在提升綜合交通運輸體系中的比較優勢方面還有很大的發展空間。至2023 年底，我國造船國際市場份額已連續14 年居世界首位，但內河船舶的研發技術、制造工藝及規模等主要方面均不及遠洋船舶。

未來內河水運基礎設施將與數字、信息和網絡技術深度融合，岸基控制中心成為關鍵性設施并和能源供給設施網聯化。綜合運用互聯網和清潔能源技術構建多類、多式能源協同和分布供給系統，可提高船舶能源補給安全性和航運效率，并優化能源利用率。相較于海運廣闊的地理空間范圍，內河航運基礎設施的智能化發展更易于實現對內河船舶智能航行的技術支撐，岸基控制中心與船舶協同實現遠程駕控和自主航行等或將成為內河船舶重要的智能航行模式。

未來船舶趨向船型標準化、譜系化、智能化、配員少人化、能源綠色化及多元化、電力推進主流化發展。通過簡統優化優秀標準化船型并迎合智能化技術和裝備的應用，可提升航運基礎設施的利用效率，有效改善內河水運的運力結構，提高物流周轉效率；水運和船舶智能化發展將大幅降低船員人力成本同時提高航運安全性；船舶能源由石化能源逐步向綠色化多元能源體系轉化，不僅滿足了水運業對經濟、環保的長期發展要求，同時克服了單一能源體系的諸多局限性，保障了船舶能源可持續發展；智能化大趨勢下電力推進更易于實現船舶精準控制和動力系統冗余設置的要求，未來船舶動力系統采用綠色多能源混合動力技術將是大勢所趨。

基于智能駕駛、數字化互聯互通、自主遙控等技術的船舶編隊營運模式可減少船舶配員數量，還可實現近海和相鄰內河航道一體化綜合高效利用，降低航運成本，是未來智能化技術與水運及船舶技術融合發展的重要切入點。

通過探索推進人工智能、大數據、無線通訊、新材料、新能源等高新技術在內河水運及船舶技術研發領域的創新應用，在相關重點技術前沿超前規劃布局，從而推進構建新一代內河水運系統，充分發揮內河水運優勢，使內河水運成為提升綜合交通運輸體系核心競爭力的重要組成部分。