智能船舶研究和發(fā)展綜述

1、智能船舶研究和發(fā)展綜述0引言人工智能可以提高決策能力、重塑商業(yè)形象、增加商業(yè)回報(bào)。當(dāng)前，船舶智能化研究和發(fā)展引起多方關(guān)注。隨著科技進(jìn)步和實(shí)際需要，為了滿足對船舶運(yùn)輸越來越高的安全性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能環(huán)保和管理效率的需要，船舶已經(jīng)逐步變成集多種自動(dòng)化系統(tǒng)為一體的多功能綜合系統(tǒng)。隨著大數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，在IMO等國際組織和國家的倡導(dǎo)和助推下，航運(yùn)業(yè)智能化研發(fā)方興未艾。2017年12月5日，世界第一艘通過船級社認(rèn)證的智能船舶38800噸散貨船“大智”號成功交付，在智能船舶發(fā)展史上影響深遠(yuǎn)。船舶智能方面的研發(fā)工作涉及船舶建造、船舶運(yùn)營、海事搜救行業(yè)和與航海相關(guān)專業(yè)諸多領(lǐng)域。本文主要針

2、對把船舶作為一個(gè)整體來闡述其智能化研發(fā)情況。1智能船舶概念和發(fā)展路線1.1 智能船舶概念類別對于智能船舶表述英文有多種形式：例如“IntelligentShip”、RoboticShip"、ConnectedShip'、SmartShip”等等，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一說法。全球?qū)τ跓o人自主船舶技術(shù)的研究和概念設(shè)計(jì)還在進(jìn)行口。2006年，IMO率先給出智能船舶的定義(e-Navigation):使用電子信息手段，在船、岸收集、融合和顯示港航信息，實(shí)現(xiàn)船、岸相互之間信息溝通，達(dá)到航行安全、經(jīng)濟(jì)和防污染的目標(biāo)。2014年，丹麥船級社在未來航運(yùn)業(yè)給出智能船舶的定義：智能船舶是指實(shí)時(shí)信息傳

3、輸、計(jì)算、建模、控制和傳感器應(yīng)用能力的集合。2016年3月生效的智能船舶規(guī)范對智能船舶的定義：利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、通信等技術(shù)手段，自動(dòng)感知船舶、環(huán)境、貨物和港口等方面的信息，并基于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護(hù)、貨運(yùn)等方面實(shí)現(xiàn)智能化的船舶，確保航行更安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和可靠。2016年7月，勞氏船級社在智能船舶入級指導(dǎo)文件對船舶自動(dòng)化程度進(jìn)行分級，從AL1-AL6，分為6個(gè)等級。涉及從船舶設(shè)計(jì)到營運(yùn)諸多環(huán)節(jié)，該文件對各個(gè)等級的特征做了清晰準(zhǔn)確的定義，并闡釋了可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。雖然不同國家和機(jī)構(gòu)對智能船舶的定義存在一定差異，但智能船舶定義具備以下特征：通過船舶相關(guān)信息融合、

4、提高船舶自主決策能力、從而使得船舶運(yùn)營更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠。1.2 智能船舶發(fā)展路線對于智能船舶研究和發(fā)展，各主要國際機(jī)構(gòu)和各國側(cè)重點(diǎn)不同：IMO重視技術(shù)，CCS重視自主研發(fā)，勞氏船級社重視分析人與船舶關(guān)系。對智能船舶發(fā)展經(jīng)歷階段也有不同主張。從航行安全和智能船舶研發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累的角度，羅爾斯-羅伊斯公司認(rèn)為智能船舶實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)歷減少船員岸基控制船舶、近海無人岸基船舶、遠(yuǎn)洋無人岸基控制船舶、自主航行船舶4個(gè)階段。從智能船舶智能實(shí)現(xiàn)的物理范圍、數(shù)據(jù)融合范圍、智能程度考慮，有的學(xué)者認(rèn)為智能船舶實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)歷船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析；利用大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，提供航行建議，進(jìn)行半自動(dòng)化航行；船岸信息互通，實(shí)時(shí)進(jìn)

5、行航行和港口作業(yè)優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)船舶自主航行、靠泊和裝卸4個(gè)階段。由此，該學(xué)者認(rèn)為，目前智能船舶發(fā)展正在由第一階段向第二階段過渡。還有的學(xué)者認(rèn)為從船舶人為控制的程度來講有自助船舶、海員遠(yuǎn)程控制船舶、無人遙控船舶以及無人船舶5個(gè)發(fā)展階段。上述不同學(xué)者提出的智能船舶發(fā)展路線從不同角度提出智能船舶發(fā)展的設(shè)想。但是不管是哪一種觀點(diǎn)，在船舶智能化不斷提升，人員介入不斷減少方面的看法是一致的。2世界各國智能船舶的發(fā)展現(xiàn)狀2.1 歐洲船舶發(fā)展現(xiàn)狀歐洲的智能船舶開展研究時(shí)間最早，進(jìn)行了大量的前瞻性智能船舶研究，研發(fā)水平比較高，研究參與方眾多、研究方式靈活。20世紀(jì)80年代，DNV就進(jìn)行了船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測的研究。1996

6、年，挪威國防研究局和美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室合作開展“復(fù)合船體嵌入傳感器系統(tǒng)（CHESS）”項(xiàng)目研究,并在一艘名為“盾牌”號艦艇上進(jìn)行了測試口。DNV在船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測，艦船性能和船體集成管理諸多方面進(jìn)行了持續(xù)研究，開發(fā)了相關(guān)的工具，建立數(shù)字化船體模型，通過研究探索為全球航運(yùn)公司提供船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)控、高質(zhì)量和綜合視覺信息、船舶全生命周期信息、并實(shí)現(xiàn)三維清晰通信等技術(shù)服務(wù)的路徑。2000年1月至2003年6月，歐盟實(shí)施了ATOMOSIV項(xiàng)目。旨在將最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用到歐洲的艦船上，引進(jìn)以人為本的系統(tǒng)，方便地獲取船艦信息，提高船艦運(yùn)行安全性、可靠性和速度。2006年歐洲開發(fā)了內(nèi)河航運(yùn)綜合信息系統(tǒng)(

7、RIS),將通信、電子控制和計(jì)算機(jī)處理等技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)河航運(yùn)，提供海事監(jiān)管、應(yīng)急救援等8大服務(wù)功能，保障高效、安全、環(huán)保的內(nèi)河航運(yùn)環(huán)境。該系統(tǒng)引起了航運(yùn)界對于船舶智能化的興趣。2012年9月，歐盟項(xiàng)目MUNIN啟動(dòng)，該項(xiàng)目由來自德國FraunhoferCML等8家研究機(jī)構(gòu)共同實(shí)施，開展以大型散貨輪為對象的無人船研究，最終是通過電腦仿真模擬模擬無人船創(chuàng)意，檢驗(yàn)其可行性。2012年，DNV提出“航透020”理念，2015年對“航逮020”進(jìn)行了修訂，增加了“船舶混合推進(jìn)”、“多方信息融合”等技術(shù)發(fā)展趨勢的介紹口。2014年，DNV發(fā)布了名為“航運(yùn)業(yè)展望”的報(bào)告，文中對“智能船舶"TheCo

8、nnectedShip做了定義口。該文認(rèn)為未來航運(yùn)業(yè)安全和可持續(xù)發(fā)展的6大路徑：運(yùn)營安全，設(shè)計(jì)先進(jìn)，船舶智能，新材料應(yīng)用，運(yùn)營高效以及低碳環(huán)保。2013年，羅爾斯羅伊斯公司實(shí)施無人駕駛貨船(roboticcargoship)研究，2014年，該公司在挪威建立了虛擬現(xiàn)實(shí)無人駕駛貨船原型，可在虛擬的船橋系統(tǒng)上全視角無遮攔的觀察和操縱船舶到目的地，該公司計(jì)劃未來在相似岸基控制中心實(shí)現(xiàn)對幾百艘無人駕駛的船舶操控口。該公司計(jì)劃2020前設(shè)計(jì)和建造一個(gè)遠(yuǎn)程運(yùn)營測試中心。該公司還與相關(guān)國家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行智能船舶研發(fā)。例如，“未來操作體驗(yàn)概念"FutureOperatorExperience

9、Concept簡稱OX”）系統(tǒng)研發(fā)。這個(gè)系統(tǒng)為船員提供智能工作站，能夠放大顯示船周圍海況，使人觀察到肉眼容易忽略的諸如海冰、拖船或其他小艇等潛在危險(xiǎn)。實(shí)施無人導(dǎo)航船舶（SVAN）項(xiàng)目研究落實(shí)早期由芬蘭國家商務(wù)促進(jìn)局資助的“高級無人駕駛船舶應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃”（AAWA）研究項(xiàng)目的成果。2016年6月，該公司發(fā)布了“未來遙控?zé)o人船舶”白皮書口，預(yù)測未來無人船舶發(fā)展和應(yīng)用情況。2015年9月，勞氏船級社、南安普頓大學(xué)和奎奈蒂克集團(tuán)一起發(fā)布了全球海洋技術(shù)趨勢2030報(bào)告口，對未來應(yīng)用到商用船舶、軍用艦船和海洋空間的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。報(bào)告認(rèn)為未來對商用船舶會產(chǎn)生影響的8個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是：先進(jìn)材料、大數(shù)據(jù)分析、

10、傳感器、通信、機(jī)器人、造船、推進(jìn)和動(dòng)力、智能船舶。2015年8月，法國CMACGM集團(tuán)最新的18000標(biāo)準(zhǔn)箱的“布干維爾”號Bougainville）船舶應(yīng)用了TRAXENS”技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)集裝箱之間以及船舶的通信，任何時(shí)候，TRAXENS系統(tǒng)都能夠?qū)崟r(shí)收集數(shù)據(jù)，并傳送到CMACGM集團(tuán)總部。2.2 日本船舶發(fā)展現(xiàn)狀日本開始智能化船舶的研究在全球范圍內(nèi)都比較早。1986年，日本東京商船大學(xué)等大學(xué)實(shí)施了“高智能化船舶”研究項(xiàng)目。研究內(nèi)容包括：船舶操縱系統(tǒng)、新型生活保障和救生設(shè)施、自動(dòng)近岸航行系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)、節(jié)能技術(shù)。研究工作在“汐路丸”號船舶上進(jìn)行，這艘船舶裝備有以船內(nèi)局域計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為

11、基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)船舶智能化靠離碼頭。日本智能船舶的研究重點(diǎn)是智能導(dǎo)航等船舶智能系統(tǒng)的研發(fā)。2002年，日本由日本船舶機(jī)械與設(shè)備協(xié)會（JSMEA）發(fā)起包括27家單位在內(nèi)“智能船舶應(yīng)用平臺"SSAP）項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在使船岸獲取和運(yùn)用船舶導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和其他船載設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以提高船舶的安全性和環(huán)保性。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在2艘輪渡Sunflowershiroko”號和原油運(yùn)輸船“shinkyokutomaru”號船舶上完成了實(shí)船測試。測試船舶安裝的智能化設(shè)備與陸地進(jìn)行通信，指導(dǎo)船舶進(jìn)行航線規(guī)劃、船舶性能監(jiān)測、主機(jī)維護(hù)、船舶設(shè)備使用優(yōu)化等，能夠賦予船舶“會思考”的

12、能力。止匕外，日本船級社與舊M合作，共同成立海事大數(shù)據(jù)中心，開發(fā)軟件收集船舶機(jī)艙的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，提供船舶設(shè)備優(yōu)化、維修的建議；日本船級社與NAPA合作開發(fā)航線優(yōu)化支持系統(tǒng)，為船東提供航線優(yōu)化支持，在船舶上得到廣泛應(yīng)用。在智能船舶的研發(fā)過程中，日本重視智能船舶標(biāo)準(zhǔn)制定。2015年8月，日本在ISO的船舶與海洋技術(shù)委員會上發(fā)起的2項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)船載海上工況數(shù)據(jù)服務(wù)器和船載機(jī)械和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)立項(xiàng)獲得批準(zhǔn)，這2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是SSAP項(xiàng)目的研究成果。2.3 韓國船舶發(fā)展現(xiàn)狀在智能船舶研發(fā)方面，韓國制定了“智能船舶”（Smartship）X.0規(guī)劃。韓國智能船舶研發(fā)主要由現(xiàn)代重工、大宇、三星重工3家公司主導(dǎo)

13、，現(xiàn)代重工取得的成果相對比較大。該廠智能船舶開發(fā)方式是將智能系統(tǒng)應(yīng)用于運(yùn)營船舶的模式?，F(xiàn)代重工智能船舶研發(fā)注重與埃森哲、英特爾、微軟和SK航運(yùn)等公司合作，例如，2015年，它與埃森哲合作共同設(shè)計(jì)“智能船舶”Connectedships。2016年，現(xiàn)代重工推出OceanLink智能船舶系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用通信技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)電子系統(tǒng)整合了現(xiàn)代重工開發(fā)的數(shù)據(jù)平臺與埃森哲的信息服務(wù)平臺為航運(yùn)系統(tǒng)，為船東提供船舶管理、物流信息、航行信息、應(yīng)急救援等8大信息服務(wù)。2.4 美國船舶發(fā)展現(xiàn)狀1995年，美國海上系統(tǒng)司令部組建了研究小組著手實(shí)施海軍“智能艦艇”發(fā)展計(jì)劃。該項(xiàng)目通過海運(yùn)信息系統(tǒng)（MT

14、S）為“智能艦艇”提供保障，促使海軍船艦高度自動(dòng)化和減少艦員配備，相應(yīng)減少艦艇上的居住空間、食品和淡水的裝載量，實(shí)現(xiàn)海軍艦艇小型化，降低海軍艦艇成本和燃料消耗，達(dá)到降低被攻擊的目標(biāo)。美國海軍已將一艘“宙斯盾”級巡洋艦作為試驗(yàn)艇用來實(shí)施海軍的“智能艦艇”計(jì)劃2.5 中國船舶發(fā)展現(xiàn)狀在世界已經(jīng)進(jìn)入了“工業(yè)4.0”背景下。2015年，CCS發(fā)布了智能船舶規(guī)范，該規(guī)范認(rèn)為智能船舶（商用）由6個(gè)功能模塊：智能船體、智能航行、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺。這個(gè)規(guī)范是全球首部智能船舶規(guī)范。2016年6月，中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的智能船舶-3.88萬噸散貨船i-Dolphin船型“大奮

15、”號，該船已經(jīng)在017年12月交付使用?！按髪^”號在設(shè)計(jì)階段就實(shí)施智能布局，對船舶感知體系、分析體系和決策體系進(jìn)行智能構(gòu)建，打造成一個(gè)強(qiáng)大、高效的智能船舶操縱平臺。國內(nèi)其他研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)開展智能船舶研發(fā)的情況如下。武漢理工大學(xué)Zhao等開發(fā)了互聯(lián)船舶的艦隊(duì)技術(shù)管理系統(tǒng)。同濟(jì)大學(xué)Liu等口研究船舶未來集成動(dòng)力系統(tǒng)的建設(shè)。上海海事大學(xué)湯天浩探索船舶智能信息管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和組成方法。海軍工程大學(xué)劉勇等對智能船舶隔振系統(tǒng)新型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。山東交通學(xué)院李光正等探索整合智能船舶設(shè)計(jì)路徑，構(gòu)建信息化、智能化、理解和決策控制成為一體化的“智能船舶空間”方式方法。中國艦船研究院陳啟楠設(shè)計(jì)出新的海軍艦艇穩(wěn)性

16、實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。Liu等研究基于互聯(lián)網(wǎng)框架構(gòu)建了“船聯(lián)網(wǎng)”InternetofShips）的路徑。從全球智能船舶研發(fā)經(jīng)歷來看，智能船舶是科技發(fā)展的產(chǎn)物，也是目前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，通過信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)整合船舶、港口、貨物信息，可以提高船舶運(yùn)輸?shù)陌踩?、?jīng)濟(jì)性、并達(dá)到防污染的目的。隨著智能船舶技術(shù)的成熟，人們對船舶安全規(guī)律的認(rèn)識的加強(qiáng)，相關(guān)國際規(guī)則的修改修訂完善，智能船舶研究和發(fā)展會面臨一個(gè)非常好的未來。3智能船舶配套技術(shù)和研發(fā)趨勢3.1 智能船舶配套技術(shù)智能船舶配套技術(shù)包括綜合船橋系統(tǒng)、自主航行和避碰、遇險(xiǎn)預(yù)警救助、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷5個(gè)方面。綜合船橋技術(shù)最為重要，它是船舶導(dǎo)航與控制的系統(tǒng)集成，

17、通過船舶系統(tǒng)設(shè)備及子系統(tǒng)間的相互聯(lián)通，能夠集中顯示和使用船舶不同來源的信息，提高船舶航行自動(dòng)化程度、經(jīng)濟(jì)性、船舶操作和管理效率，保障船舶和船員安全。3.2 智能船舶研發(fā)趨勢船舶智能化是未來船舶發(fā)展的重要方向，有的學(xué)者認(rèn)為未來智能船舶的研究和發(fā)展趨勢和重點(diǎn)有6個(gè)方面：智能船體、機(jī)艙、航行、能效管理、貨物管理、以及集成平臺。也有的學(xué)者認(rèn)為輔助狀態(tài)監(jiān)測、能效控制、排放數(shù)據(jù)監(jiān)測、輔助決策支持、視情維護(hù)保養(yǎng)、遠(yuǎn)程控制、自主操作7個(gè)方面是職能船舶的研究和發(fā)展重點(diǎn)。不管怎么樣，上述提法的內(nèi)容對于船舶的自主避碰和航行、安全和船舶結(jié)構(gòu)維護(hù)、機(jī)械設(shè)備監(jiān)控和維護(hù)、船舶航行狀態(tài)、能耗監(jiān)控和調(diào)整，提高船舶能效管理、貨物

18、管理以及形成船上數(shù)據(jù)與應(yīng)用的統(tǒng)一平臺起到非常大的作用。4智能船舶存在問題和解決方案4.1 面臨的問題智能船舶的智能化表現(xiàn)在于信息采集和數(shù)據(jù)分析的智能或者自主處理?，F(xiàn)階段，船舶仍然需要按規(guī)定配備船員，在船舶自動(dòng)航行靠泊和自動(dòng)維修方面還有很長的路要走。智能船舶是船舶行業(yè)大勢，智能船舶何時(shí)能實(shí)現(xiàn)，一直就存在諸多不同看法，今后智能船舶的研發(fā)面臨以下幾個(gè)問題。4.1.1 法規(guī)責(zé)任承擔(dān)問題有關(guān)SOLAS、STCW、MLC等公約涉及船舶運(yùn)營當(dāng)中的船舶安全、合同和侵權(quán)責(zé)任在船舶無人駕駛時(shí)由誰來負(fù)責(zé)?4.1.2 基礎(chǔ)設(shè)備的可靠性現(xiàn)在智能船舶研究主要在船舶感應(yīng)和操縱方面，以達(dá)到減少船員的目的。但是，目前船上船員的作用在于船舶管理，而不是船舶操作。船上火災(zāi)、船艙污水、發(fā)電機(jī)跳電等報(bào)警本身的事故機(jī)理目前還有不清楚的地方，船員在船上的職責(zé)定位也眾說紛紜，而且目前船舶