陳 弓

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

當(dāng)前，世界航運(yùn)市場總體上仍然處于衰退的趨勢，造船業(yè)已普遍認(rèn)識到調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、制造高端產(chǎn)品，是在殘酷的市場環(huán)境中生存的必然之舉。隨著政府倡導(dǎo)“互聯(lián)網(wǎng)+”計(jì)劃和“中國制造2025”目標(biāo)的提出，我國造船業(yè)走出行業(yè)低谷、升級轉(zhuǎn)型和搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)迎來了發(fā)展機(jī)遇。“互聯(lián)網(wǎng)+船舶”是指在造船業(yè)中大量應(yīng)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)?！爸袊圃?025”是指堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動，綠色轉(zhuǎn)型，通過應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)，在一些核心制造領(lǐng)域取得突破。與此同時，國際海事組織(IMO)也高度關(guān)注自主智能化船舶的發(fā)展，并且從法律法規(guī)方面予以支持，開始研究突破最少安全配員的限制。2017年6月，IMO第98次海安會討論了航運(yùn)科技大國提出的海上自主航行船舶，同意成立工作組研究相關(guān)的法律、安全、環(huán)保對策。會上，芬蘭、丹麥等國介紹了他們在智能船舶領(lǐng)域開展的工作。本文研究了大數(shù)據(jù)環(huán)境下的智能船舶設(shè)計(jì)，從航行、船體、機(jī)艙、能效管理、貨物管理方面探討了智能船舶的功能和研究應(yīng)用進(jìn)展，提出建立岸基數(shù)據(jù)中心，收集船舶全生命周期的數(shù)據(jù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)環(huán)境，從而為船舶營運(yùn)提供更全面的技術(shù)支持，擴(kuò)展為船東服務(wù)的周期。

1 智能船舶概念

傳統(tǒng)船舶是在母型船的基礎(chǔ)上，根據(jù)船東的需求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。船舶交付之后，由于沒有采集船舶運(yùn)營中關(guān)鍵數(shù)據(jù)，所以不能判斷船型的優(yōu)劣，也不能在后續(xù)新船設(shè)計(jì)時進(jìn)行全面優(yōu)化，僅通過售后服務(wù)中船東反饋的零碎問題采取措施進(jìn)行改善。

智能船舶是指將先進(jìn)的自動化、信息化、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)運(yùn)用于船舶的航行和管理，包括信息的獲取、處理及基于分析結(jié)果的建議和實(shí)施。目前應(yīng)用廣泛的信息化、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，有互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸、大計(jì)算容量、遠(yuǎn)程控制診斷等。這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用在保證船舶安全、高效、環(huán)保的運(yùn)營等方面發(fā)揮著重要作用[1]。智能化船舶是一種會“思考”的船舶，通過安裝傳感器感知自身和外界環(huán)境大量的信息(如機(jī)器數(shù)據(jù)、油耗、風(fēng)速、風(fēng)向等)。采集的數(shù)據(jù)作為輸入信息，并基于數(shù)學(xué)模型，利用高效的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行綜合評估分析，得到可靠的結(jié)果，給出最合適的決策建議，指導(dǎo)船員進(jìn)行操作和管理推進(jìn)導(dǎo)航等系統(tǒng)。此外，智能船舶還具有一定的“學(xué)習(xí)性”，即隨著收集數(shù)據(jù)的增加，不斷更新優(yōu)化數(shù)學(xué)模型以及模型內(nèi)的參數(shù)，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，給出更合理的建議，從而增強(qiáng)系統(tǒng)功能。

智能船舶能夠解決傳統(tǒng)船舶的弊端，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)后可以自動化監(jiān)測船舶航行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)(航速、航向、方位等)、機(jī)器設(shè)備的參數(shù)、燃油消耗等數(shù)據(jù)。實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)有助于及早發(fā)現(xiàn)異常情況，采取措施保證營運(yùn)安全。這些數(shù)據(jù)也可以提供給設(shè)計(jì)單位，作為后續(xù)船型改善的依據(jù)。以集裝箱船的型線優(yōu)化為例，通常將平浮時的設(shè)計(jì)吃水作為速度優(yōu)化的基礎(chǔ)，即設(shè)計(jì)吃水下阻力最小。但目前集裝箱調(diào)運(yùn)時受市場以及港口貨物信息與船隊(duì)信息溝通因素的影響，集裝箱船大部分時間不是在設(shè)計(jì)吃水下進(jìn)行航行的。如果這種情況長時間存在，設(shè)計(jì)單位通過采集吃水、縱傾數(shù)據(jù)，得到常用的吃水和縱傾，然后在此基礎(chǔ)上結(jié)合航線特點(diǎn)優(yōu)化船體型線和設(shè)計(jì)螺旋槳，為客戶提供個性化、更經(jīng)濟(jì)環(huán)保的船舶。

智能船舶不僅自身智能，還可通過網(wǎng)絡(luò)將船舶聯(lián)起來，以大數(shù)據(jù)為中心，實(shí)現(xiàn)船岸一體化、船船互聯(lián)、船貨互聯(lián)。利用物聯(lián)網(wǎng)的傳感、定位、標(biāo)識、跟蹤、導(dǎo)航等多種手段，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)的精細(xì)化管理，并向信息化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化、智能化趨勢發(fā)展[2]。如船舶通信技術(shù)船域網(wǎng)(SAN)，航運(yùn)公司利用該軟件不僅能夠?qū)χ鳈C(jī)等設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行綜合管理，還可以在岸上對船舶進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控和軟件升級等，減少了航運(yùn)管理的責(zé)任。

2 智能船舶功能

目前，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)已不同程度地應(yīng)用于船舶節(jié)能航行、船體管理、機(jī)艙設(shè)備監(jiān)控、能效管理、貨物管理等方面[3]，為船舶提供安全、環(huán)保和能效優(yōu)化建議。智能船舶正在朝船岸信息無縫對接方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)以自主航行、自動避碰、自動靠泊為特征的無人駕駛和港口自動化裝卸與物流。船舶配備航行狀態(tài)能效監(jiān)控、船體應(yīng)力監(jiān)測等智能化設(shè)備，需要安裝大量配套的傳感器，相關(guān)的設(shè)備系統(tǒng)也要進(jìn)行升級改造。系統(tǒng)、人機(jī)交互、軟件、網(wǎng)絡(luò)與通信、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全六個方面的風(fēng)險，給智能船舶的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

2.1 智能航行

在智能航行方面，駕駛室進(jìn)行合理的功能分區(qū)和配置，按照功能劃分為航行和操縱工作站、監(jiān)測工作站、操舵工作站、靠泊工作站、航路規(guī)劃工作站、安全工作站、通信工作站和指揮工作站。海上導(dǎo)航系統(tǒng)：具備航行狀態(tài)和風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)控、航線規(guī)劃、航路導(dǎo)航等多種功能。機(jī)艙監(jiān)測和遙控系統(tǒng)：船員根據(jù)系統(tǒng)顯示的信息判斷機(jī)艙設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)不同功能的工作站，將具備導(dǎo)航、操舵、避碰、航行控制、通信、監(jiān)測和報警等眾多功能的設(shè)備集成在一起，駕駛室僅需很少的船員就可完成各種監(jiān)控和操作，提高了船員操作和管理效率，保證了船舶和人員的安全[4]。

隨著大數(shù)據(jù)分析、通訊技術(shù)發(fā)展，在分析處理傳感器采集的大量外界和自身信息基礎(chǔ)上，對營運(yùn)航路的優(yōu)化選擇和航速自動優(yōu)化已成為可能。MARORKA、FURUNO和JRC等公司相繼開發(fā)了能源監(jiān)控設(shè)備，可以基于氣象、經(jīng)濟(jì)性和物流信息，制定和優(yōu)選航路。設(shè)備系統(tǒng)能夠根據(jù)船舶性能、特定的航行工況、吃水和到港計(jì)劃，接收岸基支持中心反饋的風(fēng)、浪、流、涌等信息，根據(jù)船舶能耗最低的原則，制定航路、航速。由于海洋環(huán)境惡劣多變，該系統(tǒng)還能在整個航次計(jì)劃中，根據(jù)氣象海況環(huán)境不斷優(yōu)化航路、航速。隨著科技的發(fā)展，在岸基支持中心的協(xié)助下，可以預(yù)計(jì)未來船舶在海上能夠自動避碰、自主航行，從開闊水域到狹窄水道，逐步提高復(fù)雜海洋環(huán)境下的自動避碰技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人駕駛[5]。

2.2 智能船體

智能船體包括兩方面，一是在設(shè)計(jì)、建造和營運(yùn)階段建立船體數(shù)據(jù)庫，在船體結(jié)構(gòu)安全和進(jìn)塢修理維護(hù)等方面提供更加合理的建議；二是航行中收集監(jiān)測船體相關(guān)的數(shù)據(jù)，提出船舶操縱中的輔助決策。

全生命周期管理的船體數(shù)據(jù)庫包括船體結(jié)構(gòu)模型、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型、船體性能計(jì)算模型。數(shù)據(jù)庫的建立是將船體設(shè)計(jì)、建造和營運(yùn)各階段的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)化的電子數(shù)據(jù)形式存儲和傳輸，并及時維護(hù)與更新。同時，采用數(shù)字傳輸技術(shù)，集成船體監(jiān)測和船體結(jié)構(gòu)檢查保養(yǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)時掌握船體結(jié)構(gòu)狀況，預(yù)測結(jié)構(gòu)腐蝕等損壞趨勢，預(yù)先制定維修計(jì)劃，從而降低結(jié)構(gòu)維護(hù)成本，延長結(jié)構(gòu)使用壽命。

船體數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測是通過船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。它能夠?qū)Υw結(jié)構(gòu)應(yīng)力、運(yùn)動狀態(tài)、裝載以及海況、航向、航速等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、分析、顯示，當(dāng)這些數(shù)據(jù)的變化超過預(yù)設(shè)臨界值時，發(fā)出警告，并提供指導(dǎo)船舶航行操作，如改變航向、航速及浮態(tài)的決策。Strainstall 海洋科技公司開發(fā)了StrassAlert 船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)(HSMS)，可以實(shí)時監(jiān)測船體結(jié)構(gòu)的完整性及預(yù)測船體狀況和趨勢，從而降低產(chǎn)生高應(yīng)力的概率，提高船舶安全性，同時節(jié)約燃料和方便航行管理。特別是在航行狀態(tài)下或者貨物裝卸作業(yè)中對船舶應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并提醒船長改變航線和航速，以便降低船體應(yīng)力。當(dāng)船體局部出現(xiàn)微裂紋時，能及早發(fā)現(xiàn)和采取措施。

2.3 智能機(jī)艙

智能機(jī)艙是在機(jī)艙自動化基礎(chǔ)上，應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)獲取信息和數(shù)據(jù)，分析機(jī)艙內(nèi)主機(jī)、輔機(jī)等船用設(shè)備和軸系結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況，提出設(shè)備操作方面的決策和維護(hù)建議。目前機(jī)艙內(nèi)主要動力設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測的功能，比如機(jī)艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)，具有實(shí)時在線監(jiān)測機(jī)艙各主要動力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并生成報警信息的功能。在集控室內(nèi)的監(jiān)視屏可以集中顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)以及故障報警狀態(tài)，以便船員全面了解所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。

業(yè)界進(jìn)一步的研發(fā)方向?yàn)榇弥鳈C(jī)等設(shè)備的故障診斷與性能優(yōu)化。在故障的診斷與分析方面，考慮以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，多角度多因素進(jìn)行綜合分析。目前應(yīng)用范圍較廣的故障診斷技術(shù)有性能參數(shù)分析法，它首先利用傳感器、儀器獲取設(shè)備的性能參數(shù)，比如轉(zhuǎn)速、溫度、氣壓、油壓、力矩等；然后對采集到的信息進(jìn)行比較、分析，依此判斷船用設(shè)備的工作情況及其故障趨勢。相比傳統(tǒng)故障分析方法，運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠篩選出測試對象的相關(guān)信息進(jìn)行分析，提醒船員發(fā)生故障或性能劣化的部位，產(chǎn)生故障的原因以及故障部位的發(fā)展趨勢等。以往航運(yùn)公司根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定一套周期固定的設(shè)備維修保養(yǎng)計(jì)劃。狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得設(shè)備維修保養(yǎng)計(jì)劃更為合理。視情維護(hù)系統(tǒng)根據(jù)故障診斷與健康評估結(jié)果，制定機(jī)艙設(shè)備及部件的詳細(xì)維護(hù)計(jì)劃。

2.4 智能能效管理

智能能效管理是通過在船上安裝能效監(jiān)控與管理設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。能效監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。能效監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架包括數(shù)據(jù)采集單元和處理系統(tǒng)。能效監(jiān)控與管理設(shè)備能夠?qū)崟r采集航行狀態(tài)、設(shè)備的耗能狀況等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上評估船舶的能效狀況、航行及裝載狀態(tài)。更深層次地，采用大數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化分析技術(shù)，為船舶提供數(shù)據(jù)評估的結(jié)果以及操縱方面的建議。例如航行中給出最優(yōu)航速的建議，使船舶能耗最低；裝載計(jì)算機(jī)能夠給出最佳的裝載方案，保證船舶的縱傾最優(yōu)，船舶阻力和油耗較低。冰島的Marorka能效監(jiān)控與管理系統(tǒng)能夠監(jiān)控機(jī)器和船舶的性能參數(shù)，定期查看船舶的能效狀況，優(yōu)化船舶的縱傾，減少船舶阻力和能耗。同時可以依據(jù)船舶航行數(shù)據(jù)，結(jié)合航次計(jì)劃、航線特點(diǎn)、船舶效率、燃料消耗評估及航行成本核算分析等結(jié)果，形成航速優(yōu)化方案。航速優(yōu)化、縱傾優(yōu)化的精確度取決于數(shù)學(xué)模型中使用的速度功率曲線。隨著運(yùn)營時間延長，船體和螺旋槳表面的污底增加并降低推進(jìn)效率，速度功率曲線也會隨之改變。能源監(jiān)控系統(tǒng)采集船速、功率等數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，模擬得到更新后的速度功率曲線，保證航速優(yōu)化和縱傾優(yōu)化預(yù)報的精度。NAPA公司也開發(fā)了航線優(yōu)化和縱傾優(yōu)化模塊，根據(jù)更新的風(fēng)、波浪、海流情況，規(guī)劃最優(yōu)的航線，基于油耗最低給出不同路段之間的最優(yōu)航速，指導(dǎo)船員調(diào)整航行計(jì)劃。此外，NAPA縱傾優(yōu)化模塊與裝載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成，可以基于縱傾優(yōu)化的結(jié)果，給出實(shí)現(xiàn)最優(yōu)縱傾的裝載方案，船員根據(jù)裝載方案進(jìn)行貨物和壓載水的裝載。

2.5 智能貨物管理

智能貨物管理是通過在貨艙或者貨物保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)安裝傳感器等設(shè)備，采集貨物、貨艙和貨物保護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)用自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)分析處理采集的參數(shù)，達(dá)到對貨艙、貨物等實(shí)時監(jiān)測，如某些參數(shù)超過臨界值給出報警提醒、操作建議。同時，根據(jù)采集的船體浮態(tài)、強(qiáng)度數(shù)據(jù)對貨物的裝載配置進(jìn)行優(yōu)化。如設(shè)計(jì)裝載冷藏箱的集裝箱船時配備特殊的冷藏箱監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)控冷藏貨物的狀態(tài)。其原理是在冷藏箱內(nèi)布置傳感器，收集冷藏箱的參數(shù)，把數(shù)據(jù)通過冷藏箱集中控制器上傳到船用電腦，并由船用電腦發(fā)送到集裝箱信息中心的碼頭管理系統(tǒng)。船員和碼頭管理人員能夠直觀了解冷藏箱的堆存狀況和冷藏箱的運(yùn)行狀態(tài)。液化天燃?xì)?LNG)運(yùn)輸船安裝有壓力監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測貨艙的溫度和壓力，以減少液化天然氣氣化。油船在泵房、壓載艙及空艙等處所安裝氣體探測系統(tǒng)，用于檢測碳?xì)?、硫化氫等可燃性氣體是否超標(biāo)。對于車輛、鋼卷、大型設(shè)備以及集裝箱等貨物移動的監(jiān)測，可以通過無線傳感器來計(jì)算貨物具體行為并判斷貨物的移動。貨物配載優(yōu)化和自動裝卸是較為復(fù)雜的問題，不僅需要考慮浮態(tài)、穩(wěn)性和強(qiáng)度，還要考慮裝卸貨順序速度、裝卸時間、貨物特性等，因此實(shí)現(xiàn)起來仍有一定難度。

圖1 能效監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

3 智能船舶研發(fā)

南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司在智能船舶領(lǐng)域開展了探索工作。在經(jīng)過市場調(diào)研、船東意見征詢后，自主開發(fā)了智能船舶能效管理系統(tǒng)，并于2017年9月安裝在13 000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船上。該系統(tǒng)具備縱傾優(yōu)化、燃油管理、報告管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、性能分析、污底分析等功能。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò)，將船舶運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨抖藬?shù)據(jù)中心，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。系統(tǒng)裝船后，將為大型集裝箱船的節(jié)約燃油和操作維護(hù)提供支持，推動船舶更高效、更安全、更可靠的運(yùn)營管理。系統(tǒng)經(jīng)過半年的運(yùn)行，取得了預(yù)期的效果。

將來根據(jù)客戶要求，逐步拓展更多領(lǐng)域的智能管理，擴(kuò)充智能符號的內(nèi)涵。同時智能船舶能效系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)將為船型優(yōu)化、新船設(shè)備選型及系統(tǒng)優(yōu)化升級提供有力的支持，從而提升產(chǎn)品的性能和競爭力。

4 船舶全生命周期服務(wù)

過去在船舶交付之后，船東、船廠之間的聯(lián)系相對較少，未來船廠與船東需要加強(qiáng)聯(lián)系緊密合作，不僅需要制造“會思考”的智能船舶，還要構(gòu)建自己的岸基數(shù)據(jù)中心。通過岸基數(shù)據(jù)中心，收集從船舶設(shè)計(jì)、總裝建造、船東運(yùn)營到船舶保障這一船舶全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，并提供維護(hù)、保養(yǎng)、升級、改造等信息和技術(shù)方面的支持，使為船東的服務(wù)擴(kuò)展至船舶的全生命周期。船舶安裝的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時地將航行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等關(guān)聯(lián)信息傳輸至岸基中心，另一方面岸基中心接收氣象監(jiān)測中心傳輸?shù)暮Ｑ蟓h(huán)境信息，融合航運(yùn)市場、運(yùn)營信息，構(gòu)建船廠、船東共同需要的大數(shù)據(jù)環(huán)境。建立大數(shù)據(jù)分析的流程體系，為單船航行進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，分析處理并提供決策建議。然后將數(shù)據(jù)分析流程應(yīng)用于船隊(duì)航行，最終形成集群空間，探索普適性規(guī)律，預(yù)測個體的活動。大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的船舶“工業(yè)4.0”，它以智能船舶為核心，對于設(shè)計(jì)單位、船廠和船東都是一場巨大的變革，三方的聯(lián)系更為緊密，合作的模式也將發(fā)生變化。近年來，基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，智慧航運(yùn)將改變傳統(tǒng)航運(yùn)企業(yè)的決策方式和運(yùn)營模式。智能船舶不僅決定著未來船舶行業(yè)的發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)智慧航運(yùn)的重要基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文探討了智能船舶的技術(shù)在節(jié)能航行、船體全生命周期管理、機(jī)艙設(shè)備監(jiān)控評估、全船能效管理、貨物管理等方面的應(yīng)用，未來的目標(biāo)是自主航行并逐步實(shí)現(xiàn)無人駕駛。為了順應(yīng)船舶智能化的發(fā)展趨勢，船廠不僅需要制造智能船舶，還要建立岸基數(shù)據(jù)中心以及智能信息服務(wù)體系，最終為客戶決策提供技術(shù)支持，同時為船東的服務(wù)擴(kuò)展至船舶的全生命周期。

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