高炳 嚴(yán)健雄 王磊 張少明

摘 要：當(dāng)前，智能船舶已成為船舶工業(yè)、航運(yùn)業(yè)搶占創(chuàng)新優(yōu)勢的重大突破。本文對智能船舶與智能機(jī)艙的涵義界定進(jìn)行了比較研究，分析了大數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)、船機(jī)信息感知技術(shù)、無人船技術(shù)、智能機(jī)艙技術(shù)等主要智能船舶機(jī)電應(yīng)用技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用情況，并提出相應(yīng)的設(shè)計方案、發(fā)展策略。

關(guān)鍵詞： 智能船舶；智能機(jī)艙；無人船

0 引 言

近年來，智能船舶研發(fā)與應(yīng)用不斷創(chuàng)新[1-4]。2015年12月，中國船級社（CCS）發(fā)布了全球首部《智能船舶規(guī)范》，該規(guī)范是基于中國船級社科技研究成果，并分析了國內(nèi)外有關(guān)智能船舶的相關(guān)情況，包含應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、發(fā)展動向和未來趨勢研判等[5]?！吨悄艽耙?guī)范》主要內(nèi)容包含了為什么需要智能船舶、什么是智能船舶、怎么在智能船舶中應(yīng)用新技術(shù)、有哪些硬件和軟件配置要求等等。

2017年12月，智能船舶“大智”號交付，她是全球首艘CCS認(rèn)證的智能船舶。該船由中船工業(yè)集團(tuán)上海船舶研究設(shè)計院、滬東造船、黃埔造船、中船動力等單位聯(lián)合研發(fā)打造?！按笾恰碧栔饕悄芄δ転榇盃顟B(tài)評估、能效監(jiān)控、機(jī)艙關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測與分析、航行評估與決策優(yōu)化等。部分智能功能還有待進(jìn)一步完善與開拓。

2018年4月，工業(yè)和信息化部在上海組織召開智能船舶專題交流推進(jìn)會，主要智能船技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)——中船集團(tuán)、珠海云洲智能科技公司、上海船舶設(shè)計院、武漢理工大學(xué)、中國船級社、上海交通大學(xué)、金海智能船研院、中國船海設(shè)計研究院等相關(guān)專家參與專題研討，目的在于擬制定中國智能船舶發(fā)展行動計劃，推動我國新時代智能船舶又穩(wěn)又快發(fā)展。

當(dāng)前，我國智能船舶技術(shù)研發(fā)大致與國際先進(jìn)水平齊頭并進(jìn)，在智能船舶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研制、船型研發(fā)、智能機(jī)電設(shè)備集成研發(fā)等方面已有研究成效，但要實(shí)現(xiàn)智能技術(shù)在船舶上成熟實(shí)際應(yīng)用與市場化還有不少高峰需要攀登。

2 智能船舶涵義界定

智能船舶已成為世界各國的研究熱點(diǎn)，已有不少相關(guān)船舶研發(fā)機(jī)構(gòu)、船級社和政府主管部門對智能船舶進(jìn)行了大量的研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定和規(guī)劃[5-7]。但是，我國當(dāng)前還沒有完整意義的智能船舶，各方對智能船舶的涵義界定也有不同表述。世界上已有幾個代表性的研究成果涉及闡述到智能船舶的涵義界定，對照分析如表1所示。

CCS《智能船舶國際規(guī)范》對智能涵義進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型界定，其把航行智能、機(jī)艙智能、船體智能、貨物管理智能、能效管理智能和集成平臺智能等6個要素建模為：

模型中，x是可選功能補(bǔ)充參數(shù)象征符號，N為航行智能、M機(jī)艙智能、H船體智能、C貨物管理智能、E能效管理智能，I集成平臺智能。船舶可選其中一項智能功能，也可同時選幾項智能功能，相應(yīng)數(shù)模可配置一個或者幾個相關(guān)功能參數(shù)。

3 智能船舶主要機(jī)電應(yīng)用技術(shù)分析

3.1 智能船舶技術(shù)研發(fā)路徑

對于智能船舶技術(shù)的研發(fā)路徑，全球范圍內(nèi)都在熱切關(guān)注，各有策略。大家都認(rèn)為，智能船舶技術(shù)研發(fā)不可能一步登天，需要理性循序漸進(jìn)，需要分階段突破。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)包含遠(yuǎn)洋交通運(yùn)輸在內(nèi)的完全無人駕駛，智能化自主航行船舶。選取國家海事組織（IMO）、中國船級社、勞氏船級社和羅羅公司的智能船舶技術(shù)研發(fā)規(guī)劃路徑圖對比研究，如表2所示。

3.2 大數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)

通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的范圍越來越廣。毋庸置疑，大數(shù)據(jù)技術(shù)是智能船舶的必選項。當(dāng)前，大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能船舶上的推廣應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵點(diǎn)是：根據(jù)現(xiàn)有行業(yè)資源和特點(diǎn)，尋求合適船舶領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)挖掘與分析處理思路與方法。而大數(shù)據(jù)技術(shù)分析方法大致有兩種，一種是以物（計算機(jī)或者機(jī)器）為基點(diǎn)來討論，突出的是物的人工智能與計算，涉及到的主要研究方向包括數(shù)據(jù)挖掘算法、智能搜索、高速高精度處理計算方法等；另一種是以人為基點(diǎn)來討論，突出的是與人認(rèn)知規(guī)律匹配、人機(jī)可友好交互的分析方法，目的在于讓物（計算機(jī)或者機(jī)器）能像人一樣“認(rèn)知”或“思考”。

大數(shù)據(jù)在船舶上的應(yīng)用就是利用大數(shù)據(jù)為船所用，提供有益有用的輔助決策信息，并挖掘潛在價值。大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在船上有各種優(yōu)勢，例如：（1）借助大數(shù)據(jù)，可研判船機(jī)狀況以提升船機(jī)的維護(hù)操控水準(zhǔn)；精準(zhǔn)核算備件數(shù)量，優(yōu)化機(jī)電設(shè)備等資源配置；（2）以船機(jī)油料物料消耗真實(shí)大數(shù)據(jù)、船舶航速等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)置最優(yōu)經(jīng)濟(jì)航速等輔助優(yōu)化船舶管理決策；（3）通過AIS數(shù)據(jù)實(shí)時掌握船舶動態(tài)，提升水路交通營運(yùn)管理控制效率。

國內(nèi)已有部分單位在研究甚至應(yīng)用船舶大數(shù)據(jù)技術(shù)，大連海大贏海科技有限公司已研發(fā)出船舶管理大數(shù)據(jù)平臺，其包含有船機(jī)維護(hù)與修理、船員證件操辦、質(zhì)量體系維管、物資與備配件管理和安全管理等，利用大數(shù)據(jù)平臺提升了船機(jī)營運(yùn)的效率、安全可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

3.3 船機(jī)信息感知技術(shù)

船機(jī)信息感知技術(shù)主要是應(yīng)用傳感器、信息處理器和通訊網(wǎng)絡(luò)，獲取各種有用的船機(jī)和環(huán)境信息，來輔助決策船舶營運(yùn)，以求船機(jī)更安全、航行操作更便利可靠的一種方法。感知的信息主要包含船機(jī)本體和相關(guān)環(huán)境。

船機(jī)本體信息來源有：（1）船舶航行狀態(tài)信息，比如船位、航速、航線方向等；（2）船舶機(jī)電設(shè)備狀態(tài)信息，比如船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速、各處壓力、水位、油位等。目前，此類信息傳感器技術(shù)較為成熟可靠，有各種物理信號的傳感器產(chǎn)品在市場上可選。

而相關(guān)環(huán)境信息相對來說比較復(fù)雜，涉及船舶周圍的各種物理存在、天氣條件、海水靜止與流動特性、監(jiān)視信息等等，其所用的信息感知硬件也較為高精尖，包含航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）、AIS、激光雷達(dá)、電子海圖、攝像頭（機(jī)）等。此類需感知的環(huán)境信號繁多，來源不一，存信息冗余和不一致甚至沖突的情況，是研發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2018年，全球最大航運(yùn)公司馬士基航運(yùn)與Sea Machines Robotics公司合作，在新建造的集裝箱船上試驗(yàn)了人工智能AI情景感知技術(shù)。其首次綜合利用了計算機(jī)技術(shù)、光傳感與檢測、激光雷達(dá)（測距）和配套感知軟件的人工智能方案，系統(tǒng)采用先進(jìn)傳感器不間斷采集船機(jī)周圍信息，感知和分析處理威脅（潛在事故），并在駕駛臺人機(jī)交互界面上顯示，以此提升船舶海上營運(yùn)中的目標(biāo)識別、情景感知能力。

3.4 無人船技術(shù)

新時代熱點(diǎn)——機(jī)器人、無人車、無人機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，促進(jìn)了無人控制技術(shù)、方法和理論體系飛速發(fā)展[8-10]。無人駕駛技術(shù)在船舶上的應(yīng)用當(dāng)然也不甘落后，業(yè)界多方都在密切關(guān)注和研發(fā)[11-15]。

無人船技術(shù)是“船舶智能”的又一次飛躍，是智能船舶的最終目標(biāo)形式之一。所謂無人船技術(shù)，通常狹義理解為無人駕駛技術(shù)，即通過遠(yuǎn)程控制和智能技術(shù)達(dá)到對無人船的駕控。

現(xiàn)有的船舶綜合駕駛臺系統(tǒng)（IBS）雖有航線規(guī)劃與記錄、自動避碰等功用，但其遠(yuǎn)不是無人船技術(shù)應(yīng)包含的內(nèi)容。無人駕駛船主要涉及到船機(jī)信息感知、遠(yuǎn)程識別、航線路徑規(guī)劃（避碰）與記錄跟蹤、航跡控制技術(shù)等。圖1為船舶智能避碰的邏輯機(jī)理。

在傳統(tǒng)有人駕駛的船舶上，其航跡操控主要應(yīng)用航跡自動舵技術(shù)。先后衍變進(jìn)化的舵技術(shù)為機(jī)械、PID、自適應(yīng)與智能自動。對于穩(wěn)定簡單的系統(tǒng)，仍較多使用PID控制。但是大部分真實(shí)航行的船舶，其存時變性、時滯性和非線性問題，此時單用PID就會出現(xiàn)誤判，效益較差。為改善此缺陷，科研工作者研發(fā)應(yīng)用了一些先進(jìn)的算法，其中以MPC（模型預(yù)測最優(yōu)化控制）法和LOS（視線距離狀態(tài)反饋導(dǎo)航）法最具有代表性。

當(dāng)前，我國已有無人船技術(shù)研發(fā)，例如：珠海云洲智能公司研發(fā)了“領(lǐng)航者”無人船，青島北海船舶重工研發(fā)了“無人智能測量平臺”，上海海事大學(xué)研發(fā)了“海騰01”，廣東省船舶自動化工程技術(shù)研究中心與廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院研發(fā)了“芙蓉”號小型無人船等。

筆者所在團(tuán)隊研發(fā)的“芙蓉”號小型無人船，是應(yīng)用了智能傳感、PLC控制器、無線遠(yuǎn)程控制等技術(shù)集成，設(shè)計了一套小型無人船智控方案，并在學(xué)校游泳池和開闊水域進(jìn)行了操控試驗(yàn)，基本實(shí)現(xiàn)了小型無人船的自主航行與遠(yuǎn)程遙控要求，如圖2所示。方案采用一對多的上位機(jī)控制策略，無線透傳技術(shù)試驗(yàn)近距離遙控。設(shè)置多頻率通道，可精準(zhǔn)管控對應(yīng)頻率的小型船，其設(shè)計系統(tǒng)方案如圖3所示。

3.5 智能機(jī)艙技術(shù)

通常把船舶駕駛室比作船舶“大腦”，而船舶“心臟”就是機(jī)艙，可見船舶機(jī)艙舉足輕重。智能船只很重要的一方面就是智能機(jī)艙，全球各大船級社都對智能機(jī)艙或者自動化機(jī)艙有涵義界定。

《智能船舶規(guī)范》第四章闡述了智能機(jī)艙的涵義，梳理智能機(jī)艙的功能主要有四項：

（1）可對包含船舶主推進(jìn)動力裝置、輔機(jī)等船機(jī)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行信息感知，狀態(tài)監(jiān)測，獲取穩(wěn)定可靠的船機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和管理信息。

（2）根據(jù)已獲取存儲的數(shù)據(jù)信息，對船機(jī)設(shè)備是否“健康”、有何“病癥”，進(jìn)行體檢、評估與診斷。

（3）根據(jù)體檢、評估與診斷結(jié)論，提出針對具體船機(jī)設(shè)備或系統(tǒng)的“藥方”，以保障其健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）補(bǔ)充功能，即以上三項以外的其它功能。比如，可根據(jù)船機(jī)設(shè)備或系統(tǒng)的“體檢報告”給出“預(yù)防與保養(yǎng)建議”，制定輪機(jī)維護(hù)與修理計劃等。

中國船級社對智能機(jī)艙提出了2項關(guān)鍵指標(biāo)：（1）符合AUT-0標(biāo)準(zhǔn)；（2）可進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，進(jìn)而提供輔助決策功能的完備系統(tǒng)。由此可見，智能機(jī)艙與傳統(tǒng)自動化機(jī)艙的核心差異在于“狀態(tài)監(jiān)測”和“輔助決策”。在海工項目中，已有多種獨(dú)立的“狀態(tài)監(jiān)測”和“輔助決策”系統(tǒng)在研發(fā)應(yīng)用。而當(dāng)前需要的完備系統(tǒng)應(yīng)該是可讓“大數(shù)據(jù)技術(shù)”、“信息感知技術(shù)”與“輔助決策”無縫融合，基于此理念，設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)測輔助決策系統(tǒng)如圖4所示。

2017年12月，中國極地研究中心牽頭，聯(lián)合江南造船和瑞特電氣，協(xié)定加裝極地科考電力推進(jìn)船“雪龍2”號的“智能機(jī)艙”項目。此項目旨在實(shí)現(xiàn)CCS授予i-ship M（智能機(jī)艙）標(biāo)志，加裝包含智能綜合集成模塊、船機(jī)健康監(jiān)視與管理模塊、輔助決策模塊等系統(tǒng)，以達(dá)到提升船機(jī)營運(yùn)能效、讓船機(jī)更健康、讓船員更輕松，促進(jìn)建成包含智能航行在內(nèi)的智能集成平臺。

4 展 望

智能船舶機(jī)電應(yīng)用技術(shù)主要包含大數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)、船機(jī)信息感知技術(shù)、無人船技術(shù)、智能機(jī)艙技術(shù)等，其中部分技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用，比如信息感知之傳感器技術(shù)、智能機(jī)艙之狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)等，但是還有很多相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)缺少理論體系或?qū)嶋H驗(yàn)證，比如無人船之自主航行技術(shù)、智能機(jī)艙之能效控制技術(shù)、無人船之航線規(guī)劃技術(shù)等。

智能船舶勢不可擋，而未完全成熟的智能船舶機(jī)電應(yīng)用技術(shù)給相關(guān)方面給出了很多可研究的課題。主管部門需要加強(qiáng)頂層設(shè)計，保障智能船舶機(jī)電應(yīng)用技術(shù)健康有序發(fā)展，以達(dá)到智能化、高新化、低碳環(huán)?；目沙掷m(xù)發(fā)展目標(biāo)。無人車、無人機(jī)的成熟理論、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及其走過的彎路和出現(xiàn)的一些問題都可以啟發(fā)思路，給我們借鑒與思考。各研究機(jī)構(gòu)可探索建立實(shí)質(zhì)性戰(zhàn)略研究同盟，從安全可靠、經(jīng)濟(jì)性跨越、綠色防污染、高端舒適智能等角度出發(fā)，厘清智能船舶關(guān)鍵技術(shù)研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，又快有穩(wěn)推進(jìn)智能船舶機(jī)電應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)與實(shí)船應(yīng)用。

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作者簡介：

高炳，講師，主要從事輪機(jī)工程、船舶動力裝置節(jié)能減排技術(shù)研究，（E-mail）cakesir@qq.com