嚴(yán)新平，李晨，劉佳侖，游旭，王樹武，馬楓

(1.武漢理工大學(xué)，a.智能交通系統(tǒng)研究中心；b.交通與物流工程學(xué)院，武漢430063；2.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢430063)

0 引言

近年來，國內(nèi)外航運(yùn)業(yè)以提高水上交通運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，著眼于運(yùn)輸載體船舶的升級(jí)改造和船岸通訊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，積極開展綠色智能船舶研究，努力提升港航基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營組織服務(wù)[1]。歐盟最早提出了航運(yùn)綜合信息服務(wù)的概念并實(shí)施“E-航海”戰(zhàn)略，通過船端系統(tǒng)環(huán)境、物理鏈路、全球無線電導(dǎo)航支撐系統(tǒng)及岸基技術(shù)服務(wù)等要素，設(shè)計(jì)航海保障綜合服務(wù)體系的總體技術(shù)架構(gòu)。韓國啟動(dòng)了自主船舶及智慧海運(yùn)物流應(yīng)用服務(wù)研發(fā)計(jì)劃，旨在突破智能船舶裝備技術(shù)與船岸數(shù)據(jù)交互與通信技術(shù)，建設(shè)遠(yuǎn)程控制與應(yīng)急救援中心。俄羅斯工業(yè)貿(mào)易部和交通部通過設(shè)立自主和遠(yuǎn)程導(dǎo)航船舶試驗(yàn)項(xiàng)目，在船舶實(shí)際運(yùn)營中進(jìn)行自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)程駕駛測試，以建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為海上水面船舶運(yùn)營提供法律條件和技術(shù)支持。國際海事組織(IMO)發(fā)布《水面自主船舶試航暫行指南》[2]。海事數(shù)據(jù)運(yùn)營商N(yùn)APA 通過小型電子遠(yuǎn)程服務(wù)器和VDR(Voyage Data Recorder)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與傳輸，研發(fā)了用于狀態(tài)監(jiān)測、性能評(píng)估、預(yù)測分析和航程優(yōu)化的云服務(wù)平臺(tái)。瓦錫蘭實(shí)現(xiàn)了船舶自動(dòng)靠離泊測試并將近場高分辨率雷達(dá)和動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)用于智能拖輪項(xiàng)目海試[3]。日本國土交通省在東京灣橫濱和橫須賀港之間評(píng)估示范船舶的遠(yuǎn)程駕駛和通訊能力。荷蘭海事技術(shù)基金會(huì)組織協(xié)調(diào)的NOVIMAR(Novel Iwtand Maritime Transport Concepts)項(xiàng)目面向內(nèi)河、近海運(yùn)輸組織模式創(chuàng)新研究，提出智能船隊(duì)運(yùn)輸模式(Vessel Train)的概念，由領(lǐng)航船和不同尺度、規(guī)格和特性的跟隨船舶組成編隊(duì)[4]。美國DARPA計(jì)劃投入海上列車(Sea Train)研究，通過降低興波阻力達(dá)成對(duì)軍艦的集群控制[5]。歐盟自主機(jī)器人協(xié)作式拖曳項(xiàng)目應(yīng)用機(jī)器人優(yōu)化船舶應(yīng)急救援過程的拖曳連接作業(yè)[6]。MAMPAEY[7]將實(shí)時(shí)受力分析和動(dòng)態(tài)優(yōu)化賦能于電磁式系泊系統(tǒng)，隨動(dòng)調(diào)整機(jī)械設(shè)備和船舶的相對(duì)姿態(tài)位置。CAVOTEC[8]研發(fā)了真空系泊系統(tǒng)，提供岸電供給和自動(dòng)系泊連接。

自2015年以來，我國先后發(fā)布《自主貨物運(yùn)輸船舶指南》《綠色生態(tài)船舶規(guī)范》《智能船舶規(guī)范(2020)》，提出包括：場景感知、航行控制、通信導(dǎo)航等在內(nèi)的功能目標(biāo)[9]，增加遠(yuǎn)程控制船舶和自主操作船舶在設(shè)備配備、狀態(tài)監(jiān)測與健康管理等方面的規(guī)定[10]，構(gòu)建綠色生態(tài)船舶指標(biāo)體系[11]。從2018年起，我國相關(guān)部委相繼出臺(tái)《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》《內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展綱要》《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》等建設(shè)性文件，提出進(jìn)一步探索發(fā)展純電力、燃料電池等動(dòng)力船舶，完善水上綠色綜合服務(wù)區(qū)、液化天然氣加注碼頭等綠色服務(wù)體系建設(shè)，加強(qiáng)港口節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用，開發(fā)新一代智能交通管理系統(tǒng)的要求，明確了建立智能航運(yùn)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新集成平臺(tái)，到2025年成為全球智能航運(yùn)發(fā)展創(chuàng)新中心的戰(zhàn)略目標(biāo)，增強(qiáng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)能力，加快智慧物流建設(shè)，提升客貨運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)。振華重工集團(tuán)研發(fā)了鋰電池驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車[12]。三峽通航區(qū)打造了覆蓋壩區(qū)岸電設(shè)施的一體化運(yùn)營服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。京杭運(yùn)河水上服務(wù)區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了岸電全覆蓋。天津港實(shí)現(xiàn)了無人駕駛電動(dòng)集卡成組運(yùn)行和港口作業(yè)機(jī)械全電力驅(qū)動(dòng)。中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)采用光伏/并網(wǎng)技術(shù)在汽車運(yùn)輸船“中遠(yuǎn)騰飛號(hào)”上安裝了太陽能面板[13]。中國船舶集團(tuán)設(shè)計(jì)了全球首艘氫燃料試點(diǎn)船舶，采用質(zhì)子交換膜氫燃料電池作為船舶主動(dòng)力源，輔以鋰電池組進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償。武漢理工大學(xué)開展基于船岸協(xié)同的船舶智能航行控制、通航環(huán)境感知與態(tài)勢表達(dá)、航道多源信息融合與智能服務(wù)，及水上應(yīng)急救援等方面研究，提出智能船舶的“航行腦系統(tǒng)”[14]等一批新的方法理論，實(shí)現(xiàn)了船舶安全輔助駕駛系統(tǒng)在內(nèi)河、沿海渡輪場景下的工程應(yīng)用[15]，搭建了內(nèi)河船舶新能源系統(tǒng)監(jiān)管平臺(tái)并應(yīng)用于內(nèi)河光伏發(fā)電躉船、柴油/LNG 混合動(dòng)力船舶與純電池動(dòng)力船舶[16]。

隨著船舶標(biāo)準(zhǔn)化、綠色化和智能化水平的提升，航道設(shè)施結(jié)構(gòu)布局的持續(xù)優(yōu)化，港口裝備的加速升級(jí)改造和功能服務(wù)的不斷完善，我國水路運(yùn)輸迅速發(fā)展并取得長足進(jìn)步。截止2020年底，全國貨物周轉(zhuǎn)量達(dá)到105834.44 億噸公里，外貿(mào)進(jìn)出口貨運(yùn)量的90%以上通過水路運(yùn)輸完成，航線網(wǎng)絡(luò)遍布世界主要國家和地區(qū)，運(yùn)輸服務(wù)不斷擴(kuò)能升質(zhì)，基本建成了現(xiàn)代航運(yùn)集疏運(yùn)體系。我國在港口吞吐量、內(nèi)河貨運(yùn)量和海運(yùn)船隊(duì)規(guī)模等方面位居世界前列，為實(shí)現(xiàn)“人享其行、貨優(yōu)其流”的目標(biāo)和交通強(qiáng)國建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但資源聚集與要素配置能力差，跨區(qū)間資源共享匱乏，規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)營管理等環(huán)節(jié)單獨(dú)治理、條塊分割等問題仍然突出，迫切需要提出未來水路運(yùn)輸?shù)淖兏镄苑较?，促進(jìn)整體作用發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)體系性創(chuàng)新。本文提出新一代航運(yùn)系統(tǒng)的定義和特征，通過探討系統(tǒng)的基本內(nèi)涵和運(yùn)行流程設(shè)計(jì)了體系架構(gòu)，給出系統(tǒng)的7大關(guān)鍵技術(shù)，為自立自強(qiáng)的水路運(yùn)輸技術(shù)研究和體系標(biāo)準(zhǔn)建立提供參考。

1 新一代航運(yùn)系統(tǒng)的定義與特征

1.1 新一代航運(yùn)系統(tǒng)的定義

新一代航運(yùn)系統(tǒng)(New Generation of Waterborne Transportation System，NEW-WTS)是利用高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)航運(yùn)系統(tǒng)“船-港-貨，人-機(jī)-環(huán)”要素融會(huì)貫通、自洽共享，運(yùn)輸船舶組織運(yùn)營呈現(xiàn)“岸基駕控為主、船端值守為輔”的新型水路運(yùn)輸系統(tǒng)，由綠色智能船舶、數(shù)字生態(tài)設(shè)施、可靠岸基支持、韌性運(yùn)營服務(wù)組成，以信息物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)體系。船舶、港口、航道和客貨等單元物理分散但信息互聯(lián)共享，顯著提升運(yùn)輸服務(wù)的綠色、安全、智能和便捷水平[1]。

1.2 新一代航運(yùn)系統(tǒng)的特征

當(dāng)前交通運(yùn)營作業(yè)主要由船舶駕駛員和港口操作人員完成，系統(tǒng)或設(shè)備具備基本的狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)采集和對(duì)指令的響應(yīng)能力，決策和控制程序均為預(yù)設(shè)值，不具備適應(yīng)性與延展性，缺乏有效的協(xié)同和數(shù)據(jù)集成處理，尚處于自動(dòng)化發(fā)展階段。航運(yùn)裝備設(shè)施的動(dòng)力供給仍以傳統(tǒng)化石燃料為主，綜合能效優(yōu)化、污染物排放控制等綠色化技術(shù)應(yīng)用緊迫。船舶運(yùn)行由船端駕駛員操作，岸側(cè)控制能力弱，運(yùn)營組織由船務(wù)公司和貨物代理調(diào)配，交通管理尚處于被動(dòng)響應(yīng)階段。系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用割裂，功能板塊以離散化的信息服務(wù)為主，基于功能需求設(shè)計(jì)的應(yīng)用方案可持續(xù)性低，無法滿足綠色智能航運(yùn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)要求，整體缺乏體系性創(chuàng)新和資源節(jié)約、集約利用。新一代航運(yùn)系統(tǒng)通過重塑“人-船-岸”間的關(guān)系和價(jià)值，使得運(yùn)營組織效率和服務(wù)保障能力提升，總體呈現(xiàn)綠色化、智能化、韌性化的特征。

(1)綠色化

航運(yùn)裝備設(shè)施綠色化、輕量化且高效環(huán)保，減少有害材料的使用，提升材料使役服役性能的同時(shí)延長生命周期，動(dòng)力型式以多能源協(xié)同利用為主，溫室氣體等大氣污染物的排放控制能力增強(qiáng)。純電池動(dòng)力、燃料電池和太陽能、風(fēng)能、氫能等可再生能源在船舶與港口得以推廣應(yīng)用，綠色服務(wù)區(qū)與岸電配套設(shè)施實(shí)現(xiàn)全覆蓋，交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與能源網(wǎng)融合發(fā)展。

(2)智能化

通過構(gòu)建數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)體系，增強(qiáng)水路運(yùn)輸組織運(yùn)營的數(shù)據(jù)應(yīng)用水平，信息互聯(lián)、系統(tǒng)共建。航運(yùn)要素單元、功能系統(tǒng)和架構(gòu)系統(tǒng)具備全息感知、協(xié)同認(rèn)知、智能決策、自動(dòng)控制、人機(jī)協(xié)同交互能力，在岸基駕控中心實(shí)時(shí)對(duì)在航運(yùn)營船舶進(jìn)行監(jiān)管、控制和駕駛權(quán)切換響應(yīng)，功能/架構(gòu)系統(tǒng)高度集成，數(shù)據(jù)信息充分共享，設(shè)備設(shè)施協(xié)同聯(lián)動(dòng)，技術(shù)業(yè)務(wù)深度融合。

(3)韌性化

“船-港-貨、人-機(jī)-環(huán)”的運(yùn)行流程趨于銜接暢通、協(xié)同指揮和主動(dòng)適應(yīng)，系統(tǒng)的可持續(xù)性與普適性得以提升，對(duì)于自然環(huán)境、運(yùn)行沖突的應(yīng)變能力增強(qiáng)，事前預(yù)警、事中處置、事后評(píng)價(jià)，保持原有功能和恢復(fù)可達(dá)性，能夠有效緩解貨物匹配和場橋泊位調(diào)度優(yōu)化等問題，提供個(gè)性化、差異化服務(wù)，統(tǒng)籌管理、按需分配，減少資源的閑置和浪費(fèi)。

2 新一代航運(yùn)系統(tǒng)的體系架構(gòu)

2.1 信息物理結(jié)構(gòu)

新一代航運(yùn)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)乘客和貨物的舒適搭載與個(gè)性化、高效精準(zhǔn)位移為服務(wù)導(dǎo)向，綠色智能船舶、數(shù)字生態(tài)設(shè)施、可靠岸基支持和韌性運(yùn)營服務(wù)等獨(dú)立運(yùn)作而又隨機(jī)關(guān)聯(lián)的組件、要素和系統(tǒng)適時(shí)交互、協(xié)同作業(yè)。物理世界與信息空間的人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素構(gòu)成平行映射，聯(lián)通相關(guān)的流程、功能、數(shù)據(jù)，交通要素行為分層涌現(xiàn)、信息交互共享、域內(nèi)/域間協(xié)作、自主運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化[17]，是船舶、交通、信息和通信等多系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的典型復(fù)雜信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)。各要素單元、功能系統(tǒng)間具有松耦合關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)為耗散結(jié)構(gòu)[18]，處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的自組織狀態(tài)，是新一代航運(yùn)系統(tǒng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)，其信息物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新一代航運(yùn)系統(tǒng)的信息物理結(jié)構(gòu)Fig.1 Cyber-physical systematic structure for new generation of waterborne transportation system

2.2 整體框架

新一代航運(yùn)系統(tǒng)具有明顯的層級(jí)特征，分為要素單元級(jí)、功能系統(tǒng)級(jí)和架構(gòu)集成級(jí)(System of System，SoS)，各架構(gòu)集成級(jí)以任務(wù)為導(dǎo)向搭建總體架構(gòu)，從數(shù)據(jù)傳遞到能量傳遞的總成[19]，以共享資源與能力[20]構(gòu)成一個(gè)實(shí)用性更強(qiáng)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)個(gè)體無法達(dá)成的整體效果，與多個(gè)系統(tǒng)的權(quán)值相比，功能更為廣泛、性能更加優(yōu)越。在對(duì)新一代航運(yùn)系統(tǒng)內(nèi)涵梳理分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用信息物理系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)[17]提出新一代航運(yùn)系統(tǒng)物理框架，主要包括：綠色智能船舶、數(shù)字生態(tài)設(shè)施、可靠岸基支持、韌性運(yùn)營服務(wù)4部分，其整體框架如圖2所示。

圖2 新一代航運(yùn)系統(tǒng)的整體框架Fig.2 General framework of new generation of waterborne transportation system

(1)綠色智能船舶。乘客與貨物承運(yùn)的主要載體，包括：常規(guī)船舶、增強(qiáng)駕駛船舶、輔助駕駛船舶、遠(yuǎn)程駕駛船舶，以及自主航行船舶，由航行腦系統(tǒng)、綠色動(dòng)力系統(tǒng)、船用機(jī)電設(shè)備、通信導(dǎo)航單元、船舶健康運(yùn)維共同組成。

(2) 數(shù)字生態(tài)設(shè)施。實(shí)現(xiàn)船舶時(shí)空位移的通道鏈路與重要節(jié)點(diǎn)，包括：數(shù)字生態(tài)航道、智慧綠色港口和信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)3個(gè)方面，具體為電子航道圖、全息助航設(shè)施、數(shù)傳通信網(wǎng)絡(luò)與港口自動(dòng)化裝備。

(3)可靠岸基支持。運(yùn)輸船舶的協(xié)同指揮平臺(tái)和新一代航運(yùn)系統(tǒng)的指令發(fā)布終端，完成在航船舶的駕控，對(duì)航運(yùn)全過程進(jìn)行監(jiān)管，在緊急情況下介入操作，船東和海事監(jiān)管機(jī)構(gòu)可在移動(dòng)終端或第三方平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測和獲取信息，由綜合集控中心、岸基通訊設(shè)施、遠(yuǎn)程駕控系統(tǒng)和移動(dòng)服務(wù)終端等組成。

(4)韌性運(yùn)營服務(wù)。開放、共享、協(xié)同的水路運(yùn)輸管理與服務(wù)系統(tǒng)/平臺(tái)，支持面向具體航行場景、安全管理、物流服務(wù)功能需求的個(gè)性化定制，提供韌性化運(yùn)營服務(wù)和交通流量預(yù)測、航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、物流組織調(diào)度、水上應(yīng)急救援和船舶運(yùn)行控制等功能。

2.3 功能邏輯

在船岸協(xié)同環(huán)境下，傳統(tǒng)航運(yùn)的人為因素將不斷弱化，船-船、船-岸、岸-岸耦合增強(qiáng)，系統(tǒng)可柔性測控，隨機(jī)性減弱，系統(tǒng)的感知、認(rèn)知、決策及控制主體逐漸從駕駛員/操作員轉(zhuǎn)向機(jī)器。運(yùn)行維護(hù)由船員/操作員操作執(zhí)行演變?yōu)槿藱C(jī)共駕，經(jīng)歷增強(qiáng)駕駛、輔助駕駛、智能駕駛、自主駕駛等4個(gè)特征階段，不同要素單元、功能系統(tǒng)級(jí)、架構(gòu)集成級(jí)混行并存，重構(gòu)交通系統(tǒng)要素運(yùn)行規(guī)律、個(gè)體服務(wù)于群體控制的平衡機(jī)理等過程[21]。運(yùn)行模式由交通誘導(dǎo)過渡至主動(dòng)控制[22]，操作地點(diǎn)從船舶等載運(yùn)裝備移至岸基駕控中心，指令形式由隨動(dòng)操作信息、機(jī)械執(zhí)行信息轉(zhuǎn)化為航向、航速、航跡、航次計(jì)劃等目標(biāo)任務(wù)，決策端由船舶逐步轉(zhuǎn)向岸側(cè)，人在運(yùn)營作業(yè)的參與度逐漸降低。

在組合通訊鏈路與“空-天-海-地”一體化網(wǎng)絡(luò)的支持下，打通新一代航運(yùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路，使其具備低時(shí)延、高帶寬、多切片的遠(yuǎn)程通訊能力，提供可靠的通訊通道和算力支持，建立船岸協(xié)同的信息感知、采集網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)交互準(zhǔn)則。充分利用已有的航保感知網(wǎng)絡(luò)、北斗導(dǎo)航、視覺監(jiān)控等岸基支持單元和5G 數(shù)傳終端等新型信息基礎(chǔ)設(shè)施[23]，融合船載現(xiàn)有智能監(jiān)管設(shè)備、輔助決策系統(tǒng)和港航全息態(tài)勢感知設(shè)施，建立船岸對(duì)于通航環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)字描繪[24]。聯(lián)通不同業(yè)務(wù)應(yīng)用層的信息流，統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理海量航運(yùn)數(shù)據(jù)，打通信息數(shù)據(jù)間的壁壘，實(shí)現(xiàn)各要素單元級(jí)、功能系統(tǒng)級(jí)和架構(gòu)集成級(jí)的共享復(fù)用[25]，完成人由決策控制端向被服務(wù)端的轉(zhuǎn)移。在沒有足夠人類監(jiān)督和參與的情況下，能夠在變化的、不可預(yù)測的交通環(huán)境“理性地行動(dòng)”，實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫的擴(kuò)展和任務(wù)的遷移[26]，以適應(yīng)不同操作指令和應(yīng)用場景，由被動(dòng)交通響應(yīng)和優(yōu)化轉(zhuǎn)向主動(dòng)交通管理與服務(wù)[27]。

3 新一代航運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

新一代航運(yùn)系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)離不開基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)和技術(shù)的支撐，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：航運(yùn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、綠色智能航運(yùn)裝備、數(shù)字生態(tài)航道建養(yǎng)、船舶運(yùn)行智能控制、交通運(yùn)營組織、水上應(yīng)急救援，以及測試驗(yàn)證評(píng)估7個(gè)方面。

(1)航運(yùn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)

研究不同交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與交通動(dòng)力學(xué)時(shí)空演化規(guī)律、網(wǎng)絡(luò)承載力間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系[28]，形成航運(yùn)資源協(xié)同配置方法理論，規(guī)劃設(shè)計(jì)航線網(wǎng)絡(luò)和整體布局，在客流分布時(shí)空不均衡及運(yùn)力資源有限的情況下[29-30]，提高交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營組織能力，降低乘客出行和貨物運(yùn)輸成本，為研判交通運(yùn)行狀況和決策的執(zhí)行提供有力支撐。開發(fā)航運(yùn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，分析交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可達(dá)性、可靠性、魯棒性及抗毀性，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)系統(tǒng)的可視化推演。

(2)綠色智能航運(yùn)裝備技術(shù)

開展“端-網(wǎng)-云”架構(gòu)下自動(dòng)駕駛集卡、軌道平臺(tái)、大型無人機(jī)等港口貨物集疏運(yùn)設(shè)備研究與應(yīng)用，提高換乘、換裝水平[31]，完善集疏運(yùn)體系，研發(fā)污染物、碳排放循環(huán)利用和監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)，促進(jìn)港口能源系統(tǒng)[32]相融合，建設(shè)水上綠色綜合服務(wù)區(qū)，打造集約高效、功能協(xié)同的現(xiàn)代化港口。提升船舶裝備的自感知、自決策、自操作、自協(xié)同能力，開展輔助駕駛、遠(yuǎn)程駕控、智能航行、編隊(duì)航行等功能示范應(yīng)用，研發(fā)無軸輪緣推進(jìn)、綠色能源動(dòng)力系統(tǒng)等船舶綠色化關(guān)鍵設(shè)備，探索發(fā)展純電力、燃料電池等動(dòng)力船舶。

(3)數(shù)字生態(tài)航道建養(yǎng)技術(shù)

建立基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)行狀態(tài)、航道環(huán)境數(shù)據(jù)庫，以“高精度數(shù)字底圖+多維動(dòng)態(tài)信息”的模式實(shí)時(shí)同步呈現(xiàn)。研發(fā)航標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)字航道技術(shù)的集成應(yīng)用平臺(tái)，通過電子航道圖、多功能航標(biāo)推動(dòng)航道終端的標(biāo)準(zhǔn)化，融合基礎(chǔ)設(shè)施、氣象條件、地理信息和水深等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全有序運(yùn)行和共享。突破生態(tài)航道智能建養(yǎng)技術(shù)，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)完成全生命周期的航道整治，包括：航道協(xié)同化設(shè)計(jì)、參數(shù)可視化施工、動(dòng)態(tài)管理與維護(hù)，以及虛擬航標(biāo)等。

(4)船舶運(yùn)行智能控制技術(shù)

運(yùn)用移動(dòng)通信技術(shù)構(gòu)建船岸協(xié)同信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，基于“云-管-端”的云計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)、船載智能終端和船聯(lián)網(wǎng)云控平臺(tái)，達(dá)成“人-船-岸-云”的高度協(xié)同。在岸基駕控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、在途監(jiān)測預(yù)警和人機(jī)協(xié)同控制，開闊水域、封閉作業(yè)空間等特定場景可獨(dú)立于人的干預(yù)完成相應(yīng)功能任務(wù)[33]，船端控制終端自主完成航行操縱、靠離泊、多船避碰作業(yè)[34-36]。通過構(gòu)建人在回路的協(xié)同控制框架，通信不穩(wěn)定或系統(tǒng)故障時(shí)按照駕駛權(quán)柔性切換策略，實(shí)現(xiàn)控制權(quán)在船岸和不同控制站間的切換，根據(jù)并發(fā)任務(wù)執(zhí)行框架識(shí)別系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和人因失誤[37]。研究編隊(duì)航行技術(shù)，構(gòu)建具有靈活性、高容錯(cuò)的編隊(duì)結(jié)構(gòu)，完成隊(duì)內(nèi)、隊(duì)間的相對(duì)速度和機(jī)動(dòng)性約束、編隊(duì)的動(dòng)態(tài)性能響應(yīng)[38]。

(5)交通運(yùn)營組織技術(shù)

以數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)交通管理的科學(xué)化和智能化，推進(jìn)跨部門、跨區(qū)域信息合作共享，完成綜合航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的組織調(diào)度和多運(yùn)行主體的協(xié)同作業(yè)[39-40]，消除交通要素間數(shù)據(jù)共享不足、實(shí)時(shí)性差、信息延誤等問題。突破航運(yùn)主體碎片信息標(biāo)準(zhǔn)化、基于集成的智能決策分析等技術(shù)瓶頸，將離散分布的航行油耗、船舶服務(wù)、租船管理等數(shù)據(jù)整合為物流運(yùn)輸過程中可監(jiān)控的狀態(tài)流，按需響應(yīng)形成科學(xué)決策[41]。合理調(diào)配船、港、貨，完成船舶、港口、場橋、泊位等資源的配置和協(xié)同調(diào)度優(yōu)化[42]，提供船舶運(yùn)力分布預(yù)測、港口運(yùn)營效能分析、航運(yùn)金融風(fēng)險(xiǎn)測算等服務(wù)和靈活的航運(yùn)物流解決方案。綜合環(huán)境規(guī)制、市場情況等，合理組織和安排船舶的運(yùn)輸生產(chǎn)活動(dòng)，盡可能取得最大效益，幫助航運(yùn)企業(yè)和海事管理部門處理好外部環(huán)境與內(nèi)部條件之間的動(dòng)態(tài)平衡。

(6)水上應(yīng)急救援技術(shù)

面向水上交通安全管理的業(yè)務(wù)連續(xù)性建立常態(tài)監(jiān)管、異常干預(yù)和應(yīng)急處置的一體化應(yīng)對(duì)，推進(jìn)內(nèi)河干線運(yùn)輸、區(qū)域航段北斗導(dǎo)航與衛(wèi)星的常態(tài)化應(yīng)用，構(gòu)筑功能完善、能力充分的航運(yùn)安全體系。融合應(yīng)急救援過程水上、水下救援人員和智能無人設(shè)備等施救信息，實(shí)現(xiàn)水上交通常態(tài)監(jiān)管和應(yīng)急處置中多尺度、可視化、信息精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)保障和閉環(huán)控制，基于多元救援協(xié)同通信與控制理論，提供能夠適應(yīng)空中、水面和水下立體救援任務(wù)的決策支持。

(7)測試驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)

考慮系統(tǒng)整體架構(gòu)研究科學(xué)性、完整性的應(yīng)用及驗(yàn)證需求，研發(fā)多功能、可廣域配置的測試驗(yàn)證平臺(tái)，應(yīng)用平行控制理論，以場景、事件、任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)模塊化、可剪裁的測試系統(tǒng)，建立物理域與虛擬世界的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。融合虛擬仿真和物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，測試功能有無、驗(yàn)證結(jié)果對(duì)錯(cuò)、評(píng)估性能優(yōu)劣[43-44]。綜合物理世界和信息空間的安全威脅[45-46]、標(biāo)準(zhǔn)化鏈接與通信協(xié)議等方面，運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生手段，實(shí)現(xiàn)定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)估。

4 結(jié)論

本文基于國內(nèi)外綠色智能航運(yùn)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)趨勢，提出新一代航運(yùn)系統(tǒng)的定義和綠色化、智能化、韌性化的系統(tǒng)特征，通過討論系統(tǒng)的基本內(nèi)涵和運(yùn)行流程設(shè)計(jì)整體架構(gòu)，闡述系統(tǒng)的功能邏輯，凝練系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，明確了運(yùn)輸船舶組織運(yùn)營“岸基駕控為主，船端值守為輔”的航運(yùn)新業(yè)態(tài)，為船舶遠(yuǎn)程駕控技術(shù)的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。新一代航運(yùn)系統(tǒng)提出水路運(yùn)輸未來的變革性方向，可以有效指導(dǎo)綠色智能航運(yùn)示范區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)，為智能、綠色、安全、便捷的水路運(yùn)輸新業(yè)態(tài)發(fā)展和新一代航運(yùn)系統(tǒng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)提供技術(shù)支撐。通過新一代航運(yùn)系統(tǒng)的深入研究和應(yīng)用，將為旅客和貨主提供更加便捷、高效的運(yùn)輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)船岸協(xié)同控制和“人-機(jī)-信息”交互，充分發(fā)揮航運(yùn)優(yōu)勢，提升我國水路運(yùn)輸?shù)膰H影響力和核心競爭力。