許維明 瞿榮澤 薛國良 徐敏義 祝 曉 劉志堅(jiān) 張奇奇

（1.大連中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司 大連 116052；2.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院 大連 116026）

0 引言

自美國2012 年提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念、德國2013 年推出“工業(yè)4.0”項(xiàng)目、我國2015 年提出“中國制造2025”戰(zhàn)略以來，高端制造業(yè)已成為世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的新高地[1-2]。其中，海洋工程裝備及高技術(shù)船舶相關(guān)技術(shù)的研究在“中國制造2025”強(qiáng)國戰(zhàn)略中被列為十大領(lǐng)域之一，對智能船舶的發(fā)展而言也是難得的歷史機(jī)遇。

眾所周知，在傳統(tǒng)交通工具領(lǐng)域，船舶智能化起步并不晚，早期也積累了一些較為成熟的技術(shù)（如無人機(jī)艙和自動(dòng)化駕駛技術(shù)等），但近20 年來智能船舶技術(shù)發(fā)展卻較為緩慢。這主要是由于船舶本身的標(biāo)準(zhǔn)化程度低、配套設(shè)備品種繁多、數(shù)字化水平參差不齊等因素，導(dǎo)致船舶數(shù)據(jù)收集水平低下，難以形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析方法和理論。此外，高額的通訊帶寬和網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)投入，也影響了船東投資智能船舶發(fā)展的積極性。

世界航運(yùn)業(yè)復(fù)蘇緩慢、智能船舶研究的高投入和當(dāng)前全球相對稀缺的衛(wèi)星寬帶資源等因素限制了初期智能船舶的發(fā)展。然而，隨著智能船舶技術(shù)被普遍視為下一代船舶工業(yè)技術(shù)革命，世界主要造船國家開始發(fā)力，大力投入智能船舶研究。同時(shí)，隨著近年來低軌寬帶衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)營，在未來將為海洋船舶提供速率更高、資費(fèi)更低、時(shí)延更少和全球無縫隙覆蓋的衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，大規(guī)模的云計(jì)算服務(wù)有望在未來的智能船舶系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)[3]。

縱觀近年來智能船舶系統(tǒng)發(fā)展，船舶智能化設(shè)備不斷豐富，智能系統(tǒng)配套軟件逐漸完善，產(chǎn)學(xué)研合作力度加大，互聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域企業(yè)跨界合作，都是智能船舶研究進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期的福音。

1 智能船舶發(fā)展概況

國際海事組織（international maritime organization,IMO）于2006 年5 月通過了E-Navigation 相關(guān)工作項(xiàng)目，E-Navigation 成為最早期的智能船舶概念，即利用電子信息技術(shù)協(xié)調(diào)船岸通信和導(dǎo)航信息，實(shí)現(xiàn)船舶、船岸和岸端之間信息互通，促進(jìn)海洋環(huán)境保護(hù)和船舶高效安全航行。[4]智能船舶被IMO、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（international organization for standardization,ISO）等列為重要議題，國際船舶和航運(yùn)業(yè)勢必向船舶智能化方向發(fā)展，世界各大船級社也針對智能船舶發(fā)布了相關(guān)規(guī)范和指南文件，見表1。

表1 各大船級社智能船舶相關(guān)規(guī)范文件

為加快建設(shè)海洋強(qiáng)國、制造強(qiáng)國、交通強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，我國大力發(fā)展智能船舶技術(shù)，推動(dòng)船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。2017 年，工業(yè)與信息化部設(shè)立了高技術(shù)船舶科研專項(xiàng)“智能船舶1.0”；2018 年，工業(yè)與信息化部、交通運(yùn)輸部與國防科工局聯(lián)合編制了《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019—2021 年）》；2019 年，交通運(yùn)輸部等七部門聯(lián)合印發(fā)了《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》。

2 智能船舶系統(tǒng)

2.1 概述

智能船舶的智能化水平集中體現(xiàn)在船舶已配置的智能系統(tǒng)。智能船舶系統(tǒng)涵蓋了當(dāng)前智能船舶的基礎(chǔ)共性技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)，也是對船舶總體、動(dòng)力、感知、通信、控制和人工智能等多學(xué)科交叉的集成創(chuàng)新能力展示。[6]

在中國船級社發(fā)布的相關(guān)指南中，將智能船舶系統(tǒng)功能分為8 個(gè)部分，分別為智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺(tái)、遠(yuǎn)程控制和自主操作，這些功能逐漸發(fā)展形成相應(yīng)的子系統(tǒng)。但由于不同類型船舶營運(yùn)任務(wù)不同，所需要的智能系統(tǒng)功能也會(huì)有較大差異。以大型海洋運(yùn)輸船舶為例，這類船舶主要有液化天然氣船、大型油輪、大型散貨船和集裝箱船等類型，共性特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：船舶及貨物附加值高、船舶噸位大、事故導(dǎo)致的后果或危害較大，并且這類船短期內(nèi)對遠(yuǎn)程控制和自主操作功能的需求并不強(qiáng)烈。盡管如此，各類型船舶對智能船舶系統(tǒng)功能依然具有普遍共性需求，主要包括智能航行系統(tǒng)、智能機(jī)艙系統(tǒng)、智能能效系統(tǒng)和智能集成平臺(tái)系統(tǒng)。

2.2 智能船舶系統(tǒng)設(shè)備

在構(gòu)建智能船舶系統(tǒng)總體方案之前，首先要根據(jù)船舶實(shí)際運(yùn)營任務(wù)需求來配置各智能系統(tǒng)，結(jié)合船舶結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備布局、智能設(shè)備配置、船員操作規(guī)范和習(xí)慣等因素明確各智能系統(tǒng)的設(shè)備。

智能集成平臺(tái)系統(tǒng)的主要設(shè)備有集成平臺(tái)交換機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、防火墻、多計(jì)算機(jī)切換器和綜合顯示工作站等；智能機(jī)艙系統(tǒng)主要設(shè)備包括機(jī)艙狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)軟件、機(jī)艙主要機(jī)械設(shè)備傳感器、軸系振動(dòng)數(shù)據(jù)采集箱和軸系油液監(jiān)測箱等；智能能效系統(tǒng)主要設(shè)備包括智能能效服務(wù)器、報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)、通導(dǎo)、液位遙測、配電板、流量計(jì)和軸功率儀等；智能航行系統(tǒng)主要設(shè)備包括防火墻、不間斷電源、氣象工控機(jī)、通導(dǎo)交換機(jī)、航路服務(wù)器、航路系統(tǒng)交換機(jī)、視頻圖形陣列（video graphios array,VGA）發(fā)送器/接收器、圖像采集卡、圖像服務(wù)器、DC 12 V和24 V電源、航行系統(tǒng)相關(guān)傳感器和顯示器等。

智能船舶系統(tǒng)設(shè)備的安裝應(yīng)在滿足船舶電氣設(shè)備安裝規(guī)范的前提下，根據(jù)各智能系統(tǒng)的技術(shù)要求合理調(diào)整船舶結(jié)構(gòu)并優(yōu)化設(shè)備布置。某智能船舶系統(tǒng)主要設(shè)備布置信息見表2。

表2 智能船舶系統(tǒng)主要設(shè)備布置信息

2.3 智能船舶系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

智能船舶項(xiàng)目根據(jù)不同船型和營運(yùn)任務(wù)可以設(shè)計(jì)出不同的智能船舶系統(tǒng)，其智能系統(tǒng)設(shè)備及其布置、供電方式、通信協(xié)議和接口并不唯一[7]。智能系統(tǒng)設(shè)備與實(shí)船設(shè)備關(guān)聯(lián)集成，構(gòu)建了各智能功能系統(tǒng)和集成平臺(tái)系統(tǒng)，形成了智能船舶系統(tǒng)總體方案。智能船舶系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下頁圖1 所示。

圖1 智能船舶系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

智能航行系統(tǒng)是智能船舶系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)，融合了先進(jìn)的傳感和感知技術(shù)，配置氣導(dǎo)、通導(dǎo)等智能導(dǎo)航設(shè)備，通過采集分析船舶航行環(huán)境、船舶狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)航線與航速的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、開闊水域自主航行、輔助避碰決策等功能。智能航行系統(tǒng)一定程度上降低了船員的誤操作和海損事故的發(fā)生率，提高了船舶航行的安全性。

智能集成平臺(tái)系統(tǒng)是智能船舶系統(tǒng)方案的框架基礎(chǔ)，綜合了智能系統(tǒng)集成、平臺(tái)管理和船岸同步子模塊等功能，實(shí)現(xiàn)船舶信息管理、智能航行、智能能效和智能機(jī)艙等功能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、整合、交互、共享和展現(xiàn)。集成平臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口方案完整，具備開放性，可擴(kuò)展新的智能系統(tǒng)并與岸端保持良好的數(shù)據(jù)交互。

智能機(jī)艙系統(tǒng)是智能集成平臺(tái)系統(tǒng)上的重要功能應(yīng)用，不僅可以監(jiān)測機(jī)艙主推進(jìn)相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)的狀態(tài)，還提供船舶設(shè)備優(yōu)化使用、科學(xué)維護(hù)、全壽命周期管理等方面輔助決策支持。該系統(tǒng)基于機(jī)艙主要設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和集成平臺(tái)整合的船舶設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過分析評估機(jī)艙各設(shè)備與系統(tǒng)的運(yùn)行情況及健康狀況，提出針對性的合理建議和預(yù)見性診斷，降低了機(jī)艙設(shè)備突發(fā)故障的幾率和維護(hù)成本。

智能能效系統(tǒng)集成在智能集成平臺(tái)系統(tǒng)上，是一個(gè)營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性管理系統(tǒng)。智能能效管理可基于船舶航行狀態(tài)信息和營運(yùn)能耗的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對船舶裝載狀態(tài)、出行計(jì)劃、能源使用狀況等進(jìn)行分析評估，提供能效/能耗評估報(bào)告、航線/航速優(yōu)化、縱傾和配載優(yōu)化等輔助決策支持。該系統(tǒng)為船員和船東提供了船舶能效監(jiān)測、分析、評估、報(bào)告、報(bào)警與決策建議等服務(wù)，使船舶營運(yùn)管理更高效、經(jīng)濟(jì)且環(huán)保。

3 智能船舶系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能船舶系統(tǒng)屬于大型綜合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，融合了人工智能和現(xiàn)代信息技術(shù)等新技術(shù)，具有較好的安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)[6]。以下僅從智能航行系統(tǒng)、智能機(jī)艙系統(tǒng)、智能能效系統(tǒng)和智能集成平臺(tái)系統(tǒng)等方面簡述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

3.1 國外研究現(xiàn)狀

全球智能船舶研制和智能船舶系統(tǒng)開發(fā)呈現(xiàn)快速發(fā)展的整體趨勢。然而，由于國際各方的關(guān)注重點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢存在差異，各國智能船舶系統(tǒng)研究方向和路徑不盡相同。中國、韓國、日本等亞洲國家的智能船舶系統(tǒng)研究注重船舶整體智能化水平的提升，在大型遠(yuǎn)洋船舶上已安裝使用了初期的智能系統(tǒng)；英國、挪威、芬蘭、丹麥等歐洲國家及羅爾斯·羅伊斯公司（下文簡稱“羅羅公司”）等企業(yè)選擇由“局部智能”向“全局智能”的過渡方式，首先在小型船舶如拖船、渡輪上開展智能船舶技術(shù)研發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用[8]。

3.1.1 智能航行系統(tǒng)

國際海事組織于2017 年新增“自主無人船舶”議題，并于2019 年以通函方式批準(zhǔn)了《水面自主船舶試航暫行指南》。目前，由于國際法律公約限制和智能航行技術(shù)適用性，國外智能航行系統(tǒng)的研究大多傾向于在小型船舶上開展船舶態(tài)勢感知、遠(yuǎn)程遙控駕駛、自主航線優(yōu)化和開闊水域的輔助避碰等技術(shù)研究。

2017 年，羅羅公司與全球拖船運(yùn)營商Svitzer合作，在丹麥哥本哈根港成功展示了拖船遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)。船長28 m 的Svitzer Hermod 號(hào)拖船安全地執(zhí)行了停靠、解鎖、360°旋轉(zhuǎn)等操控動(dòng)作，全程由船長在Svitzer 總部基地進(jìn)行遙控，遙控操作中心重新定義了船舶的控制方式。

2017 年，挪威YARA 公司和Kongsberg 公司合作建造了首艘自動(dòng)駕駛電動(dòng)集裝箱船——YARA Birkeland 號(hào)。該船可通過全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)、攝像機(jī)和傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在航道中自動(dòng)避讓功能，而配套的自動(dòng)停泊系統(tǒng)則可以完成自主船舶停泊和起航。其船體已于2020 年2 月下水，但由于新冠疫情和全球前景變化，而后暫停了進(jìn)一步開發(fā)。

2018 年，羅羅公司和芬蘭國有渡輪運(yùn)營商Finferries 在芬蘭圖爾庫市南部的群島成功展示了世界首艘全自動(dòng)渡船——Falco 號(hào)汽車渡船。該船長53.8 m，既可完全自主運(yùn)行，也能通過指揮中心遠(yuǎn)程控制。同年，芬蘭瓦錫蘭集團(tuán)成功試驗(yàn)了船舶自動(dòng)靠泊系統(tǒng)，在挪威海事局的見證下，船長85 m的Folgefonn 號(hào)渡船自主操作，實(shí)現(xiàn)了3 個(gè)港口航線的不間斷運(yùn)營。這是此類尺寸船舶首次嘗試在完全無人操作模式下實(shí)現(xiàn)岸到岸的全面自動(dòng)化航行。

3.1.2 智能機(jī)艙系統(tǒng)

國外智能機(jī)艙系統(tǒng)主要由全球著名的柴油機(jī)廠商配套開發(fā)，機(jī)艙綜合狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)是其研發(fā)的重點(diǎn)，目前市場上已有多種成熟的機(jī)艙狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)。[9]

MAN Diesel &Turbo 公司早期開發(fā)了計(jì)算機(jī)控制故障監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，記錄并存儲(chǔ)各時(shí)段數(shù)據(jù)，比較當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)和診斷數(shù)據(jù)庫故障參數(shù)，生成故障診斷報(bào)告和建議維護(hù)措施，其維護(hù)保養(yǎng)應(yīng)用程序會(huì)列出維修計(jì)劃表和備件庫存明細(xì)表。此外，該系統(tǒng)的趨勢分析功能促進(jìn)了柴油機(jī)的預(yù)防性維護(hù)，降低了突發(fā)性故障風(fēng)險(xiǎn)。芬蘭瓦錫蘭公司開發(fā)的MAPEX狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)可通過對柴油機(jī)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)活塞環(huán)磨損趨勢預(yù)測、氣缸內(nèi)燃燒狀態(tài)評估和柴油機(jī)軸系健康情況分析。德國LEMAG 公司的柴油機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)、EUB 研究所的故障診斷系統(tǒng)以及挪威Kongsberg 公司和美國KYMA 公司的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，均已應(yīng)用于實(shí)船。

2010 年，韓國現(xiàn)代重工啟動(dòng)“智能船舶1.0”計(jì)劃，開發(fā)了基于有線/無線船舶綜合管理網(wǎng)通訊技術(shù)的船舶主機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助信息與通信技術(shù)優(yōu)化了460 多種設(shè)備部件的綜合管理，其遠(yuǎn)程技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了對船舶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還促進(jìn)了遠(yuǎn)程維修技術(shù)應(yīng)用。[10]

3.1.3 智能能效系統(tǒng)

智能能效管理系統(tǒng)是“智能船舶”和“綠色船舶”的重點(diǎn)研究技術(shù)之一，國外船舶能效管理系統(tǒng)研究起步較早，已有多種能效監(jiān)控系統(tǒng)投入使用，市場占有率較高。[11]

2009 年，德國勞氏船級社旗下海事咨詢公司Future Ship 開發(fā)了“ECO-Assistant”船舶能效軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過船舶營運(yùn)參數(shù)（如航速、排水量和水深等）計(jì)算出特定船舶的最佳縱傾角度，進(jìn)而降低燃油消耗和二氧化碳排放量，最多可提升6%效率，并且投資回收期僅幾個(gè)月。2011 年，韓國三星重工開發(fā)了船舶能效管理系統(tǒng)（ship energy efficiency management system，SEEMS），可利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)軟件等技術(shù)提高能效管理系統(tǒng)的集成度和智能化水平，至少可節(jié)省15%的能耗[11]。冰島Marorka 公司開發(fā)的船舶能效管理系統(tǒng)能夠通過監(jiān)控船舶性能參數(shù)，綜合分析船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)、航次計(jì)劃和能效評估等信息，形成高精度的航線優(yōu)化和縱傾優(yōu)化方案，其精密的計(jì)算模式和可靠的系統(tǒng)表現(xiàn)廣受好評。

羅羅公司開發(fā)的智能能效管理系統(tǒng)可利用大數(shù)據(jù)和人工智能算法等技術(shù)降低船舶能源消耗和營運(yùn)成本，此外還可分析評估機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提供維護(hù)管理的輔助決策建議，大大提高了船舶能效監(jiān)測和設(shè)備維護(hù)的智能化水平。

3.1.4 智能集成平臺(tái)系統(tǒng)

國外自20 世紀(jì)80 年代就開始研究船舶數(shù)字化平臺(tái)管理系統(tǒng)，已開發(fā)出綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)[12]。目前國際主要船舶自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商（如ABB、SAM、Konsberg 等公司）的綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)都較為成熟，且已占據(jù)大部分市場份額[13-16]。

SAM 公司的綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)是開放式的體系，在船舶網(wǎng)絡(luò)框架下，各設(shè)備依據(jù)不同功能被分類集成為相應(yīng)的系統(tǒng)。綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)遵循統(tǒng)一的操作和設(shè)計(jì)方式，使用通用的硬件平臺(tái)，提供良好的人機(jī)交互界面，降低了設(shè)備安裝維護(hù)難度、備件數(shù)量和人員培訓(xùn)成本，從而實(shí)現(xiàn)降本增效。Konsberg 公司的綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)通過冗余的大通信寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成了船舶導(dǎo)航、動(dòng)態(tài)定位、舵系操縱、推進(jìn)控制、機(jī)艙自動(dòng)化和安全管理等獨(dú)立子系統(tǒng)，采取分布式控制策略和通用的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)信息交互，具有較強(qiáng)的邏輯性，便于船員管理。

2012 年，日本相關(guān)單位啟動(dòng)了“智能船舶應(yīng)用平臺(tái)”項(xiàng)目研究。該項(xiàng)目研發(fā)了1 套智能信息與控制系統(tǒng)，通過集成主機(jī)遙控、壓載水管理、船舶電力管理、電子海圖等傳統(tǒng)船載監(jiān)控系統(tǒng)，借助遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)技術(shù)，搭建了服務(wù)于各應(yīng)用系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了智能航行、智能機(jī)艙、智能能效和遠(yuǎn)程維護(hù)管理等功能。目前，該平臺(tái)系統(tǒng)已在渡船和油船上實(shí)際應(yīng)用[17]。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

3.2.1 智能航行系統(tǒng)

智能航行系統(tǒng)是我國智能船舶亟需突破的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，國內(nèi)圍繞智能航行系統(tǒng)開展了智能航行技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控駕駛技術(shù)、自主航行避碰技術(shù)等研究。

武漢理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了“航行腦”智能航行系統(tǒng)，設(shè)計(jì)構(gòu)造了1 套模仿“人腦”工作模式的“人工智腦”系統(tǒng)。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成3 個(gè)相互關(guān)聯(lián)的工作空間模塊，即“感知空間”、“認(rèn)知空間”和“決策執(zhí)行空間”。3 個(gè)模塊相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了船舶智能航行的“感知、認(rèn)知、決策與控制”全過程[18]。

2018 年，基于“航行腦”概念的“船岸協(xié)同安全輔助駕駛系統(tǒng)”被部署于南京板橋汽渡。該系統(tǒng)對渡區(qū)的船舶和水域進(jìn)行全局監(jiān)控，有效提升了氣渡船水域的航行安全性[19]。

2019 年，武漢理工大學(xué)首次實(shí)現(xiàn)了8 500 km洲際遠(yuǎn)程駕控試驗(yàn)，在荷蘭瓦赫寧根遠(yuǎn)程操控了在中國武漢湯遜湖內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)的自航模型船。

2019 年5 月，全球首艘智能集裝箱船荷花號(hào)交付運(yùn)營。荷花號(hào)的智能船舶系統(tǒng)是由上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所聯(lián)合中國船級社等單位自主研制，其智能航行系統(tǒng)可通過感知航行態(tài)勢，智能切換船岸通信路由，構(gòu)建船岸協(xié)同的航路選擇模式，實(shí)現(xiàn)船舶航行風(fēng)險(xiǎn)、時(shí)效、成本和能耗的綜合優(yōu)化，保障航行安全。

同年6 月，我國首艘滿足IMO 海上自主水面船舶要求的自主航行試驗(yàn)船 ——智騰號(hào)順利完成了自主航行和自主避碰試驗(yàn)，其自主智能航行系統(tǒng)由中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇四研究所研發(fā)。該系統(tǒng)集成了智能態(tài)勢感知系統(tǒng)、自主航行決策系統(tǒng)和自主駕駛控制系統(tǒng)，具備自主航行、自動(dòng)避碰、自主靠離泊和遠(yuǎn)程遙控等功能，未來將應(yīng)用于小型自主航行集裝箱船。

3.2.2 智能機(jī)艙系統(tǒng)

中國船級社《智能船舶規(guī)范》第4 章給出了智能機(jī)艙的定義和一般要求。我國在智能機(jī)艙方面已進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性研究，但國內(nèi)開發(fā)智能機(jī)艙設(shè)備與系統(tǒng)的廠家并不多，成熟應(yīng)用的相對較少。

國內(nèi)，上海三進(jìn)科技發(fā)展有限公司基于控制器局域網(wǎng)（controller area network,CAN）總線技術(shù)，開發(fā)了CJB 3100 系列監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。比太系統(tǒng)工程有限公司聯(lián)合華東船舶工業(yè)學(xué)院，研發(fā)了船舶自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)和Seainfo 軟件系統(tǒng)[20]。武漢理工大學(xué)提出了船用發(fā)動(dòng)機(jī)綜合狀態(tài)診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)，對主/輔發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸壓力、軸系振動(dòng)、軸功率、機(jī)艙設(shè)備熱力參數(shù)、船舶油耗和航速等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合診斷和評估。該狀態(tài)診斷系統(tǒng)綜合應(yīng)用多種診斷方法，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)機(jī)艙的智能監(jiān)控[21]。王延濤等[22]提出1 種新的智能機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用總線式分布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)各模塊的自制權(quán)。與傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單靈活，危險(xiǎn)信號(hào)響應(yīng)迅速，報(bào)警信息反饋及時(shí)，具備很強(qiáng)的可靠性。孟慶寶[23]研發(fā)的艦船智能機(jī)艙系統(tǒng)可通過CAN 總線和以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)艙監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸與共享，運(yùn)用模塊化技術(shù)提高了艦船智能機(jī)艙系統(tǒng)的維護(hù)效率。

目前，國內(nèi)已有大型運(yùn)輸船舶配置新型智能機(jī)艙系統(tǒng)。以某大型智能散貨船為例，通過運(yùn)用數(shù)據(jù)采集及測量技術(shù)、狀態(tài)分析及預(yù)測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于熱工參數(shù)及振動(dòng)的故障分析和關(guān)鍵狀態(tài)趨勢預(yù)測，搭建了機(jī)艙設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)架構(gòu)。該智能機(jī)艙系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 智能機(jī)艙系統(tǒng)圖

3.2.3 智能能效系統(tǒng)

中國船級社發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》和《智能船舶能效管理檢驗(yàn)指南》對我國船舶智能能效優(yōu)化提出明確要求[24]。目前國內(nèi)的船舶能效監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)已取得一些進(jìn)展，但智能能效控制系統(tǒng)技術(shù)研究仍處于起步階段，智能能效管理系統(tǒng)仍需不斷更新和完善。

國內(nèi)，中遠(yuǎn)集裝箱運(yùn)輸有限公司與上海海事大學(xué)合作開發(fā)了船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)測燃油消耗情況、分析油耗異常原因、提供能效優(yōu)化方案，有效實(shí)現(xiàn)了船舶營運(yùn)過程中的降本增效和節(jié)能環(huán)保[25]。

中國船級社聯(lián)合大連海事大學(xué)等科研單位先后研發(fā)了多款船舶能效系統(tǒng)，并基于船舶能效數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用系統(tǒng)軟件和船載數(shù)據(jù)采集與管理軟件開發(fā)了營運(yùn)船舶能效管理和計(jì)算軟件系統(tǒng)。船舶能效在線智能管理系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)和人工智能算法等技術(shù)，可提供船舶能效綜合智能優(yōu)化方案[26]。武漢理工大學(xué)開發(fā)了船舶能效與通航環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)可對船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油耗、軸功率、船舶對水/對地航速、風(fēng)速風(fēng)向與航道水深等船舶姿態(tài)、能耗和通航環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與監(jiān)控[27]。

滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司為中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)設(shè)計(jì)建造了首艘獲得CCS 認(rèn)證的智能能效管理船舶——中遠(yuǎn)海運(yùn)乞力馬扎羅號(hào)。該船的智能能效系統(tǒng)不僅能監(jiān)測船舶能耗水平，還能為船員和船東提供能效優(yōu)化輔助決策[28]。

3.2.4 智能集成平臺(tái)系統(tǒng)

中國船級社《智能船舶規(guī)范》曾給出了智能集成平臺(tái)系統(tǒng)層次劃分和總體結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 智能集成平臺(tái)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

目前，我國的船舶智能集成平臺(tái)系統(tǒng)研制還在起步階段，且主要應(yīng)用于國內(nèi)自主研發(fā)的智能船舶。

國內(nèi)，常熟瑞特電氣股份有限公司開發(fā)了智能船舶集成信息平臺(tái)。該平臺(tái)統(tǒng)一了船舶各智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)的信息模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠交互和信息可視化[29]。中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院為我國極地科考船研發(fā)并加裝了智能機(jī)艙集成平臺(tái)系統(tǒng)。該集成平臺(tái)系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)施，使我國極地科考破冰船邁入世界先進(jìn)行列[30]。

2018 年8 月，工信部高技術(shù)船舶科研專項(xiàng)“智能船舶1.0”的專項(xiàng)智能系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試順利結(jié)束，總體聯(lián)調(diào)測試了各應(yīng)用功能，確定了各智能系統(tǒng)的交互方案，為智能系統(tǒng)裝船奠定了基礎(chǔ)。同年，全球首艘30 萬t 智能超大型油輪凱征輪及其姊妹船新海遼輪、全球首艘40 萬t 智能超大型礦砂船明遠(yuǎn)輪及其姊妹船明卓輪成功交付。這4 艘智能示范船應(yīng)用“平臺(tái)+應(yīng)用”的設(shè)計(jì)理念，搭建了智能綜合網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，顯著提高運(yùn)營能效和管理水平，同時(shí)獲得了中國船級社和挪威船級社的智能船舶符號(hào)認(rèn)證[31-32]。2019 年，荷花號(hào)智能集裝箱船應(yīng)用“1+N”智能體系框架，搭建了匯集智能機(jī)艙、智能航行和智能能效等功能系統(tǒng)的集成平臺(tái)，使船舶更“聰明”，營運(yùn)更高效，航行更安全。2022 年3 月，搭載了增強(qiáng)視覺輔助航行和3D 影像智能輔助靠泊功能的山東新時(shí)代輪交付，并具備遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程運(yùn)維和遠(yuǎn)程管控3 個(gè)維度的船岸交互服務(wù)能力。

4 智能船舶系統(tǒng)發(fā)展趨勢

IMO 在海上安全委員會(huì)（marine safety committee,MSC）第99 屆會(huì)議上，正式宣布將研究并制定相關(guān)公約規(guī)范解決海上水面自動(dòng)船舶（maritime autonomous surface ship,MASS）的安全、環(huán)保等一系列問題。此后，MASS 成為每屆MSC 會(huì)議的熱點(diǎn)議題。2022 年4 月，MSC 第105 屆會(huì)議制定了為MASS 開發(fā)IMO 規(guī)則的工作計(jì)劃。將先以非強(qiáng)制性原則制定規(guī)則，預(yù)計(jì)在2024 年下半年通過。在此基礎(chǔ)上，制定強(qiáng)制性規(guī)則，預(yù)計(jì)在2028 年生效。由此可見，智能船將迎來加速發(fā)展階段。結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析，智能船舶系統(tǒng)將向新型智能系統(tǒng)、智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全、船岸通訊系統(tǒng)升級、智能船舶測試驗(yàn)證技術(shù)等方向發(fā)展。

4.1 新型智能系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能等技術(shù)在智能船舶領(lǐng)域的不斷發(fā)展與應(yīng)用，船舶智能感知系統(tǒng)、智能航行系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)等關(guān)鍵智能技術(shù)將迎來突破性進(jìn)展。不同類型船舶根據(jù)其執(zhí)行任務(wù)不同，可細(xì)分出各自的智能系統(tǒng)發(fā)展路線，產(chǎn)生專業(yè)化、定制化的新型智能系統(tǒng)，船舶設(shè)備智能化水平、設(shè)備集成化、船岸協(xié)同交互程度將進(jìn)一步提高。

在當(dāng)前航運(yùn)市場低迷、船舶運(yùn)力過剩和節(jié)能減排限制等現(xiàn)實(shí)條件下，發(fā)展智能船舶、綠色船舶、新能源船舶，提高船舶營運(yùn)效率，降低船舶排放，減少因人員失誤導(dǎo)致的事故，保障船舶航行安全，開發(fā)配套的新型智能任務(wù)系統(tǒng)，是世界各大航運(yùn)公司未來發(fā)展的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移方向。未來智能船舶在感知、認(rèn)知、決策、控制和執(zhí)行等功能模塊將會(huì)誕生船用智能機(jī)器人、遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)、自動(dòng)靠離泊系統(tǒng)、自主避碰系統(tǒng)、船岸協(xié)同系統(tǒng)、船舶排放監(jiān)控系統(tǒng)和貨物智能管理系統(tǒng)（裝卸貨）等新型智能系統(tǒng)。

4.2 智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全

隨著船舶網(wǎng)絡(luò)化程度逐漸提高，船舶網(wǎng)絡(luò)安全開始面臨威脅[33-34]，船舶智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全已引起國際海事領(lǐng)域的密切關(guān)注。國際船級社協(xié)會(huì)將船舶網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)管作為未來主要工作之一，波羅的海航運(yùn)工會(huì)于2016 年發(fā)布了第1 版《船舶網(wǎng)絡(luò)安全指南》，國際海事組織先后批準(zhǔn)通過了《海事網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)管理指南》和《安全管理體系中的海事網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)管理》，中國船級社編寫了2020 年生效的《海事網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評估與管理體系指南》（2019）。

目前，我國智能船舶發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)主要包括提升智能船舶網(wǎng)絡(luò)和信息安全防護(hù)能力，智能船舶系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)船舶的網(wǎng)絡(luò)與鏈路安全、系統(tǒng)硬件與軟件安全、船舶數(shù)據(jù)安全。2019 年全球首艘大型集裝箱智能船舶荷花號(hào)獲得中國船級社頒發(fā)的全球首張智能船舶網(wǎng)絡(luò)安全證書。

4.3 船岸通訊系統(tǒng)升級

智能船舶系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展需要寬帶互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持的大規(guī)模云計(jì)算服務(wù)，需要占據(jù)一定的衛(wèi)星寬帶資源。2017 年，我國首顆高通量通信衛(wèi)星成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了大陸東部附近水域航行船舶的低資費(fèi)衛(wèi)星寬帶服務(wù)。預(yù)計(jì)未來10～ 15 年，智能船舶能夠得到高速率、低費(fèi)率和低延遲的衛(wèi)星寬帶服務(wù)[35]。

智能船舶需要包含船舶、港口物流及船隊(duì)調(diào)度管理的船岸一體綜合服務(wù)，船岸通訊系統(tǒng)是其核心，海事衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展將促使船岸通訊系統(tǒng)升級，確保智能船舶船岸通訊系統(tǒng)在高通量、低時(shí)延條件下的可靠性。

4.4 智能船舶測試驗(yàn)證技術(shù)

世界主要航運(yùn)國家和各大船級社都在積極探索智能船舶功能測試技術(shù)、測試標(biāo)準(zhǔn)體系和分類等級劃分。目前已有多個(gè)國家建立了智能船舶水上實(shí)驗(yàn)場，但智能船舶功能測試的驗(yàn)證方法、測試標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范和海況場景等都在探索階段[36]。

2016 年，挪威設(shè)立了全球首個(gè)智能船舶海上試驗(yàn)區(qū)（Trondheimsfjorden 試驗(yàn)場），其位于挪威特隆赫姆峽灣區(qū)，目前已有多家高校和公司在此開展無人駕駛技術(shù)的測試。2017 年，芬蘭建立了全球首個(gè)對外開放的海上無人船測試場（Jaakonmeri測試場），其所在海域和航道環(huán)境復(fù)雜，可以實(shí)現(xiàn)多場景的試驗(yàn)，有利于進(jìn)行船舶自動(dòng)駕駛技術(shù)測試。2018 年，比利時(shí)向公眾開放了智能航行測試場，該試驗(yàn)場以萊茵河航行管理委員會(huì)制定的智能船舶等級分類規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2018 年，珠海開始建設(shè)亞洲首個(gè)無人船試驗(yàn)場，并取得了中國船級社首張測試場服務(wù)供應(yīng)方認(rèn)可證書；隨后，國內(nèi)在山東日照、青島和廣東湛江等地，相繼建設(shè)了多個(gè)智能船舶海上試驗(yàn)場。

目前，國內(nèi)外智能船舶海上試驗(yàn)場大多針對小型無人船進(jìn)行智能航行系統(tǒng)能力的測試，對大型船舶智能航行系統(tǒng)外的智能能效系統(tǒng)、智能貨物系統(tǒng)、智能機(jī)艙狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及船岸信息一體化系統(tǒng)等智能系統(tǒng)的海上試驗(yàn)驗(yàn)證還沒有建立相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和測試體系。

5 結(jié)語

目前，世界范圍的智能船舶研究仍在探索和發(fā)展，船舶智能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)尚不完善，智能船舶關(guān)鍵核心技術(shù)還未突破，智能船舶功能驗(yàn)證和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系仍在探索，智能船舶相關(guān)國際公約法規(guī)尚處于起步階段。當(dāng)前，我國智能船舶發(fā)展適逢機(jī)遇也面臨挑戰(zhàn)，因此應(yīng)根據(jù)智能航行技術(shù)的需要，積極開展智能船舶系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全、船岸通訊系統(tǒng)升級和智能船舶測試驗(yàn)證技術(shù)的研究，同時(shí)開展各類新型智能系統(tǒng)攻關(guān)。

展望我國智能船舶發(fā)展，還需通過國家智能船舶重點(diǎn)項(xiàng)目的引導(dǎo)，加快關(guān)鍵核心技術(shù)和重點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)，加速智能船舶技術(shù)、新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的融合，為各類型船舶量身定制智能化發(fā)展策略，有序推進(jìn)各船型智能船舶系統(tǒng)發(fā)展，努力提升智能船舶的相關(guān)性能。