智能船舶研究和发展综述

1、智能船舶研究和发展综述0引言人工智能可以提高决策能力、重塑商业形象、增加商业回报。当前，船舶智能化研究和发展引起多方关注。随着科技进步和实际需要，为了满足对船舶运输越来越高的安全性、经济性、节能环保和管理效率的需要，船舶已经逐步变成集多种自动化系统为一体的多功能综合系统。随着大数据、信息物理系统、物联网等技术的发展，在IMO等国际组织和国家的倡导和助推下，航运业智能化研发方兴未艾。2017年12月5日，世界第一艘通过船级社认证的智能船舶38800吨散货船“大智”号成功交付，在智能船舶发展史上影响深远。船舶智能方面的研发工作涉及船舶建造、船舶运营、海事搜救行业和与航海相关专业诸多领域。本文主要针

2、对把船舶作为一个整体来阐述其智能化研发情况。1智能船舶概念和发展路线1.1 智能船舶概念类别对于智能船舶表述英文有多种形式：例如“IntelligentShip”、RoboticShip"、ConnectedShip'、SmartShip”等等，目前还没有一个统一说法。全球对于无人自主船舶技术的研究和概念设计还在进行口。2006年，IMO率先给出智能船舶的定义(e-Navigation):使用电子信息手段，在船、岸收集、融合和显示港航信息，实现船、岸相互之间信息沟通，达到航行安全、经济和防污染的目标。2014年，丹麦船级社在未来航运业给出智能船舶的定义：智能船舶是指实时信息传

3、输、计算、建模、控制和传感器应用能力的集合。2016年3月生效的智能船舶规范对智能船舶的定义：利用物联网、传感器、通信等技术手段，自动感知船舶、环境、货物和港口等方面的信息，并基于计算机、自动控制和大数据分析技术，在船舶航行、管理、维护、货运等方面实现智能化的船舶，确保航行更安全、环保、经济和可靠。2016年7月，劳氏船级社在智能船舶入级指导文件对船舶自动化程度进行分级，从AL1-AL6，分为6个等级。涉及从船舶设计到营运诸多环节，该文件对各个等级的特征做了清晰准确的定义，并阐释了可能存在的风险。虽然不同国家和机构对智能船舶的定义存在一定差异，但智能船舶定义具备以下特征：通过船舶相关信息融合、

4、提高船舶自主决策能力、从而使得船舶运营更加安全、环保、经济、可靠。1.2 智能船舶发展路线对于智能船舶研究和发展，各主要国际机构和各国侧重点不同：IMO重视技术，CCS重视自主研发，劳氏船级社重视分析人与船舶关系。对智能船舶发展经历阶段也有不同主张。从航行安全和智能船舶研发经验积累的角度，罗尔斯-罗伊斯公司认为智能船舶实现需要经历减少船员岸基控制船舶、近海无人岸基船舶、远洋无人岸基控制船舶、自主航行船舶4个阶段。从智能船舶智能实现的物理范围、数据融合范围、智能程度考虑，有的学者认为智能船舶实现需要经历船舶远程监控和分析；利用大数据分析等技术，提供航行建议，进行半自动化航行；船岸信息互通，实时进

5、行航行和港口作业优化；实现船舶自主航行、靠泊和装卸4个阶段。由此，该学者认为，目前智能船舶发展正在由第一阶段向第二阶段过渡。还有的学者认为从船舶人为控制的程度来讲有自助船舶、海员远程控制船舶、无人遥控船舶以及无人船舶5个发展阶段。上述不同学者提出的智能船舶发展路线从不同角度提出智能船舶发展的设想。但是不管是哪一种观点，在船舶智能化不断提升，人员介入不断减少方面的看法是一致的。2世界各国智能船舶的发展现状2.1 欧洲船舶发展现状欧洲的智能船舶开展研究时间最早，进行了大量的前瞻性智能船舶研究，研发水平比较高，研究参与方众多、研究方式灵活。20世纪80年代，DNV就进行了船舶结构监测的研究。1996

6、年，挪威国防研究局和美国海军研究实验室合作开展“复合船体嵌入传感器系统（CHESS）”项目研究,并在一艘名为“盾牌”号舰艇上进行了测试口。DNV在船舶结构监测，舰船性能和船体集成管理诸多方面进行了持续研究，开发了相关的工具，建立数字化船体模型，通过研究探索为全球航运公司提供船舶结构监控、高质量和综合视觉信息、船舶全生命周期信息、并实现三维清晰通信等技术服务的路径。2000年1月至2003年6月，欧盟实施了ATOMOSIV项目。旨在将最先进的计算机、自动控制技术应用到欧洲的舰船上，引进以人为本的系统，方便地获取船舰信息，提高船舰运行安全性、可靠性和速度。2006年欧洲开发了内河航运综合信息系统(

7、RIS),将通信、电子控制和计算机处理等技术应用到内河航运，提供海事监管、应急救援等8大服务功能，保障高效、安全、环保的内河航运环境。该系统引起了航运界对于船舶智能化的兴趣。2012年9月，欧盟项目MUNIN启动，该项目由来自德国FraunhoferCML等8家研究机构共同实施，开展以大型散货轮为对象的无人船研究，最终是通过电脑仿真模拟模拟无人船创意，检验其可行性。2012年，DNV提出“航透020”理念，2015年对“航逮020”进行了修订，增加了“船舶混合推进”、“多方信息融合”等技术发展趋势的介绍口。2014年，DNV发布了名为“航运业展望”的报告，文中对“智能船舶"TheCo

8、nnectedShip做了定义口。该文认为未来航运业安全和可持续发展的6大路径：运营安全，设计先进，船舶智能，新材料应用，运营高效以及低碳环保。2013年，罗尔斯罗伊斯公司实施无人驾驶货船(roboticcargoship)研究，2014年，该公司在挪威建立了虚拟现实无人驾驶货船原型，可在虚拟的船桥系统上全视角无遮拦的观察和操纵船舶到目的地，该公司计划未来在相似岸基控制中心实现对几百艘无人驾驶的船舶操控口。该公司计划2020前设计和建造一个远程运营测试中心。该公司还与相关国家研究机构和大学联合进行智能船舶研发。例如，“未来操作体验概念"FutureOperatorExperience

9、Concept简称OX”）系统研发。这个系统为船员提供智能工作站，能够放大显示船周围海况，使人观察到肉眼容易忽略的诸如海冰、拖船或其他小艇等潜在危险。实施无人导航船舶（SVAN）项目研究落实早期由芬兰国家商务促进局资助的“高级无人驾驶船舶应用开发计划”（AAWA）研究项目的成果。2016年6月，该公司发布了“未来遥控无人船舶”白皮书口，预测未来无人船舶发展和应用情况。2015年9月，劳氏船级社、南安普顿大学和奎奈蒂克集团一起发布了全球海洋技术趋势2030报告口，对未来应用到商用船舶、军用舰船和海洋空间的关键技术进行了阐述。报告认为未来对商用船舶会产生影响的8个关键技术是：先进材料、大数据分析、

10、传感器、通信、机器人、造船、推进和动力、智能船舶。2015年8月，法国CMACGM集团最新的18000标准箱的“布干维尔”号Bougainville）船舶应用了TRAXENS”技术，该技术能够实现集装箱之间以及船舶的通信，任何时候，TRAXENS系统都能够实时收集数据，并传送到CMACGM集团总部。2.2 日本船舶发展现状日本开始智能化船舶的研究在全球范围内都比较早。1986年，日本东京商船大学等大学实施了“高智能化船舶”研究项目。研究内容包括：船舶操纵系统、新型生活保障和救生设施、自动近岸航行系统、自动生产系统、节能技术。研究工作在“汐路丸”号船舶上进行，这艘船舶装备有以船内局域计算机网络为

11、基础的数据采集和控制系统，这套系统可实现船舶智能化靠离码头。日本智能船舶的研究重点是智能导航等船舶智能系统的研发。2002年，日本由日本船舶机械与设备协会（JSMEA）发起包括27家单位在内“智能船舶应用平台"SSAP）项目，该项目旨在使船岸获取和运用船舶导航系统、机械系统和其他船载设备产生的数据，以提高船舶的安全性和环保性。目前，该系统已经在2艘轮渡Sunflowershiroko”号和原油运输船“shinkyokutomaru”号船舶上完成了实船测试。测试船舶安装的智能化设备与陆地进行通信，指导船舶进行航线规划、船舶性能监测、主机维护、船舶设备使用优化等，能够赋予船舶“会思考”的

12、能力。止匕外，日本船级社与旧M合作，共同成立海事大数据中心，开发软件收集船舶机舱的实时数据，并进行分析，提供船舶设备优化、维修的建议；日本船级社与NAPA合作开发航线优化支持系统，为船东提供航线优化支持，在船舶上得到广泛应用。在智能船舶的研发过程中，日本重视智能船舶标准制定。2015年8月，日本在ISO的船舶与海洋技术委员会上发起的2项国际标准船载海上工况数据服务器和船载机械和设备标准数据立项获得批准，这2项标准是SSAP项目的研究成果。2.3 韩国船舶发展现状在智能船舶研发方面，韩国制定了“智能船舶”（Smartship）X.0规划。韩国智能船舶研发主要由现代重工、大宇、三星重工3家公司主导

13、，现代重工取得的成果相对比较大。该厂智能船舶开发方式是将智能系统应用于运营船舶的模式。现代重工智能船舶研发注重与埃森哲、英特尔、微软和SK航运等公司合作，例如，2015年，它与埃森哲合作共同设计“智能船舶”Connectedships。2016年，现代重工推出OceanLink智能船舶系统，该系统利用通信技术、控制技术和计算机处理技术电子系统整合了现代重工开发的数据平台与埃森哲的信息服务平台为航运系统，为船东提供船舶管理、物流信息、航行信息、应急救援等8大信息服务。2.4 美国船舶发展现状1995年，美国海上系统司令部组建了研究小组着手实施海军“智能舰艇”发展计划。该项目通过海运信息系统（MT

14、S）为“智能舰艇”提供保障，促使海军船舰高度自动化和减少舰员配备，相应减少舰艇上的居住空间、食品和淡水的装载量，实现海军舰艇小型化，降低海军舰艇成本和燃料消耗，达到降低被攻击的目标。美国海军已将一艘“宙斯盾”级巡洋舰作为试验艇用来实施海军的“智能舰艇”计划2.5 中国船舶发展现状在世界已经进入了“工业4.0”背景下。2015年，CCS发布了智能船舶规范，该规范认为智能船舶（商用）由6个功能模块：智能船体、智能航行、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理、智能集成平台。这个规范是全球首部智能船舶规范。2016年6月，中国船舶工业集团公司设计的智能船舶-3.88万吨散货船i-Dolphin船型“大奋

15、”号，该船已经在017年12月交付使用。“大奋”号在设计阶段就实施智能布局，对船舶感知体系、分析体系和决策体系进行智能构建，打造成一个强大、高效的智能船舶操纵平台。国内其他研究机构和大学开展智能船舶研发的情况如下。武汉理工大学Zhao等开发了互联船舶的舰队技术管理系统。同济大学Liu等口研究船舶未来集成动力系统的建设。上海海事大学汤天浩探索船舶智能信息管理系统框架结构和组成方法。海军工程大学刘勇等对智能船舶隔振系统新型设计方案进行研究。山东交通学院李光正等探索整合智能船舶设计路径，构建信息化、智能化、理解和决策控制成为一体化的“智能船舶空间”方式方法。中国舰船研究院陈启楠设计出新的海军舰艇稳性

16、实时监测系统。Liu等研究基于互联网框架构建了“船联网”InternetofShips）的路径。从全球智能船舶研发经历来看，智能船舶是科技发展的产物，也是目前全球经济发展的需要，通过信息技术、互联网整合船舶、港口、货物信息，可以提高船舶运输的安全性、经济性、并达到防污染的目的。随着智能船舶技术的成熟，人们对船舶安全规律的认识的加强，相关国际规则的修改修订完善，智能船舶研究和发展会面临一个非常好的未来。3智能船舶配套技术和研发趋势3.1 智能船舶配套技术智能船舶配套技术包括综合船桥系统、自主航行和避碰、遇险预警救助、状态监测与故障诊断5个方面。综合船桥技术最为重要，它是船舶导航与控制的系统集成，

17、通过船舶系统设备及子系统间的相互联通，能够集中显示和使用船舶不同来源的信息，提高船舶航行自动化程度、经济性、船舶操作和管理效率，保障船舶和船员安全。3.2 智能船舶研发趋势船舶智能化是未来船舶发展的重要方向，有的学者认为未来智能船舶的研究和发展趋势和重点有6个方面：智能船体、机舱、航行、能效管理、货物管理、以及集成平台。也有的学者认为辅助状态监测、能效控制、排放数据监测、辅助决策支持、视情维护保养、远程控制、自主操作7个方面是职能船舶的研究和发展重点。不管怎么样，上述提法的内容对于船舶的自主避碰和航行、安全和船舶结构维护、机械设备监控和维护、船舶航行状态、能耗监控和调整，提高船舶能效管理、货物

18、管理以及形成船上数据与应用的统一平台起到非常大的作用。4智能船舶存在问题和解决方案4.1 面临的问题智能船舶的智能化表现在于信息采集和数据分析的智能或者自主处理。现阶段，船舶仍然需要按规定配备船员，在船舶自动航行靠泊和自动维修方面还有很长的路要走。智能船舶是船舶行业大势，智能船舶何时能实现，一直就存在诸多不同看法，今后智能船舶的研发面临以下几个问题。4.1.1 法规责任承担问题有关SOLAS、STCW、MLC等公约涉及船舶运营当中的船舶安全、合同和侵权责任在船舶无人驾驶时由谁来负责?4.1.2 基础设备的可靠性现在智能船舶研究主要在船舶感应和操纵方面，以达到减少船员的目的。但是，目前船上船员的作用在于船舶管理，而不是船舶操作。船上火灾、船舱污水、发电机跳电等报警本身的事故机理目前还有不清楚的地方，船员在船上的职责定位也众说纷纭，而且目前船舶