智能船舶的技术发展现状与展望.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 27 日 作者简介：陈斌(1983)，男，汉族，上海人，本科学历，助理工程师，研究方向为船舶智能航行。-10-智能船舶的技术发展现状与展望 陈 斌 中海电信有限公司，上海市 200090 摘要：摘要：随着科技的飞速发展，人工智能技术逐渐渗透到各行各业，为传统产业带来了智能化、自动化的变革。在航运业，智能船舶已成为备受关注的新兴领域，有望改变未来航运业的格局。智能船舶是一种新型的船舶，利用现代科技手段，实现了船舶各个方面的自动化和智能化。基于此，文章围绕智能船舶的概念，从智能船舶的技术发展现状入手，对未来发展趋势进行展望，以期望能够有效推进智能船舶技术高质量发展。关键词：关键词：智能船舶；技术；发展现状；展望 中图分类号：中图分类号：U664 0 引言 智能船舶作为航运业未来的发展趋势，将为航运业带来前所未有的发展机遇。我们有理由相信，在不久的将来，智能船舶将在世界航运舞台上大放异彩，为人类开启全新的航海时代。1 智能船舶的概念 智能船舶是一种新型的船舶，利用现代科技手段，实现了船舶各个方面的自动化和智能化。智能船舶的核心技术包括传感器技术、通信技术、物联网技术、互联网技术、计算机技术、自动控制技术和大数据处理分析技术等。通过这些技术，智能船舶可以自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据，并对其进行分析和处理。首先，在船舶航行方面，智能船舶可以实现自主航行和智能避障，提高了船舶的安全性和可靠性。智能船舶还可以通过大数据分析和计算机模拟，预测海上气象和海况，为船舶提供更加准确的航行指令和决策支持。其次，在船舶管理方面，智能船舶可以实时监测船舶各个系统的运行状态，自动进行故障诊断和维护保养，提高了船舶的可靠性和维修效率。智能船舶还可以通过物联网技术和互联网技术，实现船舶与港口、物流公司、保险公司等各方的信息共享和协同操作，提高了船舶的管理效率和运输效率。最后，在货物运输方面，智能船舶可以通过物联网技术和大数据分析技术，实现货物的自动化装卸、运输和跟踪，提高了货物的安全性和运输效率。智能船舶还可以通过互联网技术，实现货物运输的在线预订和跟踪，为物流企业提供了更加便捷和高效的运输服务1。总之，智能船舶是一种集自动化、智能化、信息化和网络化于一体的现代化船舶，将大大提高船舶的安全性、可靠性、经济性和管理效率，为船舶运输和物流行业的发展注入新的动力。2 智能船舶的技术发展现状（1）智能航行系统“自主无人船舶”的议题在 2017 年，由国际海事组织提出，其关注日益剧增，而水面自主船舶试航暂行指南于 2019 年正式批准，旨在规范和指导自主无人船舶的试航活动，以确保其安全可靠，为未来智能船舶的发展和应用提供参考。目前，智能航行系统的研究和应用大多集中在小型船舶上，主要是因为智能航行技术尚处于发展初期，技术成熟度和可靠性相对较低。在小型船舶上进行试验和应用，不仅可以降低技术风险，而且有利于加快技术成熟和推广，体现在：首先，船舶态势感知。通过安装在船舶上的各类传感器，实时收集船舶周围环境信息，例如，海洋环境、气象条件、附近船舶动态等，利用大数据分析技术，为船员提供准确的船舶运行状态和态势感知。同时，通过远程遥控技术，实现对船舶的实时监控和控制，使船员可以在远离船舶的地方进行驾驶和操作，提高船舶运行的安全性和便利性。其次，自主航线优化。利用人工智能和大数据分析技术，对船舶的航线进行优化，使其在保证安全的前提下，实现更高效、更经济的航行。最后，开阔水中国科技期刊数据库 工业 A-11-域的辅助避碰。主要是在开阔水域，智能航行系统可以辅助船员进行避碰操作，避免发生碰撞事故，提高船舶的安全性。以“Falco 号汽车渡船”为例，作为全球首艘全自动渡船，不仅能够通过指挥中心进行远程控制，而且也可以完全自主运行。又例如，“Folgefonn号渡船”，对自动靠泊系统进行了试验，能够在 3 条港口航线中完成自主操作，为全面自动化航行以及全无人操作的完善奠定基础2。从国内智能船舶研究现状来看，智能航行是需要突破的关键核心技术之一。武汉理工大学科研团队凭借其卓越的创新能力，成功开创了“航行脑”智能航行系统，这一突破性的技术实现了船舶智能航行的全过程，包括感知、认知、决策与控制。这一系统无疑是我国船舶自动驾驶技术发展史上的重要里程碑。2019 年 5 月，全球首艘智能集装箱船“荷花号”交付运营，其智能航行系统能够通过感知航行态势，智能切换船岸通信路由，构建船岸协同的航路选择模式，实现船舶航行风险、时效、成本和能耗的综合优化，保障航行安全。此外，“智腾号”的自主航行与自主碰撞试验成功完成，其功能包括远程遥控、自主靠离泊、自动避碰等，将会在小型自主航行集装箱船中应用。（2）智能机舱系统 目前，智能机舱系统的研究重点集中在机舱综合状态监测诊断系统，目前已经有比较成熟的诊断系统。MANDiesel&Turbo 公司，作为行业的领导者，就瞄准了未来的发展趋势，开发出了计算机控制故障监测系统。这一系统在当时无疑是船舶行业的重大突破，利用计算机技术，能够实时监测船舶设备的运行状态，对故障进行预警和诊断，大大提高了船舶的安全性和运行效率。芬兰的瓦锡兰公司开发的 MAPEX 状态监测诊断系统，能够通过对柴油机状态参数的实时监测，实现对柴油机活塞环磨损趋势的预测，对气缸内燃烧状态的评估，以及对柴油机轴系健康情况的分析。这一系统的出现，使得船舶柴油机的运行状态能够被全面、准确地掌握，为船舶的安全运行提供了有力保障。德国的 LEMAG 公司，则推出了他们的柴油机在线监测系统。而 EUB 研究所的故障诊断系统，更是以其高度的精准性和可靠性，赢得了船舶行业的广泛认可。这两套系统的出现，进一步提高了船舶设备的状态监测和故障诊断能力，为船舶的安全运行提供了更加坚实的技术支持。挪威的 Kongsberg 公司和美国 KYMA 公司，也分别开发出了他们的发动机状态监测系统。这两套系统都以其高度的智能化和自动化，赢得了船舶行业的青睐。尤其是 Kongsberg 公司的系统，已经成功应用于实船，其优异的性能和可靠性，得到了广大船员的一致好评。韩国现代重工的“智能船舶 1.0”计划，开发出了基于有线/无线船舶综合管理网通讯技术的船舶主机远程监控系统。系统借助信息与通信技术，优化了 460 多种设备部件的综合管理，其远程技术不仅实现了对船舶设备运行状态的实时监控，还促进了远程维修技术应用。这一系统的出现，无疑为船舶行业的发展注入了新的活力，引领了船舶行业的新潮流。在我国的航运业中，智能化的脚步已经越来越近。以某大型智能散货船为例，该船通过运用先进的数据采集及测量技术，实时收集船舶机舱的各种热工参数和振动数据。然后，通过状态分析及预测技术，对收集到的数据进行深度分析，以实现对故障的分析和关键状态趋势的预测。此外，该船还搭建了机舱设备状态监测及健康管理系统架构。这个系统能够对机舱设备的状态进行实时监测，对可能出现的故障进行预警，对设备的健康状况进行评估，从而有效地延长了设备的使用寿命，提高了船舶的运行效率3。（3）智能能效系统 在全球范围内，越来越多的企业开始关注船舶能效的问题，并研发出了一系列先进的能效管理软件系统。这些系统可以通过分析船舶的营运参数，为船舶提供最佳的纵倾角度，从而降低燃油消耗和二氧化碳排放量，提高船舶的能效。其中，“ECO-Assistant”船舶能效软件系统就是一个典型的例子。该系统可以通过收集船舶的营运参数（如航速、排水量和水深等），然后利用这些数据计算出特定船舶的最佳纵倾角度。这一技术能够有效降低燃油消耗和二氧化碳排放量，最多可以提升 6%的效率。而且，这一系统投资回收期短，仅需几个月的时间，就能够收回投资。除了“ECO-Assistant”系统，韩国三星重工也开发出了船舶能效管理系统。这套系统利用数据采集技术、远距离数据传输技术、数据库和计算机软件等技术，提高了能效管理系统的集成度和智能化水平。据实验数据显示，这套系统至少可以节省 15%的能耗，对于大型船舶来说，这是一笔不小的能源消耗节省。此外，冰岛的 Marorka 公司也开发出了一套船舶能效管理系统。这套系统能够通过监控船舶性能参数，综合分析船舶中国科技期刊数据库 工业 A-12-运行数据、航次计划和能效评估等信息，形成高精度的航线优化和纵倾优化方案。这套系统以其精密的计算模式和可靠的系统表现，赢得了业内的广泛好评。沪东中华造船（集团）有限公司，作为我国知名的大型船舶制造企业，一直以来都致力于推动船舶行业的发展和进步。近日，该公司为中远海运集团设计建造了首艘获得 CCS 认证的智能能效管理船舶中远海运乞力马扎罗号，这无疑是我国船舶制造行业的一大里程碑。中远海运乞力马扎罗号采用了先进的智能能效管理系统，该系统不仅可以实时监测船舶的能耗水平，还能够为船员和船东提供能效优化辅助决策。不仅可以有效地提高船舶的能效，降低运营成本，同时也有助于减少船舶对环境的影响，实现绿色航运。该智能能效管理系统采用了多项先进技术，包括数据采集、数据分析、预测模型等。通过这些技术，系统可以对船舶的能耗进行精确监测和分析，从而为船员和船东提供优化建议。例如，系统可以分析船舶在不同航速下的能耗情况，为船员提供最优航速建议，以降低能耗。此外，系统还可以根据历史数据和当前环境条件，预测船舶未来的能耗趋势，为船东提供决策依据。这样，船东可以根据预测结果，调整船舶的运营策略，以实现更好的能效和更低的运营成本4。（4）智能集成平台系统 20 世纪 80 年代，国外对船舶数字化平台管理系统加大了研究力度。目前，ABB、SAM、Konsberg 等公司，所提供的综合平台管理系统都比较成熟。在这个系统中，采取的是分布式控制策略和通用的通信协议。这种策略和协议使得各个子系统之间能够进行顺畅的数据信息交互，从而增强了系统的逻辑性。无论是船员还是管理人员，都可以更加方便地获取和处理船舶运行所需的各种信息。此外，这个系统还具有较强的适应性和兼容性。无论是传统的船舶还是现代化的智能船舶，都可以通过这个系统进行有效的管理。这无疑大大提高了我国船舶行业的管理效率和管理水平。我国荷花号智能集装箱船采用“1+N”智能体系框架，这是一个高度集成，全面覆盖的智能化体系。首先，智能机舱系统负责船舶的动力和能源管理，通过实时的数据监测和分析，可以精确控制船舶的能耗，提高能源利用效率。其次，智能航行系统则通过先进的数据处理和导航技术，能够实现船舶的自动驾驶和自动避障，大大提高了航行的安全性和效率。最后，智能能效系统则可以对船舶的能源使用情况进行全面监测和分析，提出能效优化建议，帮助船舶实现绿色航行。此外，山东新时代轮，更是搭载了增强视觉辅助航行和 3D 影像智能辅助靠泊功能，使得船舶的航行和靠泊过程更加智能化和自动化。同时，这艘船还具备远程监测、远程运维和远程管控三个维度的船岸交互服务能力，可以通过网络实现对船舶的实时监控和管理，大大提高了船舶的管理效率和管理水平5。三、智能船舶的技术发展趋势 在未来，智能船舶的发展将会进一步推动船舶行业的技术革新。在感知、认知、决策、控制和执行等功能模块上，将会出现一系列新型智能系统。首先，船用智能机器人将会成为船舶上的重要成员，将能够执行各种任务，包括维修、保养、货物搬运等。可以在恶劣的环境中工作，提高工作效率，减少船员的工作负担。同时，通过远程控制，船员可以在舒适的驾驶室里操作船舶，减少在恶劣天气中工作的风险。其次，自动靠离泊系统将会大大提高船舶在港口的操作效率。系统可以通过自动控制船舶的动力和舵机，实现船舶的精确定位和靠离泊操作。将大大减少船舶在港口的停泊时间，提高运行效率。同时，自主避碰系统则是船舶航行安全的重要保障。系统可以通过先进的感知和认知技术，实时监测周围环境，预测碰撞风险，并自动采取避碰措施，将有效降低船舶在航行过程中的安全风险。第三，船岸协同系统将进一步促进船舶与陆地之间的信息交流。通过这个系统，船舶可以实时接收和处理来自陆地的各种信息，例如，气象预报、航行指令等。将有助于提高船舶的航行安全性和运行效率。同时，船舶排放监控系统将会对船舶的环保性能进行实时监测。这个系统可以实时监测船舶的排放数据，并根据监测结果调整船舶的运行参数，实现绿色航行。最后，还有货物智能管理系统（装卸货）将实现船舶货物运输的自动化管理。这个系统可以通过智能算法，自动规划货物的装卸顺序和运输路线，提高船舶的货物运输效率6。总之，未来智能船舶的发展将会催生出一系列新型智能系统，将使得船舶的运行更加高效、安全、环保。这将推动船舶行业迈向一个全新的时代。中国科技期刊数据库 工业 A-13-参考文献 1李震邦.数字孪生技术与智能船舶发展J.船舶工程,2022,44(S1):543-547.2张宝晨,耿雄飞,李亚斌等.船舶智能航行技术研发进展J.科技导报,2022,40(14):51-56.3谢燮.智能船舶技术创新先于制度创新J.中国航务周刊,2022(30):27.4谢鹏.智能航海发展现状及其影响J.中国航务周刊,2022(29):43-45.5 李 沨,张 双 喜,华 霖.船 舶 舵 机 智 能 运 维 系 统 的 设 计 与 实 现 J.上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学报,2022,45(03):38-43.6李亚斌,王玉.船舶智能航行技术发展与展望J.中国水运,2022(06):53-55.