船舶智能化研究现状与展望-柳晨光

SHIPENGINEERING船舶工程Vol.38No.32016总第38卷，2016年第3期 —77—船舶智能化研究现状与展望柳晨光1,2，初秀民1a,2，谢朔1,2，严新平1,2（1．武汉理工大学，a.智能交通系统研究中心;b.能源与动力工程学院，武汉430063；2．国家水运安全工程技术研究中心，武汉430063）摘要：船舶智能化是在综合传感、通信、信息、计算机等多种先进技术的基础上，结合船舶具体应用环境，构建基于大数据、信息物理系统和物联网等特征的智能系统，使船舶航行、管理与服务更高效、更低耗、更安全和更环保。文章从大数据、信息物理系统、物联网三个方面介绍了船舶智能化的主要特征，从船舶智能航行和船舶智能管理与服务两个方面分析了船舶领域智能化的现状和展望。在船舶智能航行方面，探讨了综合船桥系统和无人驾驶的发展方向；在船舶智能管理与服务方面，分析了水路ITS、交通流理论和数据分析方法的最新发展，并提出了基于可视分析解决船舶管理大数据处理的流程。关键词：船舶智能化；大数据；信息物理系统；物联网；综合船桥系统中图分类号：U664.8文献标志码：A【DOI】10.13788/j.cnki.cbgc.2016.03.077ReviewandProspectofShipIntelligenceLIUChen-guang1,2,CHUXiu-min1a,2,XIEShuo1,2,YANXin-ping1,2(1.WuhanUniversityofTechnology,a.IntelligentTransportSystemResearchCenter;b.SchoolofEnergyandPowerEngineering,Wuhan430063,China;2.NationalEngineeringResearchCenterforWaterTransportSafety,Wuhan430063,China)Abstract:Basedonmanyadvancedtechnologies,suchassensing,communication,informationandcomputerandsoon,shipintelligencestructuresanintelligentsystempossessingthecharacteristicsofbigdata,cyber-physicalsystems(CPS)andinternetofthings(IOT)inconsiderationofspecificapplicationenvironment.Theshipintelligencecanmakeshipmoreefficient,lowerconsumption,saferandgreener.Inthispaper,intelligencefeaturesincludingbigdata,CPS,IOTarepresented.Reviewandprospectofshipintelligencearedescribedfromtwoaspectsthatareintelligentnavigation,intelligentmanagementandservices.Forintelligentnavigation,anIntegratedBridgeSystem(IBS)andunmanneddrivingtechnologiesareintroduced.Forintelligentmanagementandservices,thelatestdevelopmentsofwaterwayITS(intelligenttransportationsystem),vesseltrafficflowanddataanalysismethodareintroducedandaprocedureofprocessingshipmanagementbigdatabasedonvisualanalysisisproposed.Keywords:shipintelligence;bigdata;cyber-physicalsystems(CPS);internetofthings(IOT);IntegratedBridgeSystem(IBS)0引言国际与国内贸易量的日益增加对交通运输的效率、安全与节能提出了新的挑战。航运作为一种重要的贸易运输方式，如何提高其运输载体——船舶的智能化水平是亟待解决的关键问题。近年来，在传感、通信、计算机、信息、自动化、智能控制等技术的引领下，船舶智能化发展较快并取得了一些新的成果。在船舶智能航行方面，计算机技术、传感器技术、通信技术、信息技术的进步推动了船舶导航设备、自动化设备、环境感知设备的更新与升级，物联网技术、信息物理系统和大数据技术的应用加快了船船、船岸之间信息交互的发展，这为构建新一代综合船桥系统（IntegratedBridgeSystem,IBS）提供了必要的基础。新一代IBS具备完善的综合导航、自动操船、故障自动诊断、自动避碰和报警等功能，通过对船舶周围和自身状态的监控，既保证了船舶的航行安全也节约了收稿日期：2015-09-13；修回日期：2016-03-18基金项目：国家自然科学基金（61273234）作者简介：柳晨光（1988—），男，博士研究生。主要从事交通运输工程专业和船舶智能化方向研究。智能船舶 —78—运营成本。此外，IBS的发展和人工智能的突破也为实现船舶无人驾驶提供了可能。目前美国、以色列等海洋强国已将无人驾驶的无人艇用于执行军事任务和海洋气象信息获取[1]。全球昀大的船舶设备供应商之一的英国罗尔斯·罗伊斯公司已开展无人驾驶货船项目的研究，预计10年内将有第一艘无人驾驶货船投入使用[2]。与汽车无人驾驶相同，船舶无人驾驶必将成为现实。考虑到船舶无人驾驶是一个高度复杂、计算量大、可靠性要求极高的过程，很多相关理论和技术仍需进一步研究和应用。在船舶智能管理与服务方面，船舶交通服务（VesselTrafficServices,VTS）系统在港口船舶管理、内河交通管理中仍发挥着重要作用，但目前的VTS系统仅限于在重要水域进行覆盖，主要依靠雷达、船载自动识别系统（AutomaticIdentificationSystem,AIS）和语音等手段进行船岸交互，无法实现对航行船舶的全程监控和管理[3]。一些新兴的技术正在促进船舶管理与服务的发展，如，长江电子航道图3.0版能实时提供船舶航行相关的水深、虚拟航标、航线设计、安全预警、水位预测、主缓流信息服务等功能，保障了船舶航行安全[4]；欧洲内河信息服务（HarmonizedRiverInformationServices,RIS）是欧洲为支持内河航运、交通管理、运输管理以及多式联运而提出的信息协同服务理念，为用户提供了电子江图、法律法规、船舶登记等静态信息以及船舶位置、货物信息、预计达到时间等动态信息[5]；船讯网借助岸基AIS、卫星AIS和海事卫星等手段获取全球范围内船舶实时信息并利用WebGIS在互联网上实时显示；智能化船舶电子签证管理系统实现了不停船签证[6]。本文首先介绍船舶智能化的特征，包括大数据、信息物理系统和物联网；然后从船舶智能航行、船舶智能管理与服务两个方面对船舶智能化进行分析和探讨；昀后对未来船舶智能化总体发展进行了总结，提出了未来应解决的关键问题。1船舶智能化特征1.1大数据“大数据”是一个体量特别大、数据类别特别大的数据集，具有规模大、种类多、生成速度快、价值巨大但密度低的特点[7-9]。随着信息和通信技术的发展以及通信成本的下降，建立覆盖全球的船舶营运和管理数据中心已成为可能。目前，国际航运大公司已实现在全球范围内监控所属船舶的位置和航行状态。在内河水域已能实现对船舶位置、航行状态、机舱主要设备实时参数以及驾驶员行为（包括声音和动作）的监控。这些监控数据具有4个“V”——Volume（体量浩大）、Variety（模态繁多）、Velocity（生成快速）和Value（价值巨大但密度低）的特点，属于大数据范畴。因此，为更好服务于船舶营运与管理，需找到适合船舶领域的大数据挖掘和分析方法。大数据分析的理论和方法可划分为两类：一类是从机器或计算机的角度出发，强调机器的计算能力和人工智能，以各种高性能处理算法、智能搜索与挖掘算法等为主要研究内容，例如各类面向大数据的机器学习和数据挖掘方法等；另一类是从以人作为分析主体和需求主体的角度出发，强调基于人机交互的、符合人的认知规律的分析方法，意图将人所具备的、机器并不擅长的认知能力融入分析过程中，这一研究分支以大数据可视分析为主要代表[10]。大数据应用是利用大数据分析的结果为用户提供辅助决策并挖掘潜在价值的过程[11]。物联网不仅是大数据的重要来源，还是大数据应用的主要市场。构建船舶物联网（船联网）时，为实时跟踪、监控船舶，需在船舶上安装定位、通信、监控等设备。分析船舶大数据可产生如下价值：1）通过分析船舶设备状态和备件情况，昀优化备件配置；2）通过分析航速、气象、水文、靠泊港口日程，为某船制定昀经济安全的航线；3）通过分析船舶主机能耗、航速等数据，可为某船设定昀经济航速；4）通过分析某航段所有船舶的历史流量和轨迹，可为在该航段设立助航设施提供参考；5）通过分析某航道当前所有船舶位置，可提供实时交通流数据，为实行交通流管控提供依据。1.2信息物理系统信息物理系统（Cyber-physicalSystems,CPS）是计算进程与物理进程的集成和相互影响，即通过嵌入式计算机和网络实现对物理进程的检测和控制，并通过反馈循环实现物理进程对计算进程的影响[12]。不同于传统的有关计算系统和物理系统的观念，其将信息世界（CyberSpace）与物理世界（PhysicalWorld）通过自主适应、反馈闭环控制方式紧密结合起来[13]，在功能上主要考虑性能优化，是集计算、通信与控制3C（Computation,Communication,Control）技术于一体的智能技术，具有实时、安全、可靠、高性能等特点[14]。在分布式系统物理设备间的协调过程中，通信至关重要，CPS的先进性体现在把通信放在与计算和控制同等的地位上，同时，对于异构信息还具有很好的适应能力，能覆盖不同属性的网络，不同于无线传感网络和物联网，其网络中除包含传感器节点外还包含了执行器/控制器节点，允许系统中部分部件动态地退出和进入，具有很好的容错性[14]。智能船舶恰好是一种符合CPS所针对的复杂、异构、可靠性要求高的应用系统。智能化的实现需包括船舶自身的航行状态、周围环境、设备状态以及船舶间、船岸间交互等多源异构信息的支撑。图1表示一般形式下的CPS系统体系结构[15]，与传统的传感网络不同，传感器和执行器节点均在体系结构中占有重要柳晨光等，船舶智能化研究现状与展望 —79—地位，用户是反馈过程中的重要一环，CPS中的节点具有协同和自治的能力。在当前的船舶系统结构中仅有传感节点，通信是以主控节点为中心，相互间无连接，这样势必会影响不同子系统间的通信，使得系统运行效率和可靠性降低。图1CPS体系结构的一般形式CPS推动船舶智能化主要表现在以下方面：1）提高了船舶航行的安全性。随着船舶自动化程度的提高，船舶配员配备逐渐减少，提高船舶整个系统的可靠性是船舶安全的重要保证。目前已有学者将复杂网络理论应用于CPS设计中，建立了预防、检测、防御性修复、系统复原和制止相似攻击等抵制攻击的CPS安全机制，用以提升网络的稳定性、安全性和实时性[15]。另外，CPS所具有的容错性能够保证系统出现故障后稳定运行。2）提高了船舶运行的效率。CPS设备采用分散式布控，在各节点自主感知控制的基础上，结合中枢可调节反馈控制来实现系统的调度与决策，通过赋予节点自治性，优化控制模型的精准度，实现系统的自主自适应调节，提高系统响应速度和执行效率，实现在信息反馈到决策者的同时，利用执行器在当地实时处理和解决问题，使得CPS具有更高的性