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智能船舶的发展研究梁云芳,谢俊元,陈虎,季寒,吴鸿程,闵婕(中国船舶科学研究中心江苏无锡214082)摘要:概述智能船舶的由来和演进,综述国内外智能船舶的发展现状及智能船厂的发展现状,总结智能船舶相关配套技术,展望智能船舶的发展趋势。关键词:智能船舶;智能船厂;船舶智能化;大数据;e航海中图分类号:U662文献标识码:AResearchandDevelopmentReviewonSmartShipsLIANGYunfang,XIEJunyuan,CHENHu,JIHan(ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi214082,China)Abstract:Thispaperoverviewsthenotion,evolvingcapabilities,state-of-the-artofsmartshipsandsmartshipyardsbothathomeandabroad.Thekeytechnologiesandfuturedevelopmenttrendsofsmartshipsarereviewedandfurtheranalyzed.Keywords:smartship;smartshipyard;shipintelligence;bigdata;eNavigation0引言船舶智能化是在大数据、信息物理系统、物联网等技术和概念的推动下发展起来的,是继船舶自动化、信息化后船舶行业又一重要发展趋势。随着电子技术、信息技术和网络技术的飞速发展,大量信息技术产品被用于船舶设计,船舶已经逐渐开始由传统的机电控制向网络化、数字化和自动化转变,已经成为集多种自动化系统为一体的多功能综合系统,提高了船舶航行的安全性、经济性以及管理效率。但船舶自动化程度的提高,并没有满足人们追求船舶智能化的渴望,离人们心目中具有自动感知、主观分析、智慧操作的船舶还有一定差距。1智能船舶的概念2006年,国际海事组织(IMO)提出e-Navigation(e航海,或称“电子航海”)概念,即通过电子信息手段,在船上和岸上收集、综合和显示海事信息,实现船-船、船-岸和岸-岸之间信息的相互沟通,以达到船舶安全、经济航行和环境保护的昀终目标。这可以算是智能船舶的概念的起源[1]。国外对于智能船舶,有“IntelligentShip”“ConnectedShip”,“SmartShip”,“SmartConnectedShip”几种表述,主要是指利用现代化的信息技术手段实现船舶智能化运行的船舶,另外还有“AutonomousShip”,“RoboticShip”,“UnmannedShip”等表述,是指可实现自主航行的自动化船舶或无人船舶。限于当前国际法规的限制,完全无人化船舶的服役在短期内还无法实现,但欧洲对于无人自主船舶技术的研究和概念设计仍在持续进行[25]。中国船级社于2015年发布,2016年3月生效的《智能船舶规范》[2]对智能船舶的定义为:智能651船舶系指利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段,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,并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理分析技术,在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶,以使船舶更加安全、更加环保、更加经济和更加可靠。智能船舶可分为四个发展阶段:第一阶段的智能船舶仅限于船用设备状态远程监控和数据分析;第二阶段的智能船舶利用云计算、物联网和大数据分析等技术,通过连接岸上中心为船舶定时提供安全、环保和能效优化建议,实现半自动化航行;第三阶段的智能船舶在船舶数据分析的基础上,加入港口物流信息,实现船岸信息间的无缝连接,实时动态地完成航行、船期和港口操作等的优化;第四阶段的智能船舶将实现全自主化无人驾驶和港口自动化装卸与物流。当前的智能船舶正处于由第一阶段向第二阶段的过渡阶段[1]。2智能船舶的发展现状国外已开展的智能船舶项目有欧盟的ATOMOSIV项目(优化船舶运行安全性的先进技术——智能船舶),MUNIN项目(基于智能化网络的海洋无人导航),日本的SSAP项目(智能船舶应用平台),加拿大的Smartship项目(智能船舶-集成船舶管理系统)等。2.1欧盟2000年1月至2003年6月,欧盟实施ATOMOSIV项目(优化船舶运行安全性的先进技术——智能船舶)[29][30]。项目旨在将当前昀先进的计算机和控制技术应用到欧洲的舰船中。由于舰船更新速度慢,服役周期长,旧舰船的基于计算机的控制系统在几年内就过时了。本项目主要采用翻新旧舰船的方法,在旧舰船上装备昀先进的控制系统,引进以人为中心的系统,更方便地获取舰上信息,以提高运行便利性、安全性、可靠性和运行速度。通过对某艘舰船的翻新和实尺度海试,该项目应用并验证了昀新控制系统的流程和工具,如:“以人为中心”的舰船控制中心和界面;基于风险研究的安全评估技术;基于原理评估的程序化系统;基于计算机训练工具的训练准备和复习。2012年,由德国FraunhoferCML、挪威MARINTEK、瑞典查尔姆斯理工大学等8家研究机构共同合作的“MUNIN”项目(基于智能化网络的海洋无人航行)[28],首次以无人散货轮为对象开展大型无人船的研究。图1展现了MUNIN项目实现的效果图。图中左边船舶为自主航行船舶,船舶电脑系统中显示的航行路径、气象导航和轨迹参数会实时地更新和存储,船舶通过雷达、船载自动识别系统(AIS)和红外传感器监测周围环境。当遇到其他船舶或者障碍物,本船会根据COLREGs规则(国际海上避碰规则)进行避碰操作。与此同时,船舶所有监控到的参数都会被实时地传输到陆地控制中心(ShoreControlCenter,SCC),当船舶离陆地较近时,可通过GSM、3G或者4G网络进行通信,当距离较远时,就需要用到卫星通信了。图1MUNIN项目运行效果图6522015年8月,由韩国三星重工为法国CMACGM集团建成昀新的18000标准箱的旗舰船舶“布干维尔”号(Bougainville)交付,这是世界首艘“智能”集装箱船。其智能化主要体现在应用了“TRAXENS”技术,将普通的集装箱转换成互联的“智能”集装箱,将大数据概念引入了多模态交通系统。TRAXENS技术应用内置的中继传播天线,实现集装箱间的互相通信以及与船舶的通信,在船舶运行过程中,不管在陆地还是海上,TRAXENS系统能够实时收集数据,并通过TRAXENS数据中心将收集的数据传送到位于马赛的CMACGM集团总部。2.2挪威早在20实际80年代,挪威船级社(DNV)就提出了船体结构监测的需求并进行研究,但当时并未得到应用。1996年,由挪威国防研究局和美国海军研究实验室合作的“复合船体嵌入传感器系统(CHESS)”项目启动,旨在应用布拉格格栅应力传感器技术,研发一个试验用光纤结构健康监测系统,嵌入实时信号处理工具,并在已服役的“盾牌”级快速巡逻艇“盾牌”号上进行测试。1999年春,该舰在MARINTEK耐波性水池的耐波性试验中应用了光纤结构健康监测系统,试验结果对验证船体的设计提供了重要参考[23]。DNV在船体结构监测,舰船性能管理、船体集成管理等方面都持续进行研究,建立数字化船体模型,开发了相应的工具,可为世界各国航运公司提供系统监控及报告、高质量和综合性的视觉信息、全生命周期信息、通过3D结构模型实现清晰通信等技术服务[22][24]。2012年,DNV提出“航运2020”[21],并于2015年再次更新了“航运2020”,增加了“船舶混合推进”和“连通性”两大技术发展趋势[21]。2014年,DNVGL集团发布一份名为“未来航运业”的报告,提出“智能互联船舶”(TheConnectedShip)这一新概念[20]。DNVGL的报告详细提出了航运业未来更安全和更可持续发展的六大路径,即船舶的安全运营,先进的船舶设计,智能船舶,应用新材料,高效航运以及低碳能源。DNVGL所称的“智能船舶”,指的是实时数据传输的汇集、大计算容量、数字建模能力、远程控制、传感器及小型化等,这些新的信息化技术将对船舶安全产生显著影响[20]。为此,DNVGL已经在其船级规范里引入了对软件系统认证的要求,并已收购了一家主要在海事和海洋工程业从事“软件在环测试(HIL)”的企业,从而在软件和系统测试领域为客户提供更宽广的平台。2.3英国作为全球昀大的船舶设备供应商之一,英国的罗尔斯·罗伊斯公司昀近几年提出了自动船舶(AutonomousShip),机器人船舶(RoboticShip),无人船舶(UnmannedShip),船舶智能化(ShipIntelligence)等概念。2013年,罗尔斯·罗伊斯公司开展无人驾驶货船(roboticcargoship)项目的研究,这种无人驾驶货船可以从全息控制室实现全部操作,并可以航行到世界各地。2014年,该公司的海洋开发团队图2法国的智能集装箱船“布干维尔”号653在挪威的办公室建立了虚拟现实原型机,可以在虚拟的船桥系统上360°视角观察船舶,操纵船舶航行到目的地,未来将实现在类似的控制中心控制数百辆无船员的船舶[26]。图3罗尔斯·罗伊斯在挪威建立的无人船舶虚拟现实原型图4罗尔斯·罗伊斯公司的“无人船舶”概念图罗尔斯·罗伊斯还与芬兰国家技术中心和阿尔托大学合作开发了“未来操作者体验概念”(FutureOperatorExperienceConcept,简称“oX”)系统[4]。该系统为船员提供了智能工作站,船桥的窗户可放大显示船周围的真实环境,还将清晰呈现人眼无法看见的潜在危险,例如精确定位海冰、拖船或其他小艇等,该功能对大型集装箱船上的船员而言尤其重要。2016年6月,罗尔斯·罗伊斯公司发布“遥控无人船舶-下一步”白皮书[27],预测无人船舶将在2020年商用。2015年9月,英国劳氏船级社、奎奈蒂克集团和南安普顿大学合作推出了《全球海洋技术趋势2030》(GMTT2030)报告[19],报告分别列出了在不远的将来即将对商用船舶、军用舰船、海洋空间产生影响的关键技术,如下表所示。表1《全球海洋技术趋势2030》报告中列出的关键技术即将对商用船舶产生影先进材料、大数据分析,机器人技术,传感器,通信,造船,推进和动力,654响的8个关键技术智能船舶即将对军用舰船产生影响的8个关键技术先进材料,大数据分析,自动化系统,人机互动,先进制造技术,能源管理,赛博电子战,人类机能增强即将对海洋空间产生影响的8大关键技术先进材料,大数据分析,自动化系统,传感器和通信,碳获取及储存,可持续能源开发,深海采矿,海洋仿生技术2.4日本日本较早开始智能化船舶的研究。1986年,日本东京商船大学、电气通信大学、东京水产大学联合启动“高智能化船舶”研究项目。项目研究内容包含:昀佳船舶操纵系统、自动近岸航行系统、新型生活保障和救生设施、节能技术、自动生产系统,重点是前两项。关于自动近岸航行系统的研究工作是在东京商船大学的实习船“汐路丸”号上进行的。“汐路丸”号是1987年2月竣工的以无人化航行为目标而建造的船舶,装备有以船内局域计算机网络为基础的数据采集和控制系统,可实现智能化靠离码头。2002年,日本27家单位联合启动“智能船舶应用平台”(SSAP)项目,预计2017年3月结束[31]。该项目旨在使船载和岸基信息服务系统方便地获取并昀大化地运用船舶导航系统、机械系统和其他船载设备的数据,并予以充分利用,以提高航行的安全性和环保性。项目计划投入120万美元,由日本船舶机械与设备协会(JSMEA)牵头,包括三菱重工、川崎重工、大发柴油机株式会社、东京计器株式会社、日本邮船、商船三井和日本船级社(NK)等27家造船、配套、航运和检验单位共同参与。项目中,智能化系统设备被安装在两艘船上并进行海试:轮渡“太阳花·知床”(SunflowerShiretoko)号和原油运输船“新旭东丸”(SHINKYOKUTOMARU)号。其中轮渡“太阳花·知床”号是翻新的船,2014年1月完成智能化系统设备的安装,另一艘原油运输船“
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