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      智能化船舶的發展和對未來航運業的影響

       摘要:在全球貿易中,海運承擔著主導地位,很多大宗商品例如石油、天然氣、鋼鐵、煤炭,相當一部分都需要通過海運來完成運輸。從2020年初到今天,新冠疫情席卷全球,不僅沖擊了全球的經濟,也給我們的正常生活帶來困境。海運憑借其運輸量大、運輸成本低的特點,對全球經濟的復蘇起到非常關鍵的作用。造船業與海運業密切相關,不可分割,造船業的興衰也影響著海運業的發展。受疫情影響,海運的運營成本不斷提高,如何造出經濟性更好、更加安全穩定的船舶成為全球造船業共同探討的話題。智能化船舶成為未來海運發展大趨勢,智能化船舶的研究也逐漸被各國提上日程。本文收錄了一些關于智能化船舶的發展狀況的闡述以及智能化船舶對未來航運影響的分析,希望對相關工作者在以后的研究中能夠提供幫助。

       關鍵詞:船舶;智能化;海運

       1緒論

        1.1選題背景

      當今的時代大背景,是信息化的時代??萍荚陲w速發展的同時,也不斷滲透到我們的生活中,“智能”這個逐漸廣為人知的詞匯,也慢慢變成我們周圍各個事物的新標簽。小到智能手機、智能電視、智能手表,大到汽車、飛機、輪船、火箭,都伴隨著科技的飛速發展變得越來越“智能”。從2020年初到今天,新冠疫情席卷全球,沖擊全球經濟的同時也給正常的國際貿易帶來困境。而在國際貿易中,海運承擔著主導地位,很多大宗商品例如石油、天然氣、鋼鐵、煤炭,都需要通過海運來完成運輸。海運也憑借其運輸量大、運輸成本低的特點,對全球經濟的復蘇起到非常關鍵的作用。同時,海運業自身也正在快速發展,讓船舶更加智能,操作更加便捷,航行更加安全,對環境更加友好,也是未來的大趨勢。世界各國的造船業和航運業對智能化船舶的發展予以了相當的重視,我國智能化船舶的發展也正在穩步進行,但雖然我國的智能化船舶在船舶類型和制造標準規范等方面基本達到了國際先進水平,但想要在船舶制造業實現彎道超車,制造出世界一流的智能化船舶并成為行業領跑者,我們仍舊需要針對智能化船舶的技術創新和其市場化發展等問題繼續探索最佳的解決方案。

      1.2研究目的及意義

      我國造船業在全球市場的份額一直處于領先地位,造船完工量、新接訂單量和手持訂單量多年保持全球第一。在激烈的全球市場的競爭中能交出這樣一份答卷似乎是一個不錯的成績。但是全球最多的訂單量換來的卻是最低的整體利潤率,技術實力低,即便產出很高,利潤卻沒有多少。近幾年我國航母一艘接一艘下水,深水潛艇和潛水器的制造水平也在全球領先,但術業有專攻,雖然我國在軍用船舶上后發制人,以大國重器立足世界,但在民用商用船舶上,制造技術的確還沒有精進。事實上,我國船舶制造業訂單量雖然是世界第一,但里面大部分訂單都是散貨船,卻沒有多少訂單是專用技術船只。在船舶制造行業里,一艘高價值的商用船和一艘普通的散貨船,單個利潤差距可以說是天壤之別。我國工信部副部長辛國斌同志也指出:中國船舶工業大而不強的狀況并沒有明顯改變。這也提醒了我們,我們不能只著眼于造船數量的多少,更要注重發展具備新技術、更加安全、更加智能的新型船舶,在提升市場占有率的同時更進一步提升品牌競爭力。尤其是一些大型集裝箱船,還有像LNG船(液化天然氣船)這樣制造難度大、高度自動化的船舶,我們仍然需要投入大量精力到其研發與制造中去。我們可以試想,如果所有在我們浩瀚的海洋中航行的船只都可以自動導航、自主繪制航線、獨立思考,而不需要任何人為的投入,那會怎么樣呢?當下只有掌握了核心技術和制作工藝,制造出具備更高技術、更加智能化的船舶,才能在未來的造船市場中擁有話語權,才能拓寬在全球造船業的市場,在將來激烈的國際競爭中站穩腳步。

       1.3國內外研究現狀

        1.3.1國內智能化船舶發展狀況

      自2014年起,我國已廣泛開展了智能化船舶的研發工作,中國船舶工業集團自主研發的智能化船舶就是其中的代表。2017年12月,“大智”號正式交付使用,這也讓它成為世界首艘通過船級社認證的智能化船舶,“大智”號也獲得了英國勞氏及中國船級社頒發的智能化船符號?!按笾恰碧柍休d了我國自研的智能航行系統、船舶智能運行與維護系統以及船舶智能集成信息平臺,同時也具備自主學習能力,船舶的管理和操作也因此獲得有力支持。2018年11月,智能超大型礦砂船(VLOC)“明遠”號正式交付使用。明遠號的交付,標志著中國智能化船舶進入了一個全新的時代?!懊鬟h號”上有7個貨艙和1個液化天然氣艙,其載貨量可以達到40萬噸。如果按照每節火車車廂能夠運輸60-70噸的礦石計算,明遠號的運量就相當于6600多節火車皮。在航行速度、操縱性、耐波性及節能性方面較上一代礦砂船都有很大提升?!懊鬟h號”獲得了中國船級社(CCS)和挪威船級社(DNVGL)的雙重認證,同時也是挪威船級社認證的世界首艘智能化船舶。

      2019年5月,我國自主研制的“荷花”號13500標箱集裝箱船正式交付運營?!昂苫ㄌ枴鄙蟿摻舜兑惑w的岸基條件,通過基于大數據分析的云數據中心可以實現船岸信息對接及協同智能應用,這也滿足了船公司對于船舶在航行、設備維保和能效管理等方面的遠程管理控制需求。

      從“大智”號、“明遠”號到“荷花”號,我們不難發現我國不僅智能化船型的種類在不斷增加,而且在全球三大主要船型(油輪、散貨船、集裝箱船)上都得到了全面的發展。并且由船舶制造的智能化向船舶使用者的智能應用方向轉變,根據不同的船型和船東的不同需求,進行定制化設計,讓智能化船舶具備更好的推廣應用前景。

       1.3.2國外智能化船舶發展狀況

      歐盟由超過37000公里的水路網絡相互連接,其內河水路運輸共享模式具備巨大的潛力與可能性。然而,由于內河水路運輸在經濟效益上的競爭力不足,歐洲水路交通運輸網絡利用率有待進一步提升,而智能化船舶恰恰是解決這一問題的關鍵。上世紀七十年代開始,東亞地區的經濟漸漸崛起,國際造船業的主要市場由西方逐漸向東方靠攏。歐洲造船業歷史悠久,造船技術積累豐富,在對市場的研究和信息的掌握上也有諸多優勢,眾多歐洲船廠開始主攻具備高新技術且具有高附加值的高端船舶的建造。這樣生產出來的船舶,除了運用新技術和新工藝外,構造也更加復雜,在航行時的穩定性和安全性也大大提升。2000年1月,歐盟開展了ATOMOSIV項目(優化船舶運行安全性的技術——智能化船舶),該項目的目標是把當下最尖端的計算機與控制技術應用于歐洲的船舶中。由于船舶的更新換代速度較慢,服役的周期較長,因此老舊船舶上的計算機和控制系統較為過時。該項目的主要方法是將舊船翻新,把最先進的控制系統安裝到老舊船舶上,同時引入以人為中心的管理系統,以便更好地獲得船舶航行信息。在對試驗船舶進行改造后進行了海上試驗,進一步驗證了其安全性和可靠性。2012年,德國,挪威和瑞典的多家研究機構共同發起的“MUNIN”(基于智能化網絡的海洋無人航行)項目,研究對象是無人散貨船。近幾年來,隨著科技的發展,歐洲的各船級社、造船廠和其相關配套的企業也在政府的支持下大力推動智能化船舶的研發和應用。綜上所述,歐洲國家對智能化船舶的研究主要圍繞自主航行技術和遠程控制技術兩個方面展開。

      韓國的造船業比較集中,有全球最大的造船帶,并且造船相關的配套企業及研究機構較為完備,擁有巨大的集群配合優勢。前文中提到了LNG船,世界公認最具制造難度的船舶依次是LNG船、航空母艦、豪華郵輪,LNG船也被稱為“海上超級冷凍車”,其要求在-162攝氏度低溫下運輸液化天然氣,而韓國造船業的強項就是建造LNG船。韓國船企也致力于智能化船舶的研發以引領全球市場。在韓國智能化船舶研究領域,韓國的現代重工走在行業最前沿,

      2015年,現代重工與網絡服務企業埃森哲開展合作,共同設計出“智能互聯船舶”,通過數字技術為船舶運營商提供更好的管理,節約運營成本。2020年4月,韓國現代重工與韓國科學技術院(KAIST)共同開發了“現代智能導航輔助系統”(HiNAS)。該系統是基于人工智能(AI)技術和增強現實技術(AR)提升船舶的避碰能力,使船舶的安全性大大提高。韓國的一些造船企業也致力于在船舶制造方面向智能化轉型。2021年10月,三星重工巨濟造船廠的船舶建造工序向自動化、無人化作業轉型。2022年5月9日,大宇造船公司自主開發的智能化船舶技術“LNG船液貨艙環境監測及遠程控制系統”已成功應用于實船。該系統可以對LNG船液貨艙的溫度和濕度實施遠程監控。大宇造船此次應用于實船的系統特點是,在液貨艙內設置能夠感知溫度、濕度、露點的物聯網(IoT)傳感器和通信設備,通過電腦和手機獲取液貨艙的實時狀況。工作人員可以簡便地實時確認液貨艙的數據,進行遠程檢查并調節溫度和濕度。近年來,韓國一直保持對智能化船舶的研究,其部分技術已成為國際標準的典范,綜合分析發現,韓國的智能化船舶研究主要圍繞岸基資源利用和信息技術產業牽引展開。

       1.3.3文獻綜述

      韓澤旭通過對智能化船舶的發展進行研究分析,在《智能化船舶的發展現狀及趨勢》中詳細介紹了各國智能化船舶的研究發展狀況。劉佳銘,李赫也在《船舶智能化研究現狀及發展趨勢》中介紹了智能化船舶的研究現狀和核心技術,這對于智能化船舶的認識提供了思考。

      綜合國內外的智能化船舶發展的參考文獻,可以明確,智能化船舶無論是從經濟性、安全性還是環保性都優于傳統船舶,在未來智能化船舶也將逐步代替傳統船舶成為世界航運的主力軍。所以,對于智能化船舶的發展和對未來航運業的影響,也需要特別關注。

       1.4研究內容和研究方法

        1.4.1研究的主要內容

      第一章主要闡述了智能化船舶的研究背景,智能化船舶的研究目的及意義,智能化船舶的國內外發展狀況。

      第二章主要闡述了智能化船舶的概念和功能。

      第三章主要闡述了智能化船舶的主要技術。

      第四章主要闡述了智能化船舶航行的相關標準及規范

      第五章主要闡述智能化船舶對未來航運業的影響。

      第六章是本文的總結與展望。

       1.4.2研究的主要方法

      本文通過對智能化船舶發展的研究和智能化船舶對未來航運影響的分析,主要通過4個方法進行研究,分別是文獻分析法、比較分析法、內容分析法、描述性研究法。

      (1)文獻分析法:通過搜集和自己課題相關的文獻資料進行分析,確定課題的性質,并從中得到自己的觀點和研究方法。本文借助了學校圖書館的大量相關書籍,搜集了大量網絡上豐富的學術期刊及碩士論文,通過這些搜集和整理,明確了智能化船舶相較傳統船舶的優勢。

      (2)比較分析法:本文通過將智能化船舶與傳統船舶相比較,了解了二者各自的優缺點,明確了智能化船舶運用的新技術和對航運的影響,從而引出主題。

      (3)內容分析法:指對傳播內容的信息和變化進行分析,由表及里,由淺至深,層層遞進的一個過程。本文的核心是對智能化船舶的發展狀況進行梳理總結,同時對智能化船舶對未來航運的影響進行深入分析。

      (4)描述性研究法:將關于智能化船舶的目前已有的一些理論通過自己的理解,給予陳述并解釋出來,定向的提出目前智能化船舶領域存在的問題,揭示出目前智能化船舶的短板和不足,介紹和陳述智能化船舶對航運業的作用和對未來航運的影響。

       2智能化船舶簡介

        2.1智能化船舶概念

      在智能化船舶中,利用了可以增強避碰能力的傳感器,更加先進的通訊手段,物聯網技術和互聯網技術。智能化船舶可以自動感知船舶周圍的海況、附近海上的風力、海面的風浪大小,可以預測航線上的天氣狀況以便及時做出反應。智能化船舶還可以對船內設備進行實時監控,及時反饋設備的故障問題,保障設備安全穩定的運行??梢詫⑽锪骱透劭诘确矫娴男畔⑼ㄟ^計算機、自動控制技術和大數據技術進行處理和分析,使最終得到的數據更加詳細準確。

      2.2智能化船舶主要技術

        2.2.1信息感知技術

      基于智能化船舶上的傳感設備和相關系統,智能化船舶可以自動感知周圍的環境,對航線上的各種信息收集和分析,保障船舶的穩定和安全運行。具體采集的信息為船舶自身信息和周邊信息,例如船舶位置、航速等狀態信息、機艙設備信息、周圍障礙物和天氣信息等,各種記錄儀、風速風向傳感器、雷達、攝像機等采集設備負責信息感知,通過針對性地分類和整理,消除掉冗余數據對判斷帶來的負面影響。船舶感知信息大致分為兩種,即船舶自身的狀態信息和周圍環境的信息,如下圖所示。

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       2.2.2通信導航技術

      古代人在海上航行依靠司南和星象來判斷方向,而在當今的信息化時代,通信導航技術在船舶上有著不可或缺的作用。該技術可以對船舶進行定位,使船舶不會偏離航線。也可以對航行路徑進行分析計算,確定合適的航線。通信導航技術也可以實現船-岸-船之間的信息互通,通過無線電技術和衛星導航技術向船舶提供航行支持,使船舶在復雜航行環境下也可以暢通無阻。而在非航行系統中,通信導航技術還可以實現信息傳遞的作用,比如在智能能源效率管理模塊中,通信導航技術可以將能源消耗、航速和縱傾角等多個方面的信息匯總后傳輸到控制中心。

       2.2.3航線規劃技術

      航線規劃技術是船舶通過獲取航道信息、航道的船舶密度信息、船公司的船期信息、航道的水流分布等信息,智能分析后實時地完成船舶對航道內的位置和航道的選擇,從而優化航行路線,最終達到安全、高效、綠色環保的目的。在此基礎上,提供了多種航行規劃的方法,目前比較常用的方法包括:線性規劃法、遺傳算法、混合整數規劃模型、模擬退火算法和粒子群優化算法。[8]航線規劃技術對智能化船舶的主要作用是對智能導航模塊的航路進行設計與優化,通過航線規劃、航線監控、自動避碰等功能,使船舶在海上的運輸更為安全高效,縮短航程的同時也減少了燃油消耗,經濟性和環保性也得到提高。

       2.2.4故障診斷技術

      故障診斷技術是指在船舶機械設備運行時或基本不拆卸的條件下,通過獲取被診斷設備的運行情況,對被診斷設備檢測并獲取有用的信息,再對這些信息進行整合分析和處理,從而判斷出被診斷設備的狀態是否正?;蚴欠翊嬖诠收?,再對可能出現故障的位置或零部件進行判斷,并智能分析出現故障的原因,預測其發展趨勢,從而提前布控和維修保養。狀態監測與故障診斷技術主要應用于智能化船體和智能機艙兩大模塊。

       2.2.5遇險預警救助技術

      水上交通事故經常發生,特別是碰撞、擱淺等,一旦發生事故,給船舶經營者帶來巨大經濟損失的同時船內人員的生命也遭受很大威脅。不管是在海上航行的船舶海上內河船舶,碰撞事故是水上交通事故最普遍的一種,也占據了全部水上交通事故的很大比例。船舶遇險預警和救援技術是一種非常有效的應對海上交通事故的方法,降低事故發生率的同時也大大降低了事故損失,有力的保障了船上人員的生命安全。

       2.2.6安全駕駛智能輔助

      安全駕駛智能輔助系統可以輔助駕駛員更好地感知船舶自身狀態以及了解周圍航行態勢,規避駕駛員視野受限以及駕駛員的感知不足,補充駕駛員感知和判斷能力的不足,防止船舶發生碰撞等事故。此系統可以實現全天候的對水

      上航行環境感知并進行三維動態展示,在夜間航行和大霧天氣的時候也可以輔助航行,同時對監測區域內的所有船舶進行數字化動態實時顯示,包括航速、航向和航跡等。當預測到有碰撞風險時,會進行智能分析并采用聲光電預警,智能避碰。但需要強調的是,該類系統目前還只能作為智能輔助系統,提供駕駛環境感知和形勢分析預判,為駕駛人提供參考,目前來說并不能完全替代船舶駕駛人的功能和職責。但隨著科技發展和技術的完善,相信在不久的將來會實現不需要人為干預的完全自動駕駛。

       3智能化船舶航行的相關標準及規范

        3.1智能化船舶航行標準需求分析

      目前,各船級社發布了部分關于智能化船舶的規范,詳細定義船舶了獲得入級符號的要求。例如DNVGL的Smart Ship,ABS的AutonomousShipping,該規范主要適用于申請CCS智能化船舶附加標志的船舶。根據中國船級社的智能化船舶規范,總結了如下幾條航運業對智能化船舶航行的需求:

      (1)智能化船舶交付之前應滿足船舶智能航行測試技術要求,測試應當包括測試的目的、原則、方法、架構和報告格式,通過虛擬仿真法、模型試驗法以及實船測試法三種典型方法進行全方位測試。

      (2)船舶智能航行測試環境建設要求,針對模型測試水池及實船測試場,圍繞選址、設備系統布設、風浪流涌等外部環境模擬、船舶及障礙物模型的制作和布置等提出相應技術要求。

      (3)智能化船舶測試性能要求,即針對船舶在智能設備系統的控制下,浮性、穩性、快速性、操縱性、耐波性等各類常規船舶通用評價指標的測試場景設計以及技術指標要求

      (4)智能化船舶測試能效要求,即針對船舶在船舶能效管理系統控制下的能效表現提出測試場景設計以及技術指標要求。

      (5)智能航行典型場景功能測試要求,即針對船舶自主航行、自動靠離泊、自主避碰、遠程遙控等典型智能功能提出的測試場景設計和技術指標要求。

      (6)船舶智能航行測試信息聯通要求,包括針對船載網絡設備系統之間,以及船舶與各測試模塊之間數據接口和傳輸的技術要求,如數據傳輸頻率、存儲方式、連接方式、帶寬要求等。

       3.2智能化船舶航行測試技術

      智能是智能化船舶的核心要素,具體體現在自主航行、自主避碰、自動靠離泊等典型應用場景下船舶智能設備系統體現出的環境態勢感知、分析決策和操控等功能。圍繞上述四類船舶智能航行測試對象,結合相關安全性和經濟性考慮,目前國內外相關企業和科研機構開發和采用了包括虛擬仿真、模型測試和實船測試的船舶智能航行測試驗證體系。其中,虛擬仿真是運用數字孿生技術模擬物理環境,在前期對智能化船舶相關決策和控制理論、算法和程序進行測試,發現錯誤和問題、縮短周期、降低成本、提高效率。模型測試是指在智能化船舶設計建造中期將等比例縮小的船舶模型及障礙物置于測試水池中,在風、浪、流等外部條件作用下進行航行試驗,獲取相關數據并進行調試,以降低風險、成本和開展實船試驗在組織協調方面的難度。實船試驗是船舶智能航行的最終測試階段,承擔船舶可靠性、安全性和各實際場景下所有功能的實際檢驗,是最終獲得認證的必經程序。測試與驗證工作貫穿于智能化船舶及相關設備系統技術研發和生產的全過程。

       3.3船舶智能航行測試國際標準梳理

      目前,針對智能化船舶及其配套設備的國際標準主要集中在國際標準化組織船舶與海洋技術委員會“智能航運”工作組(ISO/TC8/WG10)和國際電工委員會海上導航和無線電通信設備及系統技術委員會(IEC/TC80)。但標準涉及領域主要覆蓋智能化船舶船載網絡、通信數據、術語等前沿技術以及雷達等單體電子通導設備的性能表現。隨著IMO《自主水面船舶暫行導則》的出臺,近年來智能化船舶測試逐漸成為業界關注的焦點,但各方專門針對智能航行測試制定的標準較少,現有標準也不足以支撐當前技術和規則背景下船舶智能航行測試工作的開展?,F有船舶智能航行測試領域國際標準梳理如下:(1)IALA-電子航海(e-navigation)測試場的規劃與信息報告導則。國際航標協會(IALA)于2016年發布的《電子航海(e-navigation)測試場的規劃與信息報告導則》是當前各國開展智能化船舶測試場建設的重要參考。導則共分為4部分,其中第四章“測試場的規劃”中針對測試場建設需要考慮的因素、測試場設計、船舶智能航行試驗與試驗結果分析分別提出了原則性要求,第五章和附錄中則分別給出了智能化船舶測試結果的報告要求及相關模板??傮w上,考慮到該文件發布時間較早,內容較為概括和簡略,距離相關企業和科研機構開展船舶智能航行測試驗證工作的實際需求仍有一定差距。

      (2)智能化船舶性能測試要求相關標準。智能化船舶性能測試相關標準對應船舶在智能設備系統控制下的穩性、浮性、快速性等常規性能,相關標準主要由國際標準化組織船舶與海洋技術委員會(ISO/TC8)的船舶設計委員會制定,值得注意的是,相關技術要求在船級社規范中也有較多體現。與常規船舶相比,智能化船舶的特性主要體現在其船上電子設備系統,ISO17894“海事應用中的可編程電子系統的開發與應用”對其做了較為詳盡的規定。該標準為海事系統中應用的電子程序提出了20條開發原則,包括風險評估、系統冗余度、信息傳輸的及時性和準確性等,用以確保相關電子設備系統的安全性和可靠性。該標準是依托IEC61508“電氣、電子、可編程電子安全系統的功能安全”標準,結合海事工業的特點修訂而來,在船舶智能航行測試中具有重要意義。

      (3)船舶智能航行測試信息聯通相關標準。目前,國際標準化組織針對船載網絡及相關數據傳輸已經制定了若干標準,但尚無專門針對船舶智能航行測試場的網絡布設和數據傳輸相關的標準。針對船載網絡和數據傳輸,目前日本通過其國內的“智能化船舶應用平臺”(SSAP)系列項目,在ISO/TC8/WG10內發布了ISO16425《船舶與海洋技術船載設備和系統通信網絡布設指南》、ISO19847《船舶與海洋技術用于現場數據共享的船舶數據服務器》和ISO19848《船舶與海洋技術船載機械設備的標準數據》等一系列國際標準。其中,ISO19847對船端數據服務器的功能要求和性能標準做出了定義;ISO19848對數據服務器的數據源,包括船載傳感器的識別碼格式、通用數據模型和數據格式等給出了要求。這兩項國際標準構成了“ShipDC”架構下船端數據管理和核心,目前在國際上擁有較強影響力。此外,ISO/TC8/WG10內目前還在開發ISO/WD23807《船舶與海洋技術船岸數據通信一般要求》標準。上述標準均將對智能化船舶的技術研發和測試驗證工作提供參考。

      3.4本章小結

      隨著相關技術的不斷發展,國際法規的不斷完善,給智能化船舶的實船功能試驗帶來新的機會。也為其經濟性和可靠性評估、市場推廣提供了新的機會。但目前來說,主要的國際標準化組織還沒有就智能化船舶測試場的建設、測試的流程及測試要求等制定出具體的標準,只有少數指南給出了大致的描述性要求,想要開展智化能船舶航行測試目前還存在著一些障礙。近幾年,智能化船舶的測試越來越受到業內的重視,但是針對有關智能航行試驗的相關標準還很少,目前的標準還不夠完善,也不足以支撐測試工作的正常開展。

      4智能化船舶對未來航運業的影響

        4.1操作更加簡單,航行安全性大大提高

      智能化船舶可通過自身的信息感知技術以及通信導航技術降低航行中的潛在風險,并可以大大提高航行安全性。就在一年前,一艘貨船在蘇伊士運河航行的途中發生事故,造成了整個運河的堵塞,給蘇伊士運河管理方造成了嚴重的損失。海上的事故往往就發生在想運河、港口這樣交通密集的狹窄海域。而智能化船舶對船體自身監控比傳統船舶更加嚴密,同其他船舶的通信和信息感知方面也有著更高的要求。在遇到復雜海況或者在交通密集海域航行時,智能化船舶憑借自身強大的信息感知和智能數據分析,使其能夠安全的各種復雜水域航行,而傳統船舶主要是通過AIS、聲納、UHF通信等手段完成。近年來,航運業發展迅速,但船舶的營運周期長,各種船上綜合系統不斷整合應用。一些老舊船舶的通訊手段已經不能滿足日益增長的通訊需求。近年來5G技術的發展將通訊水平提升到一個新的高度,其高速率、低時延和大連接的特點對于艦載通訊設備是一個巨大的提升。智能化船舶利用到新的技術科技,不僅會有更大的通信帶寬,其傳輸的信號也有更強的抗干擾能力,通訊方式也會變得更加便捷。智能化船舶可以通過整合和分析周邊的復雜環境信息,為船員提供良好的環境知覺,從而實現船舶操作的簡單、安全、穩定和高效。

       4.2提高能源效率

      智能化船舶的能效管理控制技術可以大幅提高能源效率,節約運營成本的同時也使船舶更加環保。隨著經濟增長,可持續發展的理念已成為各行業的共識。這對于承擔80%貨物運輸的航運業也有著至關重要的影響。船舶的節能問題一直是各國造船界和航運界共同研究的重要課題,如何通過數字化賦能實現節能減排、提效增值,也成為各個航運企業面臨的重大挑戰。雖然近幾年有一些新型能源和混合能源的船舶出現,但燃油船仍然占據航運業的主導地位。每艘在海上航行的船舶每天都要消耗大量的燃油,如果可以提高燃油效率,不僅可以節約大量的燃料資源、節約運輸成本,還將對全球的環境保護做出重要貢獻。相較傳統船舶,智能化船舶通過對船上的動力系統進行節能技術改造,不僅可以節約航行的燃料、減少船舶的運輸成本,企業的利潤率也得以提高。智能化船舶降低了對環境的污染,實現經濟性和環保性的雙重收益。

       4.3提升運營效率

      智能化船船舶通過航線規劃技術對航線進行合理規劃,節約航行成本,提高運營效率。在早期的航路設計中,船舶駕駛者的主觀意識占很大一部分。海員的航行經驗和對工作的態度也會直接影響到路線的判斷。后來,電子海圖(CECDIS)等現代綜合導航技術應用到船舶上,船舶的航路設計大多采用ECDIS進行規劃,但在設計過程中依然存在一些主觀因素,航線設計人員難以借鑒其他有豐富經驗設計人員的成果。航線的自動規劃是當前電子海圖中的一個重要內容,利用智能化的信息處理技術進行航線規劃,可以使航線的設計更加合理,減少人為因素的干擾,大幅提高航線的安全性、經濟性和可靠性。

       4.4預防風險,節約成本

      智能化船舶的狀態監控和故障診斷技術具有防范潛在危險、節省維護費用等優點。目前,傳統船舶設備的維修方法是以預防為主,而大型檢修則是采取定期的維護和保養。定期的進行大規模安全檢查固然可以為船舶安全提供保障,但是不可避免地會造成額外的經濟損失,高維修成本也對船舶運營者帶去較大的壓力。相較傳統船舶的管理模式,智能化船舶的智能狀況監測通過對船舶狀況的檢測與評估,可以為船舶經營者進行提供客觀參考。船舶的狀態也能夠實時監控,同時為船員提供可靠的故障信息和依據,從而快速準確的判斷故障源并精確的修復故障,節約時間的同時也節約了維修成本。以最小的維護成本獲得最大的經濟效益,從而提升船舶經營公司的市場競爭力。

       4.5提升應急能力,增加安全保障

      智能化船舶的遇險預警救助技術可以對風險進行快速響應,大大提高船舶應急能力,保障船舶人員安全。近幾年,水上交通事故時有發生,不同于陸地交通事故,在水上一旦遇險,危害程度大,財產損失高,救援難度大,對船員安全的威脅性大。2021年1月3日,巴拿馬籍散貨船“DLACACIA”輪自東莞沙角電廠空載駛往印尼三馬林達港載貨途中,在中國南海海域與正在拖網作業的“桂欽漁20216”漁船發生碰撞,導致漁船沉沒,船上8人落水,其中1人獲救,1人死亡、6人失蹤,構成較大等級水上交通事故。那么,如果可以提高預警能力,對險情快速響應,就可以減少很多損失。智能化船舶的智能遇險預警救助技術可以快速高效的對遇險目標進行定位,水上搜救的效率得以提高,事故后果的嚴重性被大大降低,船員的安全得以更好地保障。

      4.6推動行業變革

      智能化船舶自主航行的最終目標是實現無人航運,推動行業變革。船舶的智能化將給傳統航運帶來新的活力。智能化船舶通過自動航行技術,可以減少船舶上的配員,從而節省船上空間,船舶的建造成本和運營成本降低,載貨能力得到提升,船舶的經濟性也得以提高。在航行安全方面,在無人化航運中,船舶將由岸上的工作人員進行遠程操控,操作環境更佳的同時,也可以減少人為因素對船舶航行安全的不良影響。

      5總結與展望

        5.1總結

      近幾年,世界各國對智能化船舶的需求與日俱增,紛紛將大量的資金投入智能化船舶的研究中去。不同國家的發展重點也不盡相同,歐洲的研究重點是無人航行和遠程控制,并寄希望在智能化船舶領域重鑄歐洲造船業的榮光;韓國的造船企業充分發揮其產業集群優勢,廣泛開展智能化船舶相關公司和企業的合作交流,同時致力于在未來研究出無人化的LNG船;日本將智能化船舶的研究重點放在新興技術與傳統產業的融合中,同時重視智能化船舶的標準建設,致力于實現標準化和科研的共同前進;我國對智能化船舶的研究主要圍繞頂層設計和相關的研究開展。當前,智能化船舶的發展正處在階段變化的轉折點,如何度過這個智能化船舶發展的關鍵時期,對于我們來說,是機遇也是挑戰。雖然我國對智能化船舶的研究總體處于世界領先水平,但我們仍需在推動建立健全智能化船舶的相關法規和規范方面繼續努力,廣泛的開展國際交流合作,推進智能化船舶的進一步發展。

      本文描述了智能化船舶的發展狀況,通過與傳統船舶的比較闡述了智能化船舶的多個方面的優點,重點介紹了國內外對智能化船舶的研究,智能化船舶的主要技術,智能化船舶航行的相關標準及規范和智能化船舶對未來航運業的影響。同時也提出了目前智能化船舶在實船測試和投入運營的問題和難點,并針對以上部分問題整合了相應的解決方案,希望能對相關從業人員提供一些參考。

      5.2展望

      盡管智能化船舶的發展世界不長,距離無人化船舶的最終目標還有些遙遠。但是隨著技術的不斷進步,無論是理論方面還是實際應用都在不斷地完善。像狀態監控與故障診斷技術、通信導航技術、航線規劃技術、安全駕駛智能輔助等技術都得到了廣泛的應用。雖然有些技術尚且缺乏理論支持,并且在實際應用中也存在一些缺陷,但相信隨著技術發展和國際法規的完善,這些技術會得到進一步的驗證完善。隨著各國針對船舶智能的投入力度日益加大,以及相關工程項目的持續推進,近年來有關智能化船舶的學術論文、技術文件和交流研討數量和質量都顯著提升??梢灶A見,隨著各國技術方案日趨成熟,工程實踐經驗不斷豐富,針對船舶智能化船舶的國際標準將逐漸成為下一步各方爭奪的焦點。我們要加快科技成果轉化,結合我國工程實踐經驗和標準國際化需求,尋求設計、建造、運營和檢驗等不同領域的單位協同聯動,主動研究、策劃提出國際標準需求。同時要加快智能化船舶的技術研發、產品應用和實踐案例總結,在國際上培育技術、產品和服務同盟,積極推動智能化船舶和智能航運產業生態的構建,為我國產業發展和參與國際規則制定提供支持。加快對智能化船舶的研究發展,才能將我國在智能化船舶研究領域推向一個新的高度。

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      致謝

      行文至此,意味著我的大學生活、我的學生生涯即將落幕,這篇論文也許是我大學生涯交上的最后一個作業了,想借此機會感謝長期以來給我幫助的所有老師、同學。

      感謝航運學院認真負責的老師們,在大學兩年以來給予的學業以及生活上的幫助,諄諄教誨銘記于心。感謝畢業設計過程中老師的指導,老師專業知識淵博,工作精益求精,在我遇到困難和疑惑的時候給予悉心指點,提出很多建設性意見。飲水思其源,成學念吾師。衷心祝愿各位老師身體健康,工作順利。

      感謝朝夕相處的好友們,我們從山東各地因為緣分相聚于此,相互包容,相互扶持,并肩作戰。忘不了兩年來,在一起學習和生活的點點滴滴。有幾個好友從入學就準備考研究生,還有夢想做一名人民教師的同學,祝好友們早日實現夢想。感謝郭世豪同學和崔旭濤同學對我論文撰寫提供的無私幫助。感謝過去兩年來給予幫助和鼓勵的所有同學,是你們教會我人情世故,對我幫助有加,也讓我清晰認識到自己的不足。祝大家前程似錦,我們都有光明的未來。

      感謝父母二十余載的悉心培養和教育,焉得萱草,言樹之背,感謝他們在我求學之路上的無私支持與默默付出。在我遇到困惑時指點方向,在我感到煩惱時耐心開導,在我受委屈時給予我溫暖,做我最堅強的后盾。在這樣一個充滿歡聲笑語充滿愛的家庭中長大我感到無比自豪,祝愿父母在以后的生活中身體健康,萬事如意。

      最后,向審閱我論文和參加答辯的老師們表示最衷心的感謝,感謝各位老師抽出寶貴的時間參加我的畢業論文答辯會,感謝老師們對我的論文的批評指正以及寶貴意見。

      最后,謹向所有曾給予我幫助、關心和鼓勵的老師同學們致以衷心的感謝。

      智能化船舶的發展和對未來航運業的影響

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