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　　1、2016.2第一期 25智能船舶的研究现状及发展趋势武汉理工大学教授、博士生导师严信平1，全句话，随着经济全球化，世界各国贸易额的增加，对货物运输的要求也越来越高。水路运输由于体积大、成本低，在货运中发挥了越来越关键的作用。目前水路运输是原油运输总量的95%，铁矿石运输总量的99%无法替代的一种运输方式。但是随着船舶数量的日益增加，航道的繁忙，与水路运输相关的环境污染严重，劳动力成本和安全性下降等问题越来越受到关注。近年来，信息、计算机、通信、网络、新能源、人工智能等技术的开发和物联网、大数据、集成船舶桥梁系统和信息物理系统的应用极大地推动了船舶智能的进程，实现了真正的绿色、安全、高效、无人

　　2、值守的智能船舶。由Fraunhofer CML public division、MARINTEK、Chalmers university等8个研究机构共同合作的“munin”(martime unmanned navigation through intels)图1显示了MUNIN项目的效果。图中，左侧船舶是自主导航系统，显示在船舶计算机系统中的航行路径、气象导航和轨道参数实时更新和存储，船舶通过雷达、船上自动识别系统(AIS)和红外传感器监视周围环境。如果发生其他船舶或障碍物，则按照COLREGs规则(国际海上避碰规则)执行避碰操作。与此同时，船只监测的所有参数将实时发送到陆地控制中心(SC

　　3、C)，如果船只接近陆地，则通过GSM、3G或4G网络进行通信，如果距离较远，则需要卫星通信。2013年，作为世界最大的船舶设备供应商之一，英国的劳斯莱斯对无人货船项目进行了研究，该项目计划在10年内投入第一艘无人货船。2015年9月，英国罗氏船级社(LR)、奎那提克集团、南安普敦发表了智能船舶规范，明确表明了智能船舶对智能航海、智能船体、智能飞机、智能能效管理、智能货物管理、智能集成平台等的物理要求。第二，智能船舶开发背景全球进入“产业4.0”发展时期，我国于2015年5月宣布中国 制造2025，并致力于高新船舶、船舶智能制造等。智能船舶的开发将有效解决船舶在节排放减少、人力成本及船舶安全等方

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　　4、面面临的主要问题，对这些问题的现有对策如下。(1)节能减排。国际海事组织为了控制二氧化碳等温室气体的排放，设立了全球碳排放权交易机制和船舶能源效率设计索引(EEDI)，通过图1MUNIN项目运营效果大学合作组织全球海 洋技术趋势2030 (GMTT 2030)报告，指出智能船舶在18项主要海洋技术中减少温室气体排放。为了沿着智能船舶开发趋势规范和引导智能船舶开发，中国船级社2015年doi 333610 . 16467/ki . ISSN 2095-7491 . 2016 . 01 . 00726 交通港特别计划特别要素是不可避免的趋势。节能减排技术也可以有效地减少能源消耗，降低运营成本。目

　　5、前船舶的节能和减排措施主要包括1)使用清洁能源(LNG、太阳能等)。2)阻力小的船型设计；3)使引擎更加节能。4)使用能效控制技术。(2)人工成本。国际会计和航空运输业顾问Moore Stephens (mash yun)发表的最新海运调查预计，2014年和2015年的船舶运营费将提高近3%，其中乘务员工资和维持费是运营费用增加的主要因素。减少船舶配员甚至实现船舶无人运营是航运业今后的重要发展目标。随着船舶智能水平的日益提高，机舱工作人员无人驾驶、辅助驾驶技术、故障自我诊断技术的开发，船舶配员人数越来越少。(3)船舶安全。在船舶碰撞事故中，89%-96%的事故可以归于人类的原因，包括明显的原因

　　6、和潜在的原因。如果船舶发生安全事故(我国“东方之星”遇难船、韩国“岁月号”遇难船)，将会发生人员伤亡、危险物品泄漏、交通中断等严重损失。状态监测和故障诊断技术、安全预警技术、信息识别技术等智能技术可以提高船舶的安全性。智能船舶被广泛认为是航空运输的下一次技术革命。在制造业中，“第四次产业革命”是指“智能设备”代替人类管理、优化和控制机器的方法。在企业领导中，“事物的互联网”采用传感器和数字技术，将人们的个人习惯映射和翻译成自动设备，提高我们的生活质量。在这种背景下，智能船舶不再是普通技术，而是根据科学技术的发展趋势使用和开发的具体表现，这种趋势包括报告中提到的传感器、机器人技术、大数据、新材料

　　7、、通信技术等。这种技术的应用都可以切换到智能船舶零线领域。第三，智能船舶的概念智能船舶规范，智能船舶利用传感器、通信、物联网、互联网等自动检测和获取有关船舶本身、海洋环境、物流、港口等的信息和数量，基于计算机技术、自动控制技术和大型数据处理分析技术，智能地在船舶导航、管理、维护、货物运输等方面运营船舶，使船舶更加安全、环保和安全在这里，“智能”可以理解为“思考”，综合具体任务和获取的各种信息，可以做出一系列适合船舶航行安全、经济、环境保护要求的最佳决定。2006年，国际信息组织(IMO)提出了电子导航概念，通过电子邮件信息手段收集、集成和显示海上信息，以实现船舶安全、经济航行和环境保护的最终目

　　8、标。这可以视为智能船的第一个概念。智能船舶可分为四个发展阶段。一级智能船舶仅限于对海洋设备状态的远程监控和数据分析。第二阶段智能船舶利用云计算、物联网和大数据分析等技术连接海岸中心，为船舶计时提供安全、环境保护和能效优化建议，实现准自动化航行。第三阶段智能船舶在船舶数据分析的基础上加入港口物流信息，实现船舶海岸信息之间的无缝连接，实现航行、船舶持续时间和港口运营等优化，实时动态完成；第四阶段智能船舶实现完全自主化无人驾驶和港口自动装卸及物流。目前的智能船舶处于从第一阶段到第二阶段的转换阶段。第四，智能船舶的核心技术智能船舶规范将智能船舶的功能分为智能航海、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能

　　9、货物管理和智能集成平台，基本包含了智能船舶需要具备的所有功能。要实现和改进这些功能，必须进一步研究和深化与船舶相关的信息识别技术、通信导航技术、能效控制技术、路径规划技术、状态监测和障碍物诊断技术、遇险预警结构技术、驾驶机器集成和自主导航技术。(1)信息识别技术船舶信息识别是使船舶能够以多种检测设备、检测网络和码率处理设备为基础获取有关船舶自身及周边环境的各种信息的技术手段，基于代码的智能船舶环境识别系统见图2。船舶认识的信息可以分为自身状态信息和周边环境信息。自我状态信息包括有关船舶机舱、方向盘、货舱各种设备的状态信息以及船舶航行的位置、速度、航行等航行状态信息，主要依靠现有的压力力、温度、

　　10、速度、液位等传感器，2016.2第一阶段 27识别手段更加成熟。周边环境信息包括周边船舶和障碍物信息、周边天气条件、水深、视频监控信息、音频监控信息、水流速度和方向、信标位置、导航区域等，还包括AIS、海上雷达、视频相机、激光传感器、lidar传感器、风速传感器、风向传感器、可见性收集准备图2智能船舶环境识别系统(2)通信导航技术通信技术旨在实现船舶系统与设备之间、船舶与海岸线、船舶与信标之间的信息交互。常用的通信方法包括VHF (VHF)、海事专用网、海事卫星和移动通信网(手机网络)。导航技术用于指示船舶从指定航线的一点到另一点的移动，通常包括定位、目的地选择、路径计算、路径引导等过程。船

　　11、舶常用的导航技术包括早期的无线电导航和目前广泛使用的卫星导航等。北斗卫星导航系统为我国船舶导航领域提供了新的发展机遇。(3)能效控制技术2007年，世界海运船舶排放了10.4亿吨CO2。其中，国际海运排放了约8.7亿吨CO2，分别占当年全球CO2总排放量的3.3%和2.7%。提高船舶能效，减少船舶温室气体排放(节能减排)，国际海上能源消耗模型ECU测量船舶速度v速度n Diesel整体船舶电力要求q多用途优化控制问题(安全、 经济)轴电力p计算模块导航环境整体船舶电力设备主发电机主发轴切换增量e-主机最佳速度N PID控制器速度/速度能耗最低速度能效管图3考虑环境因素的船舶清洁推进系统能效管理

　　12、战略组织(IMO)将评估新造船设计能效指数(EEDI)、船舶运营能效指数(EEOI)等智能船舶的开发应配合“绿色船舶”的发展潮流，分析航行环境、装载、吃水、主机功率(速度)等因素与船舶运行能效指数EEOI之间的内在关系，确保船舶的安全和运营效率，同时优化船舶速度、装载、吃水、航线等，使EEOI指数最小化。需要进一步研究环境因素与船舶能源消费的关系，考虑环境因素的船舶清洁推进系统的能源效率管理控制策略见图3。(4)航线计划技术航线计划，通过实时选择船舶在航速水域的交通流量控制信息、前方航线船舶密度情况、公司的运行时间信息、航线水流分布信息、航线航行难度信息、支线可以优化航线，达到安全、高效、环保

　　13、的目的。目前常用的路径规划方法有线性规划方法、混合整数规划模型、遗传算法、模拟退火、粒子群优化算法等智能算法(随机旅行时间问题的解决)。由刘浩等遗传算法计划的航线)状态监测和故障诊断技术状态监测技术是监测设备振动发展趋势的设备运行状态图4遗传算法计划的最优路径状态预测技术，以确定设备的健康状态，判断设备是稳定还是恶化。未来船舶障碍物诊断可以基于大型数据使用多尺度分析方法构建设备状态监测系统。故障解决技术是船舶机械28 交通港港港口航空运行特殊特殊特征设备或基本上不拆卸设备，掌握设备的运行情况，根据诊断对象测试中获得的有用信息进行分析处理，判断诊断对象状态是否处于二等状态或故障

　　14、状态，确定发生劣化状态的部位或零部件，判断故障原因，预测状态下降的发展趋势。其目的是提高设备的效率和操作稳定性，防止事故发生，防止故障。智能船舶调度员很少出现，需要更多的对船舶设备状态的自我监控和故障诊断技术，利用大型数据分析技术、智能诊断技术尽早发现潜在故障，及时处理，确保船舶航行中的安全可靠状态。(6)遇险预警救援技术获奖交通事故发生，尤其是冲突和搁浅造成严重的经济损失和人员伤亡。船舶碰撞是最常见的水上交通事故类型，无论是海上还是内河，在所有水上交通事故中占最大比重。船舶遇险预警和搜救技术可以有效地降低事故发生率，减少事故损失。武汉理工大学等已经开发了一种保证桥区内船舶航行安全的教区船舶碰

　　15、撞预警系统，如图5所示。天象一号、青岛北海船舶重工业等合作开发的“水面无人智能测量平台工程原型”、珠海云州智能科技公司开发的“飞行员”(见图6)、上海海事大学开发的“海天01”号等。图6云州科技开发的“领航”无人驾驶船舶5，智能船舶的发展趋势总体上，一些智能船舶相关技术理论更加成熟(环境识别技术、通信导航技术、状态监测和故障诊断技术等)，但一些技术理论在实际轨道上得到了验证(能源效率控制技术、航线计划技术、安全预警技术、安全预警技术等)船舶技术、信息技术的发展和“大数据”的智能应用推动了智能船舶的追加速度。未来10 20年的船舶智能开发将成为决定未来船舶产业发展方向的重要因素。除了信息识别、通

　　16、信导航、能效控制和其他关键技术外，自动系泊、海外、自主维修、自动清洁、设备部件自动更换、自我保护等方面也趋于智能发展。随着船舶智能相关技术的不断发展，最终从确定的智能系统设备转变为能思考的智能船舶，促进了船舶安全和高效航行。智能船舶是今后船舶开发的必然趋势，具有适当的需求和开发前景。但是由于理论和技术水平、认知水平的差距，目前我国的智能船舶必须从以下几个方面取得突破：1)进一步利用大数据分析技术，挖掘有价值的信息。2)智能船舶配给员的减少意味着船舶的安全保障要求更高，需要加强相关理论和技术研究。3)目前围绕海洋的自主驾驶研究较多，在内陆水道复杂的条件下，研究相对较少，必须进行相关研究。从应用的角度来看如何发挥智能船舶的价值可以考虑应用于军事领域的可能性。图5船舶碰撞预警系统(7)自主导航技术智能船舶规范中定义的智能航行是指利用计算机械技术、控制技术等分析、处理迟到和获得的信息，设计和优化船舶路径和速度；如果可能的话，通过基于海岸的支持中心，船舶可以开放水域、狭窄的水道、复杂的环境条件下自动避碰、自主航行。海外船舶自主航行技术研究提前进行，美国、以色列等海洋强国开发了主要用于军事侦察和扫雷等的无人水面舰艇。我国目前进行船舶自主航行研究的代表性是中国气象厅与宇宙科学技术集团合作开发的

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