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　　9月25日，第二届中国自动化学会博士学术交流会在哈尔滨国际会议中心开幕，会议由中国自动化学会和哈尔滨工程大学主办，来自国内外科研院所、高校的自动化领域知名专家学者及哈尔滨工程大学师生共计800余人参加。大会以“交叉融合，智控未来”为主题，旨在促进青年学者在自动化与人工智能等学科领域的交流与合作，激励广大青年学生潜心科学研究，产出高水平学术成果。受邀在2024中国自动化学会博士学术交流会中作题为“船舶智能化智能技术在船舶行业的应用与前景”的大会报告。

　　智能船舶是综合运用感知、通信、控制、人工智能等先进信息技术，具备复杂环境及自身感知、智能决策、控制等多级别自主能力，实现比传统船舶更加安全、经济、环保、高效的新一代船舶，是当前各造船强国与航运科技领域的高新技术。船舶数字技术是支撑船舶实现不同智能级别的技术基础，网络技术是其保障。哈尔滨工程大学近十年来在船舶数字与智能技术开展了探索工作，完成了船舶水动力性能的数值水池、船舶航行性能模拟、船舶航行态势智能感知、船舶自主航行、船舶数字孪生等研究工作；利用人工智能技术，对船舶主要性能进行了快速预报，并开展了实船试验并得到了应用。

　　目前，全球贸易运输主要依靠船舶，而当前船舶存在以下几个主要问题：人力成本上升，以及海上事故中70%由人为因素造成。在此背景下，伴随人工智能工具的发展，船舶行业提出了智能化、自主化、无人化和少人化的需求，进而推动了智能船舶的发展，使未来的船舶更加经济、环保、安全和高效，被称为新一代智能船舶。

　　IDOL作为一个特殊的国际组织，负责对船上设备进行规则认证，所有设备必须符合其标准才能被应用。该组织在2020年提出了自主船舶相关规则，包括远程操控、火灾压制处理、风险评估以及检验规则等。这些规则为行业发展提供了指导方向。

　　国际海事组织在2020年设定了到2028年实现自主航行的目标，尽管目标较为激进，但在今年5月于英国召开的会议上，经过广泛讨论，最终将强制实现远洋船舶自主化的截止时间推迟至2032年1月1日。这一决策对各大造船强国产生了重要影响。中国作为全球第一造船大国，手持订单占全球90%，在接下来与日韩、欧洲和美国的竞争中，如何实现可持续发展，并解决船舶智能化和自主化的问题，已经提上议程。

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　　为了应对上述挑战，我国工信部也在全力布局关于智能航运操作方面的工作，目前由哈尔滨工程大学牵头制订未来国家的发展计划。在船舶数字化和智能化的推进中，数字化是基础，通过力学、磁学等模型理论，并融合专家智慧，系统性地编制了高效的软件，可以实现各类系统的虚拟实验。在这一过程中，数字孪生技术成为研究的重要方向。

　　船舶智能化的基础是船舶的数字化和自动化，而数字孪生技术是这一过程中的重要组成部分。数字孪生的概念最早由美国麦克教授于2012年提出，并在2011年美国空军首次应用于飞机结构的监测中。近年来，数字孪生技术迅速发展，美国Gartner咨询公司连续三年将其列为十大颠覆性技术之一。

　　数字孪生的本质在于通过虚拟信息结构，从微观到宏观全面描述潜在或实际的物理产物。它可以从原子级别的微观结构到几何级别的宏观描述，涵盖潜在或物理成品的全面信息。在最佳状态下，数字孪生能够使物理成品的任何信息通过数字体的方式来展现。

　　哈尔滨工程大学在船舶领域的研究中也引入了这一技术，并给出了明确的定义：数字孪生是基于物理模型和运行数据构建的模拟物理体结构和性能的数字体，通过物理体与数字体的信息迭代和交互，满足特定需求，从而实现物理体与数字体的同步和优化。具体来说，数字孪生不仅是物理体的呈现，还包括实时信息的交互和管理，最终形成了数字孪生体。

　　构建数字孪生可以实现远程操控和健康检测等多方面的管理，现在许多端口将数字化称为数字孪生，而实际上，数字化只是物理体的数字表现，只有与物理体之间形成交互，才能称之为孪生体。整个领域的定义目前还未完全统一。

　　2.成长期：通过物理体和虚拟体之间的信息交互和迭代，使虚拟体逐步逼近实体。

　　在数字孪生领域，中国的发展速度并不落后于其他国家。2020年，国家发改委将数字孪生列为七大新一代数字技术之一，科技部、军科委和自然基金委等多家机构也相继布局并支持了多个相关项目。目前，数字孪生技术已在电力、城市、交通、医疗、军事和装备等多个领域取得重要进展。

　　在传统数字孪生方面，中国也取得了显著成绩。2023年，哈尔滨理工大学研发了国内首艘数字孪生科研试验船。2024年，哈尔滨工程大学在此基础上研发了无人编队操作系统，基于数字孪生的UOS系统可以实现编队控制，显著提高编队效率，优化编队设计，实时监控任务执行、环境重构等功能。目前，这套系统已在海上实际使用。

　　在国际上，美国国防部2018年提出的国防数据工程计划推动了全球数字化的迅速发展，并将其作为提升潜艇和舰艇作战中心数字化水平的国家战略。美国通过数字联盟进行了封闭式研究，构建了数字“林肯”系统，包括数字化环境、测试和交互系统，其目标明确，即确保设备在交互中的可靠性，保障网络运行安全，并降低人员操作风险。其五大数字孪生系统分别用于数字化战场、装备数字化、区域及全球指挥系统的数字化建设，从而为战法研究提供了真实的数字推演环境。

　　挪威作为传统的海事大国也在船舶自主化领域取得了重要进展。2022年，围绕挪威科技大学的合作项目中，哈尔滨工程大学承担了政府合作项目，建立了数字孪生的远程自主船支持中心。然而，由于西方的干扰，合作被迫于2022年终止。尽管如此，通过前期的合作与交互，双方在船舶数字化领域的研究仍保持了同步发展。

　　在船舶数字化技术和数字孪生技术的基础上，提出了一个新的概念，称为船舶数字智能体，其内涵是研究如何将船舶总体系统、关键设备、功能与性能进行数字化、网络化和自动化，形成理论方法和应用的新领域。

　　1.总体技术：通过感知、决策和控制三大系统构建了智能船舶的整体技术框架，目标是实现自主航行和作业，最终实现少人化和无人化。

　　3.航行决策：智能化和自动化的避碰决策在实现自主航行中至关重要。在目标检测的基础上，当前在静态目标避障方面取得了一定的应用，但在多动态目标的规划方面，理论和实践之间仍有较大差距。

　　4.靠泊技术：自主靠泊是实现智能船舶的重要环节，涉及船舶感知、靠泊优化和精确控制。在船舶靠泊过程中，精准性要求极高，尤其是在大多数船舶仍需拖轮辅助的情况下，实现自主化的难度很大。

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　　5.航迹跟踪控制：国外研究已取得一定成果，尽管在产品上中国的自动舵与外国相比仍有差距，尤其是在高海况下的低能耗控制技术方面。如果能耗较高，产品竞争力就会受到影响。

　　6.船岸协同控制：自主航行需要实现船舶与岸基的协同控制，涵盖协同感知、协同决策和协同控制等方面。目前已完成实验型的岸基协同控制，但与实际应用仍有较大差距，这也是当前的研究热点。

　　7.数字孪生应用平台：开发了船舶数字孪生基础软件平台，目标是实现物理船和数字船的实时同步和信息交互，通过在线学习和迭代进化提升数字孪生模型的精度。为研究这套软件专门制造了实验船“海豚1号”，并在此基础上开展了多项实验，解决了模型修正、环境孪生等多个问题。通过机器学习，实现了航行模型的不断进化，使实验船的阻力估算精度提高了5%。

　　在实际应用中，研发了用于验证感知、决策和控制系统的“海豚1号”实验船，并实现了环境感知、自锁航行、健康检测和远程操控等功能。自2023年首次航行以来，该实验船受到了国内外的广泛关注，并成为国内外同行参观的重要对象。

　　未来智能船舶的发展以实现无人化为目标，主要包括自主航行、自主靠泊、自主作业和船岸一体化等方面。为实现这一目标，未来需解决如下几方面的问题：

　　1.总体技术：无人船在设计上与传统船舶有所不同，这需要对船舶的总体设计、总配置进行重新研究，并对关键设备进行冗余设计，确保可靠性。未来的船舶总体设计需要考虑无人环境下的各项要求，包括设备布置、性能优化和风险分析等。

　　2.感知技术：需要进一步发展多元信息融合协同的感知技术，包括多传感器融合和海洋环境信息的融合，实现精确的实时监测。尤其是在近海环境下，通过船岸协同实现更高效的感知，类似于无人驾驶车辆的车路协同系统。

　　3.决策与控制：需要构建感知决策的在线学习系统，通过实时学习和决策模型的精准模拟，将船长的经验智慧转化为人工智能能力，从而实现更自主、更智能的航行和健康管理。

　　4.多层异构机器人协同作业：无人船需要完成诸多作业，包括装卸货、维护等操作，这些任务需要多种专用机器人协同完成。提出了多层次、异构的机器人群体智能协同作业的概念，无人船可以携带多种类型的专用机器人，共同完成海上作业。未来，这一方向将为机器人研究提供更多应用场景。

　　5.航行的三维重构与船岸一体化数字孪生：船岸一体的数字孪生是实现智能船舶远程控制的关键。通过实时的三维重构，可以从船长视角、上帝视角观察船舶的运行状态，实现更精确的控制。这项技术需要通过船上设备和岸基系统的实时协作来完成。

　　船舶智能化是国家造船行业转型升级的必然趋势，也是提高我国造船业国际竞争力的重要途径。当前中国在智能船舶与数字孪生领域的研究已达到国际先进水平，但与老牌造船强国相比，我国在技术积累方面仍有差距。希望各位专家、学者携手合作，共同推动我国船舶行业的智能化发展，为中国从造船大国迈向造船强国贡献力量。

　　夏桂华，哈尔滨工程大学教授，博士生导师。长期致力于船舶与海洋工程领域数字与智能技术研究工作，开创了大型船舶复杂系统仿真验证评估新领域，为解决某国家重大工程总体方案设计优化、顶层指标确定、关键系统性能验证等技术难题作出突出贡献；主持研发多型船舶重要装备，为我国装备技术发展作出重要贡献；主持研发“中国数值水池”1.0，解决了船舶工业CAE软件一体化架构、基础求解器解决方案、数据标准等技术难题，持续主持推进了我国船舶工业软件发展。主持首艘数字孪生智能科研试验船“海豚1”，实现船岸一体全自主航行。获省部级以上科技进步奖11项，其中国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖4项以及国家教学成果二等奖；发明专利授权57项，软著17项，论文90篇。获得何梁何利基金科学与技术奖、某工程突出贡献奖、国防科技工业杰出人才奖以及全国优秀科技工作者、船舶设计大师等称号。