智能船舶渐行渐近

祁 斌

为了应对越来越严格的环境法案和不断增长的运营成本，船舶或者说船舶的操作正变得越来越复杂，其结果就是对高素质人员的需求越来越多，而目前的情况却是船员或相关运营人员的能力已渐渐跟不上节奏，合格人员的数量越来越满足不了需求，从而就造成了人员的缺口。面对这一情况，“大数据”时代的来临正好为人们指出了一条道路，那就是“智能船舶”。

智能船舶的概念

船舶是一种受到环境因素影响非常大的装备，目前船员对于船舶状况、航行状态等的判断主要还是依靠经验和理论知识，这样一来难免会出现不恰当的决策，造成不必要的人力、物力或财力损失。而智能船舶简单来说，就是以“大数据”为基础，运用先进的信息化技术，如实时数据传输和汇集、大计算容量、数字建模能力、远程控制、传感器等，实现船舶智能化的感知、判断分析，以及决策和控制，从而更好地保证船舶的航行安全和效率，大幅度减少甚至杜绝人为因素造成的事故，避免与货主的纠纷等。举个不恰当的例子，非智能船和智能船之间的关系就好比手工制作的产品和机械化流水线出来的产品，仅从效率、精度及安全性来看，后者肯定要高于前者。所以说，智能船舶所具备的基本功能通俗点来讲就是安全、经济、效率，当然还有环保，最终目的就是让船东“省钱、省力、省心”。

智能船舶之所以智能，关键就在于分析、决策、以及成长，即能在大量信息中，将相关的数据融会贯通，然后进行综合的评估与分析，这就需要船舶具备高水准的数据分析系统，进而做出最合适的决策并进行船上系统的操作以管理推进、导航及其他系统，且随着收集数据量的增加，系统功能会随之增强。还有一点就是，智能船舶不仅需要自身智能，而且还需要船岸一体，岸上的支撑建设同样不可少，否则也就谈不上信息支撑、远程遥控了。从韩国现代重工及韩国电子通讯研究院(ETRI)共同开发、被选为IEC国际标准(IEC 61162-450)的“有/无线船舶综合管理网通讯技术”(SAN：Ship Area Network) 来看，其最大优点就是利用IT技术对船内原本独立管理的460余种部件进行了综合管理，从而使主机等与航行有关的装置更便于管理，同时也可在陆地利用远程技术对船舶状态进行实时监管，此外还可进行远程维修。

技术发展现状

智能船舶的发展并不是一蹴而就的，而是一个循序渐进的过程，从局部到整体，从海上到岸上。就目前的技术情况来看，智能船舶才刚刚起步，我们可以做的就是先让船上的操作更简化、更统一，这也是实现智能船舶的第一步。当前出现的比较多也比较热门的智能船舶技术就是综合船桥系统（IBS）。

IBS可以说是实现智能船舶的最重要组成部分，其发展从二十世纪70年代开始，至今已经成为船舶自动化领域的核心装备。它是一种集海上综合导航（包括各种分导信息测量、采集、优化处理和分发使用，航行状态监视、预报、航线计划、航路导航、航海作业管理、综合航务管理等）、操纵驾驶、机舱监测和遥控、自动避碰、航行控制、综合通信管理以及舰船安全、消防、自动监测和报警等众多功能为一体的高度信息化、自动化的集成系统。国际海事组织（IMO）对IBS的定义为：它是船舶导航与控制的集成系统，通过系统设备及子系统间的相互联通，集中显示和使用来自传感器和数据接口的信息，它的目的是提高船舶航行的自动化程度和经济性，提高船员操作和管理效率，保证船舶和船上全体人员的安全。下面将以Sperry Marine公司的IBS作为案例进行简单介绍。图1为一种典型的IBS组成结构图。

图1 基于环形网络的IBS

Sperry Marine公司综合船桥系统。诺思罗普格鲁曼集团公司旗下的Sperry Marine公司(前身是利顿航海公司) 是全球航海电子产品的知名品牌之一，主要针对商用船舶和军用市场提供船舶导航和控制设备，其产品由三个品牌——Sperry，Decca和C.Plath的 产 品构成。

该公司的VisionMaster FT综合船桥系统把船舶所有的航行传感器和系统，包括雷达、电子海图显示及信息系统、电罗经、测深仪、测速仪、差分全球定位系统（DGPS）以及自动舵合并成为一个完全综合的成套设备，其中心部件是该厂生产的船用航行管理系统（VMS）软件，这种软件能提供简捷、准确的航线计划并且与雷达目标和自动识别系统一起，在电子海图显示及信息系统上给出船舶的准确位置和移动的清晰画面。

Performance Based Navigation（PBN）是其VisionMaster FT船舶舰桥系统中为提高运营效率而设计的系统模块，主要功能包括实时海图更新和燃油管理，可根据航行时的天气状况等自动规划航线以及优化油耗，并能提供远程诊断、软件更新和其他技术支持。该模块可集成在IBS中，通过企业网关，既能与同系列的任何产品进行无缝对接，又能通过海事卫星实现船上用户与岸上用户之间的信息传输。

从船队管理的角度出发，该系统模块试图从根本上改变船队原有的单线运营模式，建立船队之间更紧密的联系和合作。从资产管理的角度出发，该模块分为三个子模块，分别为：节能优化、海图显示，以及船舶远程管理。从使用者的角度，该模块有船用界面和公司管理人员界面，并能通过企业网关互通信息。

图3 PBN网络架构图（下）与传统航行构架的比较

开航前，管理人员将船舶货物积载和挂靠港等信息输入后，使用航行计划功能得到一份航行计划和燃油计划。

航行中，既可以自动执行最佳航速计划，又保留了手动设定航速的功能；根据实时的天气和洋流预测、抵离港时间和实际航行路线偏离情况等，对比航行计划，自动调整航速、航线计划以及发动机模式；向管理人员报告航程信息、燃油计划和航行计划的执行情况等。

图4 航线优化流程图

图5 航线优化功能示意图

航行中记录的信息在经过计算后得出船舶累积节省的燃油量，并在管理人员界面生产一份报告，通过直观的图表显示a）当次航程的燃油量与历史数据的对比；b）实际的燃油量与计划的燃油量的对比。

另外，该系统还集成了设备远程诊断的功能。通过船舶远程管理功能模块，将设备状态报告给岸上管理人员进行远程诊断、在线维修以及软件的升级，能有效减少设备维护和维修费用，提高维修工作的执行效率，延长设备寿命周期。

图6 船舶远程管理界面示意图

除了IBS，其他许多技术也将成为智能船舶的构成部分，比如船上设备的远距离监控。罗·罗公司可谓是这方面的业内领先者，其在挪威Alesund和芬兰Rauma均设有控制中心，可实时监控大量其在全球范围内的船舶和推进设备之运行情况。

未来智能船舶

上述这些仅仅是目前人们已经开发出的比较热门的技术，未来的智能船舶肯定不止于此。我们可以想象到的是，除了自主航行、远程遥控等主要关键技术，一些细节部分同样可以智能化，譬如自动靠泊、离岸，自主维修，自动清洗（如海底门滤器），自动更换设备部件，自我防护（针对海盗等），自动补给等。另外，随着智能化程度越来越高，船上所需人员肯定会越来越少，甚至实现无人。事实上，无人船在某些海事领域即将成为现实，其对海上安全方面的影响无疑是积极的，虽然仍会有很多规范方面的问题需要攻克，但这并不会改变业界对无人船的认同。不过从个人角度来看，船上最好还是留有至少一人，主要是考虑到一些船即便是有了智能也处理不了的突发状况。从另一方面来看，未来也许会从人服务于船转变为船服务于人，比如由于船上配置人员减少，那么考虑到船员情绪，就可以家庭为单位上船，此时就要考虑人员的健康和教育问题，如远程医疗诊断、机器人手术、远程教育和娱乐等，甚至是船上生态循环系统。

以罗·罗公司的“未来操作者体验概念”（Future Operator Experience Concept，简称“oX”）系统来说，其是罗·罗对当今船舶使用者的经验研究后的产物，可根据不同船上人员进行操作环境的转换，如大型货船和PSV。该系统使用3D动画，采用最先进的数字技术以实现更安全、更高效的船舶操作，不过要到2025年才能看到实物。该“oX”船桥系统为船员提供了智能工作站，可自动识别进入船桥的船员并调整到该人员所偏爱的“风格”。船桥的窗户可放大显示船周围的真实环境，类似多年前就已成功应用于航空航天领域的平视显示（Head Up Display，HUD）。该系统的功能包括清晰呈现人眼无法看见的潜在危险，例如精确定位海冰、拖船或其他小艇等船员无法看到的物件，特别是对大型集装箱船上的船员而言。

智能船舶的技术虽然刚刚起步，很多技术还不成熟，但随着船舶技术、信息技术的发展，特别是“大数据”的智能应用，正推动着智能船舶的加速出现。未来10 ～20年船舶智能的发展将是决定未来船舶行业发展方向、船型变化、船员能力要求的重要因素。在2014年10月10日举行的国内首届“大数据与智能船舶发展”高峰论坛中，中船集团副总经理南大庆，中国船舶工业系统工程研究院院长、海洋装备信息智能化管理与应用技术创新中心主任张宏军等代表性人物均肯定了智能船舶的重要性。可以说，智能船舶对于现在的传统船舶系统来说，就像蒸汽动力对于风帆动力、燃油对于煤炭，终将取代老一代产品，未来我们将看到越来越多复杂、尖端、高度自动化，甚至是无人的智能船舶航行于海上。