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智能船舶发展趋势分析 ―以海事巡逻艇为例
智能船舶发展趋势分析
―以海海事巡逻艇为例
目录
摘要 3
一、智能船舶发展趋势概况 4
1.发展智能船舶的原因 4
2.智能船舶是什么 4
3.智能船舶功能模块 4
4.智能船舶关键技术 4
5.目前的技术和难点 6
6.国际上的先进成果 6
7.总论 7
二、海事巡逻船介绍 7
三、海事巡逻船的智能化 9
1.通讯与识别 1 0
2.安全与自动航行 1 1
3.船舶动力 1 3
摘要
船舶作为海上重要交通工具，其智能化成为世界各国关注的重点。本文概括了智能船舶的特点，总结已有成就并指出问题和和可能的改进措施和思路。就我国广阔的海域和现有的技术基础，探索海事巡逻艇在通讯与识别、安全与自动航行和动力方面可能解决的措施和方法。
关键词：智能船舶海事巡逻艇船舶智能化e航海
一．智能船舶概况
1.发展智能船舶的原因
近年来由于智能船舶概念的兴起以及智能船舶技术的日益发展，船舶智能化已经成为全球航运的大势所趋。出于通过船舶智能化降低船舶控制和管理难度，减少人为误操作，提高设备及船舶营运的安全，优化船舶航行，控制燃油消耗、降低成本，提高收益等目的，目前智能船舶的研究已在全球范围内开展。[]
2.智能船舶是什么
2015年12月1日，由中国船级社（CCS）编制的《智能船舶规范》正式对外发布，其中定义：“智能船舶指利用传感器、通信、互联网等技术手段，自动感知信息和数据，并通过自动控制技术和大数据处理分析技术来实现智能化运行。”智能船舶以“大数据”为基础，运用实时数据传输和汇集、大容量计算、数字建模、远程控制等先进的信息化技术，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及运营效率智能船舶也是《中国制造2025》中明确重点发展的领域，代表了船舶未来的发展方向，关乎航运业的转型升级。[]
3.智能船舶功能模块
中国船级社发布的《智能船舶规范》将智能船舶分为六大功能模块：智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台。
4.智能船舶中的关键技术
（1）信息感知技术
船舶信息感知是指船舶能够基于各种传感设备、传感网络和信息处理设备，获取船舶自身和周围环境的各种信息，使船舶能够更安全、可靠航行的一种技术手段。
（2）通信导航技术
通信技术是用于实现船舶上各系统和设备之间，以及船舶与岸站、船舶与航标之间的信息交互。常用的通信方式主要包括：VHF（甚高频）、海事专网、海事卫星、移动通信网络（手机网络）等。导航技术是用于指导船舶从指定航线的一点运动到另一点，通常包括定位、目的地选择、路径计算和路径指导等过程。船舶常用的导航技术包括早期的无线电导航和现在广泛使用的卫星导航。北斗卫星导航系统为我国船舶导航领域提供了新的发展契机。
（3）能效控制技术
2007年，世界海运船舶排放CO2达10.4亿吨，其中国际海运排放CO2约8.7亿吨，分别占当年全球CO2排放总量的3.3%和2.7%。为提高船舶能效、减少船舶温室气体排放（节能减排），国际海事组织（IMO）提出EEDI（新造船设计能效指数）、EEOI（船舶营运能效指数）等评价标。智能船舶的发展应顺应“绿色船舶”的发展潮流，分析通航环境、装载量、吃水、主机功率（转速）等因素与船舶营运能效指数EEOI之间的内在关系，在保证船舶安全和营运效率的前提下，通过优化控制船舶航速、装载量、吃水、航线等，以最大限度降低EEOI指数。
（4）航线规划技术
航线规划是指船舶根据航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情况、公司船期信息、航道水流分布信息、航道航行难易信息，智能实时选择船舶在航道内的位置和航道，以优化航线，达到安全高效、绿色环保的目的。目前常用的航线规划方法包括：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
（5）状态监测与故障诊断技术
状态监测技术是以监测设备振动发展趋势为手段的设备运行状态预报技术，通过了解设备的健康状况，判断设备是处于稳定状态或正在恶化。未来船舶故障诊断可考虑以大数据为基础，运用多尺度分析方法来构建设备状态监测系统。故障诊断技术就是在船舶机械设备运行中或基本不拆卸设备的情况下，掌握设备的运行状况，根据对被诊断对象测试所取得的有用信息进行分析处理，判断被诊断对象的状态是否处于异常状态或故障状态，判断劣化状态发生的部位或零部件，并判定产生故障的原因，以及预测状态劣化的发展趋势等。
（6）遇险预警救助技术
水上交通事故时有发生，尤其是碰撞和搁浅事故，往往造成严重的经济损失和人员伤亡。无论是在海上还是内河水域，船舶碰撞是最为常见的水上交通事故类型，在所有的水上交通事故中占很大的比例。船舶遇险预警与搜救技术能够有效的降低事故的发生率以及降低事故的损失。
（7）自主航行技术
《智能船舶规范》中定义，智能航行系指利用计算机技术、控制技术等对感知和获得的信息进行分析和处理，对船舶航路和航速进行设计和优化；可行时，借助岸基支持中心，船舶能在开阔水域、狭窄水道、复杂环境条件下自动避碰，实现自主航行。[]
5.目前技术发展的成果和难点
虽然GPS、AIS、电子海图、VHF 等无线电设备和导航设备等都广泛应用在现代船舶上，同时，基于各种自动化设备的综合桥楼系统、集成控制系统和机舱监测报警系统等自动化系统都已普遍应用，且技术成熟，但是，距离上述智能船舶对智能化的要求还有不少差距。无论是尚有技术难度的船-岸大容量通信技术、大数据分析技术、智能决策技术，还是现有数据的融合及转化，还是为了长远考虑必须规划和整理的相关标准，都是摆在造船人面前的艰巨任务。
建议结合E-航海、E-内河的规划，基于已有的技术和基础设施，加快关键技术的研究，扩展现有设备的智能化功能。
6.当前国际上取得的先进成果
2012 年，由德国 Fraunhofer CML、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。
挪威船级社（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。
作为全球最大的船舶设备供应商之一，英国的罗尔斯・罗伊斯公司最近几年提出了自动船舶（Autonomous Ship），机器人船舶（Robotic Ship），无人船舶（Unmanned Ship），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（ robotic cargo ship）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。罗罗公司认为，智能船舶的下一步发展应该着眼于远程遥控和无人驾驶。该公司在2014年就开始开发名为“未来操作体验概念”(Future Operator Experience Concept)的岸基遥控系统。2016年3月，该公司又与芬兰国家技术研究中心(VTT)、阿尔托大学和坦佩雷大学人机互动研究中心结成合作伙伴，拟于2020年前推出成型产品。通过与VTT进行技术合作，罗罗公司够有效评估远程遥控自动化船舶的设计方案。[]
7.总论
总体来说，部分智能船舶相关技术理论较为成熟（环境感知技术、通信导航技术、状态监测与故障诊断技术等），已经得到实际应用，但有些技术理论缺少在真实环境下的验证（能效控制技术、航线规划技术、安全预警技术、自主航行技术等），因此，智能船舶总体仍处于快速发展阶段，还未完全成熟。随着船舶技术、信息技术的发展，以及“大数据”的智能应用，正推动着智能船舶的加速出现。船舶智能化的发展将是决定未来船舶行业发展方向的重要因素；除了信息感知、通信导航、能效管理等关键技术，自动停泊、离岸，自动维修，自动清洗，自动更换设备部件，自我防护等同样将会趋于智能化发展；随着船舶智能化相关技术的不断发展，最终可实现由智能系统设备逐步转变为会思考的智能船舶，促进船舶安全、高效航行。并为我国航运带来新的发展机遇。
二、海事巡逻船的介绍
我国是海洋和航运大国，是国际海事组织A类理事国，在和平开发和利用海洋资源、履行国际公约中发挥着重要作用。但是由于历史原因，，我国水上交通安全监督管理能力还不适应经济发展需要，与我国海洋大国和航运大国的地位极不相符。20001年，《中国海事发展纲要》提出，到2005年，中国海事将要把1000海里内的国际航线和海上设施等纳入监管范围，50海里内重要干线航道和重要港口附近的应急到达时间不大于3小时。实现这一目标的要求存在于多方面，其中一个重要原因即为具有远航能力的现代化的海事巡逻船。
海事巡逻船在海事巡航执法等诸多方面中发挥着关键作用，其任务主要包括：1、执行海上巡逻、监管、警戒、护航、交通疏导2、执法取证：处理和调查一切海上事故的必须交通工具，维护水上秩序 3、应急搜救：承担水上搜寻救助组织和海上应急值班工作，协调和指导的有关工作。
海事巡逻船上应配备的光电跟踪取证系统能够良好实现海上取证，有效地进行海上内交通事故调查和处理、搜寻和水域污染检测等活动。海上取证不似陆地证据那般固化，会随时间和海流、风向的变化而变化甚至消灭。及时准确的海上取证极为重要。因此，该系统在海事巡逻船得以应用。
海事巡逻船还有一个特殊舱室――多功能厅。此厅类似于会议室，不同的是该亭内具备巨屏显示器以及安装电脑和各种电子设备的操作台。此厅不仅用于召集紧急会议，更可以通过以太网络系统，实现现场指挥部用特殊频点甚至高频无线通话与渔政、海关船舶通信联络；也可以通过船上海事卫星系统接入全国海事网，甚至接入国际海事组织。
海事巡逻船能保证我国领海的安全，帮助我国实现海上透明化的宏伟目标。而其更智能化是海事巡逻船的发展趋势，也是我们应努力的方向。
三、 海事巡逻船的智能化
基于海事巡逻船的特点及现有技术基础，实现有限度的海事巡逻船的的智能化是必要且可行的。海事巡逻船的任务及功能有其特殊性，不同于其他船种。其主要任务类型包括巡逻护航、监管执法、搜救指挥、污染防治业务和维护国家安全和利益。[5]根据《国家水上交通安全和救助系统布局规》制定的监管目标，巡逻船要能在12h之内到达离岸200 n mile内的任何水域，在90min之内到达离岸50nmile内的重点水域。该任务需求对船舶航速提出明显需求，但考虑到节省燃油，船舶日常巡航是低速航行的，仅在需要时才迅速提高航速，因而要求船舶在中低速和高速的状态下都能有较低的耗油率。同时，考虑到重大海难大多发生在恶劣海况下，要求船舶有优良的操纵性和适航性、较大的续航力和结构强度及先进的通信指挥和救援设备。表一归纳了海事履职的主要任务与船舶主要性能的相关性其中船舶生存能力主要指船舶稳性和抗沉性[6]。
针对以上对海事巡逻船的规范和要求，本文将讨论海事巡逻船在解决通讯与识别、安全和自动航行及动力方面可能的措施及思路。
1.通讯与识别
船舶间通讯主要通过卫星通讯和地面通信，关于海事巡逻船队间的通信，可以考虑移动自组网技术。自组网是指一组带有无线接收装置的移动节点组成的一个多跳临时性的自治系统。主要应用在没有网络基础设施支持的环境中或现有网络不能满足移动性机动性等要求的情况下。自组网一般采用按需路由策略，按需路由认为在动态变化的自组网环境中，没有必要维护去往其他节点的路由，仅在没有去往的节点陆游的时候才“按需”进行路由发现，拓扑结构和路由表内容是按需建立。通过上述部署可以实现编队间的实时数据交流。
关于船舶的识别，上世纪年代后期，美国、日本及西欧国家开发了基智能交通系统（ITS）现在己经趋于成熟，为该领域的发展指明了方向。船舶交通服务系统(VTS）最早在欧洲建立，起初应用于内陆水域，目前已经被沿海各国普遍应用。
对于海事巡逻船来说，它的主要执法对象既包括强制安装AIS系统的大型船舶，也包括相关水域的小型船只。基于相关情况，本文主要提出基于VTS+AIS模式（船舶交通管理系统船舶自动识别系统）和基于GPS+GIS+GPRS/CDMA系统的两种识别方式。
VTS是通过前端的雷达和后端的综合信息处理系统，将船舶的位置、速度、方向等信息显示在显示器上，并以此来实现交通流的组织、助航等服务的电子系统。这对组合的优势
在于，能够最大程度地发挥雷达和的互补作用，对于大型（等强制要求安装终端设备的船舶而言，基本上能够实现全覆盖。但船载设备设备的费用相对来说较高，因此安装的成本太大，而砂石运输船等小型船舶又属于非船舶，没有强制安装终端的要求，因此，这套方案对于小型船舶而言，不易于推广实施。
GPS+GIS+GPRS/CDMA系统定位精度比较高，分辨率可以达到15米，速度测量精度可以达到0.1米秒；能够更准确地把握周边信息，通过地图将船位置信息标注到海图上，实现对船舶的监控和管理，对沿海、内河这些移动、联通网络覆盖率高的区域，更有利于实现对船舶安全航行提供助航服务；更有利于实时通信，在移动、联通网络覆盖范围内，网络传输的速度较快，传输的准确率较高，也实现了网络化通信的目标；经济实用，性价比高，这也是与其他种船舶监控方式相比的最大优势。一些小型施工船，强制其安装价格昂贵的设备，将会给这些船舶带来巨大的经济压力。而基于的方案能够充分利用公共通信服务网络，网络通信费用较低，船载终端的成本更加低廉，不会像设备那样增加船方更多的经济负担，比较有利于推广。
由于可以通过技术的手段来转换GPS信息与AIS信息的数据格式，因此，小船的数据信息在系统可以实现集成显示。
2.安全和自动航行
智能船舶的航行对通讯的安全性和设备的可靠性提出了很高的要求。对于通讯，一般来说，一个完整的安全模型应由以下五部分组成：安全管理、入侵检测、安全保护、安全恢复、安全响应。评价一个网络安全的程度应当遵循“木桶原则”，即以最低网络安全程度作为判断的依据。因此，一个安全无漏洞的系统，应当从各个方面来加强网络安全，应当构建一个多层的安全保护网。在实现定位功能和数据传输方面，选取了信号稳定、成本较低的GPS定位系统，以及GPRS网络系统，突出了节约经费的思路；在小船监控系统应用于管理方面，通过对新系统的研究，找到了将小船AIS目标融合到目标中的途径，迎合了系统集成化的趋势；在网络架构方面，对VTS安全网络进行了较为认真的分析研究，提出了一个四层安全架
构，体现了网络安全的理念。
智能船舶的自动航行需要一系列软硬件支持，现有的一人桥楼和无人机舱的技术并不稳定，通常在实践过程中并不能发挥应有的作用。智能船舶在算法设计上系统应采用变论域模糊控制通过实时控制舵角输出实现船舶航向的精确控制。目前以专家系统、模糊控制、神经网络等控制算法为核心的第四代自动舵系统。目前比较常见的船舶航向控制系统主要由上位机、航向控制器、舵伺服系统等部分组成其中上位机作为数据参数的发送端,主要实现航向控制值的设定及当前船舶所受扰动量的输入;航向控制器则在结合相关数据的基础上经过智能算法运算实现控制舵角值的输出;最后由舵伺服系统实现舵机控制及当前舵角反馈,以此实现船舶航向智能控制。
智能船舶的避碰功能也是船舶航行过程中需要考虑的重要问题。不同船型有不同的回转半径，不同速度下有不同的转弯角速度。要想真正实现船舶避碰ARPA功能，每种船型的数学模型是不一样的。如果是运输船舶，不同（装载量），其特性也不一样的。换言之，船舶避碰 ARPA 软件还要具有“不断学习”的能力，以适应海事巡逻船巡逻执法的需要。与传统的“ARPA 功能”相比，新型导航雷达要与“船舶能效管理系统”有接口关系，实现自身船型特性数据的输入和实时修正。
与传统的“观察”相比，新型导航雷达要与“船舶气象仪”及其他气象设备有接口关系，获得实现天气、海浪等气象特性数据的自动输入和实时修正。根据目标的大小需要变换量程，或者需要调节增益，新型导航雷达本身能够实现自动调节。另外，借助岸基支持中心，也能遥控实现自动调节。
现代导航雷达显示器能够与“电子海图显示与信息系统（ECDIS）”和 “船舶自动识别系统（AIS）进行融合。这样的雷达画面，就是智能船舶的实时场景。与传统的“融合观察”相比，新型导航雷达能够与对外通信系统或情报系统有接口关系，能够将“实时场景”传输到岸基支持中心，以便实现岸基互动，更好的维护我国利益，实现海事巡逻船的预定功能。
[if !supportLists]3. [endif] 船舶动力
海事巡逻艇对速度有着明确的要求，要求其在指定时间内到达出事海域，同时要求起能实现长时间巡航。这就对海事巡逻艇的动力装置的性能，尤其是速度和可靠性提出了要求。当前船舶动力系统种类可分为：柴油机动力系统和燃气轮动力系统，前者优点是：安全可靠，经济实惠启动迅速功率范围大部分负载运转性能好效率可观技术比较成熟，而目前市场上半数以上船舶使用的就是这一系统；而后者具有质量轻功率大、尺寸小、环保等优良特性，但同时也有油耗高、对燃料要求高的缺点。目前国内船舶动力系统的发展趋势：双燃料单缸输出功率大的常规智能型柴油机动力系统、电力动力系统（采用交流变频技术，易于布置，节能，噪声小，易实现自动化控制）、和混合动力系统（可靠性高，常用于军船和大型远洋商船）。
在船舶汽轮机调速过程中经常采用PID控制器，这主要是由于PID算法具有结构简单、容易实现的特点，利于实现对动力系统的智能控制。但在常规PID算法需要人工试凑，不利于实现船舶的智能化。要对其进行智能化改造，采用基于模糊神经网络的模糊型PID控制器。
参考文献：
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[2].《智能船舶规范简介》【J】.船舶工程,:01-02
[3].李雨.智能船舶现状与发展趋势【OL】.互联网./
[4].梁云芳，谢俊元，陈虎，季寒，吴鸿程《智能船舶的发展研究》【J】.中国会议论文./
[5].杨立波，王旺，邓爱民.《海事巡逻船型船及性能指标研究》【J】.《船海工程》 2013(2)
[6].赵福波，谢新连，李猛.《海事巡逻船优化选型数学建模》【J】.中国航海20 16（1）