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智能船舶七大关键技术

2019-05-10 16:35:15
来源:中国船检 编辑: 国际船舶网 我有话要说

目前,智能船舶已成为国际海事界研发和关注的新热点。智能船舶通过将现代信息技术、人工智能技术等新技术与传统船舶技术进行融合,从而达到安全可靠、节能环保、经济高效的目的。本文基于智能船舶模块的功能和经济性,剖析各关键技术在其中发挥的优势和作用,以及技术研发与产业化应用现状,为智能船舶项目决策与未来智能船舶体系构建提供依据。

七大关键技术助力六大智能模块实现

根据中国船级社《智能船舶规范》,智能船舶的智能模块分为智能航行、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六个部分,而信息感知技术、通信导航技术、能效控制技术、航线规划技术、状态监测与故障诊断技术、遇险预警救助技术、自主航行技术七大技术在六大模块中发挥着重要的作用,为智能船舶的正常运行提供有力保障。

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,包括船舶航速、航向、时空位置等的变化等,使船舶能够更安全、可靠航行的一种技术手段。目前,常用的船舶状态感知技术手段有雷达、船舶自动识别系统(AIS)、全球定位系统、闭路电视系统(CCTV)等。

信息感知技术是智能技术的基础,在智能模块中负责信息收集,为智能分析提供数据基础。例如,在智能航行模块中,信息感知技术利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段,自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据,供航行中心进行大数据处理、计算机分析和自动控制;在智能船体模块中,信息感知技术实现了对船体结构安全参数的监测以及海洋环境参数监测,从而对智能船体起到支持的作用;在智能能效管理模块,信息感知技术负责船舶能效在线智能监控并进行数据反馈。

通信导航技术:通信导航技术是运用各种技术手段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,从而通过航位推算、无线电信号、惯性解算、地图匹配、卫星定位及多方式组合以达到确定运载体的动态状态和位置等参数的综合技术,通信导航技术可细分为船舶通信技术和船舶导航技术两个部分。

通信导航技术对智能船舶的线路规划和航行起到重要的作用。在智能航行模块中,通信导航技术实现船、岸、船-船之间联系,协助船舶能在开阔水域、狭窄水道、复杂环境条件下自动避碰。而非航行模块中,通信导航技术也能够提供信息传递的功能,例如在智能能效管理模块中,通信导航技术能够将能耗、航速、纵倾角等多维度多渠道信息汇总传递至控制决策中心。

能效控制技术:也称船舶能效管理控制计划,是通过对能效指标进行分析和汇总整理,指导船舶能效因素(航线设计、航速、船舶浮态、动力设备)和人员培训等技术措施的改善,最终实现减少排放、提高能效目的的技术手段。

能效控制技术服务于智能能效管理模块。通过信息感知技术采集和通信导航技术传递的船舶航行状态、耗能状况信息,结合航线特点、燃料消耗、经济效益等评估结果,提供基于不同目标的航速优化方案,为船舶能效管理提供辅助决策建议。

航线规划技术:航线规划技术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、绿色环保的方法。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。

航线规划技术主要体现在智能航行模块中航路设计和优化,通过航线计划、航线监控、自动避碰等功能,让船舶的海上运输更加安全高效,从而缩短运输航程,降低燃料消耗。

状态监测与故障诊断技术:由两部分组成,状态监测技术是以监测设备振动发展趋势等技术为手段,判断设备是处于稳定状态或正在恶化。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,判断被诊断对象的状态是否处于异常状态或故障状态,以及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。

状态监测与故障诊断技术的应用领域在智能船体和智能机舱两大模块。该技术基于采集数据结果,能够实现全生命周期对船体、主机等关键配套的监控,定量评估使用情况,并结合辅助决策系统提高船体和设备安全性,减少维修费用。

遇险预警救助技术:船舶遇险预警及求救系统是指船舶在遭遇恶劣海况、天气或其他特殊情况时能够对船舶航行姿态进行实时监测和预警,并能在船舶发生倾覆等突发情况时自动向监控中心或周围船舶发出求救信号,指引搜救人员和船舶前往遇难遇险船舶开展救助的方法手段。

遇险预警救助技术是智能集成平台以及智能货物管理模块所搭载的关键技术。该项技术减轻了海上环境监测对人员的依赖性,并提高了风险预警率,及时控制事故的蔓延,提升工作效率和船上人员财务的安全性。

自主航行技术: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。

自主航行技术是智能船舶实现无人驾驶的关键所在。但由于自主航行的可靠性和稳定性需要经过长时间的真实环境下的反复测试,并且还需要与之配套的国际和国内水上交通法律、法规的修改和完善,因此,距离无人驾驶船舶大规模的投入生产和营运还有较长的一段时间,所以自主航行属于尚未实现的高级功能。

综上所述,智能船舶七项关键智能技术中在船舶各大智能模块的体现如上表,可以看到,信息感知与通信导航是目前智能船舶最为核心的智能技术,而智能集成平台是各关键技术的连接中心。

关键技术在多领域具有竞争优势

随着电气技术、数字技术和网络技术的不断成熟,人工智能技术介入船舶行业并产生了深远的影响,尤其是在航行、操纵、机器运转、风险监控等多个领域表现出传统技术所不具备的巨大优势,使智能船舶成为船舶行业提升竞争力的新契机。总的来说,智能技术带来的优势可以归结为以下六点。

一、降低操作风险,提高航行安全性

信息感知技术和通信导航技术的优势在于降低操作风险,提高航行安全性。在交通密集的狭窄海域,以及船队海上航行过程中,对船体自身监控和船舶之间的通信有很高要求。在这些应用场景下,船舶之间通过收集、传输数据和信息,实现情报共享、入侵预警、碰撞避免等功能。以往这类功能主要通过传统AIS、声纳、UHF通信手段等完成。然而,近年来随着海上航运业的不断发展和海洋多种业务综合系统的不断应用,使得船舶间的通信需求越来越大,传统的船舶间通信手段和网络,越来越难以满足这一不断增长的需求。在这一背景下,舰载通信设备的功能不断提升,提供更大的通信带宽和更加便利的通信手段。通过这些工具能够对复杂的环境数据进行融合分析,并为船员和其他智能系统提供更好的船舶周围环境感知度,以使船舶的操作运行更加简单、安全、高效。

二、提高能源效率,经济环保双赢

能效管理控制技术的优势在于提高能源效率,实现经济环保双赢。船舶节能一直是世界各国造船界和航运界研究的重要课题,它关系到节约燃料资源和费用、环境保护以及船舶运营经济效益等问题。船舶的节能技术改造,不仅可节省燃油费用,减少船舶的运输成本,提高企业的利润率,给企业带来高的经济效益,还可以减少船舶造成的环境污染,获得经济和环保双重效益。

三、合理航线规划,提升运营效率

航线规划技术的优势在于合理航线规划,提升运营效率。早期的航线设计通常是船长根据自己的多年航行经验,并参照一些安全的经典航线,结合每次的航行任务对航线进行分析,航线的优劣完全取决于航海人员的经验多少、作业的熟练程度及其工作态度。随着电子海图(CECDIS)等现代综合导航系统的应用,船舶的航线设计主要在ECDIS上实现,但是航线的设计上仍旧有一定的主观性,设计航线的人员很难参考其他有经验设计者的成果。目前自动化的航线规划是电子海图应用的重要内容,运用信息智能处理技术进行航线规划,可更好地进行航线设计,减少人为失误,进一步提高航线的安全性、经济性和可靠性,对于保障海上船舶安全经济航行、提高航运效率、降低营运成本、避免海上交通事故的发生、减少船舶运输对环境的影响具有重要意义。

四、预防潜在风险,节约维修成本

状态监测与故障诊断技术的优势在于预防潜在风险,节约维修成本。船舶设备现行的维修方式主要是以预防为主的维修方式,大型检修的方式是定期维修和保养。虽然定期进行大型检查能够保障船舶的安全性,但难免带来安全性过剩的经济损失,给维修成本乃至产品带来压力。状态监测与评估是对传统船舶管理模式的改革,船舶状态检测和评估的结果能为实施状态维修提供客观依据,实现最少的维修费用投入获取最大的经济效益,进而提高船舶管理公司的市场竞争力。

五、增加应急能力,保障人财两全

遇险预警救助技术的优势在于增加应急能力,保障人财两全。近年来,水上交通事故频发,仅我国水域范围内遇险船舶每年财产损失达百亿以上。智能遇险预警救助技术快速、高效、便捷地在海域上空对遇险目标进行定位与显示,具有成本低、无人员伤亡风险、机动性能好、使用方便等优点,有助于提高水上搜救的效率,降低事故后果的严重性。

六、实现无人航运,推动行业变革

自主航行技术的优势在于实现无人航运,推动行业变革。从宏观上讲,自主航行给航运所带来的影响,正如智能手机给通讯业带来的颠覆性改变。一方面,通过采用自主航行技术,能够降低船员数量及所需空间和设备,从而节省建造和运营成本、减少船舶重量、降低用电负荷,并增加船舶空间和载货能力。另一方面,导致船舶海上事故的主要原因是决策和操作过失、应急反应不当等人为因素。而在无人船的设计方案中,船舶的操纵主要是通过专家决策系统与远程遥控系统在劳动条件更好的岸上进行操作,从而从根本上减少人为因素对船舶航行安全的影响。

摸索前行任重道远

智能船舶是未来船舶发展的必然方向,也将是未来世界船舶工业领域竞争的焦点。但目前,智能船舶的发展尚处于初级阶段,欧洲、韩国、日本以及我国等全球主要船舶建造中心都在积极开展研发工作,推进智能技术应用将成为智能船舶发展的关键。

一、技术研发与实船应用并重

由于目前智能船舶的发展尚处于初级阶段,智能船舶也将随着技术的发展不断地更新变化,采用研发与应用并重的分步实施策略能够有效推进智能船舶的发展。以典型船企现代重工智能船舶技术的发展历程为例,自2011年开始开发智能船舶技术,先后陆续在其交付的300艘船舶上应用智能技术,这一过程中逐渐完成了智能航行、通信导航、电子海图等相关技术应用,形成了数字化主题的智能船舶产业。

二、跨行业合作实现优势互补

发展智能船舶绝不能局限于船舶行业,大量的互联网、通信等不同领域企业也纷纷加入智能船舶的研发项目中。此前,欧洲、日本等多家单位已经开展了跨行业跨领域合作,并取得了巨大突破:罗罗携手芯片巨头英特尔开展无人船研制,完成无人船的自动系泊实验;而日本三菱重工与多家船企、高校、机构合作研发了智能船舶导航系统。

三、开创制造业的新服务模式

智能船舶能够更好地服务船舶运营,实现船舶、港口、船东、船厂之间的信息共享,建立一体化的船舶运营服务模式。智能船舶在未来会改变船厂的运营模式,而船厂不再是单纯的制造船舶,船舶产业链条上的企业关系将进行重组,船舶制造企业将基于智能船舶提供全方位、全生命周期的综合服务。

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