船舶智能与绿色解构

随着科学技术的进步和设计能力的提升，相信未来船舶技术的发展必然是智能与绿色的融合。

近年来，行业新规和环保要求让智能和绿色成为业界关键词。新环境下，如何找准船舶智能建造方向？智慧型船舶系统该怎样一步步地走？哪些又是最具效率的绿色船舶动力？9月18日，业界专家学者在中国造船工程学会主办、舟山市经济和信息化局和中国船舶重工集团公司第七〇四研究所承办的首届“中国船舶设计师论坛”上，给出了思考的方向。

技术智能化是必然之路

“‘信息通信+先进制造技术融合’的制造技术智能化，是中国船舶工业转型的必然之路。”中国造船工程学会首席专家陈映秋表示，中国制造业份额在全球占比已经超过20%，遗憾的是，却仍然处于全球价值链中的中低端，“中国制造业需要在全球制造业势力重新划分的关键时期进行产业结构的升级攻关，发展高端制造业，由‘高速增长’向‘高质量’发展方向转变。”

在陈映秋看来，这是这条“必然之路”的一个背景。据《2019年中国船舶行业分析报告——产业供需现状与未来趋势预测》显示，2019年上半年，我国造船完工量虽然保持增长，但承接新船订单量和手持船舶订单量同比下降。统计期内，我国承接新船订单量1206万载重吨，较2018年同期下降46.9%；手持船舶订单量8172万载重吨，较2018年同期下降10.3%。相比之下，韩国造船厂在技术上的投资和积累则为韩国造船业带来了较高回报，例如，超大型液化天然气(LNG)船、超大型油船(VLCC)和超大型集装箱船等高附加值船型订单多被韩国船厂接获。而这条“必然之路”可行的强有力支持因素，则在于科学技术的突飞猛进，即互联网、大数据、人工智能技术的工程化发展。陈映秋说：“面向行业智能制造发展需求，我国造船企业应努力完善船舶精益制造体系和智能制造标准体系，加强船厂互联网基础设施建设。同时，围绕关键环节，补齐关键技术和柔性化、自动化、智能化造船装备短板，结合船舶制造特点，充分发挥人与机器智能协同优势。”

哈尔滨工程大学船舶工程学院副教授郭君也提出了数据技术与智能方法应用于船舶及海洋平台结构设计中的应用场景设想。郭君说：“第一，数据技术与智能方法能够利用以往设计数据获得新设计船舶某项结构性能的快速预报，支撑船舶设计单位在竞标中占据优势。第二，它能够代替某些结构设计中重复性的繁琐的人工工作，提高设计效率。第三，还能够对某项结构性能指标的演化趋势进行预判，给科学合理的船舶结构总体指标论证提供支撑。”

然而目前，数据技术与智能方法应用于船舶及海洋平台结构设计中的进展还比较缓慢，比如某一类型的船舶样本量太少且离散，所形成的数据库难以支撑智能方法的训练。成本高昂的数据库建立也是掣肘之一，因为船舶结构设计涉及重量、强度、振动噪声、抗爆抗冲击等多种性能，而每变化一次设计方案带来的计算工作量都是十分巨大的，因此，要推动数据技术与智能方法在结构设计中的应用，或许高效率的结构方案与结构性能数据库建立方法是一个重要的问题。面对这些挑战，郭君建议，应进一步完善参数化快速建模软件，使其运行更流畅，模型更精准，船型覆盖面更广，同时尝试研发设计参数化快速建模软件与其他工程制图软件接口程序，实现参数输入、模型建立、网格划分、模态分析、数据提取的一体化程序。更重要的是，加强结构数据库分析中对各类智能方法适用性的研究，寻找各类结构性能分析的合适智能方法，进而探索更多的数据技术和智能方法在船舶与海洋平台结构设计中的应用场景。

理性畅想智能航行

智能航行是航运智能化发展的另一个表象。人工智能(机器学习、自然语言处理、语音识别、计算机视觉)，网络及信息技术(网络连接和系统软件化、船舶网络、船舶系统、网络信息安全)，感知技术(环境、船舶状态、人员、船上货品)，通讯技术(船岸链接和船船链接的技术瓶颈、卫星通信、微波通信、移动通信技术)，智能化的四个关键技术有了极大进步，而这四个技术的大跨越发展，也为船舶智能化提供了坚实的基础。与此同时，船舶关键技术(包括动力电力、船舶装置、热能环保、减震降噪)已经非常成熟，技术的引领加之需求，则催生了船舶智能化浪潮。“不久的将来，船舶智慧系统可使船舶或海工平台达到智能化L3等级。”中国船舶重工集团公司第七〇四研究所副所长李建明说。所谓L3等级，即在给定场景中，系统自主决策并完成操作，属于有条件自主，L3级别的智慧船舶可以通过船联网接入云平台，届时，数以亿计的海量数据将进入分析中心，实现更大程度的互联互通。“这种智慧型的船舶系统会让船舶运营更安全、更经济、更高效，为船东创造更多价值。”李建明说。

随着人工智能、控制系统和传感器的日益成熟，自主化技术能够在航运和船舶领域发挥极大优势，比如，由于人为因素造成船舶事故占比极高，智能航行也在一定程度上可以减少人为因素造成的航行事故。但是，陈映秋也提醒到，在畅想自主驾驶技术发展方面，要更加理性。“首先，国际海事组织(IMO)的海上自主驾驶船舶(MASS)框架预计将在2020年完成，但主要还在于法律层面，技术层面较少，公约生效需要假以时日。其次，全球船联网技术标准缺乏，且相关标准需要与国际公约呼应。再次，人工驾驶与智能船舶利用相差20年或更长时间，这是由船舶经济性(船龄)决定的。因此，自主驾驶之路比较漫长，只有一步一步地走。其关键问题，第一在于海运界的接受程度，第二在于与接受程度呼应的技术标准水平。”陈映秋说，“宣传有利于引起人们对无人驾驶或自主技术等话题的关注，但实现真正意义上的无人驾驶航运，目前并不现实，也许可能永远不会出现。我们可以有不同程度的自主化，但驾驶员控制应是优先级的，因为智能只能为人类赋能，在控制方面不能取代人类。”在陈映秋看来，船舶的智能功能是为船员和支持人员提供相关的关键信息，以帮助决策的智能分析手段，而不应被过度神化。

对于陈映秋的观点，中远海运重工有限公司经营中心副总经理赵志坚表示认同，他认为，“绿色航运”并不仅是无人驾驶，它体现在航运上下游的各个环节之中，只有高效的“绿色”，才是有意义的“绿色”。

赵志坚举例称：“常规船的机舱通风在各种工况下均是人为确定机舱风机的运行台数，手动控制，所有风机都是普通定速风机。绿色智能船舶的机舱通风采用变频风机，风机转速根据机舱温度、压力自动调节。在货舱通风控制方面，常规船在装有集装箱时，人为确定货舱风机的运行台数，且所有风机都是普通定速风机，绿色智能船的货舱采用变频风机，风机根据其所在货舱的温度和二氧化碳的浓度自动调节转速。常规船舶也没有软卸载功能，只有优先脱扣功能，当发电机负荷高于某设定值时，将一些非重要负载进行自动脱扣(供电开关跳闸)，当发电机负荷降下来后，人为对脱扣掉的负荷进行复位及上电。而绿色智能船除了优先脱扣功能外，额外提供软卸载功能，即通过中控软件程序自动停止或恢复负载(货舱风机和冷箱)的供电。当发电机负荷高于某设定值时，货舱风机及冷箱负荷通过软卸载自动停止工作，货舱风机收到中控停止命令后停机，对于冷箱来说，其供电开关收到中控命令后断开，当发电机负荷降低到某设定值时，中控自动恢复供电(货舱风机收到起动命令，冷箱电操供电开关合闸)。因此，软卸载优点明显，它不需要船员全船去复位配电板脱扣开关，减少了船员的工作，迅速稳定。”

赵志坚总结到，绿色航运的最有效应用是应将现代科学技术运用到航运业及其日常管理，使其节能高效而不牺牲后代人的长远福祉，从环境和可持续发展的角度建立一个环境共生型的航运管理系统。“因此，集装箱班轮公司技术管理部门对绿色船舶的要求应主要体现在三个方面；第一是能耗的绿色环保，节能减排和增加燃料的利用率是重点；第二则是船舶航行的安全，因为降低航行及设备的安全事故，节省维护成本和事故发生风险也是一种‘绿色’的体现；第三则是运营管理的高效运转，以提升船-岸之间的高效协同。”

新能源下的绿色航运

观点的碰撞总是引人深思，对一件事情的不同看法或将更有可能带动行业尽快走向那条正确的路。北京ABB电气传动系统有限公司经理张成礼看来，把使用传统化石燃料的交通工具改变为电力驱动，把发动机齿轮箱换成电池电机和驱动器，并没有实现所谓的绿色航运。“2018年，中国火力发电量占全国总发电量的73.32%，可以说在目前情况下，电动其实是把烧油改为烧煤了，虽然集中发电的效率有所提高，排放有所降低，但这离真正的‘绿色’还是有距离的。真正的‘绿色’，首先要提高可再生能源发电的占比，并且同时发展电动交通，从发电和用电两方面共同引入新技术，新产品才能实现真正的‘绿色’。”

据张成礼介绍，商船上更具有市场潜力的是轴带发电机系统。虽然轴带发电机系统包含多个变流器，并存在多种运行模式的切换，其控制的复杂程度远远大于电力推进变频器，甚至比直流电网更复杂，但这套系统把常规船舶上的轴系推进系统和辅助发电系统联系到一起，既可以让主柴油机发电，也可以让辅助柴油机推进，从而大大提高了船舶主机的效率，同时增加了船舶航行的安全性。

与此同时，随着储能设备成本的逐步降低，储能已进入到商业应用阶段。在造船领域，储能技术进一步提高了船舶柴电推进系统的效率，降低运行成本，减少排放，可以完全代替柴油发电机。张成礼解释称：“储能设备现在有三种使用方式，第一是直联直流电网，第二是通过DC变流器连接直流电网，第三是通过AC变流器连接交流电网。和储能应用一起出现的是船舶直流电网，两者结合就出现了新能源船舶这个概念，给近海和内河航行的船舶设计制造带来了革命性的改变。”值得一提的是，相对于集中充电方式而言的分散充电方式目前也逐步得到认可和应用。“目前，ABB把集中、长时间、小功率的慢充改为多次、短时大功率的快充，这种分散充电方式可以减少电动船船载电池数量，降低纯电池船的建造成本，从而推动电池船的普及与应用。”

目前，业界对氮氧化物、温室气体、硫、颗粒物等排放物的限制严格，船舶工业处于动力变革期，广州船舶及海洋工程设计研究院首席专家徐文珊认为，采用具备高能量密度、高安全性、高效节能环保特性及可再生等特点的能源作为动力源已成为未来新能源船舶的重要发展方向之一。

提到船舶新能源典型方案时，徐文珊表示，氢燃料电池或是未来船舶动力首选。“虽然LNG续航时间长、技术成熟，锂电池能达到零排放，尾气净化系统成本较低，但是，容易获得的氢是可再生资源，化学能直接转化成电能的效率比较高(40%-60%)，反应产物主要是水，氢燃料电池作为船舶动力的零排放效果因此较好，效率高，续航时间较于锂电池也长，此外，氢燃料电池的振动噪音低、模块化设计、安装和维护方便。目前，中国船级社(CCS)和某些国外船级社均颁布了相关规范，国际海事组织(IMO)的议程上有关海上燃料电池应用的国际准则目前也在制定中。”

对于氢燃料电池应用于船舶的展望，徐文珊表示，近期需攻克“高压气态储氢+质子交换膜燃料电池”技术，实现氢动力船示范运营；中期应研发高效储氢技术、研发氢内燃料机，使其应用于多种短途中小型船舶；远期则进一步研发船用固体氧化物燃料电池，逐步研发长续航中大型船舶。“通过氢能产业链的技术发展，未来10-15年内，氢燃料动力或将更经济、更安全，其作为动力也将有更大的续航能力和更高的使用效率。