38 800 DWT貨船智能航行應(yīng)用研究

黃麗萍+米燕+王云英

摘 要：隨著國(guó)內(nèi)與國(guó)際貿(mào)易量的日益增加，對(duì)海上貨物運(yùn)輸?shù)男?、安全與節(jié)能提出了新的挑戰(zhàn)。伴隨著智能技術(shù)的發(fā)展，船舶的智能化程度也在不斷提高，給智能航行的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)基礎(chǔ)。本文介紹了船舶智能航行的主要特征及其各功能的實(shí)現(xiàn)，展望了未來(lái)船舶智能航行系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：智能航行；智能船舶；海上運(yùn)輸；航路優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U675.79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

38 800 DWT Smart Ship Intelligent Navigation Research

HUANG Liping， MI Yan， WANG Yunying

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited，Guangzhou 511440 ）

Abstract： With the development

of the world economy，The volume of domestic and international trade is increasing day after day. The marine transportation is facing the new challenges in efficiency， safety and energy efficiency. With the development of the intelligent industry， the intelligence of the ship is also improving， this provides a good platform for the realization of intelligent navigation. This paper introduces the main characteristics of ship intelligent navigation and the realization of its various functions. Finally， the future technology development of the system was forecasted.

Key words： Intelligent navigation； Intelligent ship； Route optimization

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了船舶導(dǎo)航設(shè)備、自動(dòng)化設(shè)備、環(huán)境感知設(shè)備的更新與升級(jí)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息物理系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，更加快了船船、船岸之間信息交互的發(fā)展。這些都為船舶實(shí)現(xiàn)智能航行提供了重要的支持[1]。

傳統(tǒng)航行中無(wú)論是大船還是小船對(duì)船員的配備都有一定的要求，而工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及危險(xiǎn)性高，使得愿意從事航海專(zhuān)業(yè)的人越來(lái)越少。隨著船舶智能化程度的提高、智能航行的逐步實(shí)現(xiàn)，大大減輕了船員的工作量，并有效降低了因人為操作失誤引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 智能航行系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智能船舶系指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，自動(dòng)感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫鎸?shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的船舶[2]。

中國(guó)船級(jí)社（CCS）《智能船舶規(guī)范（2015）》中，將智能船舶分為六大功能模塊：智能航行；智能船體；智能機(jī)艙；智能能效管理；智能貨物管理；智能集成平臺(tái)。其中，智能航行系統(tǒng)利用通導(dǎo)設(shè)備自動(dòng)地感知并獲取各種航行相關(guān)信息，能實(shí)時(shí)地接受岸基云服務(wù)平臺(tái)提供的各種信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，使船舶能在開(kāi)闊水域、狹窄水道、復(fù)雜環(huán)境下自動(dòng)避碰，實(shí)現(xiàn)自主航行。

根據(jù)CCS《智能船舶規(guī)范》2015中的表述：“航路設(shè)計(jì)和優(yōu)化，一般應(yīng)具有以下優(yōu)化功能：（1）確定到達(dá)時(shí)間；（2）最短航行時(shí)間；（3）最低燃油消耗；（4）最低總成本；（5）船舶經(jīng)受的最高風(fēng)浪等級(jí)”。本項(xiàng)目安裝的的航路優(yōu)化模塊，可以滿足上述入級(jí)要求。

3 智能航行系統(tǒng)組成

智能航行系統(tǒng)分別在駕駛室、集控室設(shè)立了工作站，用來(lái)顯示采集船上的各個(gè)傳感器的信息，包括軸功率儀、電子流量計(jì)、轉(zhuǎn)速處理盒、震動(dòng)處理盒以及各個(gè)交換機(jī)上的傳感器信息。岸基的氣象信息通過(guò)衛(wèi)星將信號(hào)傳輸?shù)街悄芎叫邢到y(tǒng)并經(jīng)過(guò)分析后，將有用數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)交換機(jī)供其它系統(tǒng)使用。

智能航行系統(tǒng)包括了常規(guī)的通導(dǎo)設(shè)備，以及在信息顯示系統(tǒng)里面增加的航路優(yōu)化模塊，增加了光纖羅經(jīng)以準(zhǔn)確測(cè)量船舶的姿態(tài)信息并將優(yōu)化的航路通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

智能航行系統(tǒng)共有兩臺(tái)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余。智能集成平臺(tái)將全船所有系統(tǒng)共用6個(gè)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，其中第1、3、5號(hào)交換機(jī)和第2、4、6交換機(jī)各形成一個(gè)回路，組成雙環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余。與常規(guī)船不同的是本船將主要用于航行的3、4號(hào)交換機(jī)的信息也放在平臺(tái)上共享，實(shí)現(xiàn)全船信息全系統(tǒng)信息共享。

智能航行系統(tǒng)由三大系統(tǒng)組成：船端系統(tǒng)；通信系統(tǒng)；岸端系統(tǒng)。如圖1所示。

船端系統(tǒng)用于接收岸端氣導(dǎo)數(shù)據(jù)，采集船上傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（當(dāng)前時(shí)間、船位經(jīng)緯度、船首向、船跡向、航速、船舶姿態(tài)、實(shí)時(shí)氣象、實(shí)時(shí)水深、船舶吃水等），結(jié)合船舶本身的技術(shù)參數(shù)、航次參數(shù)（起始港經(jīng)緯度、目的港經(jīng)緯度、預(yù)計(jì)離港時(shí)間、到港時(shí)間要求、航次載重噸、航次排水量、航次抗風(fēng)等級(jí)、航次的不可用主機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間；航次首尾吃水，航次GM值、重心距水面高度、重心距基線高度等）。

岸端系統(tǒng)從氣象數(shù)據(jù)提供方獲取氣象數(shù)據(jù)，包括：海面風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速與風(fēng)向；風(fēng)浪與涌浪的浪高、浪向與浪周期；洋流的流速與流向；海冰與海霧數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)在傳輸?shù)酱酥?，需根?jù)船舶狀態(tài)及航次信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、壓縮后再發(fā)送，減少通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬負(fù)擔(dān)。endprint

通信系統(tǒng)（衛(wèi)星）負(fù)責(zé)把岸端氣象數(shù)據(jù)等信息傳輸?shù)酱?，船上通過(guò)VSAT系統(tǒng)接收岸端的數(shù)據(jù)信息并輸送至船端的數(shù)據(jù)中心，供智能航行優(yōu)化模塊進(jìn)行分析和優(yōu)化，優(yōu)化后的航線輸送到電子海圖，供船員參考使用。

4 智能航行系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

4.1 智能航行控制臺(tái)

采用多個(gè)26寸多功能工作站，可以在不同位置切換顯示不同內(nèi)容（X雷達(dá)、S雷達(dá)、電子海圖、信息顯示系統(tǒng)CONNING等），使操作簡(jiǎn)單方便。本項(xiàng)目智能航行模塊是集成在駕駛室控制臺(tái)的中間臺(tái)的信息顯示系統(tǒng)CONNING工作站內(nèi)，優(yōu)化后的航路可通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，控制臺(tái)上的每個(gè)工作站均可顯示航路信息，便于船員觀看操作。

4.2 智能航行系統(tǒng)流程

見(jiàn)圖2。

航行前要對(duì)智能航行系統(tǒng)進(jìn)行初始化（主要是對(duì)船舶參數(shù)的初始化），例如：船舶水線長(zhǎng)、船舶型寬、船舶型深、空船重心到船首距離、空船重心到船尾距離；舭龍骨長(zhǎng)、舭龍骨寬、舭龍骨半徑、舭龍骨面積；船舶進(jìn)流段長(zhǎng)度、螺旋槳位置坐標(biāo)；船舶主機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的靜水船速、功率及燃油消耗率；船舶靜水力曲線等。因?yàn)椴煌皡?shù)會(huì)導(dǎo)致船舶的回轉(zhuǎn)半徑等操縱性的差異，即使是同一船舶，在不同的載況下其性能參數(shù)也不盡相同。

初始化完成后，操作人員開(kāi)始在系統(tǒng)中設(shè)定航次任務(wù)，確定航路設(shè)計(jì)的依據(jù)：（1）到達(dá)時(shí)間；（2）最短航行時(shí)間；（3）最低燃油消耗；（4）最低總成本；（5）船舶經(jīng)受的最高風(fēng)浪等級(jí)。然后，通過(guò)智能航行系統(tǒng)模塊進(jìn)行航線規(guī)劃并得到初始航線。

在之后的航行過(guò)程中，智能航行系統(tǒng)通過(guò)從岸端獲得的氣象信息，對(duì)航線進(jìn)行不斷優(yōu)化，并將優(yōu)化后的航線發(fā)送到交換機(jī)并在ECDIS進(jìn)行共享。

在船舶航行中，智能航行系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)，并定時(shí)或手動(dòng)從岸端獲取氣象數(shù)據(jù)。當(dāng)氣象信息或者船端數(shù)據(jù)與之前采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，系統(tǒng)將會(huì)重新計(jì)算航路，生成新的航線，并把優(yōu)化后的航路輸出到ECDIS系統(tǒng)，以供船員參考使用。

航次結(jié)束后，將本次航次數(shù)據(jù)上報(bào)到岸基服務(wù)站系統(tǒng)，進(jìn)行航次對(duì)比的評(píng)估。也可將本次航路儲(chǔ)存在船舶的數(shù)據(jù)中心，供其它船舶參考選用。

4.3 航路設(shè)計(jì)和優(yōu)化

本智能航行項(xiàng)目的基本功能為航路設(shè)計(jì)與優(yōu)化。它是根據(jù)船舶的技術(shù)條件和性能、特定的航行任務(wù)、吃水情況、貨物特點(diǎn)和船期計(jì)劃等，充分考慮風(fēng)、浪、流、涌等因素，在保證船舶、人員和貨物安全的條件下設(shè)計(jì)和優(yōu)化航路、航速，并在整個(gè)航行期間不斷優(yōu)化。一般分為初始優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

航路初始優(yōu)化主要是根據(jù)船舶自身?xiàng)l件、航行時(shí)間、初始設(shè)定航行速度以及起止港口的地理位置等數(shù)據(jù)，或利用解析法生成一條從起始港口到目的港口的大圓航線，或采用《世界大洋航路》中對(duì)應(yīng)的經(jīng)典航線作為初始航線。初始航線生成以后，基于收到的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)航線上可能遇到的天氣情況進(jìn)行檢查，如果航線上有遭遇臺(tái)風(fēng)的危險(xiǎn)，則進(jìn)行一定的避讓。

在初始航線基礎(chǔ)上，對(duì)航線進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，主要是根據(jù)最新的天氣預(yù)報(bào)、船舶當(dāng)前座標(biāo)、燃油剩余情況和貨物情況等，針對(duì)航線上出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣或障礙物時(shí)對(duì)航行線路的改變和新線路的設(shè)計(jì)，以達(dá)到避讓危險(xiǎn)、航行時(shí)間最短和航行效率最優(yōu)，這種優(yōu)化稱之為動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

5 智能航行發(fā)展趨勢(shì)

智能航行是在大數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推動(dòng)下發(fā)展的，是繼船舶自動(dòng)化、信息化后船舶行業(yè)的又一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于航運(yùn)業(yè)來(lái)說(shuō)，智能航行系統(tǒng)的應(yīng)用為降低運(yùn)輸成本、提高運(yùn)營(yíng)效率帶來(lái)很大幫助，有助于船員優(yōu)化航行線路、節(jié)省航行時(shí)間、節(jié)省燃油成本、降低航行風(fēng)險(xiǎn)等。

但智能航行的發(fā)展也會(huì)遇到一些阻礙，主要表現(xiàn)在：

（1）構(gòu)建全球范圍內(nèi)任何地點(diǎn)、任何時(shí)間的船舶物聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)上可行，但當(dāng)前海事衛(wèi)星通信帶寬有限，需對(duì)船舶通信系統(tǒng)進(jìn)行布設(shè)、更新和升級(jí)，費(fèi)用昂貴；

（2）大數(shù)據(jù)處理和無(wú)人駕駛過(guò)程對(duì)計(jì)算能力要求很高，普通計(jì)算機(jī)很難滿足需求，除不斷升級(jí)硬件外，還應(yīng)從處理算法和分布式計(jì)算等方面來(lái)提升處理速度與能力；

（3）系統(tǒng)智能化程度越高，人的參與就越少，一旦發(fā)生事故就可能造成比較嚴(yán)重的后果，因此智能化系統(tǒng)的可靠性和安全性尚有待提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)新平，柳晨光. 智能航運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J/OL]. 智能系統(tǒng)學(xué)

報(bào)，2016，11（06）.

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38（03）.endprint