論船舶智能化的未來

劉詩昊

摘 要 隨著傳感器、信息技術、計算機等的快速發(fā)展，船舶智能化便在與三大技術（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)）及多種跨行業(yè)的相關概念的碰撞中逐漸興起。它為船舶未來的發(fā)展提出了更加光明的藍圖，使船舶向著更經(jīng)濟、高效、可靠的層面進發(fā)。文章首先針對三大技術的層面對船舶智能化進行更深入的探究，然后以智能機艙為例，對船舶智能化的現(xiàn)狀和發(fā)展機遇進行分析。在智能機艙方面，對機艙的監(jiān)管、健康診斷和決策系統(tǒng)進行了探討，并對智能機艙發(fā)展所需應對的問題進行了分析。最后在智能船舶為航運帶來便利的同時，也提出了一些急需關注的問題。

關鍵詞 智能船舶；信息物理系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)；智能機艙；無人機艙

前言

隨著航運業(yè)的發(fā)展，國際和國內的貿易額與日俱增，交通運輸?shù)目煽?、效率與節(jié)能性正面臨新的壓力，人們開始意識到船舶已不僅僅是簡單的貿易運輸工具。在技術不斷革新與升級的背景下，船舶也變得有“生機”了，人們開始在船上從設備的維護與替換，進而在軟件與核心上實現(xiàn)質的突破，從這一次次嘗試開始，船舶也逐漸具有生命力，開始向智能化轉變。船舶智能化已成為了全球航運的基本走勢（如圖 1所示），我國也不能停滯不前，必須認清當前航運發(fā)展的方向，才能在船舶智能化發(fā)展的路上不落后，保持動力和信心。

中國船級社對“智能船舶”的定義如下：具有感知能力；具有思維與記憶能力；具有行為決策能力；具有自主學習能力[8]。智能化船舶是希望實現(xiàn)流暢及精簡管理、減少人為的失誤率、提高設備和船舶運行的安全感、降低油耗和污染、優(yōu)化船舶航行的舒適度等目標?！爸悄艽啊钡陌l(fā)展包括以下幾個階段：互聯(lián)互通、系統(tǒng)整合、遠程控制和自主操作[19]。目前智能船舶發(fā)展正處于第一階段向第二階段的過渡階段[20]。

就拿智能航行來說，近年來傳感器、計算機、信息技術的發(fā)展與進步正在并且將促進船上通導、自動化控制、環(huán)境感知設備的更新，而物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術的進步為船舶新型綜合船橋系統(tǒng)（IBS）提供了基礎鋪墊。作為全球第一艘智能船舶，我國研制的“大智號”已正式交付并投入運營了。（如圖2所示）。

“大智號”擁有智慧的“心臟”，即它的智能航行系統(tǒng)，也可稱為智能集成平臺。通過覆蓋全船的監(jiān)測點，船舶的每個細節(jié)的狀態(tài)將清晰可知。它還可以通過全船監(jiān)測得到的參數(shù)與外部搜集到的環(huán)境信息，在健康診斷系統(tǒng)的保證下，自動計算得到最佳航向路線，即所謂的“智能航行”[4]。

智能機艙使無人船舶的實現(xiàn)具有突破性的意義。全球第一艘實現(xiàn)無人駕駛的船舶——“YARA Birkeland”號，已成為航運史的一個標志性事件，但在技術、實用、和法律方面卻存在限制，也要將制造所需的高成本考慮進去。無人船分為兩個方面：遠程遙控、無人自主。遠程遙控的實現(xiàn)還需幾年，而無人自主需要更長的時間。所以希望“YARA Birkeland”的航行嘗試可以為船舶智能化的未來帶來更近且現(xiàn)實的希望[6]。

本文將從智能機艙對智能船舶的發(fā)展進行分析，并對船舶智能化的未來提出自己的觀點和問題。

1 船舶智能化

1.1 簡介

現(xiàn)如今，如何提高船舶的智能化水平，從而構建真正的智能船舶框架，這已經(jīng)是當前船舶發(fā)展及研究的主流方向。智能船舶是指以全船智能網(wǎng)絡系統(tǒng)為載體，將以工程數(shù)據(jù)分析及處理技術為“撬棍”，使它能夠有感覺、思考、糾錯的能力?！吨悄艽耙?guī)范》中指出，智能船舶的功能包括以下7個方面：智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能集成平臺和智能貨物管理。而智能船舶的七大關鍵技術是指：信息感知技術、通信導航技術、能效控制技術、航線規(guī)劃技術、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術、遇險預警救助技術、駕機一體化和自主航行技術[3]。

1.2 特征

（1）大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)"是一個體積與數(shù)據(jù)種類十分巨大的數(shù)據(jù)集[9]。大數(shù)據(jù)具備以下5個特征：大體積；多種類；價值密度低；快速且高時效。 它體現(xiàn)在兩個方面：在世界范圍內對船舶位置與實時狀態(tài)的監(jiān)控（廣域），還有內河區(qū)域實現(xiàn)對機艙設備和航行狀態(tài)等方面的實時監(jiān)控（內部細化）。

最早預言大數(shù)據(jù)時代的來臨是麥肯錫.隨著近年來的發(fā)展，大數(shù)據(jù)在突破中逐步融入于越來越多的領域，并且漸漸成為我們的日常生活中必不可少的一部分了。大數(shù)據(jù)的應用的最終目的是最終方案的確立和潛在價值的深究[21]。我們一般會將它與物聯(lián)網(wǎng)結合使用，在船舶領域便開發(fā)得到船聯(lián)網(wǎng)，通過定位、通信、監(jiān)控設備來實時監(jiān)控感知。

（2）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things（IoT））是指實時采集所有需要監(jiān)控、互連、互動的物體或過程等各種信息，借助各種信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)結合成的一個大型網(wǎng)絡。字面上看，就是物物相連；而在信息技術的背景下，它是在信息交換與通信的基礎上，加上通信感知技術，將技術應用到不同領域之中，構建人物、物物互聯(lián)的智能信息感知及服務系統(tǒng)[22]。在船舶方面，全球定位系統(tǒng)、AIS、電子海圖等導航設備的普及讓船舶也融入信息化和智能化的海洋中，而物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)正是讓船舶變得可以感知，自主“思考”，最終“活”了起來。

（3）信息物理系統(tǒng)

要談起信息物理系統(tǒng)，首先要說說近年來較火爆的工業(yè)4.0工業(yè)4.0起始于德國為工業(yè)生產(chǎn)的自動化要求而提出的生產(chǎn)革命，而德國對工業(yè)4.0的概念為：“以信息物理系統(tǒng)為基礎的智能化生產(chǎn)”。

信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）是一個集計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境為一體的多維復雜系統(tǒng)，通過計算、通信、控制技術的有機結合與深度互動，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務[10]。信息物理系統(tǒng)使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精準控制、遠程協(xié)作和自主功能，且CPS具有高性能、安全性、實時性等特點[1]。

發(fā)展，正是順應了信息物理系統(tǒng)的號召。智能化之所以能實現(xiàn)依賴于多種信息的支撐。CPS中節(jié)點具有自治協(xié)作的功能，這正對應多個通信與傳感器節(jié)點的分布，便于實現(xiàn)多點控制，動態(tài)監(jiān)控，并且還在不斷優(yōu)化中，以求得到高可靠性和實時性?？傊瓹PS為船舶的安全航行、高效運行、設備兼容帶來了新的明燈，使智能船舶的發(fā)展更加可觀。

2 智能機艙

船舶機艙是船舶正常運行的一個關鍵組成部分，機艙的實時變化在不斷影響著船舶的運營安全與可靠性。從設備的正常工作，內部環(huán)境參數(shù)的實時變化，還有機艙監(jiān)測系統(tǒng)的及時響應，這些方面在航運迎來發(fā)展新機遇之時都需要進行革新和“靈活化”。船舶機艙監(jiān)控主要包括以下幾個基本方面；設備狀態(tài)檢測（含傳感器）、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測、主機遙控控制、人員舒適度監(jiān)測等。而智能船舶的興起，又將為機艙帶來哪些驚喜與挑戰(zhàn)呢？

2.1 機艙的智能監(jiān)管

從航運業(yè)開始發(fā)展之初，船公司便把船舶自動化作為發(fā)展目標，于是各種設備便出現(xiàn)在機艙之中，機艙也漸漸變得“擁擠”，于是便引發(fā)了設備的監(jiān)測與管理方面的思考，這時由于各種儀器儀表與集控室的互聯(lián)為機艙的正常監(jiān)管帶來了方便。而后，無人機艙概念的出現(xiàn)，使大大減少了機艙所需的管理（值班）人員，可以實現(xiàn)對機艙運行所得參數(shù)的顯示，記錄，報警和自動控制。僅僅需要在報警問題比較復雜和緊急時，輪機值班員需親自處理，保證更加嚴重的情況出現(xiàn)。

而后，當自動化和信息化都發(fā)展愈發(fā)成熟，智能化便成為下一個發(fā)展方向。就智能機艙的發(fā)展方向來看，“智能”應該包含以下幾個方面：

實時監(jiān)測：對機艙內的主機、軸系、輔助機械等進行監(jiān)測。這雖然是機艙監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，但是采用更為快速和精準的測量工具會加快數(shù)據(jù)采集時間，這大大接近了“靈活”化的概念。同時，將實時性變得更加清晰，讓數(shù)據(jù)變得“清晰”，不再只是個概念，達到小數(shù)點后幾位的認知，從硬件和軟件上升級數(shù)據(jù)采集和電子記錄系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)可查可視，有跡可循，便于快速追蹤到指定設備，得到正確且精確的結果。

健康評估：對監(jiān)測所采集的數(shù)據(jù)，應用大數(shù)據(jù)理論，實現(xiàn)設備狀態(tài)分析與健康狀態(tài)評估，構建智能健康診斷系統(tǒng)，從而做出及時反饋，對報警等異常狀態(tài)快速地做出應對措施，使設備恢復正常，并及時記錄，以紙質和電子資料的形式同時記錄。當然這個系統(tǒng)的診斷還應該包括機艙內環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光強）與集控室內環(huán)境參數(shù)評估，及時做出輔助決策，從而保證設備與人員均處于適宜運行和工作的狀態(tài)，實現(xiàn)全面健康監(jiān)測與評估[15]。正如中國海洋及海洋工程設計研究院的龐路在分析《智能船舶規(guī)范》的條目后，對機艙智能化的未來發(fā)展提出了關鍵點：狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和輔助決策系統(tǒng)的構建。他認為在船舶自動化系統(tǒng)發(fā)展到瓶頸時，將輔助決策系統(tǒng)與自動化相結合，才能形成智能化的基礎。在文中，他以一艘具有DP-2的工程船，將狀態(tài)檢測所得的數(shù)據(jù)作為輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫的藍本，并通過機艙相關狀態(tài)信息的補充，構建較為完善的數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫和知識庫結合，讓輔助決策系統(tǒng)更為完善和可靠，如圖 3所示。同時，在該系統(tǒng)中增設自動化中心系統(tǒng)，與船舶原本的自動化系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，逐漸建立集中監(jiān)控輔助平臺；視頻實時監(jiān)視的加入也為船員的操控更加便利[18]。

綠色管理：這一點是針對現(xiàn)在比較流行的環(huán)保思想。在航行時，需要進行綠色能源分析，將主機運行參數(shù)與船舶航行參數(shù)結合起來，使主機工作在能效最高的狀態(tài)下。這樣，我們可以減少能源消耗，將經(jīng)濟效益提高，實現(xiàn)綠色航行、安全航行、高效航行[16]。

2.2 智能化時代的無人機艙發(fā)展

船舶自發(fā)展以來，逐漸走向自動化的方向，于是機艙的便不再需要那么多人工操作，在《鋼質海船入級規(guī)范》的自動化方面指出AUT-0為推進裝置由駕駛室控制室遙控，機器處所包括集控室周期無人值班。AUT-0對自動化的基本要求為：機艙自動化系統(tǒng)需要采集并集中監(jiān)控船舶各個主要和重大設備的參數(shù)信息，保證主要機電設備能夠在無人值班的周期內連續(xù)并且正常運行，在異常情況出現(xiàn)時及時報警并通知指定人員[18]。

但在現(xiàn)今智能化時代卻又有新的要求，無人機艙需要“喂食”了。在這個背景下，我們可以賦予無人機艙自我感知的意識，自主思考的“新血液”，這或許是船舶智能化的關鍵一環(huán)吧，畢竟現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是“機艙無人”了，我們已經(jīng)在迎接“全船無人”的時代了。

2.3 智能機艙的發(fā)展分析

雖然船舶智能化的發(fā)展讓我們對未來的憧憬愈發(fā)美好，但是在技術的突破和其他問題上卻又必須迎接一些挑戰(zhàn)。

首先，提高監(jiān)測的“安全感”。當前采用總線下分節(jié)點進行多臺設備的監(jiān)測已日見成效，而我們已不再滿足與節(jié)點的多路分控，在智能化的背景下，是否可以將總線也變得“靈活”，因為我們可能會一次性獲取多路數(shù)據(jù)，這樣會帶來線路“擁擠”，信息和數(shù)據(jù)也無法及時送到分析與診斷系統(tǒng)中。因此，在監(jiān)測設備與總監(jiān)控臺之間，由于CAN總線已具有擁擠處理能力，加上多路冗余和主備切換的實現(xiàn)，我們可以讓監(jiān)測線路的數(shù)據(jù)可以“自主”選擇節(jié)點和傳輸路線，提升監(jiān)測的可靠性，并且在顯示頁面與形式上進行數(shù)據(jù)的完整性檢查和重點標識，讓監(jiān)測也可以進行互動，保證及時通知到值班員，使異常情況得到及時跟進，直至排除。這樣，人、設備、船舶之間將更有安全感。

接著，優(yōu)化分析的“靈活度”。當多種信息傳至健康診斷系統(tǒng)時，由于故障診斷時要在分析前要避免信息沖突，及時“分塊”，適當標識，可以通過證據(jù)理論、貝葉斯理論等信息融合方法，以減少數(shù)據(jù)間沖突[7]。最主要的是在分析方法的充實化，在當前分析理論和方法的基礎上，創(chuàng)新出新的分析途經(jīng)，讓分析不再只是公式化、流程化，變得更加靈活和可操作性。

最后，力求運行的“互通感”。在數(shù)據(jù)的采集和分析診斷的縝密之下，必須保證感知的便利性，讓信息感知與故障診斷可以快速對接，不浪費時間，得到運行的流暢度，讓智能在操作下得到辨識度和認可感。

3 小結

船舶作為常用貨物運輸工具，自出現(xiàn)以來便在不斷發(fā)展，在技術上實現(xiàn)一次次突破。從船舶自動化的便利、信息化的全球普及，發(fā)展到現(xiàn)今的智能化。傳感器、通信、計算機、信息方面的飛速發(fā)展，使船舶智能化已成為現(xiàn)今主流方向和發(fā)展趨勢。船舶智能化是在三大技術（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)）和多種跨行業(yè)的相關概念而應運而生的。智能船舶已經(jīng)在一些方面漸漸形成技術共識，比如智能航行的信息感知，智能集成平臺的駕駛機艙一體化分析和智能船舶的智能健康診斷系統(tǒng)。在智能運作和自主分析下，智能船舶不僅減少了營運成本，還使機艙駕駛臺的操作更為便利、自主化，真正的由量變走向質變，實現(xiàn)真正的“無人船舶”。

智能船舶的發(fā)展也面對著一些不可忽視的阻礙。首先，技術的提升便意味著計算機的硬件水平不能停止與此，還要面臨加快處理速度和提高效率，軟件和一些分析方法也要及時更新。接著技術人才的培育也要結合智能化的背景進行調整，保證技術與發(fā)展跟進甚至超越。其次，智能化的發(fā)展會減少船舶人力參與，而系統(tǒng)的自主運作還未達到人們完全的信賴，安全與可靠性不得不加以考慮，畢竟機器也變得更加“不可控了”。

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