船舶智能與綠色解構(gòu)

本刊記者 趙 博

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)計(jì)能力的提升，相信未來船舶技術(shù)的發(fā)展必然是智能與綠色的融合。

近年來，行業(yè)新規(guī)和環(huán)保要求讓智能和綠色成為業(yè)界關(guān)鍵詞。新環(huán)境下，如何找準(zhǔn)船舶智能建造方向？智慧型船舶系統(tǒng)該怎樣一步步地走？哪些又是最具效率的綠色船舶動(dòng)力？9月18日，業(yè)界專家學(xué)者在中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)主辦、舟山市經(jīng)濟(jì)和信息化局和中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所承辦的首屆“中國(guó)船舶設(shè)計(jì)師論壇”上，給出了思考的方向。

技術(shù)智能化是必然之路

“‘信息通信+先進(jìn)制造技術(shù)融合’的制造技術(shù)智能化，是中國(guó)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型的必然之路?！敝袊?guó)造船工程學(xué)會(huì)首席專家陳映秋表示，中國(guó)制造業(yè)份額在全球占比已經(jīng)超過20%，遺憾的是，卻仍然處于全球價(jià)值鏈中的中低端，“中國(guó)制造業(yè)需要在全球制造業(yè)勢(shì)力重新劃分的關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)攻關(guān)，發(fā)展高端制造業(yè)，由‘高速增長(zhǎng)’向‘高質(zhì)量’發(fā)展方向轉(zhuǎn)變?！?/p>

在陳映秋看來，這是這條“必然之路”的一個(gè)背景。據(jù)《2019年中國(guó)船舶行業(yè)分析報(bào)告——產(chǎn)業(yè)供需現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)》顯示，2019年上半年，我國(guó)造船完工量雖然保持增長(zhǎng)，但承接新船訂單量和手持船舶訂單量同比下降。統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，我國(guó)承接新船訂單量1206萬載重噸，較2018年同期下降46.9%；手持船舶訂單量8172萬載重噸，較2018年同期下降10.3%。相比之下，韓國(guó)造船廠在技術(shù)上的投資和積累則為韓國(guó)造船業(yè)帶來了較高回報(bào)，例如，超大型液化天然氣（LNG）船、超大型油船（VLCC）和超大型集裝箱船等高附加值船型訂單多被韓國(guó)船廠接獲。而這條“必然之路”可行的強(qiáng)有力支持因素，則在于科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，即互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的工程化發(fā)展。陳映秋說：“面向行業(yè)智能制造發(fā)展需求，我國(guó)造船企業(yè)應(yīng)努力完善船舶精益制造體系和智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)船廠互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。同時(shí)，圍繞關(guān)鍵環(huán)節(jié)，補(bǔ)齊關(guān)鍵技術(shù)和柔性化、自動(dòng)化、智能化造船裝備短板，結(jié)合船舶制造特點(diǎn)，充分發(fā)揮人與機(jī)器智能協(xié)同優(yōu)勢(shì)。”

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院副教授郭君也提出了數(shù)據(jù)技術(shù)與智能方法應(yīng)用于船舶及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)想。郭君說：“第一，數(shù)據(jù)技術(shù)與智能方法能夠利用以往設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲得新設(shè)計(jì)船舶某項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能的快速預(yù)報(bào)，支撐船舶設(shè)計(jì)單位在競(jìng)標(biāo)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。第二，它能夠代替某些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重復(fù)性的繁瑣的人工工作，提高設(shè)計(jì)效率。第三，還能夠?qū)δ稠?xiàng)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的演化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，給科學(xué)合理的船舶結(jié)構(gòu)總體指標(biāo)論證提供支撐。”

然而目前，數(shù)據(jù)技術(shù)與智能方法應(yīng)用于船舶及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的進(jìn)展還比較緩慢，比如某一類型的船舶樣本量太少且離散，所形成的數(shù)據(jù)庫難以支撐智能方法的訓(xùn)練。成本高昂的數(shù)據(jù)庫建立也是掣肘之一，因?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及重量、強(qiáng)度、振動(dòng)噪聲、抗爆抗沖擊等多種性能，而每變化一次設(shè)計(jì)方案帶來的計(jì)算工作量都是十分巨大的，因此，要推動(dòng)數(shù)據(jù)技術(shù)與智能方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，或許高效率的結(jié)構(gòu)方案與結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫建立方法是一個(gè)重要的問題。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，郭君建議，應(yīng)進(jìn)一步完善參數(shù)化快速建模軟件，使其運(yùn)行更流暢，模型更精準(zhǔn)，船型覆蓋面更廣，同時(shí)嘗試研發(fā)設(shè)計(jì)參數(shù)化快速建模軟件與其他工程制圖軟件接口程序，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、模型建立、網(wǎng)格劃分、模態(tài)分析、數(shù)據(jù)提取的一體化程序。更重要的是，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫分析中對(duì)各類智能方法適用性的研究，尋找各類結(jié)構(gòu)性能分析的合適智能方法，進(jìn)而探索更多的數(shù)據(jù)技術(shù)和智能方法在船舶與海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

理性暢想智能航行

智能航行是航運(yùn)智能化發(fā)展的另一個(gè)表象。人工智能（機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、語音識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺），網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)連接和系統(tǒng)軟件化、船舶網(wǎng)絡(luò)、船舶系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息安全），感知技術(shù)（環(huán)境、船舶狀態(tài)、人員、船上貨品），通訊技術(shù)（船岸鏈接和船船鏈接的技術(shù)瓶頸、衛(wèi)星通信、微波通信、移動(dòng)通信技術(shù)），智能化的四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)有了極大進(jìn)步，而這四個(gè)技術(shù)的大跨越發(fā)展，也為船舶智能化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，船舶關(guān)鍵技術(shù)（包括動(dòng)力電力、船舶裝置、熱能環(huán)保、減震降噪）已經(jīng)非常成熟，技術(shù)的引領(lǐng)加之需求，則催生了船舶智能化浪潮。“不久的將來，船舶智慧系統(tǒng)可使船舶或海工平臺(tái)達(dá)到智能化L3等級(jí)?！敝袊?guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所副所長(zhǎng)李建明說。所謂L3等級(jí)，即在給定場(chǎng)景中，系統(tǒng)自主決策并完成操作，屬于有條件自主，L3級(jí)別的智慧船舶可以通過船聯(lián)網(wǎng)接入云平臺(tái)，屆時(shí)，數(shù)以億計(jì)的海量數(shù)據(jù)將進(jìn)入分析中心，實(shí)現(xiàn)更大程度的互聯(lián)互通?！斑@種智慧型的船舶系統(tǒng)會(huì)讓船舶運(yùn)營(yíng)更安全、更經(jīng)濟(jì)、更高效，為船東創(chuàng)造更多價(jià)值?！崩罱髡f。

隨著人工智能、控制系統(tǒng)和傳感器的日益成熟，自主化技術(shù)能夠在航運(yùn)和船舶領(lǐng)域發(fā)揮極大優(yōu)勢(shì)，比如，由于人為因素造成船舶事故占比極高，智能航行也在一定程度上可以減少人為因素造成的航行事故。但是，陳映秋也提醒到，在暢想自主駕駛技術(shù)發(fā)展方面，要更加理性?！笆紫?，國(guó)際海事組織（IMO）的海上自主駕駛船舶（MASS）框架預(yù)計(jì)將在2020年完成，但主要還在于法律層面，技術(shù)層面較少，公約生效需要假以時(shí)日。其次，全球船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏，且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要與國(guó)際公約呼應(yīng)。再次，人工駕駛與智能船舶利用相差20年或更長(zhǎng)時(shí)間，這是由船舶經(jīng)濟(jì)性（船齡）決定的。因此，自主駕駛之路比較漫長(zhǎng)，只有一步一步地走。其關(guān)鍵問題，第一在于海運(yùn)界的接受程度，第二在于與接受程度呼應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)水平。”陳映秋說，“宣傳有利于引起人們對(duì)無人駕駛或自主技術(shù)等話題的關(guān)注，但實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人駕駛航運(yùn)，目前并不現(xiàn)實(shí)，也許可能永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)。我們可以有不同程度的自主化，但駕駛員控制應(yīng)是優(yōu)先級(jí)的，因?yàn)橹悄苤荒転槿祟愘x能，在控制方面不能取代人類?！痹陉愑城锟磥?，船舶的智能功能是為船員和支持人員提供相關(guān)的關(guān)鍵信息，以幫助決策的智能分析手段，而不應(yīng)被過度神化。

對(duì)于陳映秋的觀點(diǎn)，中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司經(jīng)營(yíng)中心副總經(jīng)理趙志堅(jiān)表示認(rèn)同，他認(rèn)為，“綠色航運(yùn)”并不僅是無人駕駛，它體現(xiàn)在航運(yùn)上下游的各個(gè)環(huán)節(jié)之中，只有高效的“綠色”，才是有意義的“綠色”。

趙志堅(jiān)舉例稱：“常規(guī)船的機(jī)艙通風(fēng)在各種工況下均是人為確定機(jī)艙風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，手動(dòng)控制，所有風(fēng)機(jī)都是普通定速風(fēng)機(jī)。綠色智能船舶的機(jī)艙通風(fēng)采用變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)機(jī)艙溫度、壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)。在貨艙通風(fēng)控制方面，常規(guī)船在裝有集裝箱時(shí)，人為確定貨艙風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，且所有風(fēng)機(jī)都是普通定速風(fēng)機(jī)，綠色智能船的貨艙采用變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)根據(jù)其所在貨艙的溫度和二氧化碳的濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。常規(guī)船舶也沒有軟卸載功能，只有優(yōu)先脫扣功能，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷高于某設(shè)定值時(shí)，將一些非重要負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)脫扣（供電開關(guān)跳閘），當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷降下來后，人為對(duì)脫扣掉的負(fù)荷進(jìn)行復(fù)位及上電。而綠色智能船除了優(yōu)先脫扣功能外，額外提供軟卸載功能，即通過中控軟件程序自動(dòng)停止或恢復(fù)負(fù)載（貨艙風(fēng)機(jī)和冷箱）的供電。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷高于某設(shè)定值時(shí)，貨艙風(fēng)機(jī)及冷箱負(fù)荷通過軟卸載自動(dòng)停止工作，貨艙風(fēng)機(jī)收到中控停止命令后停機(jī)，對(duì)于冷箱來說，其供電開關(guān)收到中控命令后斷開，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低到某設(shè)定值時(shí)，中控自動(dòng)恢復(fù)供電（貨艙風(fēng)機(jī)收到起動(dòng)命令，冷箱電操供電開關(guān)合閘）。因此，軟卸載優(yōu)點(diǎn)明顯，它不需要船員全船去復(fù)位配電板脫扣開關(guān)，減少了船員的工作，迅速穩(wěn)定。”

趙志堅(jiān)總結(jié)到，綠色航運(yùn)的最有效應(yīng)用是應(yīng)將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)運(yùn)用到航運(yùn)業(yè)及其日常管理，使其節(jié)能高效而不犧牲后代人的長(zhǎng)遠(yuǎn)福祉，從環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的角度建立一個(gè)環(huán)境共生型的航運(yùn)管理系統(tǒng)?！耙虼?，集裝箱班輪公司技術(shù)管理部門對(duì)綠色船舶的要求應(yīng)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面；第一是能耗的綠色環(huán)保，節(jié)能減排和增加燃料的利用率是重點(diǎn)；第二則是船舶航行的安全，因?yàn)榻档秃叫屑霸O(shè)備的安全事故，節(jié)省維護(hù)成本和事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)也是一種‘綠色’的體現(xiàn)；第三則是運(yùn)營(yíng)管理的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，以提升船-岸之間的高效協(xié)同?！?/p>

新能源下的綠色航運(yùn)

觀點(diǎn)的碰撞總是引人深思，對(duì)一件事情的不同看法或?qū)⒏锌赡軒?dòng)行業(yè)盡快走向那條正確的路。在北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司經(jīng)理張成禮看來，把使用傳統(tǒng)化石燃料的交通工具改變?yōu)殡娏︱?qū)動(dòng)，把發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱換成電池電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，并沒有實(shí)現(xiàn)所謂的綠色航運(yùn)?！?018年，中國(guó)火力發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的73.32%，可以說在目前情況下，電動(dòng)其實(shí)是把燒油改為燒煤了，雖然集中發(fā)電的效率有所提高，排放有所降低，但這離真正的‘綠色’還是有距離的。真正的‘綠色’，首先要提高可再生能源發(fā)電的占比，并且同時(shí)發(fā)展電動(dòng)交通，從發(fā)電和用電兩方面共同引入新技術(shù)，新產(chǎn)品才能實(shí)現(xiàn)真正的‘綠色’?！?/p>

據(jù)張成禮介紹，商船上更具有市場(chǎng)潛力的是軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。雖然軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包含多個(gè)變流器，并存在多種運(yùn)行模式的切換，其控制的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電力推進(jìn)變頻器，甚至比直流電網(wǎng)更復(fù)雜，但這套系統(tǒng)把常規(guī)船舶上的軸系推進(jìn)系統(tǒng)和輔助發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)系到一起，既可以讓主柴油機(jī)發(fā)電，也可以讓輔助柴油機(jī)推進(jìn)，從而大大提高了船舶主機(jī)的效率，同時(shí)增加了船舶航行的安全性。

與此同時(shí)，隨著儲(chǔ)能設(shè)備成本的逐步降低，儲(chǔ)能已進(jìn)入到商業(yè)應(yīng)用階段。在造船領(lǐng)域，儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)一步提高了船舶柴電推進(jìn)系統(tǒng)的效率，降低運(yùn)行成本，減少排放，可以完全代替柴油發(fā)電機(jī)。張成禮解釋稱：“儲(chǔ)能設(shè)備現(xiàn)在有三種使用方式，第一是直聯(lián)直流電網(wǎng)，第二是通過DC變流器連接直流電網(wǎng)，第三是通過AC變流器連接交流電網(wǎng)。和儲(chǔ)能應(yīng)用一起出現(xiàn)的是船舶直流電網(wǎng)，兩者結(jié)合就出現(xiàn)了新能源船舶這個(gè)概念，給近海和內(nèi)河航行的船舶設(shè)計(jì)制造帶來了革命性的改變?！敝档靡惶岬氖?，相對(duì)于集中充電方式而言的分散充電方式目前也逐步得到認(rèn)可和應(yīng)用?！澳壳?，ABB把集中、長(zhǎng)時(shí)間、小功率的慢充改為多次、短時(shí)大功率的快充，這種分散充電方式可以減少電動(dòng)船船載電池?cái)?shù)量，降低純電池船的建造成本，從而推動(dòng)電池船的普及與應(yīng)用?！?/p>

目前，業(yè)界對(duì)氮氧化物、溫室氣體、硫、顆粒物等排放物的限制嚴(yán)格，船舶工業(yè)處于動(dòng)力變革期，廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院首席專家徐文珊認(rèn)為，采用具備高能量密度、高安全性、高效節(jié)能環(huán)保特性及可再生等特點(diǎn)的能源作為動(dòng)力源已成為未來新能源船舶的重要發(fā)展方向之一。

提到船舶新能源典型方案時(shí)，徐文珊表示，氫燃料電池或是未來船舶動(dòng)力首選?！半m然LNG續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)成熟，鋰電池能達(dá)到零排放，尾氣凈化系統(tǒng)成本較低，但是，容易獲得的氫是可再生資源，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的效率比較高（40%～60%），反應(yīng)產(chǎn)物主要是水，氫燃料電池作為船舶動(dòng)力的零排放效果因此較好，效率高，續(xù)航時(shí)間較于鋰電池也長(zhǎng)，此外，氫燃料電池的振動(dòng)噪音低、模塊化設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)方便。目前，中國(guó)船級(jí)社（CCS）和某些國(guó)外船級(jí)社均頒布了相關(guān)規(guī)范，國(guó)際海事組織（IMO）的議程上有關(guān)海上燃料電池應(yīng)用的國(guó)際準(zhǔn)則目前也在制定中?！?/p>

對(duì)于氫燃料電池應(yīng)用于船舶的展望，徐文珊表示，近期需攻克“高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫+質(zhì)子交換膜燃料電池”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力船示范運(yùn)營(yíng)；中期應(yīng)研發(fā)高效儲(chǔ)氫技術(shù)、研發(fā)氫內(nèi)燃料機(jī)，使其應(yīng)用于多種短途中小型船舶；遠(yuǎn)期則進(jìn)一步研發(fā)船用固體氧化物燃料電池，逐步研發(fā)長(zhǎng)續(xù)航中大型船舶?！巴ㄟ^氫能產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)發(fā)展，未來10～15年內(nèi)，氫燃料動(dòng)力或?qū)⒏?jīng)濟(jì)、更安全，其作為動(dòng)力也將有更大的續(xù)航能力和更高的使用效率。