日韓歐智能船舶的研究現(xiàn)狀及對我國的啟示

魏 梅 潘 放 張大蕾

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011；2.中國船舶工業(yè)貿(mào)易有限公司 上海 200120）

0 引 言

隨著數(shù)字化、信息化、智能化等新技術(shù)的不斷發(fā)展進步，整個工業(yè)領(lǐng)域在智能化方面的發(fā)展有了大幅提升，新技術(shù)的發(fā)展也逐漸開始影響到船舶行業(yè)。世界主要造船國相繼開始投入到智能船舶的相關(guān)研究中。近年來，隨著航運業(yè)對環(huán)保、安全和經(jīng)濟等方面需求的不斷地提升，智能船舶更加受到了中日韓歐主要造船國的廣泛關(guān)注。

2017 年，國際海事組織（IMO）提出了自主水面船舶（Maritime Autonomous Surface Ships，MASS）的定義及分級，指在不同程度上可獨立于人員干預(yù)運行的船舶，按照船舶自主化程度將MASS 分為4 個層級。在此基礎(chǔ)上，基于不同國家地區(qū)船舶行業(yè)的不同背景和發(fā)展理念，智能船舶的技術(shù)路線和發(fā)展特點也不盡相同。對于主要造船大國，由于其造船業(yè)的歷史背景和發(fā)展現(xiàn)狀，政府機構(gòu)的支持度和側(cè)重點不同，典型智能船舶項目的牽頭單位不同，致使智能船舶的發(fā)展方向與產(chǎn)業(yè)化落地程度不同；同時由于各國智能技術(shù)或者船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景不同，導致智能船舶研究路線也不相同。

我國既是造船大國也是航運大國，近年來智能船舶技術(shù)發(fā)展非常迅猛。分析不同國家以及地區(qū)的智能船舶研究現(xiàn)狀及其主要特點，將對我國智能船舶發(fā)展具有重要啟示意義。

1 日韓歐智能船舶研究現(xiàn)狀

1.1 日本智能船舶研究現(xiàn)狀

日本曾是世界第一造船大國，不過隨著韓國造船業(yè)的崛起以及中國造船業(yè)的日漸強大，日本逐漸失去了在造船行業(yè)的優(yōu)勢地位。不過作為航運大國，其船舶需求量仍然巨大。面對目前的市場環(huán)境以及各國之間激烈的競爭，日本政府出臺了政策指引，并設(shè)置了相應(yīng)的科研補貼制度。在一系列制度刺激下，日本造船業(yè)涌現(xiàn)了一大批智能船舶創(chuàng)新項目，這給日本造船業(yè)帶來了非常積極的影響。目前，日本國內(nèi)船舶行業(yè)各相關(guān)方積極致力于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等先進技術(shù)，大力推進智能船舶技術(shù)的發(fā)展，試圖探索一條通過技術(shù)革新推動船舶行業(yè)快速發(fā)展的路徑。與此同時，在智能船舶的相關(guān)重點研究項目中，日本非常重視技術(shù)標準的建立，推動其智能船舶技術(shù)在國際上的話語權(quán)和影響力。

1.1.1 日本典型的智能船舶項目

日本是較早進行智能船舶技術(shù)研究的國家，并基于自身船舶制造技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢，結(jié)合近年來的前沿智能科技成果，規(guī)劃了具有日本特色的船舶智能化之路。從最早由政府機構(gòu)引導而開始的智能船舶應(yīng)用平臺（Smart Ship Application Platform，SSAP）項目，到各航運公司主導的智能系統(tǒng)研究，這些典型項目均有效推進了日本智能船舶技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程。

表1 日本智能船舶部分典型項目

續(xù)表1

1.1.2 智能船舶的研究特點

在智能船舶領(lǐng)域，日本的發(fā)展思路是以航運公司主導，從船載和船岸通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的信息基礎(chǔ)等局部功能推進，“自下而上”推動行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，同時注重參與國際規(guī)則制定，對國內(nèi)資源進行整合。

1.1.2.1 航運公司主導

大部分智能船舶項目由航運公司（如商船三井、日本郵船）牽頭并主導其研究開發(fā)工作。日本的造船業(yè)雖呈現(xiàn)下滑趨勢，但其船舶總運力仍居全球前列，是航運強國。一方面，因為航運公司作為利益方，非常關(guān)注智能船舶技術(shù)帶來的經(jīng)濟、安全和環(huán)保效益；另一方面，航運公司的大量船隊能以最高效方式進行技術(shù)的驗證和迭代，將智能船舶的研究成果快速產(chǎn)業(yè)化。這種研究模式最大程度地確保了技術(shù)開發(fā)的可行性和實用性并快速推動了日本在智能船舶新技術(shù)的實施和產(chǎn)業(yè)化。

日本郵船牽頭開發(fā)的船舶信息管理系統(tǒng)（SIMS）可以收集、監(jiān)測船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)，使船岸之間即時共享詳細的運行數(shù)據(jù)（如航行狀態(tài)、燃料效率和機器狀態(tài)等），日本郵船旗下的200多艘船均安裝有SIMS系統(tǒng)。這種研究模式有效推動并加快了智能技術(shù)從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)落地的過程。

1.1.2.2 從局部到整體的發(fā)展方式

日本的先進船舶技術(shù)研發(fā)最初以高效和節(jié)約能源為前提，從船舶的部分關(guān)鍵系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)展開，逐步實現(xiàn)整船的無人化和智能化。關(guān)鍵系統(tǒng)和技術(shù)包括船舶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、船岸一體化控制技術(shù)、船舶遠程運維技術(shù)和自主航行技術(shù)等，逐漸向整體化的智能船舶推進。

2015年，日本郵船和MTI公司合作開發(fā)了船舶信息管理系統(tǒng)（SIMS）。2016年，商船三井宣布推出下一代智能船舶項目（Ishin Next - mol Smart Ship Project），同羅爾斯·羅伊斯等公司分別合作研究了包括氣象定線技術(shù)系統(tǒng)、船舶監(jiān)測和支持系統(tǒng)和AR技術(shù)航行信息顯示系統(tǒng)等新一代智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)。2017年，SIMS融合邊緣計算技術(shù)，開發(fā)了船載物聯(lián)網(wǎng)平臺ACMS。2018年，在沿海船舶上進行了該平臺的概念證明實驗。2019年，日本船級社的全資子公司ShipDC推出船舶互聯(lián)網(wǎng)開放平臺（IoS-OP），IoS-OP分成coop網(wǎng)域及comp網(wǎng)域。在coop網(wǎng)域中，使用者收集數(shù)據(jù)，并將其安全地儲存在ShipDC公司，再按照通用準則分配數(shù)據(jù)；在comp網(wǎng)域中，IoS-OP使用者可以使用數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動創(chuàng)新。2021年初，日本郵船旗下的船隊將共享航行數(shù)據(jù)到ShipDC公司開發(fā)的船舶互聯(lián)網(wǎng)開放平臺。

1.1.2.3 國際標準與技術(shù)研發(fā)同步

在智能船舶的研究發(fā)展過程中，日本保證技術(shù)研發(fā)和標準化工作同步進行，這既確保了標準的先進性，又保證了標準的實用性。同時，日本不斷推進關(guān)鍵技術(shù)或裝備的國際標準化，旨在通過項目研發(fā)搶占國際話語權(quán)，以期在智能船舶國際標準制定方面搶占制高點。

2012年，日本聯(lián)合多家單位組織開展“智能船舶應(yīng)用平臺（SSAP）”項目研究。其中負責主導該項目的船舶配套協(xié)會（JSTRA），在日本船舶工業(yè)的標準化中發(fā)揮著舉足輕重的作用。該項目對船舶信息系統(tǒng)的總體架構(gòu)和其中的數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)管理和標識、船-岸通信等問題進行了深入研究，并于2015年8月ISO/TC8會議中提出了《用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)共享的船舶數(shù)據(jù)服務(wù)器》（ISO 19847）和《船載機械設(shè)備的標準數(shù)據(jù)》（ISO 19848）2項標準提案。

據(jù)統(tǒng)計，2013至2015年間，日本在ISO/TC8會議中牽頭并發(fā)布的國際標準共計15項（包括船舶導航和信息傳輸?shù)葍?nèi)容），牽頭的在研標準共計10項（包括船舶航行控制、航行記錄儀等內(nèi)容）。由此可以看出，日本智能船舶的發(fā)展定位于國際標準化的戰(zhàn)略。

1.2 韓國智能船舶研究現(xiàn)狀

1.2.1 韓國典型的智能船舶項目

韓國造船業(yè)一直將中國船舶工業(yè)視為重要的國際競爭者，其中智能船舶領(lǐng)域的研究被韓國造船業(yè)作為提高自身競爭力，并超越競爭對手的戰(zhàn)略手段。近年來，韓國各大船廠、船級社、韓國設(shè)備制造企業(yè)以及新興技術(shù)企業(yè)，針對智能船舶領(lǐng)域開展了廣泛深入的研究。

韓國智能船舶部分典型項目見表2。

表2 韓國智能船舶部分典型項目

續(xù)表2

1.2.2 智能船舶的研究特點

韓國國內(nèi)航運規(guī)模較小、國內(nèi)航運及造船需求不足，整個船舶行業(yè)的發(fā)展主要依靠造船企業(yè)對俄羅斯和歐洲市場的訂單，因此歐洲市場的需求較大程度影響了韓國造船企業(yè)對智能船舶新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。其智能船舶發(fā)展具有船企牽頭、發(fā)揮信息產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢、分級發(fā)展的特點。

1.2.2.1 船企牽頭，重點項目“產(chǎn)、學、研”結(jié)合

現(xiàn)代重工在韓國智能船舶的發(fā)展中發(fā)揮重大作用，先后牽頭多個智能項目。從2009年的智能船舶1.0，到2016年的OceanLink智能船舶平臺，再到2020年的現(xiàn)代智能導航輔助系統(tǒng)Hi NAS，都是由現(xiàn)代重工牽頭，結(jié)合其他行業(yè)的參研單位完成。

2019 年提出的韓國自主水面船舶項目（Korean Autonomous Surface Ships Project，KASS）是近年來韓國智能船舶的重要研究項目，發(fā)揮了產(chǎn)學研結(jié)合的特點。該項目由韓國海洋與漁業(yè)部和貿(mào)易工業(yè)能源部資助，韓國海洋工程研究所和韓國船級社牽頭組織，成員包括高校、事業(yè)單位、研究所和企業(yè)。該項目著力于航運業(yè)和造船業(yè)兩大方向研究船舶智能化的商用模式，進行自主船舶核心技術(shù)研發(fā)，通過階段性示范奠定自主水面船舶的商業(yè)化基礎(chǔ)。

1.2.2.2 發(fā)揮信息和數(shù)字化產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢

韓國的通信和信息技術(shù)發(fā)達，在智能船舶的發(fā)展過程中充分結(jié)合并發(fā)揮了信息和數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。

一方面相關(guān)重點項目中均有通信業(yè)機構(gòu)和企業(yè)參與，以此構(gòu)建遠洋船舶和試航船舶的通信網(wǎng)絡(luò)。其中韓國電子通信研究院參與研究開發(fā)了船舶綜合管理網(wǎng)通信技術(shù)SAN，移動運營商SK電訊公司參與開發(fā)了基于LTE的陸海兩用智能通信系統(tǒng)項目。

另一方面實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在船舶行業(yè)的發(fā)展。2017年現(xiàn)代重工就成立了硬件在環(huán)仿真實驗室，并將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機、電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等核心設(shè)備性能的驗證。建成并實現(xiàn)了虛擬的網(wǎng)絡(luò)試航技術(shù)，解決了極限條件下的試航，同時可以大幅度降低實際試航的成本。2021年1月現(xiàn)代重工宣布該LNG虛擬試航解決方案獲得英國勞氏船級社頒發(fā)的AIP證書。

1.2.2.3 分級發(fā)展

韓國智能船舶的發(fā)展符合IMO提出的水上自主水面船舶（Maritime Autonomous Surface Ships，MASS）的定義及分級發(fā)展的特點。2009年智能船舶1.0項目實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和維護，到2019年計劃的自主水面船舶研究項目KASS突破國際海事組織IMO的2級、3級自主水面船舶。韓國的智能船舶發(fā)展基本按照IMO定義的分級標準分階段發(fā)展。

2019年的KASS項目旨在通過研究自主船舶技術(shù)，突破智能航行、機械自動化、測試驗證和規(guī)范標準等自主船舶核心技術(shù)，致力于在近海和遠洋分別實現(xiàn)IMO定義的2級和3級水面自主船舶，即實現(xiàn)海員在船且可遠程控制船舶以及無海員在船遠程控制船舶2個分級的智能船舶分級發(fā)展。

1.3 歐洲智能船舶研究現(xiàn)狀

1.3.1 歐洲典型的智能船舶項目

歐洲在智能船舶發(fā)展方面與亞洲國家不同。受地理環(huán)境影響，歐洲航運的區(qū)域內(nèi)短途運輸具有較廣泛市場需求，其智能化實踐多在拖輪、渡輪等小型船舶進行。由于人力成本較高，更關(guān)注無人化和少人化操作實踐。在其智能船舶的發(fā)展過程中，主推小型船舶項目的自主化無人化航行。

歐洲智能船舶部分典型項目見表3。

表3 歐洲智能船舶部分典型項目

1.3.2 智能船舶的研究特點

歐洲船舶工業(yè)一直將技術(shù)要素作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心競爭力，船舶配套業(yè)在高技術(shù)、高附加值、尖端船用設(shè)備產(chǎn)品的研制中始終保持產(chǎn)品的先進性、可靠性和穩(wěn)定性，長期在技術(shù)上保持著領(lǐng)先優(yōu)勢。同時，歐洲因地理環(huán)境影響，以短途點對點運輸更為廣泛，更多選擇拖輪等小型船只開始智能化發(fā)展。另外,歐洲因其高企的人力成本，也更為關(guān)注減少人力，將自主航行技術(shù)作為重點考慮的方向。

1.3.2.1 船舶配套企業(yè)牽頭

歐洲的多個重點智能化船舶項目中，企業(yè)主導的特性更強，同時注重對經(jīng)濟性、安全性、法律法規(guī)適用性和商業(yè)模式的研究；例如：2015 年AAWA 項目由Rolls-Royce 牽頭；2019 年，Autoship 項目由康士伯牽頭等。這些配套企業(yè)在自己的領(lǐng)域都具有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，例如Rolls-Royce的推進系統(tǒng)、康士伯的自動化和導航控制系統(tǒng)，以及瓦錫蘭的船舶動力和能源市場。這些都確保了高新技術(shù)在整個智能船舶各系統(tǒng)中的應(yīng)用和實施。

1.3.2.2 以無人化和自主化為整體目標

歐洲實施的多個項目均是以無人化、自主化為整體目標，應(yīng)用場景聚焦在區(qū)域內(nèi)沿海短途運輸。一方面，歐洲近海范圍內(nèi)的航運市場的人力成本高企，使少人化、無人化成為其中一個重要訴求；另一方面，因為歐洲是原始創(chuàng)新策源地，船舶配套企業(yè)的核心技術(shù)發(fā)達，故采用激進的發(fā)展方式以確保技術(shù)引領(lǐng)。

1.3.2.3 以現(xiàn)有船舶改造為主

以現(xiàn)有船舶作為試驗船，有利于核心技術(shù)的快速迭代。歐洲智能船舶相關(guān)項目中，實船試驗的船舶均采用現(xiàn)役船舶，而后通過改裝或添加新的設(shè)備進行實船測試。這是因為：一方面因為歐洲的造船業(yè)持續(xù)向外轉(zhuǎn)移，不便于整船制造創(chuàng)新；另一方面且更重要的是由于低成本的船舶改造，更有利于核心技術(shù)驗證迭代，以引領(lǐng)技術(shù)的快速發(fā)展。

2 對我國智能船舶發(fā)展的借鑒意義

我國是造船和航運大國，在智能船舶的研究方面，科研院所、航運企業(yè)和造船企業(yè)等都進行了眾多探索和研究。智能船舶技術(shù)在我國得到迅猛發(fā)展，先后有大智號、凱征號、智飛號等多個示范項目船，并得到了船東的良好反饋，但從提升智能船舶技術(shù)成熟度和自主可控水平、提高市場吸引力與國際競爭力的角度分析，仍有不少問題亟待解決。日韓歐在智能船舶方面的發(fā)展將帶給我們很多重要啟示。

2.1 制定適合我國的智能船舶發(fā)展路線

研究制定智能船舶的發(fā)展路徑，是把握國際航運智能趨勢、實現(xiàn)我國船舶行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和長足發(fā)展的必然要求。

相比于韓國和歐洲清晰的分級發(fā)展路徑特點，我國的船舶行業(yè)尚未形成統(tǒng)一且廣泛認可的智能船舶技術(shù)發(fā)展路線圖。對智能船舶的技術(shù)體系和發(fā)展路徑進行研究，將有助于理清智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)體系框架，建立廣泛認可的評估方法，理清下一階段智能船舶研究的重點和方向等問題。借鑒參考交通行業(yè)如智能汽車、智能航空、工業(yè)4.0 對于自主化的分級及發(fā)展特點，在IMO 的分級發(fā)展路徑框架下結(jié)合我國的智能船舶應(yīng)用現(xiàn)狀、航運業(yè)的行業(yè)需求以及我國當前的工業(yè)能力現(xiàn)狀，制定適合我國的技術(shù)發(fā)展路徑，明確當前的發(fā)展重點難點，為我國未來智能船舶的發(fā)展指明方向，為推動我國智能船舶高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

2.2 緊密結(jié)合需求，重視示范驗證

緊密結(jié)合航運企業(yè)的發(fā)展目標和核心需求，依托示范船型，加快智能關(guān)鍵技術(shù)研究和核心系統(tǒng)設(shè)備研制，以實現(xiàn)技術(shù)快速迭代和設(shè)備的自主可控。

航運企業(yè)的需求是智能船舶技術(shù)發(fā)展的主要源動力，同時也是檢驗技術(shù)和設(shè)備是否符合市場需要的有效工具。深層挖掘航運市場的核心需求（如減員訴求、極限情況下的安全問題和綠色環(huán)保法規(guī)要求等），并在此基礎(chǔ)上結(jié)合智能技術(shù)的發(fā)展來研究智能船舶技術(shù)。此外，在智能技術(shù)實船應(yīng)用的初期，要通過示范驗證推動技術(shù)的快速更新迭代，解決智能系統(tǒng)的易操作性，讓智能船舶上的船員能更積極地參與系統(tǒng)和裝備的實際驗證中；同時應(yīng)結(jié)合航運企業(yè)的近期和長期發(fā)展目標和國際環(huán)境，建立典型船型的工程示范效應(yīng)，快速實現(xiàn)關(guān)鍵裝備的自主可控，形成產(chǎn)業(yè)化能力。

2.3 重視標準和知識產(chǎn)權(quán)

重視智能船舶相關(guān)標準和知識產(chǎn)權(quán)，提升我國智能船舶國際標準話語權(quán)，提高我國智能船舶產(chǎn)業(yè)的國際影響力。

智能船舶基于當前的數(shù)字化和智能化技術(shù)，其特點是技術(shù)更迭迅速，因此智能船舶技術(shù)標準的制定工作應(yīng)與技術(shù)本身的研發(fā)同步開展，及時有效地滿足市場需求。結(jié)合相應(yīng)的示范項目和工程，開展相關(guān)標準研究與驗證，在充分調(diào)研各方需求的基礎(chǔ)上，研究制定與國際接軌、符合產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展特點的標準，同時積極參與國際標準制定，為我國智能船舶的未來發(fā)展提供有效的標準支撐，提高我國智能船舶的國際影響力。在知識產(chǎn)權(quán)的布局上，培育智能船舶核心關(guān)鍵技術(shù)的高價值專利，突破國外知識產(chǎn)權(quán)壁壘，助力提升我國智能船舶技術(shù)和設(shè)備發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化能力，增強我國智能船舶的競爭力。

2.4 造船業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)強強聯(lián)合

船舶行業(yè)應(yīng)充分利用我國信息產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢，把握“新基建”的規(guī)劃機遇，積極調(diào)動船舶行業(yè)、信息行業(yè)的資源和力量，進行強強聯(lián)合，打造高水平的智能船舶產(chǎn)業(yè)平臺。

我國的信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的成熟度高，船舶行業(yè)應(yīng)充分利用我國信息行業(yè)的優(yōu)勢，實現(xiàn)對船舶數(shù)據(jù)資源的精細化管理和集約化利用，突破智能船舶的關(guān)鍵技術(shù)，提升智能船舶的發(fā)展水平，推動智能船舶的實際化應(yīng)用和推廣。與此同時，我國自2020 年以來大力推進“新基建”建設(shè)。船舶行業(yè)應(yīng)抓住機遇，在政策和投資的帶動下，充分利用新型基礎(chǔ)設(shè)施中的數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級和融合創(chuàng)新等方面建設(shè)，為我國的船舶工業(yè)數(shù)字化專項補齊短板，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的快速升級。

3 結(jié) 語

世界主要造船國的智能船舶技術(shù)發(fā)展迅速，在技術(shù)標準化、信息和數(shù)字化、自主航行等方面具有顯著的發(fā)展特點。分析日韓歐等造船強國智能船舶的發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)勢，將有助于促進對我國智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀的反思，有效推動我國智能船舶的快速發(fā)展。