海事航海保障智能船舶關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展思考

摘要：針對(duì)海事航海保障船舶智能化水平不高的問(wèn)題，本文首先介紹國(guó)內(nèi)外智能船舶技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；然后結(jié)合現(xiàn)有海事航海保障業(yè)務(wù)開展及船舶配備情況，分析指出智能船舶技術(shù)發(fā)展存在的問(wèn)題；最后從智能航行、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能作業(yè)、遠(yuǎn)程控制等5個(gè)角度對(duì)海事航海保障船舶智能化轉(zhuǎn)型進(jìn)行了分析，可為海事航海保障智能船舶關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：海事；航海保障；智能船舶；智能航保；航標(biāo)；測(cè)繪

0 引 言

加快推進(jìn)智能航保建設(shè)，能夠推進(jìn)“陸?？仗臁币惑w化水上交通運(yùn)輸安全保障體系建設(shè)。實(shí)現(xiàn)海事航海保障船舶智能化可以有效推進(jìn)智能航保建設(shè)。智能船舶是利用傳感器、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。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶將逐步實(shí)現(xiàn)智能化，并最終替代傳統(tǒng)船舶在航運(yùn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?？傮w來(lái)看，關(guān)于智能船舶發(fā)展的研究主要圍繞貨船、客船等常規(guī)船型進(jìn)行，針對(duì)特殊船型的研究較少。本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外智能船舶技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)階段海事航海保障船舶智能化轉(zhuǎn)型存在的問(wèn)題，提出關(guān)于海事航海保障智能船舶關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的幾點(diǎn)思考。

1 國(guó)內(nèi)外智能船舶技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2022年，4 500 m3智能耙吸式挖泥船首制船“航浚4017”交付，該輪裝備了智能疏浚系統(tǒng)，可以大幅度提升作業(yè)效率、降低船舶運(yùn)行成本；同年，長(zhǎng)江干線首艘綠色智能LPG內(nèi)河船“華南6”輪交付，該輪可以完成智能機(jī)艙管理和能耗監(jiān)控管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備能量消耗；2022年，韓國(guó)大宇造船海洋研發(fā)建造的首艘自主航行試驗(yàn)船“DAN-V”號(hào)成功進(jìn)行了自主航行船舶海上試驗(yàn)；同年，現(xiàn)代重工旗下Avikus成功實(shí)現(xiàn)了搭載自主航行解決方案的18萬(wàn)m3 LNG船“Prism Courage”號(hào)橫渡大洋的目標(biāo)。

2 海事航海保障現(xiàn)狀分析

2.1 ?海事航海保障業(yè)務(wù)開展現(xiàn)狀

海事航海保障單位履行航標(biāo)管理維護(hù)、港口航道測(cè)量繪圖、水上安全通信以及應(yīng)急支持與服務(wù)等保障職責(zé)，為服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)。截至2022年底，海事航海保障單位共管理沿海航標(biāo)20 616座，其中公用航標(biāo)11 139座、專用航標(biāo)9 477座，管理沿海AIS基站219座，內(nèi)河AIS基站410座；2022年全年維護(hù)航標(biāo)3 519 643總座天，北方海區(qū)冬季換標(biāo)2 225座；全年測(cè)量總面積22 309.15換算m2；全年公益通信量1 982 389次，播發(fā)安全信息749 185條；全年應(yīng)急設(shè)標(biāo)129座，完成應(yīng)急掃測(cè)836.84換算 km2，處理遇險(xiǎn)緊急特殊通信33起。

2.2 ?海事航海保障船舶配備現(xiàn)狀

以北方海區(qū)航海保障單位北海航海保障中心為例，共計(jì)配備船舶45艘：大型航標(biāo)船3艘，其中現(xiàn)役最先進(jìn)的大型航標(biāo)船為“海巡156”輪，于2023年列編，是我國(guó)首艘具有破冰功能的大型航標(biāo)船；中型航標(biāo)船3艘，其中現(xiàn)役最先進(jìn)的中型航標(biāo)船為“海巡1506”輪，于2019年列編，是我國(guó)海事系統(tǒng)首艘采用全電力驅(qū)動(dòng)、雙回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)的中型航標(biāo)船；小型航標(biāo)船21艘；航標(biāo)巡檢艇11艘；中型測(cè)量船2艘；躉船5艘。為提高船員工作效率、降低船舶管理成本，北海航海保障中心研發(fā)應(yīng)用了船舶信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)涵蓋證書管理、維修保養(yǎng)、船員培訓(xùn)等方面，能夠?yàn)榇肮苡灭B(yǎng)修提供各類數(shù)據(jù)，也為船舶管理單位的相關(guān)考核提供了重要依據(jù)。

3 海事航海保障智能船舶技術(shù)發(fā)展存在的問(wèn)題

隨著工業(yè)和信息化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越先進(jìn)的導(dǎo)航設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備及作業(yè)設(shè)備投入使用，提高了海事航海保障船舶的信息化與自動(dòng)化水平，但是單純?cè)黾酉冗M(jìn)設(shè)備的數(shù)量并不意味著船舶實(shí)現(xiàn)了智能化。總體來(lái)看，海事航海保障船舶現(xiàn)在仍然處于“欠智能”狀態(tài)。

3.1 ?針對(duì)特殊水域的智能航行系統(tǒng)亟待開發(fā)

區(qū)別于貨船、客船等常規(guī)船舶，海事航海保障船舶多數(shù)情況下是在航道、港池等水域航行或作業(yè)，通航環(huán)境復(fù)雜、水文氣象多變，對(duì)駕駛?cè)藛T的綜合素質(zhì)要求嚴(yán)苛，需要實(shí)時(shí)根據(jù)天氣、海況、通航密度、設(shè)備工況等操縱船舶。新造大、中型海事航海保障船舶普遍配備了自動(dòng)舵、艏側(cè)推、動(dòng)力定位等系統(tǒng)來(lái)輔助船員操縱船舶，但是受限于復(fù)雜的通航環(huán)境和作業(yè)環(huán)境，日常航行及作業(yè)中絕大多數(shù)情況下采用手操舵模式，很少使用自動(dòng)舵；艏側(cè)推及動(dòng)力定位系統(tǒng)一般僅在作業(yè)及靠離泊中使用，而且艏側(cè)推及動(dòng)力定位系統(tǒng)的使用對(duì)航速有限制，船速過(guò)高時(shí)，對(duì)船舶操縱的影響微乎其微。總體來(lái)看，大量自動(dòng)化設(shè)備的疊加使用并未徹底解放船員，相反導(dǎo)致船員工作強(qiáng)度增大，精神高度緊張，易因疲勞導(dǎo)致航行事故及作業(yè)事故發(fā)生；相比較于智能航行系統(tǒng)具備高智能化、高精度的優(yōu)點(diǎn)，人工操縱船舶存在一定的誤差，不利于航海保障工作的高效開展。因此，智能航行系統(tǒng)特別是基于海事航海保障船舶航行及作業(yè)特點(diǎn)的避碰決策系統(tǒng)亟待研發(fā)應(yīng)用。

3.2 ?船岸一體的智能服務(wù)體系不完善

現(xiàn)階段的海事航海保障船舶運(yùn)行及管理還是以岸基為主。航標(biāo)作業(yè)方面，執(zhí)行航標(biāo)作業(yè)任務(wù)的船舶往往同時(shí)聽令船舶管理部門和航標(biāo)管理部門的指令，運(yùn)行效率不高，盡管投入使用了航標(biāo)運(yùn)行保障系統(tǒng)，但是航標(biāo)參數(shù)及作業(yè)任務(wù)仍然依靠人工錄入，并且海事航海保障船舶也未接入該系統(tǒng)，具體作業(yè)時(shí)間由船長(zhǎng)依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，航標(biāo)管理部門不能實(shí)時(shí)掌握作業(yè)進(jìn)度，作業(yè)精度也完全依賴于船長(zhǎng)的操縱水平，航標(biāo)管理部門不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)偏差并予以糾正；船舶管理方面，以國(guó)內(nèi)首艘根據(jù)CCS智能機(jī)艙和智能能效要求建造的大型航標(biāo)船“海巡156”輪為例，雖然該輪是我國(guó)排水量最大、智能化程度最高的大型航標(biāo)船，具備智能決策和維護(hù)功能，但是該輪的智能機(jī)艙和智能能效管理還是以本船為主，無(wú)法將船舶工況數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至岸端船舶信息管理系統(tǒng)，需要船舶管理人員手動(dòng)錄入相關(guān)信息，且不具備智能分析及決策功能，總體來(lái)看，海事航海保障船岸一體的智能服務(wù)體系還不完善。

3.3 ?多功能的智能作業(yè)水平亟待提高

目前，智能作業(yè)技術(shù)蓬勃發(fā)展，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造等行業(yè)，但是在航海保障領(lǐng)域尚未深入使用。在海事測(cè)繪方面，以我國(guó)設(shè)備設(shè)施最先進(jìn)的新一代大型專業(yè)海道測(cè)量船“海巡08”輪為例，盡管該輪配備了功能齊全的測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理中心，可以實(shí)現(xiàn)從測(cè)量到出圖在一艘船上完成，但是作業(yè)前仍然需要相應(yīng)職能部門根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和氣象海況制定作業(yè)計(jì)劃；在航標(biāo)作業(yè)方面，以中國(guó)海事系統(tǒng)首制全電力推進(jìn)系統(tǒng)中型航標(biāo)船“海巡1506”輪為例，作業(yè)設(shè)備配置1臺(tái)12 t-15 m的航標(biāo)起重機(jī)，1臺(tái)150 kN錨鏈絞車，左右兩舷各配備1套升降導(dǎo)鏈輪、1套棄鏈裝置、2套15 kN液壓牽引絞車，設(shè)備自動(dòng)化程度較高，航標(biāo)作業(yè)能力較強(qiáng)，但是船上未配備綜合作業(yè)系統(tǒng)，所有設(shè)備均由船員操作，無(wú)自主或自動(dòng)控制功能?？傮w來(lái)看，海事航海保障船舶智能作業(yè)水平不高，需要配備大量的培訓(xùn)合格的船員來(lái)操控各種設(shè)備，在無(wú)法有效降低船舶配員的同時(shí)，由于各式各樣的作業(yè)設(shè)備設(shè)施數(shù)目不斷增加，也導(dǎo)致船員操作及維修保養(yǎng)設(shè)備的負(fù)擔(dān)激增。

4 海事航海保障智能船舶技術(shù)發(fā)展要點(diǎn)

全面實(shí)現(xiàn)船舶智能化并非一蹴而就，需要在多個(gè)領(lǐng)域加快研發(fā)進(jìn)度。雖然海事航海保障船舶基本滿足了現(xiàn)階段業(yè)務(wù)開展的需要，但是在一些智能船舶關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)度遠(yuǎn)落后于其他類型船舶，為助力智能航保建設(shè)，亟需在以下5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方面加快研究進(jìn)度，以滿足海事航海保障事業(yè)發(fā)展的需要。

4.1 ?智能航行

智能航行能夠?yàn)榇疤峁┖剿俸秃铰穬?yōu)化的決策建議，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全航程自主航行，理論上能夠顯著降低由人為因素導(dǎo)致的水上交通事故的發(fā)生率。發(fā)展智能航行技術(shù)的最重要前提是確保航行安全，但綜合現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，智能航行仍然處于起步階段。海事航海保障船舶現(xiàn)在處于大量搭載航行輔助系統(tǒng)階段，如自動(dòng)舵系統(tǒng)、艏側(cè)推系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)等，雖然操縱性能得到極大提升，但是仍然依靠船員的決策進(jìn)行操縱，并且海事航海保障船舶多數(shù)情況下是在航道、港池等復(fù)雜通航環(huán)境下航行和作業(yè)，實(shí)現(xiàn)全航程自主航行的最終目標(biāo)難以一蹴而就。實(shí)現(xiàn)智能航行，首要實(shí)現(xiàn)航行態(tài)勢(shì)智能傳感，包括船舶自身態(tài)勢(shì)和周圍環(huán)境態(tài)勢(shì)，船舶自身態(tài)勢(shì)包括航速、航向、吃水等，周圍環(huán)境態(tài)勢(shì)包括航標(biāo)、過(guò)往船只、水文氣象等；其次是研發(fā)適用于海事航海保障船舶的智能航行系統(tǒng)，特別是避碰決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)海事航海保障船舶智能航行的基礎(chǔ)，除了具有航線規(guī)劃與航速設(shè)計(jì)功能外，還應(yīng)具備水文氣象信息感知、航行態(tài)勢(shì)認(rèn)知、航行避碰決策等高等級(jí)功能，以此實(shí)現(xiàn)海事航海保障船舶在船員監(jiān)視及岸基指導(dǎo)下逐步實(shí)現(xiàn)具有在港池、航道等復(fù)雜環(huán)境下自主航行、自動(dòng)靠離泊功能，最終實(shí)現(xiàn)全航程自主航行。

4.2 ?智能機(jī)艙

智能機(jī)艙能夠?yàn)榇霸O(shè)備與系統(tǒng)的使用、操作和控制、檢修、管理等方面的決策提供支持，可以大大減少機(jī)艙人員及岸基管理人員的工作強(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)海事航海保障船舶智能機(jī)艙建設(shè)，一是加快設(shè)備改造和研發(fā)，特別是引入電力推進(jìn)等新的船舶動(dòng)力形式，新建大、中型海事航海保障船舶配備了無(wú)人值守機(jī)艙和全電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，較采用柴油機(jī)、齒輪箱、軸系等作為動(dòng)力系統(tǒng)的傳統(tǒng)船舶，電力推進(jìn)系統(tǒng)可控性得到提升且易于實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，機(jī)艙智能化改造的難度也大大降低，特別是隨著國(guó)內(nèi)首艘根據(jù)CCS智能機(jī)艙和智能能效要求建造的大型航標(biāo)船“海巡156”輪入列，加快了智能機(jī)艙的建設(shè)步伐；二是在無(wú)人值守機(jī)艙和全電力推進(jìn)動(dòng)力的基礎(chǔ)上，充分利用可視化設(shè)備及傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)艙設(shè)備的自主監(jiān)控，并實(shí)時(shí)傳輸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、船舶電網(wǎng)等系統(tǒng)的工況數(shù)據(jù)，同時(shí)建立岸基機(jī)艙集控中心，逐步將智能機(jī)艙的研發(fā)側(cè)重點(diǎn)由單船的機(jī)艙集控室轉(zhuǎn)移到岸基多船的集控中心，實(shí)現(xiàn)單船機(jī)艙輔助決策、船隊(duì)數(shù)據(jù)共享共用的船-岸一體的智能機(jī)艙系統(tǒng)。

4.3 ?智能能效管理

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，順應(yīng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，船舶動(dòng)力正朝向綠色低碳的方向飛速發(fā)展，特別是以風(fēng)力、電力等為代表的低排放、低污染的新能源技術(shù)不斷在船舶動(dòng)力中使用。智能能效管理能夠?qū)崿F(xiàn)船舶能效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估及優(yōu)化，不斷提高船舶能效管理水平，進(jìn)而減少能源消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。為實(shí)現(xiàn)海事航海保障船舶能效智能管理，一是要構(gòu)建船岸一體的智能能效信息服務(wù)體系，船端設(shè)備執(zhí)行單船的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，岸基系統(tǒng)執(zhí)行多船的智能分析與決策任務(wù)，在信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互與分析決策的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)船舶能效管理的智能一體化，該體系可與智能機(jī)艙系統(tǒng)同步研發(fā)、同步應(yīng)用；二是要構(gòu)造海事航海保障船舶智能能效管理模型，區(qū)別于貨船大多數(shù)處于定速航行狀態(tài)，海事航海保障船舶在航行及作業(yè)時(shí)大多數(shù)處于機(jī)動(dòng)航行狀態(tài)，速度、航向、船舶姿態(tài)等時(shí)刻在變化，因此要優(yōu)化能耗算法，充分挖掘船舶能效提升的潛力；三是要推進(jìn)船舶動(dòng)力升級(jí)，在大、中型海事航海保障船舶普遍采用全電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，積極探索其它形式的新能源在海事航海保障船舶上的應(yīng)用，以滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的要求。

4.4 ?智能作業(yè)

實(shí)現(xiàn)海事航海保障船舶智能化作業(yè)，應(yīng)按照人員在船監(jiān)控的半智能作業(yè)——人員在岸監(jiān)控的智能作業(yè)——無(wú)需人員監(jiān)控的智能作業(yè)的路徑進(jìn)行研發(fā)。一是要構(gòu)建船岸一體的智能作業(yè)系統(tǒng)，該平臺(tái)應(yīng)具備作業(yè)任務(wù)編制、作業(yè)任務(wù)下達(dá)、作業(yè)任務(wù)執(zhí)行、作業(yè)任務(wù)評(píng)估等主要功能，是智能作業(yè)的中樞系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)任務(wù)，智能調(diào)派作業(yè)船舶和工作人員，通過(guò)綜合分析天氣、海況及通航環(huán)境等信息后，做出最優(yōu)化的作業(yè)方案；二是積極探索新型作業(yè)模式，以航標(biāo)巡檢為例，可在航標(biāo)巡檢船上搭載無(wú)人機(jī)，利用巡檢船高速和續(xù)航長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，快速沿航道行駛，搭載CCTV系統(tǒng)、燈質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)的船載無(wú)人機(jī)迅速起飛對(duì)沿途航標(biāo)進(jìn)行巡檢，巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至岸端綜合作業(yè)系統(tǒng)，分析研判航標(biāo)是否正常，并反饋至航標(biāo)巡檢船，由船舶行駛至受損航標(biāo)進(jìn)行維護(hù)；三是積極研發(fā)自主作業(yè)設(shè)備，以航標(biāo)智能拋設(shè)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)通過(guò)北斗和CORS高精度定位，獲取船舶拋設(shè)裝置處的精準(zhǔn)位置、航速、航向等信息，在此基礎(chǔ)上解算出拋設(shè)裝置相對(duì)于目標(biāo)作業(yè)點(diǎn)的態(tài)勢(shì)，結(jié)合拋設(shè)過(guò)程中沉石下沉速度、水深等信息，解算出最佳拋設(shè)位置和時(shí)機(jī)，待航標(biāo)作業(yè)船舶到達(dá)最佳位置后，系統(tǒng)下達(dá)指令，自動(dòng)拋出浮標(biāo)。

4.5 ?遠(yuǎn)程控制

中國(guó)船級(jí)社《智能船舶規(guī)范》（2023）將遠(yuǎn)程控制分為R1和R2兩類，其中R1需要船員在船，R2無(wú)需船員在船。無(wú)論是否需要船員在船，均需要建立遠(yuǎn)程控制站。鑒于海事航海保障船舶智能化轉(zhuǎn)型研究較慢，應(yīng)按照完全由船員在船控制—部分功能由岸上控制，船員在船監(jiān)控—全部由岸上控制，船員不在船監(jiān)控的思路逐級(jí)開展研究。一是要搭建岸基控制中心，岸基控制中心是智能航行和智能作業(yè)過(guò)程中的駕控中心和監(jiān)管中心，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制船舶航行和作業(yè)；二是加強(qiáng)環(huán)境再現(xiàn)的研究，只有實(shí)現(xiàn)船舶自身狀態(tài)以及航行態(tài)勢(shì)的可視化，才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，船舶自身狀態(tài)可視化需要強(qiáng)化信號(hào)傳輸技術(shù)，航行態(tài)勢(shì)、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、周圍水域的可視化可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)；三是要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安保，智能船舶與岸基控制中心通信頻繁，若船岸之間的通信網(wǎng)絡(luò)受到攻擊，船舶自身狀態(tài)和航行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)易被篡改，其損失和后果將不堪設(shè)想，因此網(wǎng)絡(luò)可靠性與安全至關(guān)重要，需要在船舶信息加密與解密、遠(yuǎn)程控制權(quán)限管理與授權(quán)等方面開展細(xì)致研究，進(jìn)而提升遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)抗網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力。

5 結(jié) 論

順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展海事航海保障智能船舶，將船舶運(yùn)行中的部分工作或全部工作交給人工智能程序完成，既可降低船舶配員和船員工作負(fù)擔(dān)，在很大程度上解決人為操作失誤帶來(lái)的各種安全問(wèn)題，也能夠提高海事航海保障服務(wù)水平。海事航海保障船舶具有相對(duì)固定的航線和特定的作業(yè)任務(wù)，航行環(huán)境相對(duì)固定，且距離陸地較近，便于開展智能船舶研究。目前的海事航海保障船舶智能化建設(shè)仍處于初級(jí)階段，需要在智能技術(shù)的研發(fā)與測(cè)試上堅(jiān)持長(zhǎng)期科研攻關(guān)，通過(guò)不斷的技術(shù)改造與創(chuàng)新，為海事航海保障船舶智能化轉(zhuǎn)型持續(xù)賦能。

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作者簡(jiǎn)介：

邢玉林，碩士研究生，工程師，從事航標(biāo)管理專業(yè)，主要研究方向：航標(biāo)設(shè)置與運(yùn)維、航標(biāo)裝備信息化與智能化，（E-mail）：13130588903@163.com，13130588903