目前，智能船舶已成為國際海事界研發(fā)和關注的新熱點。智能船舶通過將現(xiàn)代信息技術、人工智能技術等新技術與傳統(tǒng)船舶技術進行融合，從而達到安全可靠、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟高效的目的。本文基于智能船舶模塊的功能和經(jīng)濟性，剖析各關鍵技術在其中發(fā)揮的優(yōu)勢和作用，以及技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應用現(xiàn)狀，為智能船舶項目決策與未來智能船舶體系構建提供依據(jù)。
七大關鍵技術助力六大智能模塊實現(xiàn)
根據(jù)中國船級社《智能船舶規(guī)范》，智能船舶的智能模塊分為智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺六個部分，而信息感知技術、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、自主航行技術七大技術在六大模塊中發(fā)揮著重要的作用，為智能船舶的正常運行提供有力保障。
信息感知技術：船舶信息感知是指船舶能夠基于各種傳感設備、傳感網(wǎng)絡和信息處理設備，獲取船舶自身和周圍環(huán)境的各種信息，包括船舶航速、航向、時空位置等的變化等，使船舶能夠更安全、可靠航行的一種技術手段。目前，常用的船舶狀態(tài)感知技術手段有雷達、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、全球定位系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)（CCTV）等。
信息感知技術是智能技術的基礎，在智能模塊中負責信息收集，為智能分析提供數(shù)據(jù)基礎。例如，在智能航行模塊中，信息感知技術利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術手段，自動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)，供航行中心進行大數(shù)據(jù)處理、計算機分析和自動控制；在智能船體模塊中，信息感知技術實現(xiàn)了對船體結構安全參數(shù)的監(jiān)測以及海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，從而對智能船體起到支持的作用；在智能能效管理模塊，信息感知技術負責船舶能效在線智能監(jiān)控并進行數(shù)據(jù)反饋。
通信導航技術：通信導航技術是運用各種技術手段用于實現(xiàn)船舶上各系統(tǒng)和設備之間，以及船舶與岸站、船舶與航標之間的信息交互，從而通過航位推算、無線電信號、慣性解算、地圖匹配、衛(wèi)星定位及多方式組合以達到確定運載體的動態(tài)狀態(tài)和位置等參數(shù)的綜合技術，通信導航技術可細分為船舶通信技術和船舶導航技術兩個部分。
通信導航技術對智能船舶的線路規(guī)劃和航行起到重要的作用。在智能航行模塊中，通信導航技術實現(xiàn)船、岸、船－船之間聯(lián)系，協(xié)助船舶能在開闊水域、狹窄水道、復雜環(huán)境條件下自動避碰。而非航行模塊中，通信導航技術也能夠提供信息傳遞的功能，例如在智能能效管理模塊中，通信導航技術能夠將能耗、航速、縱傾角等多維度多渠道信息匯總傳遞至控制決策中心。
能效控制技術：也稱船舶能效管理控制計劃，是通過對能效指標進行分析和匯總整理，指導船舶能效因素（航線設計、航速、船舶浮態(tài)、動力設備）和人員培訓等技術措施的改善，最終實現(xiàn)減少排放、提高能效目的的技術手段。
能效控制技術服務于智能能效管理模塊。通過信息感知技術采集和通信導航技術傳遞的船舶航行狀態(tài)、耗能狀況信息，結合航線特點、燃料消耗、經(jīng)濟效益等評估結果，提供基于不同目標的航速優(yōu)化方案，為船舶能效管理提供輔助決策建議。
航線規(guī)劃技術：航線規(guī)劃技術是指船舶根據(jù)航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情況、公司船期信息、航道水流分布信息、航道航行難易信息，智能實時選擇船舶在航道內(nèi)的位置和航道，以優(yōu)化航線，達到安全高效、綠色環(huán)保的方法。目前常用的航線規(guī)劃方法包括：線性規(guī)劃方法、混合整數(shù)規(guī)劃模型、遺傳算法、模擬退火、粒子群優(yōu)化算法等。
航線規(guī)劃技術主要體現(xiàn)在智能航行模塊中航路設計和優(yōu)化，通過航線計劃、航線監(jiān)控、自動避碰等功能，讓船舶的海上運輸更加安全高效，從而縮短運輸航程，降低燃料消耗。
狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術：由兩部分組成，狀態(tài)監(jiān)測技術是以監(jiān)測設備振動發(fā)展趨勢等技術為手段，判斷設備是處于穩(wěn)定狀態(tài)或正在惡化。故障診斷技術就是在船舶機械設備運行中或基本不拆卸設備的情況下，判斷被診斷對象的狀態(tài)是否處于異常狀態(tài)或故障狀態(tài)，以及劣化狀態(tài)發(fā)生的部位或零部件，并判定產(chǎn)生故障的原因，以及預測狀態(tài)劣化的發(fā)展趨勢等。
狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的應用領域在智能船體和智能機艙兩大模塊。該技術基于采集數(shù)據(jù)結果，能夠實現(xiàn)全生命周期對船體、主機等關鍵配套的監(jiān)控，定量評估使用情況，并結合輔助決策系統(tǒng)提高船體和設備安全性，減少維修費用。
遇險預警救助技術：船舶遇險預警及求救系統(tǒng)是指船舶在遭遇惡劣海況、天氣或其他特殊情況時能夠對船舶航行姿態(tài)進行實時監(jiān)測和預警，并能在船舶發(fā)生傾覆等突發(fā)情況時自動向監(jiān)控中心或周圍船舶發(fā)出求救信號，指引搜救人員和船舶前往遇難遇險船舶開展救助的方法手段。
遇險預警救助技術是智能集成平臺以及智能貨物管理模塊所搭載的關鍵技術。該項技術減輕了海上環(huán)境監(jiān)測對人員的依賴性，并提高了風險預警率，及時控制事故的蔓延，提升工作效率和船上人員財務的安全性。
自主航行技術：智能航行系指利用計算機技術、控制技術等對感知和獲得的信息進行分析和處理，對船舶航路和航速進行設計和優(yōu)化；可行時，借助岸基支持中心，船舶能在開闊水域、狹窄水道、復雜環(huán)境條件下自動避碰，實現(xiàn)自主航行。
自主航行技術是智能船舶實現(xiàn)無人駕駛的關鍵所在。但由于自主航行的可靠性和穩(wěn)定性需要經(jīng)過長時間的真實環(huán)境下的反復測試，并且還需要與之配套的國際和國內(nèi)水上交通法律、法規(guī)的修改和完善，因此，距離無人駕駛船舶大規(guī)模的投入生產(chǎn)和營運還有較長的一段時間，所以自主航行屬于尚未實現(xiàn)的高級功能。
綜上所述，智能船舶七項關鍵智能技術中在船舶各大智能模塊的體現(xiàn)如上表，可以看到，信息感知與通信導航是目前智能船舶最為核心的智能技術，而智能集成平臺是各關鍵技術的連接中心。
關鍵技術在多領域具有競爭優(yōu)勢
隨著電氣技術、數(shù)字技術和網(wǎng)絡技術的不斷成熟，人工智能技術介入船舶行業(yè)并產(chǎn)生了深遠的影響，尤其是在航行、操縱、機器運轉、風險監(jiān)控等多個領域表現(xiàn)出傳統(tǒng)技術所不具備的巨大優(yōu)勢，使智能船舶成為船舶行業(yè)提升競爭力的新契機?？偟膩碚f，智能技術帶來的優(yōu)勢可以歸結為以下六點。
一、降低操作風險，提高航行安全性
信息感知技術和通信導航技術的優(yōu)勢在于降低操作風險，提高航行安全性。在交通密集的狹窄海域，以及船隊海上航行過程中，對船體自身監(jiān)控和船舶之間的通信有很高要求。在這些應用場景下，船舶之間通過收集、傳輸數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)情報共享、入侵預警、碰撞避免等功能。以往這類功能主要通過傳統(tǒng)AIS、聲納、UHF通信手段等完成。然而，近年來隨著海上航運業(yè)的不斷發(fā)展和海洋多種業(yè)務綜合系統(tǒng)的不斷應用，使得船舶間的通信需求越來越大，傳統(tǒng)的船舶間通信手段和網(wǎng)絡，越來越難以滿足這一不斷增長的需求。在這一背景下，艦載通信設備的功能不斷提升，提供更大的通信帶寬和更加便利的通信手段。通過這些工具能夠對復雜的環(huán)境數(shù)據(jù)進行融合分析，并為船員和其他智能系統(tǒng)提供更好的船舶周圍環(huán)境感知度，以使船舶的操作運行更加簡單、安全、高效。
二、提高能源效率，經(jīng)濟環(huán)保雙贏
能效管理控制技術的優(yōu)勢在于提高能源效率，實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)保雙贏。船舶節(jié)能一直是世界各國造船界和航運界研究的重要課題，它關系到節(jié)約燃料資源和費用、環(huán)境保護以及船舶運營經(jīng)濟效益等問題。船舶的節(jié)能技術改造，不僅可節(jié)省燃油費用，減少船舶的運輸成本，提高企業(yè)的利潤率，給企業(yè)帶來高的經(jīng)濟效益，還可以減少船舶造成的環(huán)境污染，獲得經(jīng)濟和環(huán)保雙重效益。
三、合理航線規(guī)劃，提升運營效率
航線規(guī)劃技術的優(yōu)勢在于合理航線規(guī)劃，提升運營效率。早期的航線設計通常是船長根據(jù)自己的多年航行經(jīng)驗，并參照一些安全的經(jīng)典航線，結合每次的航行任務對航線進行分析，航線的優(yōu)劣完全取決于航海人員的經(jīng)驗多少、作業(yè)的熟練程度及其工作態(tài)度。隨著電子海圖(CECDIS)等現(xiàn)代綜合導航系統(tǒng)的應用，船舶的航線設計主要在ECDIS上實現(xiàn)，但是航線的設計上仍舊有一定的主觀性，設計航線的人員很難參考其他有經(jīng)驗設計者的成果。目前自動化的航線規(guī)劃是電子海圖應用的重要內(nèi)容，運用信息智能處理技術進行航線規(guī)劃，可更好地進行航線設計，減少人為失誤，進一步提高航線的安全性、經(jīng)濟性和可靠性，對于保障海上船舶安全經(jīng)濟航行、提高航運效率、降低營運成本、避免海上交通事故的發(fā)生、減少船舶運輸對環(huán)境的影響具有重要意義。
四、預防潛在風險，節(jié)約維修成本
狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的優(yōu)勢在于預防潛在風險，節(jié)約維修成本。船舶設備現(xiàn)行的維修方式主要是以預防為主的維修方式，大型檢修的方式是定期維修和保養(yǎng)。雖然定期進行大型檢查能夠保障船舶的安全性，但難免帶來安全性過剩的經(jīng)濟損失，給維修成本乃至產(chǎn)品帶來壓力。狀態(tài)監(jiān)測與評估是對傳統(tǒng)船舶管理模式的改革，船舶狀態(tài)檢測和評估的結果能為實施狀態(tài)維修提供客觀依據(jù)，實現(xiàn)最少的維修費用投入獲取最大的經(jīng)濟效益，進而提高船舶管理公司的市場競爭力。
五、增加應急能力，保障人財兩全
遇險預警救助技術的優(yōu)勢在于增加應急能力，保障人財兩全。近年來，水上交通事故頻發(fā)，僅我國水域范圍內(nèi)遇險船舶每年財產(chǎn)損失達百億以上。智能遇險預警救助技術快速、高效、便捷地在海域上空對遇險目標進行定位與顯示，具有成本低、無人員傷亡風險、機動性能好、使用方便等優(yōu)點，有助于提高水上搜救的效率，降低事故后果的嚴重性。
六、實現(xiàn)無人航運，推動行業(yè)變革
自主航行技術的優(yōu)勢在于實現(xiàn)無人航運，推動行業(yè)變革。從宏觀上講，自主航行給航運所帶來的影響，正如智能手機給通訊業(yè)帶來的顛覆性改變。一方面，通過采用自主航行技術，能夠降低船員數(shù)量及所需空間和設備，從而節(jié)省建造和運營成本、減少船舶重量、降低用電負荷，并增加船舶空間和載貨能力。另一方面，導致船舶海上事故的主要原因是決策和操作過失、應急反應不當?shù)热藶橐蛩?。而在無人船的設計方案中，船舶的操縱主要是通過專家決策系統(tǒng)與遠程遙控系統(tǒng)在勞動條件更好的岸上進行操作，從而從根本上減少人為因素對船舶航行安全的影響。
摸索前行任重道遠
智能船舶是未來船舶發(fā)展的必然方向，也將是未來世界船舶工業(yè)領域競爭的焦點。但目前，智能船舶的發(fā)展尚處于初級階段，歐洲、韓國、日本以及我國等全球主要船舶建造中心都在積極開展研發(fā)工作，推進智能技術應用將成為智能船舶發(fā)展的關鍵。
一、技術研發(fā)與實船應用并重
由于目前智能船舶的發(fā)展尚處于初級階段，智能船舶也將隨著技術的發(fā)展不斷地更新變化，采用研發(fā)與應用并重的分步實施策略能夠有效推進智能船舶的發(fā)展。以典型船企現(xiàn)代重工智能船舶技術的發(fā)展歷程為例，自2011年開始開發(fā)智能船舶技術，先后陸續(xù)在其交付的300艘船舶上應用智能技術，這一過程中逐漸完成了智能航行、通信導航、電子海圖等相關技術應用，形成了數(shù)字化主題的智能船舶產(chǎn)業(yè)。
二、跨行業(yè)合作實現(xiàn)優(yōu)勢互補
發(fā)展智能船舶絕不能局限于船舶行業(yè)，大量的互聯(lián)網(wǎng)、通信等不同領域企業(yè)也紛紛加入智能船舶的研發(fā)項目中。此前，歐洲、日本等多家單位已經(jīng)開展了跨行業(yè)跨領域合作，并取得了巨大突破：羅羅攜手芯片巨頭英特爾開展無人船研制，完成無人船的自動系泊實驗；而日本三菱重工與多家船企、高校、機構合作研發(fā)了智能船舶導航系統(tǒng)。
三、開創(chuàng)制造業(yè)的新服務模式
智能船舶能夠更好地服務船舶運營，實現(xiàn)船舶、港口、船東、船廠之間的信息共享，建立一體化的船舶運營服務模式。智能船舶在未來會改變船廠的運營模式，而船廠不再是單純的制造船舶，船舶產(chǎn)業(yè)鏈條上的企業(yè)關系將進行重組，船舶制造企業(yè)將基于智能船舶提供全方位、全生命周期的綜合服務。
