浅析智能船舶系统.pdf

工作与研究 船舶标准化与质量 2016 年第 1 期 36 浅析智能船舶系统 中远船务工程集团有限公司 贾锐 曹凯 徐秀龙 赵志坚 摘 要：本文探讨了智能船舶的概念和现状，重点阐述了智能船舶应具备的系统配置以及智能船 舶研究的意义。 关键词：智能船舶 系统 引言 船舶智能化已经成为当今船舶制造与航运领域 发展的必然趋势，有关智能船舶的定义，目前尚无 定论。一种较为普遍的说法是，所谓智能船舶的概 念，即是以“大数据”为基础，运用先进的信息化 技术，如实时数据传输和汇集、大计算容量、数字 建模能力、远程控制、传感器等，实现船舶智能化 的感知、判断分析，以及决策和控制，从而更好地 保证船舶的航行安全和效率以及经济性。 1 智能船舶的概念 挪威船级社对“智能船舶”的目前理解，指的 是实时数据传输的汇集、大计算容量、数字建模能 力、远程控制、传感器等，这些新的信息化技术将 对船舶安全产生显著影响。 中国船级社对智能船舶的定义是系指利用传感 器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知 和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的 信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和 大数据处理和分析技术，在船舶航行、管理、维护 保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶，以 使船舶更加安全、更加环保、更加经济和更加可靠。 英国劳氏船级社也对智能船舶做了充分的调研， 并对智能船舶的分类和特征进行了相关定义。第一 代智能船舶应包括人为代理系统；第二代智能船舶 应包括人为监控系统，给出决策支持建议；第三代 智能船舶将包括数据分析，以进行处理运作和通过 互联其他“事物” 来实现情景感知。这三代船舶仍 需要人在船上，不管船舶是半自动的还是全自动的， 可能与一个离岸中心建立连接。第四代智能船舶将 实现全自主化的无人驾驶。 其它船级社也都对智能船舶的技术现状和未来 发展趋势展开了大量的研究工作，并展开相应讨论。 中远船务是国内大型航运公司中远集团旗下的 船舶建造企业，和相关的设备制造商、船东、船级 社及一些高等院校联合开展了智能船舶的相关研究 工作。智能船舶应包括船舶系统及设备的感知、思 维、学习、行为等方面，以“大数据”为基础，运 用先进的信息化技术，如实时数据传输和汇集、大 计算容量、数字建模能力、远程监控、传感器等， 实现船舶智能化的感知、判断分析、决策、控制及 成长，从而更好地保证船舶的航行安全性和经济性。 核心技术是网络和实体融合、岸海一体的智能信息 服务体系。通过船东和船厂、船舶设计方和设备制 造商之间的信息共享，构建一个网络和实体融合架 构，实现从设计、生产、运营到最后服务的全流程 体系的融合。智能船舶不仅需要自身智能，而且还 需要船岸一体，岸上的支撑建设同样不可少，否则 也就谈不上信息支撑、远程遥控了。智能船舶的设 计与运营还包括相关机构、船级社、船东、船舶的 营运商以及港口国，而大数据支持下的船舶智能化 发展将改变传统的商业模式。比如对船级社来说， 可以借助大数据获取安全和船舶入级的数据，或者 双月刊 / 总第 262 期37 其他额外的服务以及客户可能想要的数据信息；而 船东能够获得船舶全部的物料状态信息；船旗国则 能够获取全部的法规遵守信息；船员能够获取管控 的全部运行数据和性能数据；港口国能够获取安全、 货物和人员信息。 因此，智能船舶涉及的领域十分广泛，内涵极 其丰富，涉及到设计院所、船厂、设备制造商、航 运企业、货主等不同单位。不仅要考虑船舶本身的 智能性，还要考虑船岸一体；不仅要考虑船舶的智 能化，更要理解和明确智能化的最终目的是提高船 舶的安全性、运营经济性和航行的清洁性要求。 2 智能船舶的现状 智能船舶的发展并不是一蹴而就的，而是一个 循序渐进的过程，从局部到整体，从海上到岸上。 就目前的技术情况来看，在船舶设计、建造和运营 方面，尚是从个体考虑智能船舶的技术，而没有一 个系统的集成的智能船舶的技术系统。 目前状况是多种原因造成的。 1） 智能船舶系统的开发和设计需要强大的技术 支持，上个世纪和本世纪初，在系统控制智能化和 无线通讯方面的技术发展还不足以引领或者支撑智 能船舶从个体向系统集成化的技术层面发展。 2） 智能船舶的发展需要相关国际规则、规范和 相关主管机构的协作，目前国际上还没有智能船舶 方面的相关标准和规范。没有统一标准，无法实现 智能船舶的国际范围内的系统兼容性和通用性，这 也大大制约了智能船舶系统的发展。反过来讲，相 关国际标准的制定又需要一定的实际技术支撑和实 践应用，不断修订完善。举个例子：如果要实现船 岸通讯、监测、控制、诊断，那么实现这些功能的 系统的设计和制造就需要有相应的国际规范、规则。 如果要实现无人驾驶，目前国际上还没有相应的规 范、规则的要求，并且无人驾驶本身就和现有的规 范规则相矛盾，无论是国际海事组织（IMO） 还是相 关的船级社都不允许和接受。这些实现智能船舶系 统的大数据系统和相应的操作系统的软件，目前国 际上也无相应的规范规则要求，也就无法取得相关 证书或者认证。 3） 智能船舶系统的研发，需要船东、船厂、设 备制造商以及其它相关研究单位协作开发。主要体现 在：船东根据运营情况，提出相关涉及到船舶安全和 经济性等方面的技术要求，这些要求包括船舶本身的 安全、节能减排、物流调度、装卸货控制等；船舶设 计和建造单位根据船东要求，提出满足船东要求的技 术方案，这些技术方案包括：船舶本身系统的智能控 制以及远程的船岸控制系统（这里面不但包括船舶本 身的控制，也包括其它比如港口和物流等调度系统的 控制） 。这些方案的实施，还需要具体的硬件和软件 来实现，需要相关的设备制造商开发出适合一定规模 市场需求的系统和产品，并且形成规模化，最起码要 保证全球的售后服务等的标准化。 4） 智能船舶的开发和研究，需要由一个主管部 门牵头组织和协调各个相关环节的参与者一起进行 开发。目前，国际上的一些船舶智能控制系统或者 产品，基本上都是满足船东的个性要求来进行设计， 基本上不是IMO或者相关船级社的强制要求。比如： 集中桥楼控制系统，虽然有一定的船级符号和相应 的国际规则要求，但是，并不是 IMO 和船级社的强 制要求。 人类对未知世界的探索从未停止，科学技术的 发展也是与时俱进。如上所述，智能船舶现在虽然 没有形成完整的系统，但是很多船东和设备制造商 已经开发出各种船舶智能控制系统。 目前国际上应用的船舶智能系统都是相对比较 独立，按照系统来分类的，比如：综合桥楼系统， 船舶集中控制系统，动力定位系统和船舶性能监测 系统。从船东方面的应用来讲，一些船东已经在应 用比较智能的船舶调度和控制系统，如智能装载系 统和物流信息等智能系统，但是功能相对比较单一， 无法达到智能船舶的技术要求，无法实现对于船舶 的完全监测和控制。因此，目前在船舶上还没有实 现从设计、建造到运营、物流到港口等完整的智能 控制系统。 脱离了一个完整的智能系统（包括港口、物流 贾锐 曹凯 徐秀龙 赵志坚 浅析智能船舶系统 工作与研究 船舶标准化与质量 2016 年第 1 期 38 和船队运营管理监督等） 的船舶，是无法称其为智 能船舶的。智能船舶我们应当理解为是一个系统， 而不是船舶本身。 3 智能船舶系统 本文所阐述的智能船舶的技术方案将重点就船 舶的系统配置和相关联系统进行论述，从而给相关 船东提供相应的备选方案。关于智能船舶系统内的 港口、物流和船队运营管理等方面本文不展开论述。 3.1 船舶的综合桥楼控制系统 综合桥楼控制系统（IBS） 是一种集海上综合导 航（包括各种分导信息测量、采集、优化处理和分 发使用，航行状态监视、预报、航线计划、航路导 航、航海作业管理、综合航务管理等） 、操纵驾驶、 机舱监测和遥控、自动避碰、航行控制、综合通信 管理以及舰船安全、消防、自动监测和报警等众多 功能为一体的高度信息化、自动化的集成系统。 在 IBS 中，船舶所有的航行传感器和系统（包 括雷达、电子海图显示及信息系统、电罗经、测深 仪、测速仪、差分全球定位系统（DGPS） ）以及自 动舵合并成为一个综合的成套设备，并由船用航行 管理系统软件进行管理。船用航行管理系统软件能 提供简捷、准确的航线计划并且与雷达目标和自动 识别系统一起，在电子海图显示及信息系统上给出 船舶的准确位置和移动的清晰画面。包括实时海图 更新和燃油管理，可根据航行时的天气状况等自动 规划航线以及优化油耗，并能提供远程诊断、软件 更新和其他技术支持。该模块可集成在 IBS 中，通 过企业网关，既能与同系列的任何产品进行无缝对 接，又能通过海事卫星实现船上用户与岸上用户之 间的信息传输。 从船队管理的角度出发，该系统模块试图从根 本上改变船队原有的单线运营模式，建立船队之间 更紧密的联系和合作。从资产管理的角度出发，该 模块分为三个子模块，分别为：节能优化、海图显 示，以及船舶远程管理。从使用者的角度，该模块 有船用界面和公司管理人员界面，并能通过企业网 关互通信息。 开航前，管理人员将船舶货物积载和挂靠港等 信息输入后，使用航行计划功能得到一份航行计划 和燃油计划。 航行中，既可以自动执行最佳航速计划，又保 留了手动设定航速的功能；根据实时的天气和洋流 预测、抵离港时间和实际航行路线偏离情况等，对 比航行计划，自动调整航速、航线计划以及发动机 模式；向管理人员报告航程信息、燃油计划和航行 计划的执行情况等。 航行中记录的信息在经过计算后得出船舶累积 节省的燃油量，并在管理人员界面生成一份报告， 通过直观的图表显示当次航程的燃油量与历史数据 的对比以及实际的燃油量与计划的燃油量的对比。 另外，该系统还集成了设备远程诊断的功能。 通过船舶远程管理功能模块，将设备状态报告给岸 上管理人员进行远程诊断、在线维修以及软件的升 级，能有效减少设备维护和维修费用，提高维修工 作的执行效率，延长设备寿命周期。 系统可以将船舶的参数，如风速、风向、航速、 气象信息、以及驾驶室进行的相关操作等信息，实 现船岸通讯，从而实现远程监测功能。 综合桥楼控制系统是智能船舶的必要组成部 分，但是，目前阶段提供的系统还无法完成远程对 船舶的自动控制功能，当然，远程的语音通讯，通 过船舶的操作者来实现控制目前是可以达到的。该 系统主要功能是可以将导航和船舶的一些环境参数 等信息远程传输。如果不装备该系统，就需要安装 其它单独系统收集相关信息（例如风速风向、航速 等） 然后远程传送到岸。中远天河轮加装的 SOMS 系统，就是实现综合桥楼控制系统的部分功能，因 此，如果新造船系统，可以直接考虑安装综合桥楼 控制系统。 3.2 船舶的综合控制系统 船舶的综合控制系统（ICS/VMS） ，是实现对船 舶的设备和系统（除了 IBS 系统外）进行控制、监 测和报警的综合控制系统。 VMS/ICS 主要包括：电站管理系统（PMS） 、主 双月刊 / 总第 262 期39 推进控制系统、监测报警系统、货物控制系统、轮 机系统控制和其它船舶系统和设备控制和监测。 目前机舱监测报警系统、主机遥控系统和电站 管理系统几乎在所有的远洋船舶上都已经安装，并 且有相应的规范和规则要求。但是，这些要求都是 IMO 和相关船级社对于自动化船舶的最基本的安全 性要求（如主机的 SHUTDOWN 和 SLOWDOWN 等 安全功能） ，以及其它一些报警要求（如舱底水高位 报警等） 。只安装常规的机舱监测报警系统、主机遥 控系统和电站管理系统，仅仅是实现了船舶的安全 性要求，对于智能船舶系统要求的数据收集（如设 备状态等） ，并没有完全实现。因此，如果要实现智 能船舶功能，就必须收集船舶相关系统和设备的状 态，比如运行时间、负载大小等，并且实现远程传 输，从而为智能船舶控制的数据分析和采集提供硬 件支持。 本系统除了实现船级社和 IMO 要求的基本安全 和控制监测功能外，还需要采集其它船舶设备和系 统相关的信息，比如所有设备的运行状态、报警状 态等。值得注意的是一些重要设备（如主机） ，需要 设备厂家提供性能监测系统，并