劉詩昊

摘 要 隨著傳感器、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)等的快速發(fā)展，船舶智能化便在與三大技術(shù)（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)）及多種跨行業(yè)的相關(guān)概念的碰撞中逐漸興起。它為船舶未來的發(fā)展提出了更加光明的藍(lán)圖，使船舶向著更經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的層面進(jìn)發(fā)。文章首先針對(duì)三大技術(shù)的層面對(duì)船舶智能化進(jìn)行更深入的探究，然后以智能機(jī)艙為例，對(duì)船舶智能化的現(xiàn)狀和發(fā)展機(jī)遇進(jìn)行分析。在智能機(jī)艙方面，對(duì)機(jī)艙的監(jiān)管、健康診斷和決策系統(tǒng)進(jìn)行了探討，并對(duì)智能機(jī)艙發(fā)展所需應(yīng)對(duì)的問題進(jìn)行了分析。最后在智能船舶為航運(yùn)帶來便利的同時(shí)，也提出了一些急需關(guān)注的問題。

關(guān)鍵詞 智能船舶；信息物理系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)；智能機(jī)艙；無人機(jī)艙

前言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，國際和國內(nèi)的貿(mào)易額與日俱增，交通運(yùn)輸?shù)目煽?、效率與節(jié)能性正面臨新的壓力，人們開始意識(shí)到船舶已不僅僅是簡單的貿(mào)易運(yùn)輸工具。在技術(shù)不斷革新與升級(jí)的背景下，船舶也變得有“生機(jī)”了，人們開始在船上從設(shè)備的維護(hù)與替換，進(jìn)而在軟件與核心上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，從這一次次嘗試開始，船舶也逐漸具有生命力，開始向智能化轉(zhuǎn)變。船舶智能化已成為了全球航運(yùn)的基本走勢(shì)（如圖 1所示），我國也不能停滯不前，必須認(rèn)清當(dāng)前航運(yùn)發(fā)展的方向，才能在船舶智能化發(fā)展的路上不落后，保持動(dòng)力和信心。

中國船級(jí)社對(duì)“智能船舶”的定義如下：具有感知能力；具有思維與記憶能力；具有行為決策能力；具有自主學(xué)習(xí)能力[8]。智能化船舶是希望實(shí)現(xiàn)流暢及精簡管理、減少人為的失誤率、提高設(shè)備和船舶運(yùn)行的安全感、降低油耗和污染、優(yōu)化船舶航行的舒適度等目標(biāo)?！爸悄艽啊钡陌l(fā)展包括以下幾個(gè)階段：互聯(lián)互通、系統(tǒng)整合、遠(yuǎn)程控制和自主操作[19]。目前智能船舶發(fā)展正處于第一階段向第二階段的過渡階段[20]。

就拿智能航行來說，近年來傳感器、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步正在并且將促進(jìn)船上通導(dǎo)、自動(dòng)化控制、環(huán)境感知設(shè)備的更新，而物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的進(jìn)步為船舶新型綜合船橋系統(tǒng)（IBS）提供了基礎(chǔ)鋪墊。作為全球第一艘智能船舶，我國研制的“大智號(hào)”已正式交付并投入運(yùn)營了。（如圖2所示）。

“大智號(hào)”擁有智慧的“心臟”，即它的智能航行系統(tǒng)，也可稱為智能集成平臺(tái)。通過覆蓋全船的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，船舶的每個(gè)細(xì)節(jié)的狀態(tài)將清晰可知。它還可以通過全船監(jiān)測(cè)得到的參數(shù)與外部搜集到的環(huán)境信息，在健康診斷系統(tǒng)的保證下，自動(dòng)計(jì)算得到最佳航向路線，即所謂的“智能航行”[4]。

智能機(jī)艙使無人船舶的實(shí)現(xiàn)具有突破性的意義。全球第一艘實(shí)現(xiàn)無人駕駛的船舶——“YARA Birkeland”號(hào)，已成為航運(yùn)史的一個(gè)標(biāo)志性事件，但在技術(shù)、實(shí)用、和法律方面卻存在限制，也要將制造所需的高成本考慮進(jìn)去。無人船分為兩個(gè)方面：遠(yuǎn)程遙控、無人自主。遠(yuǎn)程遙控的實(shí)現(xiàn)還需幾年，而無人自主需要更長的時(shí)間。所以希望“YARA Birkeland”的航行嘗試可以為船舶智能化的未來帶來更近且現(xiàn)實(shí)的希望[6]。

本文將從智能機(jī)艙對(duì)智能船舶的發(fā)展進(jìn)行分析，并對(duì)船舶智能化的未來提出自己的觀點(diǎn)和問題。

1 船舶智能化

1.1 簡介

現(xiàn)如今，如何提高船舶的智能化水平，從而構(gòu)建真正的智能船舶框架，這已經(jīng)是當(dāng)前船舶發(fā)展及研究的主流方向。智能船舶是指以全船智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為載體，將以工程數(shù)據(jù)分析及處理技術(shù)為“撬棍”，使它能夠有感覺、思考、糾錯(cuò)的能力。《智能船舶規(guī)范》中指出，智能船舶的功能包括以下7個(gè)方面：智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能集成平臺(tái)和智能貨物管理。而智能船舶的七大關(guān)鍵技術(shù)是指：信息感知技術(shù)、通信導(dǎo)航技術(shù)、能效控制技術(shù)、航線規(guī)劃技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)、駕機(jī)一體化和自主航行技術(shù)[3]。

1.2 特征

（1）大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)"是一個(gè)體積與數(shù)據(jù)種類十分巨大的數(shù)據(jù)集[9]。大數(shù)據(jù)具備以下5個(gè)特征：大體積；多種類；價(jià)值密度低；快速且高時(shí)效。 它體現(xiàn)在兩個(gè)方面：在世界范圍內(nèi)對(duì)船舶位置與實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控（廣域），還有內(nèi)河區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)艙設(shè)備和航行狀態(tài)等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控（內(nèi)部細(xì)化）。

最早預(yù)言大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨是麥肯錫.隨著近年來的發(fā)展，大數(shù)據(jù)在突破中逐步融入于越來越多的領(lǐng)域，并且漸漸成為我們的日常生活中必不可少的一部分了。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用的最終目的是最終方案的確立和潛在價(jià)值的深究[21]。我們一般會(huì)將它與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合使用，在船舶領(lǐng)域便開發(fā)得到船聯(lián)網(wǎng)，通過定位、通信、監(jiān)控設(shè)備來實(shí)時(shí)監(jiān)控感知。

（2）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things（IoT））是指實(shí)時(shí)采集所有需要監(jiān)控、互連、互動(dòng)的物體或過程等各種信息，借助各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合成的一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)。字面上看，就是物物相連；而在信息技術(shù)的背景下，它是在信息交換與通信的基礎(chǔ)上，加上通信感知技術(shù)，將技術(shù)應(yīng)用到不同領(lǐng)域之中，構(gòu)建人物、物物互聯(lián)的智能信息感知及服務(wù)系統(tǒng)[22]。在船舶方面，全球定位系統(tǒng)、AIS、電子海圖等導(dǎo)航設(shè)備的普及讓船舶也融入信息化和智能化的海洋中，而物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)正是讓船舶變得可以感知，自主“思考”，最終“活”了起來。

（3）信息物理系統(tǒng)

要談起信息物理系統(tǒng)，首先要說說近年來較火爆的工業(yè)4.0工業(yè)4.0起始于德國為工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化要求而提出的生產(chǎn)革命，而德國對(duì)工業(yè)4.0的概念為：“以信息物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能化生產(chǎn)”。

信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）是一個(gè)集計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境為一體的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過計(jì)算、通信、控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合與深度互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)[10]。信息物理系統(tǒng)使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精準(zhǔn)控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自主功能，且CPS具有高性能、安全性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)[1]。

發(fā)展，正是順應(yīng)了信息物理系統(tǒng)的號(hào)召。智能化之所以能實(shí)現(xiàn)依賴于多種信息的支撐。CPS中節(jié)點(diǎn)具有自治協(xié)作的功能，這正對(duì)應(yīng)多個(gè)通信與傳感器節(jié)點(diǎn)的分布，便于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制，動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并且還在不斷優(yōu)化中，以求得到高可靠性和實(shí)時(shí)性?？傊瓹PS為船舶的安全航行、高效運(yùn)行、設(shè)備兼容帶來了新的明燈，使智能船舶的發(fā)展更加可觀。

2 智能機(jī)艙

船舶機(jī)艙是船舶正常運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，機(jī)艙的實(shí)時(shí)變化在不斷影響著船舶的運(yùn)營安全與可靠性。從設(shè)備的正常工作，內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，還有機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的及時(shí)響應(yīng)，這些方面在航運(yùn)迎來發(fā)展新機(jī)遇之時(shí)都需要進(jìn)行革新和“靈活化”。船舶機(jī)艙監(jiān)控主要包括以下幾個(gè)基本方面；設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)（含傳感器）、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)、主機(jī)遙控控制、人員舒適度監(jiān)測(cè)等。而智能船舶的興起，又將為機(jī)艙帶來哪些驚喜與挑戰(zhàn)呢？

2.1 機(jī)艙的智能監(jiān)管

從航運(yùn)業(yè)開始發(fā)展之初，船公司便把船舶自動(dòng)化作為發(fā)展目標(biāo)，于是各種設(shè)備便出現(xiàn)在機(jī)艙之中，機(jī)艙也漸漸變得“擁擠”，于是便引發(fā)了設(shè)備的監(jiān)測(cè)與管理方面的思考，這時(shí)由于各種儀器儀表與集控室的互聯(lián)為機(jī)艙的正常監(jiān)管帶來了方便。而后，無人機(jī)艙概念的出現(xiàn)，使大大減少了機(jī)艙所需的管理（值班）人員，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙運(yùn)行所得參數(shù)的顯示，記錄，報(bào)警和自動(dòng)控制。僅僅需要在報(bào)警問題比較復(fù)雜和緊急時(shí)，輪機(jī)值班員需親自處理，保證更加嚴(yán)重的情況出現(xiàn)。

而后，當(dāng)自動(dòng)化和信息化都發(fā)展愈發(fā)成熟，智能化便成為下一個(gè)發(fā)展方向。就智能機(jī)艙的發(fā)展方向來看，“智能”應(yīng)該包含以下幾個(gè)方面：

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：對(duì)機(jī)艙內(nèi)的主機(jī)、軸系、輔助機(jī)械等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這雖然是機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，但是采用更為快速和精準(zhǔn)的測(cè)量工具會(huì)加快數(shù)據(jù)采集時(shí)間，這大大接近了“靈活”化的概念。同時(shí)，將實(shí)時(shí)性變得更加清晰，讓數(shù)據(jù)變得“清晰”，不再只是個(gè)概念，達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后幾位的認(rèn)知，從硬件和軟件上升級(jí)數(shù)據(jù)采集和電子記錄系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)可查可視，有跡可循，便于快速追蹤到指定設(shè)備，得到正確且精確的結(jié)果。

健康評(píng)估：對(duì)監(jiān)測(cè)所采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)理論，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)分析與健康狀態(tài)評(píng)估，構(gòu)建智能健康診斷系統(tǒng)，從而做出及時(shí)反饋，對(duì)報(bào)警等異常狀態(tài)快速地做出應(yīng)對(duì)措施，使設(shè)備恢復(fù)正常，并及時(shí)記錄，以紙質(zhì)和電子資料的形式同時(shí)記錄。當(dāng)然這個(gè)系統(tǒng)的診斷還應(yīng)該包括機(jī)艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光強(qiáng)）與集控室內(nèi)環(huán)境參數(shù)評(píng)估，及時(shí)做出輔助決策，從而保證設(shè)備與人員均處于適宜運(yùn)行和工作的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全面健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估[15]。正如中國海洋及海洋工程設(shè)計(jì)研究院的龐路在分析《智能船舶規(guī)范》的條目后，對(duì)機(jī)艙智能化的未來發(fā)展提出了關(guān)鍵點(diǎn)：狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建。他認(rèn)為在船舶自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展到瓶頸時(shí)，將輔助決策系統(tǒng)與自動(dòng)化相結(jié)合，才能形成智能化的基礎(chǔ)。在文中，他以一艘具有DP-2的工程船，將狀態(tài)檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)作為輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫的藍(lán)本，并通過機(jī)艙相關(guān)狀態(tài)信息的補(bǔ)充，構(gòu)建較為完善的數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫結(jié)合，讓輔助決策系統(tǒng)更為完善和可靠，如圖 3所示。同時(shí)，在該系統(tǒng)中增設(shè)自動(dòng)化中心系統(tǒng)，與船舶原本的自動(dòng)化系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，逐漸建立集中監(jiān)控輔助平臺(tái)；視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視的加入也為船員的操控更加便利[18]。

綠色管理：這一點(diǎn)是針對(duì)現(xiàn)在比較流行的環(huán)保思想。在航行時(shí)，需要進(jìn)行綠色能源分析，將主機(jī)運(yùn)行參數(shù)與船舶航行參數(shù)結(jié)合起來，使主機(jī)工作在能效最高的狀態(tài)下。這樣，我們可以減少能源消耗，將經(jīng)濟(jì)效益提高，實(shí)現(xiàn)綠色航行、安全航行、高效航行[16]。

2.2 智能化時(shí)代的無人機(jī)艙發(fā)展

船舶自發(fā)展以來，逐漸走向自動(dòng)化的方向，于是機(jī)艙的便不再需要那么多人工操作，在《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》的自動(dòng)化方面指出AUT-0為推進(jìn)裝置由駕駛室控制室遙控，機(jī)器處所包括集控室周期無人值班。AUT-0對(duì)自動(dòng)化的基本要求為：機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)需要采集并集中監(jiān)控船舶各個(gè)主要和重大設(shè)備的參數(shù)信息，保證主要機(jī)電設(shè)備能夠在無人值班的周期內(nèi)連續(xù)并且正常運(yùn)行，在異常情況出現(xiàn)時(shí)及時(shí)報(bào)警并通知指定人員[18]。

但在現(xiàn)今智能化時(shí)代卻又有新的要求，無人機(jī)艙需要“喂食”了。在這個(gè)背景下，我們可以賦予無人機(jī)艙自我感知的意識(shí)，自主思考的“新血液”，這或許是船舶智能化的關(guān)鍵一環(huán)吧，畢竟現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是“機(jī)艙無人”了，我們已經(jīng)在迎接“全船無人”的時(shí)代了。

2.3 智能機(jī)艙的發(fā)展分析

雖然船舶智能化的發(fā)展讓我們對(duì)未來的憧憬愈發(fā)美好，但是在技術(shù)的突破和其他問題上卻又必須迎接一些挑戰(zhàn)。

首先，提高監(jiān)測(cè)的“安全感”。當(dāng)前采用總線下分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多臺(tái)設(shè)備的監(jiān)測(cè)已日見成效，而我們已不再滿足與節(jié)點(diǎn)的多路分控，在智能化的背景下，是否可以將總線也變得“靈活”，因?yàn)槲覀兛赡軙?huì)一次性獲取多路數(shù)據(jù)，這樣會(huì)帶來線路“擁擠”，信息和數(shù)據(jù)也無法及時(shí)送到分析與診斷系統(tǒng)中。因此，在監(jiān)測(cè)設(shè)備與總監(jiān)控臺(tái)之間，由于CAN總線已具有擁擠處理能力，加上多路冗余和主備切換的實(shí)現(xiàn)，我們可以讓監(jiān)測(cè)線路的數(shù)據(jù)可以“自主”選擇節(jié)點(diǎn)和傳輸路線，提升監(jiān)測(cè)的可靠性，并且在顯示頁面與形式上進(jìn)行數(shù)據(jù)的完整性檢查和重點(diǎn)標(biāo)識(shí)，讓監(jiān)測(cè)也可以進(jìn)行互動(dòng)，保證及時(shí)通知到值班員，使異常情況得到及時(shí)跟進(jìn)，直至排除。這樣，人、設(shè)備、船舶之間將更有安全感。

接著，優(yōu)化分析的“靈活度”。當(dāng)多種信息傳至健康診斷系統(tǒng)時(shí)，由于故障診斷時(shí)要在分析前要避免信息沖突，及時(shí)“分塊”，適當(dāng)標(biāo)識(shí)，可以通過證據(jù)理論、貝葉斯理論等信息融合方法，以減少數(shù)據(jù)間沖突[7]。最主要的是在分析方法的充實(shí)化，在當(dāng)前分析理論和方法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新出新的分析途經(jīng)，讓分析不再只是公式化、流程化，變得更加靈活和可操作性。

最后，力求運(yùn)行的“互通感”。在數(shù)據(jù)的采集和分析診斷的縝密之下，必須保證感知的便利性，讓信息感知與故障診斷可以快速對(duì)接，不浪費(fèi)時(shí)間，得到運(yùn)行的流暢度，讓智能在操作下得到辨識(shí)度和認(rèn)可感。

3 小結(jié)

船舶作為常用貨物運(yùn)輸工具，自出現(xiàn)以來便在不斷發(fā)展，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)一次次突破。從船舶自動(dòng)化的便利、信息化的全球普及，發(fā)展到現(xiàn)今的智能化。傳感器、通信、計(jì)算機(jī)、信息方面的飛速發(fā)展，使船舶智能化已成為現(xiàn)今主流方向和發(fā)展趨勢(shì)。船舶智能化是在三大技術(shù)（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)）和多種跨行業(yè)的相關(guān)概念而應(yīng)運(yùn)而生的。智能船舶已經(jīng)在一些方面漸漸形成技術(shù)共識(shí)，比如智能航行的信息感知，智能集成平臺(tái)的駕駛機(jī)艙一體化分析和智能船舶的智能健康診斷系統(tǒng)。在智能運(yùn)作和自主分析下，智能船舶不僅減少了營運(yùn)成本，還使機(jī)艙駕駛臺(tái)的操作更為便利、自主化，真正的由量變走向質(zhì)變，實(shí)現(xiàn)真正的“無人船舶”。

智能船舶的發(fā)展也面對(duì)著一些不可忽視的阻礙。首先，技術(shù)的提升便意味著計(jì)算機(jī)的硬件水平不能停止與此，還要面臨加快處理速度和提高效率，軟件和一些分析方法也要及時(shí)更新。接著技術(shù)人才的培育也要結(jié)合智能化的背景進(jìn)行調(diào)整，保證技術(shù)與發(fā)展跟進(jìn)甚至超越。其次，智能化的發(fā)展會(huì)減少船舶人力參與，而系統(tǒng)的自主運(yùn)作還未達(dá)到人們完全的信賴，安全與可靠性不得不加以考慮，畢竟機(jī)器也變得更加“不可控了”。

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