智能船舶发展趋势分析—以海事巡逻艇为例智能船舶发展趋势分析 —以海海事巡逻艇为例
⽬录
摘要 3
⼀、智能船舶发展趋势概况 4
1.发展智能船舶的原因 4异形模板
2.智能船舶是什么 4
3.智能船舶功能模块 4
5.⽬前的技术和难点 6
6.国际上的先进成果 6
米勒板7.总论 7
⼆、海事巡逻船介绍 7
三、海事巡逻船的智能化 9
1.通讯与识别 10
2.安全与⾃动航⾏ 11
3.船舶动⼒ 13
摘要
船舶作为海上重要交通⼯具，其智能化成为世界各国关注的重点。本⽂概括了智能船舶的特点，总结已有成就并指出问题和和可能的改进措施和思路。就我国⼴阔的海域和现有的技术基础，探索海事巡逻艇在通讯与识别、安全与⾃动航⾏和动⼒⽅⾯可能解决的措施和⽅法。
关键词：智能船舶海事巡逻艇船舶智能化e航海
⼀．智能船舶概况
1.发展智能船舶的原因
近年来由于智能船舶概念的兴起以及智能船舶技术的⽇益发展，船舶智能化已经成为全球航运的⼤势所趋。出于通过船舶智能化降低船舶控制和管理难度，减少⼈为误操作，提⾼设备及船舶营运的安全，优化船舶航⾏，控制燃油消耗、降低成本，提⾼收益等⽬的，⽬前智能船舶的研究已在全球范围内开展。[]
2.智能船舶是什么
2015年12⽉1⽇，由中国船级社（CCS）编制的《智能船舶规范》正式对外发布，其中定义：“智能船舶指利⽤传感器、通信、互联⽹等技术⼿段，⾃动感知信息和数据，并通过⾃动控制技术和⼤数据处理分析技术来实现智能化运⾏。”智能船舶以“⼤数据”为基础，运⽤实时数据传输和汇集、⼤容量计算、数字建模、远程控制等先进的信息化技术，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及运营效率智能船舶也是《中国制造2025》中明确重点发展的领域，代表了船舶未来的发展⽅向，关乎航运业的转型升级。[] 3.智能船舶功能模块
中国船级社发布的《智能船舶规范》将智能船舶分为六⼤功能模块：智能航⾏、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台。
4.智能船舶中的关键技术
4.智能船舶中的关键技术
（1）信息感知技术
内翅片管式换热器船舶信息感知是指船舶能够基于各种传感设备、传感⽹络和信息处理设备，获取船舶⾃⾝和周围环境的各种信息，使船舶能够更安全、可靠航⾏的⼀种技术⼿段。
（2）通信导航技术
通信技术是⽤于实现船舶上各系统和设备之间，以及船舶与岸站、船舶与航标之间的信息交互。常⽤的通信⽅式主要包括：VHF（甚⾼频）、海事专⽹、海事卫星、移动通信⽹络（⼿机⽹络）等。导航技术是⽤于指导船舶从指定航线的⼀点运动到另⼀点，通常包括定位、⽬的地选择、路径计算和路径指导等过程。船舶常⽤的导航技术包括早期的⽆线电导航和现在⼴泛使⽤的卫星导航。北⽃卫星导航系统为我国船舶导航领域提供了新的发展契机。 （3）能效控制技术
2007年，世界海运船舶排放CO2达10.4亿吨，其中国际海运排放CO2约8.7亿吨，分别占当年全球CO
2排放总量的3.3%和2.7%。为提⾼船舶能效、减少船舶温室⽓体排放（节能减排），国际海事组织（IMO）提出EEDI（新造船设计能效指数）、EEOI（船舶营运能效指数）等评价标。智能船舶的发展应顺应“绿⾊船舶”的发展潮流，分析通航环境、装载量、吃⽔、主机功率（转速）等因素与船舶营运能效指数EEOI之间的内在关系，在保证船舶安全和营运效率的前提下，通过优化控制船舶航速、装载量、吃⽔、航线等，以最⼤限度降低EEOI指数。
（4）航线规划技术
航线规划是指船舶根据航⾏⽔域交通流控制信息、前⽅航道船舶密度情况、公司船期信息、航道⽔流分布信息、航道航⾏难易信息，智能实时选择船舶在航道内的位置和航道，以优化航线，达到安全⾼效、绿⾊环保的⽬的。⽬前常⽤的航线规划⽅法包括：线性规划⽅法、混合整数规划模型、遗传算法、模拟退⽕、粒⼦优化算法等智能算法
（5）状态监测与故障诊断技术
状态监测技术是以监测设备振动发展趋势为⼿段的设备运⾏状态预报技术，通过了解设备的健康状况，判断设备是处于稳定状态或正在恶化。未来船舶故障诊断可考虑以⼤数据为基础，运⽤多尺度分析⽅法来构建设备状态监测系统。故障诊断技术就是在船舶机械设备运⾏中或基本不拆卸设备的情况下，掌握设备的运⾏状况，根据对被诊断对象测试所取得的有⽤信息进⾏分析处理，判断被诊断对象
的状态是否处于异常状态或故障状态，判断劣化状态发⽣的部位或零部件，并判定产⽣故障的原因，以及预测状态劣化的发展趋势等。
（6）遇险预警救助技术
⽔上交通事故时有发⽣，尤其是碰撞和搁浅事故，往往造成严重的经济损失和⼈员伤亡。⽆论是在海上还是内河⽔域，船舶碰撞是最为常见的⽔上交通事故类型，在所有的⽔上交通事故中占很⼤的⽐例。船舶遇险预警与搜救技术能够有效的降低事故的发⽣率以及降低事故的损失。
（7）⾃主航⾏技术
《智能船舶规范》中定义，智能航⾏系指利⽤计算机技术、控制技术等对感知和获得的信息进⾏分析和处理，对船舶航路和航速进⾏设计和优化；可⾏时，借助岸基⽀持中⼼，船舶能在开阔⽔域、狭窄⽔道、复杂环境条件下⾃动避碰，实现⾃主航⾏。[]
5.⽬前技术发展的成果和难点
虽然GPS、AIS、电⼦海图、VHF 等⽆线电设备和导航设备等都⼴泛应⽤在现代船舶上，同时，基于各种⾃动化设备的综合桥楼系统、集成控制系统和机舱监测报警系统等⾃动化系统都已普遍应⽤，且技术成熟，但是，距离上述智能船舶对智能化的要求还有不少差距。⽆论是尚有技术难度的船-岸⼤容
量通信技术、⼤数据分析技术、智能决策技术，还是现有数据的融合及转化，还是为了长远考虑必须规划和整理的相关标准，都是摆在造船⼈⾯前的艰巨任务。
建议结合E-航海、E-内河的规划，基于已有的技术和基础设施，加快关键技术的研究，扩展现有设备的智能化功能。
6.当前国际上取得的先进成果
2012 年，由德国 Fraunhofer CML、挪威 MARINTEK、瑞典查尔姆斯理⼯⼤学等 8 家研究机构共同合作的“MUNIN” 项⽬（基于智能化⽹络的海洋⽆⼈航⾏）[28]，⾸次以⽆⼈散货轮为对象开展⼤型⽆⼈船的研究。
挪威船级社（DNV）在船体结构监测，舰船性能管理、船体集成管理等⽅⾯都持续进⾏研究，建⽴数字化船体模型，开发了相应的⼯具，可为世界各国航运公司提供系统监控及报告、⾼质量和综合性的视觉信息、全⽣命周期信息、通过3D 结构模型实现清晰通信等技术服务。
作为全球最⼤的船舶设备供应商之⼀，英国的罗尔斯·罗伊斯公司最近⼏年提出了⾃动船舶（Autonomous Ship），机器⼈船舶（Robotic Ship），⽆⼈船舶（Unmanned Ship），船舶智能化（ShipIntelligence）等概念。2013 年，罗尔斯·罗伊斯公司开展⽆⼈驾驶货船（robotic cargo ship）
项⽬的研究，这种⽆⼈驾驶货船可以从全息控制室实现全部操作，并可以航⾏到世界各地。罗罗公司认为，智能船舶的下⼀步发展应该着眼于远程遥控和⽆⼈驾驶。该公司在2014年就开始开发名为“未来操作体验概念”(Future Operator Experience Concept)的岸基遥控系统。2016年3⽉，该公司⼜与芬兰国家技术研究中⼼(VTT)、阿尔托⼤学和坦佩雷⼤学⼈机互动研究中⼼结成合作伙伴，拟于2020年前推出成型产品。通过与VTT进⾏技术合作，罗罗公司够有效评估远程遥控⾃动化船舶的设计⽅案。[]
7.总论
总体来说，部分智能船舶相关技术理论较为成熟（环境感知技术、通信导航技术、状态监测与故障诊断技术等），已经得到实际应⽤，但有些技术理论缺少在真实环境下的验证（能效控制技术、航线规划技术、安全预警技术、⾃主航⾏技术等），因此，智能船舶总体仍处于快速发展阶段，还未完全成熟。随着船舶技术、信息技术的发展，以及“⼤数据”的智能应⽤，正推动着智能船舶的加速出现。船舶智能化的发展将是决定未来船舶⾏业发展⽅向的重要因素；除了信息感知、通信导航、能效管理等关键技术，⾃动停泊、离岸，⾃动维修，⾃动清洗，⾃动更换设备部件，⾃我防护等同样将会趋于智能化发展；随着船舶智能化相关技术的不断发展，最终可实现由智能系统设备逐步转变为会思考的智能船舶，促进船舶安全、⾼效航⾏。并为我国航运带来新的发展机遇。
⼆、海事巡逻船的介绍
我国是海洋和航运⼤国，是国际海事组织A类理事国，在和平开发和利⽤海洋资源、履⾏国际公约中发挥着重要作⽤。但是由于历史原因，，我国⽔上交通安全监督管理能⼒还不适应经济发展需要，与我国海洋⼤国和航运⼤国的地位极不相符。20001年，《中国海事发展纲要》提出，到2005年，中国海事将要把1000海⾥内的国际航线和海上设施等纳⼊监管范围，50海⾥内重要⼲线航道和重要港⼝附近的应急到达时间不⼤于3⼩时。实现这⼀⽬标的要求存在于多⽅⾯，其中⼀个重要原因即为具有远航能⼒的现代化的海事巡逻船。
海事巡逻船在海事巡航执法等诸多⽅⾯中发挥着关键作⽤，其任务主要包括：1、执⾏海上巡逻、监管、警戒、护航、交通疏导2、执法取证：处理和调查⼀切海上事故的必须交通⼯具，维护⽔上秩序 3、应急搜救：承担⽔上搜寻救助组织和海上应急值班⼯作，协调和指导的有关⼯作。
海事巡逻船上应配备的光电跟踪取证系统能够良好实现海上取证，有效地进⾏海上内交通事故调查和处理、搜寻和⽔域污染检测等活动。海上取证不似陆地证据那般固化，会随时间和海流、风向的变化⽽变化甚⾄消灭。及时准确的海上取证极为重要。因此，该系统在海事巡逻船得以应⽤。
海事巡逻船还有⼀个特殊舱室——多功能厅。此厅类似于会议室，不同的是该亭内具备巨屏显⽰器以及安装电脑和各种电⼦设备的操作台。此厅不
仅⽤于召集紧急会议，更可以通过以太⽹络系统，实现现场指挥部⽤特殊频点甚⾄⾼频⽆线通话与渔
政、海关船舶通信联络；也可以通过船上海事卫星系统接⼊全国海事⽹，甚⾄接⼊国际海事组织。
海事巡逻船能保证我国领海的安全，帮助我国实现海上透明化的宏伟⽬标。⽽其更智能化是海事巡逻船的发展趋势，也是我们应努⼒的⽅向。
海事巡逻船的智能化
三、
三、海事巡逻船的智能化
基于海事巡逻船的特点及现有技术基础，实现有限度的海事巡逻船的的智能化是必要且可⾏的。海事巡逻船的任务及功能有其特殊性，不同于其他船种。其主要任务类型包括巡逻护航、监管执法、搜救指挥、污染防治业务和维护国家安全和利益。[5]根据《国家⽔上交通安全和救助系统布局规》制定的监管⽬标，巡逻船要能在１２ ｈ之内到达离岸２００ ｎ ｍｉｌｅ内的任何⽔域，在９０ｍｉｎ之内到达离岸５０ｎｍｉｌｅ内的重点⽔域。该任务需求对船舶航速提出明显需求，但考虑到节省燃油，船舶⽇常巡航是低速航⾏的，仅在需要时才迅速提⾼航速，因⽽要求船舶在中低速和⾼速的状态下都能有较低的耗油率。同时，考虑到重⼤海难⼤多发⽣在恶劣海况下，要求船舶有优良的操纵性和适航性、较⼤的续航⼒和结构强度及先进的通信指挥和救援设备。表⼀归纳了海事履职的主要任务与船舶主要性能的相关性其中船舶⽣存能⼒主要指船舶稳性和抗沉性[6]。
针对以上对海事巡逻船的规范和要求，本⽂将讨论海事巡逻船在解决通讯与识别、安全和⾃动航⾏及动⼒⽅⾯可能的措施及思路。
1.通讯与识别
船舶间通讯主要通过卫星通讯和地⾯通信，关于海事巡逻船队间的通信，可以考虑移动⾃组⽹技术。⾃组⽹是指⼀组带有⽆线接收装置的移动节点组成的⼀个多跳临时性的⾃治系统。主要应⽤在没有⽹络基础设施⽀持的环境中或现有⽹络不能满⾜移动性机动性等要求的情况下。⾃组⽹⼀般采⽤按需路由策略，按需路由认为在动态变化的⾃组⽹环境中，没有必要维护去往其他节点的路由，仅在没有去往的节点陆游的时候才“按需”进⾏路由发现，拓扑结构和路由表内容是按需建⽴。通过上述部署可以实现编队间的实时数据交流。
关于船舶的识别，上世纪年代后期，美国、⽇本及西欧国家开发了基智能交通系统（ITS）现在⼰经趋于成熟，为该领域的发展指明了⽅向。船舶交通服务系统(VTS）最早在欧洲建⽴，起初应⽤于内陆⽔域，⽬前已经被沿海各国普遍应⽤。
对于海事巡逻船来说，它的主要执法对象既包括强制安装AIS系统的⼤型船舶，也包括相关⽔域的⼩型船只。基于相关情况，本⽂主要提出基于VTS+AIS模式（船舶交通管理系统船舶⾃动识别系统）和基于GPS+GIS+GPRS/CDMA系统的两种识别⽅式。
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VTS是通过前端的雷达和后端的综合信息处理系统，将船舶的位置、速度、⽅向等信息显⽰在显⽰器上，并以此来实现交通流的组织、助航等服务的电⼦系统。这对组合的优势
在于，能够最⼤程度地发挥雷达和的互补作⽤，对于⼤型（等强制要求安装终端设备的船舶⽽⾔，基本上能够实现全覆盖。但船载设备设备的费⽤相对来说较⾼，因此安装的成本太⼤，⽽砂⽯运输船等⼩型船舶⼜属于⾮船舶，没有强制安装终端的要求，因此，这套⽅案对于⼩型船舶⽽⾔，不易于推⼴实施。
GPS+GIS+GPRS/CDMA系统定位精度⽐较⾼，分辨率可以达到15⽶，速度测量精度可以达到0.1⽶秒；能够更准确地把握周边信息，通过地图将船位置信息标注到海图上，实现对船舶的监控和管理，对沿海、内河这些移动、联通⽹络覆盖率⾼的区域，更有利于实现对船舶安全航⾏提供助航服务；更有利于实时通信，在移动、联通⽹络覆盖范围内，⽹络传输的速度较快，传输的准确率较⾼，也实现了⽹络化通信的⽬标；经济实⽤，性价⽐⾼，这也是与其他种船舶监控⽅式相⽐的最⼤优势。⼀些⼩型施⼯船，强制其安装价格昂贵的设备，将会给这些船舶带来巨⼤的经济压⼒。⽽基于的⽅案能够充分利⽤公共通信服务⽹络，⽹络通信费⽤较低，船载终端的成本更加低廉，不会像设备那样增加船⽅更多的经济负担，⽐较有利于推⼴。
由于可以通过技术的⼿段来转换GPS信息与AIS信息的数据格式，因此，⼩船的数据信息在系统可以实现集成显⽰。
2.安全和⾃动航⾏
智能船舶的航⾏对通讯的安全性和设备的可靠性提出了很⾼的要求。对于通讯，⼀般来说，⼀个完整的安全模型应由以下五部分组成：安全管理、⼊侵检测、安全保护、安全恢复、安全响应。评价⼀个⽹络安全的程度应当遵循“⽊桶原则”，即以最低⽹络安全程度作为判断的依据。因此，⼀个安全⽆漏洞的系统，应当从各个⽅⾯来加强⽹络安全，应当构建⼀个多层的安全保护⽹。在实现定位功能和数据传输⽅⾯，选取了信号稳定、成本较低的GPS定位系统，以及GPRS⽹络系统，突出了节约经费的思路；在⼩船监控系统应⽤于管理⽅⾯，通过对新系统的研究，到了将⼩船AIS⽬标融合到⽬标中的途径，迎合了系统集成化的趋势；在⽹络架构⽅⾯，对VTS安全⽹络进⾏了较为认真的分析研究，提出了⼀个四层安全架
构，体现了⽹络安全的理念。
智能船舶的⾃动航⾏需要⼀系列软硬件⽀持，现有的⼀⼈桥楼和⽆⼈机舱的技术并不稳定，通常在实践过程中并不能发挥应有的作⽤。智能船舶在算法设计上系统应采⽤变论域模糊控制通过实时控制舵⾓输出实现船舶航向的精确控制。⽬前以专家系统、模糊控制、神经⽹络等控制算法为核⼼的第四代⾃动舵系统。⽬前⽐较常见的船舶航向控制系统主要由上位机、航向控制器、舵伺服系统等部分组成其中上位机作为数据参数的发送端，主要实现航向控制值的设定及当前船舶所受扰动量的输⼊；航向
扣住腰往下压
控制器则在结合相关数据的基础上经过智能算法运算实现控制舵⾓值的输出；最后由舵伺服系统实现舵机控制及当前舵⾓反馈，以此实现船舶航向智能控制。
智能船舶的避碰功能也是船舶航⾏过程中需要考虑的重要问题。不同船型有不同的回转半径，不同速度下有不同的转弯⾓速度。要想真正实现船舶避碰ARPA功能，每种船型的数学模型是不⼀样的。如果是运输船舶，不同（装载量），其特性也不⼀样的。换⾔之，船舶避碰 ARPA 软件还要具有“不断学习”的能⼒，以适应海事巡逻船巡逻执法的需要。与传统的“ARPA 功能”相⽐，新型导航雷达要与“船舶能效管理系统”有接⼝关系，实现⾃⾝船型特性数据的输⼊和实时修正。
与传统的“观察”相⽐，新型导航雷达要与“船舶⽓象仪”及其他⽓象设备有接⼝关系，获得实现天⽓、海浪等⽓象特性数据的⾃动输⼊和实时修正。根据⽬标的⼤⼩需要变换量程，或者需要调节增益，新型导航雷达本⾝能够实现⾃动调节。另外，借助岸基⽀持中⼼，也能遥控实现⾃动调节。
现代导航雷达显⽰器能够与“电⼦海图显⽰与信息系统（ECDIS）”和 “船舶⾃动识别系统（AIS）进⾏融合。这样的雷达画⾯，就是智能船舶的实时场景。与传统的“融合观察”相⽐，新型导航雷达能够与对外通信系统或情报系统有接⼝关系，能够将“实时场景”传输到岸基⽀持中⼼，以便实现岸基互动，更好的维护我国利益，实现海事巡逻船的预定功能。
船舶动⼒
玻璃门夹
[if !supportLists]3. [endif]船舶动⼒
海事巡逻艇对速度有着明确的要求，要求其在指定时间内到达出事海域，同时要求起能实现长时间巡航。这就对海事巡逻艇的动⼒装置的性能，尤其是速度和可靠性提出了要求。当前船舶动⼒系统种类可分为：柴油机动⼒系统和燃⽓轮动⼒系统，前者优点是：安全可靠，经济实惠启动迅速功率范围⼤部分负载运转性能好效率可观技术⽐较成熟，⽽⽬前市场上半数以上船舶使⽤的就是这⼀系统；⽽后者具有质量轻功率⼤、尺⼨⼩、环保等优良特性，但同时也有油耗⾼、对燃料要求⾼的缺点。⽬前国内船舶动⼒系统的发展趋势：双燃料单缸输出功率⼤的常规智能型柴油机动⼒系统、电⼒动⼒系统（采⽤交流变频技术，易于布置，节能，噪声⼩，易实现⾃动化控制）、和混合动⼒系统（可靠性⾼，常⽤于军船和⼤型远洋商船）。
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