38 800 DWT货船智能航行应用研究

黄丽萍+米燕+王云英

摘 要：随着国内与国际贸易量的日益增加，对海上货物运输的效率、安全与节能提出了新的挑战。伴随着智能技术的发展，船舶的智能化程度也在不断提高，给智能航行的实现提供了良好的平台基础。本文介绍了船舶智能航行的主要特征及其各功能的实现，展望了未来船舶智能航行系统的发展趋势。

关键词：智能航行；智能船舶；海上运输；航路优化

中图分类号：U675.79 文献标识码：A

38 800 DWT Smart Ship Intelligent Navigation Research

HUANG Liping， MI Yan， WANG Yunying

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited，Guangzhou 511440 ）

Abstract： With the development

of the world economy，The volume of domestic and international trade is increasing day after day. The marine transportation is facing the new challenges in efficiency， safety and energy efficiency. With the development of the intelligent industry， the intelligence of the ship is also improving， this provides a good platform for the realization of intelligent navigation. This paper introduces the main characteristics of ship intelligent navigation and the realization of its various functions. Finally， the future technology development of the system was forecasted.

Key words： Intelligent navigation； Intelligent ship； Route optimization

1 前言

随着计算机技术、传感器技术、通信技术、信息技术的不断进步，推动了船舶导航设备、自动化设备、环境感知设备的更新与升级；物联网技术、信息物理系统和大数据技术的应用，更加快了船船、船岸之间信息交互的发展。这些都为船舶实现智能航行提供了重要的支持[1]。

传统航行中无论是大船还是小船对船员的配备都有一定的要求，而工作环境恶劣、劳动强度大以及危险性高，使得愿意从事航海专业的人越来越少。随着船舶智能化程度的提高、智能航行的逐步实现，大大减轻了船员的工作量，并有效降低了因人为操作失误引发的风险。

2 智能航行系统简介

智能船舶系指利用传感器、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[2]。

中国船级社（CCS）《智能船舶规范（2015）》中，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；智能集成平台。其中，智能航行系统利用通导设备自动地感知并获取各种航行相关信息，能实时地接受岸基云服务平台提供的各种信息，并通过数据的运算与处理，使船舶能在开阔水域、狭窄水道、复杂环境下自动避碰，实现自主航行。

根据CCS《智能船舶规范》2015中的表述：“航路设计和优化，一般应具有以下优化功能：（1）确定到达时间；（2）最短航行时间；（3）最低燃油消耗；（4）最低总成本；（5）船舶经受的最高风浪等级”。本项目安装的的航路优化模块，可以满足上述入级要求。

3 智能航行系统组成

智能航行系统分别在驾驶室、集控室设立了工作站，用来显示采集船上的各个传感器的信息，包括轴功率仪、电子流量计、转速处理盒、震动处理盒以及各个交换机上的传感器信息。岸基的气象信息通过卫星将信号传输到智能航行系统并经过分析后，将有用数据传输到网络交换机供其它系统使用。

智能航行系统包括了常规的通导设备，以及在信息显示系统里面增加的航路优化模块，增加了光纤罗经以准确测量船舶的姿态信息并将优化的航路通过网络交换机实现数据共享。

智能航行系统共有两台交换机实现数据冗余。智能集成平台将全船所有系统共用6个交换机实现数据共享，其中第1、3、5号交换机和第2、4、6交换机各形成一个回路，组成双环网实现数据冗余。与常规船不同的是本船将主要用于航行的3、4号交换机的信息也放在平台上共享，实现全船信息全系统信息共享。

智能航行系统由三大系统组成：船端系统；通信系统；岸端系统。如图1所示。

船端系统用于接收岸端气导数据，采集船上傳感器实时数据（当前时间、船位经纬度、船首向、船迹向、航速、船舶姿态、实时气象、实时水深、船舶吃水等），结合船舶本身的技术参数、航次参数（起始港经纬度、目的港经纬度、预计离港时间、到港时间要求、航次载重吨、航次排水量、航次抗风等级、航次的不可用主机转速区间；航次首尾吃水，航次GM值、重心距水面高度、重心距基线高度等）。

岸端系统从气象数据提供方获取气象数据，包括：海面风场的风速与风向；风浪与涌浪的浪高、浪向与浪周期；洋流的流速与流向；海冰与海雾数据等。数据在传输到船端之前，需根据船舶状态及航次信息对数据进行裁剪、压缩后再发送，减少通信网络的带宽负担。endprint

通信系统（卫星）负责把岸端气象数据等信息传输到船上，船上通过VSAT系统接收岸端的数据信息并输送至船端的数据中心，供智能航行优化模块进行分析和优化，优化后的航线输送到电子海图，供船员参考使用。

4 智能航行系统功能的实现

4.1 智能航行控制台

采用多个26寸多功能工作站，可以在不同位置切换显示不同内容（X雷达、S雷达、电子海图、信息显示系统CONNING等），使操作简单方便。本项目智能航行模块是集成在驾驶室控制台的中间台的信息显示系统CONNING工作站内，优化后的航路可通过交换机实现数据共享，控制台上的每个工作站均可显示航路信息，便于船员观看操作。

4.2 智能航行系统流程

见图2。

航行前要对智能航行系统进行初始化（主要是对船舶参数的初始化），例如：船舶水线长、船舶型宽、船舶型深、空船重心到船首距离、空船重心到船尾距离；舭龙骨长、舭龙骨宽、舭龙骨半径、舭龙骨面积；船舶进流段长度、螺旋桨位置坐标；船舶主机在不同转速时的静水船速、功率及燃油消耗率；船舶静水力曲线等。因為不同船舶参数会导致船舶的回转半径等操纵性的差异，即使是同一船舶，在不同的载况下其性能参数也不尽相同。

初始化完成后，操作人员开始在系统中设定航次任务，确定航路设计的依据：（1）到达时间；（2）最短航行时间；（3）最低燃油消耗；（4）最低总成本；（5）船舶经受的最高风浪等级。然后，通过智能航行系统模块进行航线规划并得到初始航线。

在之后的航行过程中，智能航行系统通过从岸端获得的气象信息，对航线进行不断优化，并将优化后的航线发送到交换机并在ECDIS进行共享。

在船舶航行中，智能航行系统实时读取传感器数据，并定时或手动从岸端获取气象数据。当气象信息或者船端数据与之前采集到的数据发生变化后，系统将会重新计算航路，生成新的航线，并把优化后的航路输出到ECDIS系统，以供船员参考使用。

航次结束后，将本次航次数据上报到岸基服务站系统，进行航次对比的评估。也可将本次航路储存在船舶的数据中心，供其它船舶参考选用。

4.3 航路设计和优化

本智能航行项目的基本功能为航路设计与优化。它是根据船舶的技术条件和性能、特定的航行任务、吃水情况、货物特点和船期计划等，充分考虑风、浪、流、涌等因素，在保证船舶、人员和货物安全的条件下设计和优化航路、航速，并在整个航行期间不断优化。一般分为初始优化和动态优化。

航路初始优化主要是根据船舶自身条件、航行时间、初始设定航行速度以及起止港口的地理位置等数据，或利用解析法生成一条从起始港口到目的港口的大圆航线，或采用《世界大洋航路》中对应的经典航线作为初始航线。初始航线生成以后，基于收到的气象预报数据，对航线上可能遇到的天气情况进行检查，如果航线上有遭遇台风的危险，则进行一定的避让。

在初始航线基础上，对航线进行实时优化，主要是根据最新的天气预报、船舶当前座标、燃油剩余情况和货物情况等，针对航线上出现台风等恶劣天气或障碍物时对航行线路的改变和新线路的设计，以达到避让危险、航行时间最短和航行效率最优，这种优化称之为动态优化。

5 智能航行发展趋势

智能航行是在大数据、信息物理系统、物联网等技术的推动下发展的，是继船舶自动化、信息化后船舶行业的又一个重要发展趋势。对于航运业来说，智能航行系统的应用为降低运输成本、提高运营效率带来很大帮助，有助于船员优化航行线路、节省航行时间、节省燃油成本、降低航行风险等。

但智能航行的发展也会遇到一些阻碍，主要表现在：

（1）构建全球范围内任何地点、任何时间的船舶物联网在技术上可行，但当前海事卫星通信带宽有限，需对船舶通信系统进行布设、更新和升级，费用昂贵；

（2）大数据处理和无人驾驶过程对计算能力要求很高，普通计算机很难满足需求，除不断升级硬件外，还应从处理算法和分布式计算等方面来提升处理速度与能力；

（3）系统智能化程度越高，人的参与就越少，一旦发生事故就可能造成比较严重的后果，因此智能化系统的可靠性和安全性尚有待提高。

参考文献

[1] 严新平，柳晨光. 智能航运系统的发展现状与趋势[J/OL]. 智能系统学

报，2016，11（06）.

[2]中国船级社.智能船舶规范（2015）[S].

[3] 柳晨光，初秀民等. 船舶智能化研究现状与展望[J]. 船舶工程， 2016，

38（03）.endprint