海事航海保障智能船舶关键技术发展思考

摘要：针对海事航海保障船舶智能化水平不高的问题，本文首先介绍国内外智能船舶技术发展现状；然后结合现有海事航海保障业务开展及船舶配备情况，分析指出智能船舶技术发展存在的问题；最后从智能航行、智能机舱、智能能效管理、智能作业、远程控制等5个角度对海事航海保障船舶智能化转型进行了分析，可为海事航海保障智能船舶关键技术发展提供参考。

关键词：海事；航海保障；智能船舶；智能航保；航标；测绘

0 引 言

加快推进智能航保建设，能够推进“陆海空天”一体化水上交通运输安全保障体系建设。实现海事航海保障船舶智能化可以有效推进智能航保建设。智能船舶是利用传感器、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。随着科学技术的不断发展，船舶将逐步实现智能化，并最终替代传统船舶在航运领域广泛应用。总体来看，关于智能船舶发展的研究主要围绕货船、客船等常规船型进行，针对特殊船型的研究较少。本文将结合国内外智能船舶技术发展现状，针对现阶段海事航海保障船舶智能化转型存在的问题，提出关于海事航海保障智能船舶关键技术发展的几点思考。

1 国内外智能船舶技术发展现状

2022年，4 500 m3智能耙吸式挖泥船首制船“航浚4017”交付，该轮装备了智能疏浚系统，可以大幅度提升作业效率、降低船舶运行成本；同年，长江干线首艘绿色智能LPG内河船“华南6”轮交付，该轮可以完成智能机舱管理和能耗监控管理，实时监控船舶设备运行状态和设备能量消耗；2022年，韩国大宇造船海洋研发建造的首艘自主航行试验船“DAN-V”号成功进行了自主航行船舶海上试验；同年，现代重工旗下Avikus成功实现了搭载自主航行解决方案的18万m3 LNG船“Prism Courage”号横渡大洋的目标。

2 海事航海保障现状分析

2.1  海事航海保障业务开展现状

海事航海保障单位履行航标管理维护、港口航道测量绘图、水上安全通信以及应急支持与服务等保障职责，为服务国家重大战略和区域经济社会发展作出了积极贡献。截至2022年底，海事航海保障单位共管理沿海航标20 616座，其中公用航标11 139座、专用航标9 477座，管理沿海AIS基站219座，内河AIS基站410座；2022年全年维护航标3 519 643总座天，北方海区冬季换标2 225座；全年测量总面积22 309.15换算m2；全年公益通信量1 982 389次，播发安全信息749 185条；全年应急设标129座，完成应急扫测836.84换算 km2，处理遇险紧急特殊通信33起。

2.2  海事航海保障船舶配备现状

以北方海区航海保障单位北海航海保障中心为例，共计配备船舶45艘：大型航标船3艘，其中现役最先进的大型航标船为“海巡156”轮，于2023年列编，是我国首艘具有破冰功能的大型航标船；中型航标船3艘，其中现役最先进的中型航标船为“海巡1506”轮，于2019年列编，是我国海事系统首艘采用全电力驱动、双回转舵桨推进的中型航标船；小型航标船21艘；航标巡检艇11艘；中型测量船2艘；趸船5艘。为提高船员工作效率、降低船舶管理成本，北海航海保障中心研发应用了船舶信息管理系统，系统涵盖证书管理、维修保养、船员培训等方面，能够为船舶管用养修提供各类数据，也为船舶管理单位的相关考核提供了重要依据。

3 海事航海保障智能船舶技术发展存在的问题

随着工业和信息化技术的发展，越来越先进的导航设备、动力设备及作业设备投入使用，提高了海事航海保障船舶的信息化与自动化水平，但是单纯增加先进设备的数量并不意味着船舶实现了智能化。总体来看，海事航海保障船舶现在仍然处于“欠智能”状态。

3.1  针对特殊水域的智能航行系统亟待开发

区别于货船、客船等常规船舶，海事航海保障船舶多数情况下是在航道、港池等水域航行或作业，通航环境复杂、水文气象多变，对驾驶人员的综合素质要求严苛，需要实时根据天气、海况、通航密度、设备工况等操纵船舶。新造大、中型海事航海保障船舶普遍配备了自动舵、艏侧推、动力定位等系统来辅助船员操纵船舶，但是受限于复杂的通航环境和作业环境，日常航行及作业中绝大多数情况下采用手操舵模式，很少使用自动舵；艏侧推及动力定位系统一般仅在作业及靠离泊中使用，而且艏侧推及动力定位系统的使用对航速有限制，船速过高时，对船舶操纵的影响微乎其微。总体来看，大量自动化设备的叠加使用并未彻底解放船员，相反导致船员工作强度增大，精神高度紧张，易因疲劳导致航行事故及作业事故发生；相比较于智能航行系统具备高智能化、高精度的优点，人工操纵船舶存在一定的误差，不利于航海保障工作的高效开展。因此，智能航行系统特别是基于海事航海保障船舶航行及作业特点的避碰决策系统亟待研发应用。

3.2  船岸一体的智能服务体系不完善

现阶段的海事航海保障船舶运行及管理还是以岸基为主。航标作业方面，执行航标作业任务的船舶往往同时听令船舶管理部门和航标管理部门的指令，运行效率不高，尽管投入使用了航标运行保障系统，但是航标参数及作业任务仍然依靠人工录入，并且海事航海保障船舶也未接入该系统，具体作业时间由船长依据自身经验来确定，航标管理部门不能实时掌握作业进度，作业精度也完全依赖于船长的操纵水平，航标管理部门不能第一时间发现偏差并予以纠正；船舶管理方面，以国内首艘根据CCS智能机舱和智能能效要求建造的大型航标船“海巡156”轮为例，虽然该轮是我国排水量最大、智能化程度最高的大型航标船，具备智能决策和维护功能，但是该轮的智能机舱和智能能效管理还是以本船为主，無法将船舶工况数据和能耗数据实时传输至岸端船舶信息管理系统，需要船舶管理人员手动录入相关信息，且不具备智能分析及决策功能，总体来看，海事航海保障船岸一体的智能服务体系还不完善。

3.3  多功能的智能作业水平亟待提高

目前，智能作业技术蓬勃发展，广泛应用于机械制造等行业，但是在航海保障领域尚未深入使用。在海事测绘方面，以我国设备设施最先进的新一代大型专业海道测量船“海巡08”轮为例，尽管该轮配备了功能齐全的测量系统和数据处理中心，可以实现从测量到出图在一艘船上完成，但是作业前仍然需要相应职能部门根据经验和气象海况制定作业计划；在航标作业方面，以中国海事系统首制全电力推进系统中型航标船“海巡1506”轮为例，作业设备配置1台12 t-15 m的航标起重机，1台150 kN锚链绞车，左右两舷各配备1套升降导链轮、1套弃链装置、2套15 kN液压牵引绞车，设备自动化程度较高，航标作业能力较强，但是船上未配备综合作业系统，所有设备均由船员操作，无自主或自动控制功能。总体来看，海事航海保障船舶智能作业水平不高，需要配备大量的培训合格的船员来操控各种设备，在无法有效降低船舶配员的同时，由于各式各样的作业设备设施数目不断增加，也导致船员操作及维修保养设备的负担激增。

4 海事航海保障智能船舶技术发展要点

全面实现船舶智能化并非一蹴而就，需要在多个领域加快研发进度。虽然海事航海保障船舶基本满足了现阶段业务开展的需要，但是在一些智能船舶关键技术的研究进度远落后于其他类型船舶，为助力智能航保建设，亟需在以下5个关键技术方面加快研究进度，以满足海事航海保障事业发展的需要。

4.1  智能航行

智能航行能够为船舶提供航速和航路优化的决策建议，最终目标是实现全航程自主航行，理论上能够显著降低由人为因素导致的水上交通事故的发生率。发展智能航行技术的最重要前提是确保航行安全，但综合现有技术发展水平，智能航行仍然处于起步阶段。海事航海保障船舶现在处于大量搭载航行辅助系统阶段，如自动舵系统、艏侧推系统、动力定位系统等，虽然操纵性能得到极大提升，但是仍然依靠船员的决策进行操纵，并且海事航海保障船舶多数情况下是在航道、港池等复杂通航环境下航行和作业，实现全航程自主航行的最终目标难以一蹴而就。实现智能航行，首要实现航行态势智能传感，包括船舶自身态势和周围环境态势，船舶自身态势包括航速、航向、吃水等，周围环境态势包括航标、过往船只、水文气象等；其次是研发适用于海事航海保障船舶的智能航行系统，特别是避碰决策系统，该系统是实现海事航海保障船舶智能航行的基础，除了具有航线规划与航速设计功能外，还应具备水文气象信息感知、航行态势认知、航行避碰决策等高等级功能，以此实现海事航海保障船舶在船员监视及岸基指导下逐步实现具有在港池、航道等复杂环境下自主航行、自动靠离泊功能，最终实现全航程自主航行。

4.2  智能机舱

智能机舱能够为船舶设备与系统的使用、操作和控制、检修、管理等方面的决策提供支持，可以大大减少机舱人员及岸基管理人员的工作强度。为实现海事航海保障船舶智能机舱建设，一是加快设备改造和研发，特别是引入电力推进等新的船舶动力形式，新建大、中型海事航海保障船舶配备了无人值守机舱和全电力推进动力系统，较采用柴油机、齿轮箱、轴系等作为动力系统的传统船舶，电力推进系统可控性得到提升且易于实现智能监控，机舱智能化改造的难度也大大降低，特别是随着国内首艘根据CCS智能机舱和智能能效要求建造的大型航标船“海巡156”轮入列，加快了智能机舱的建设步伐；二是在无人值守机舱和全电力推进动力的基础上，充分利用可视化设备及传感设备实现机舱设备的自主监控，并实时传输驱动电机、船舶电网等系统的工况数据，同时建立岸基机舱集控中心，逐步将智能机舱的研发侧重点由单船的机舱集控室转移到岸基多船的集控中心，实现单船机舱辅助决策、船队数据共享共用的船-岸一体的智能机舱系统。

4.3  智能能效管理

为保护生态环境，顺应能源结构转型，船舶动力正朝向绿色低碳的方向飞速发展，特别是以风力、电力等为代表的低排放、低污染的新能源技术不断在船舶动力中使用。智能能效管理能够实现船舶能效实时监测、评估及优化，不断提高船舶能效管理水平，进而减少能源消耗，达到节能减排的目的。为实现海事航海保障船舶能效智能管理，一是要构建船岸一体的智能能效信息服务体系，船端设备执行单船的数据采集任务，岸基系统执行多船的智能分析与决策任务，在信息实时动态交互与分析决策的基础上，实现船舶能效管理的智能一体化，该体系可与智能机舱系统同步研发、同步应用；二是要构造海事航海保障船舶智能能效管理模型，区别于货船大多数处于定速航行状态，海事航海保障船舶在航行及作业时大多数处于机动航行状态，速度、航向、船舶姿态等时刻在变化，因此要优化能耗算法，充分挖掘船舶能效提升的潜力；三是要推进船舶动力升级，在大、中型海事航海保障船舶普遍采用全电力推进动力系统的基础上，积极探索其它形式的新能源在海事航海保障船舶上的应用，以满足生态环境保护和能源结构转型的要求。

4.4  智能作业

实现海事航海保障船舶智能化作业，应按照人员在船监控的半智能作业——人员在岸监控的智能作业——无需人员监控的智能作业的路径进行研发。一是要构建船岸一体的智能作业系统，该平台应具备作业任务编制、作业任务下达、作业任务执行、作业任务评估等主要功能，是智能作业的中枢系统，根据作业任务，智能调派作业船舶和工作人员，通过综合分析天气、海况及通航环境等信息后，做出最优化的作业方案；二是积极探索新型作业模式，以航标巡检为例，可在航标巡检船上搭载无人机，利用巡检船高速和续航长的优点，快速沿航道行驶，搭载CCTV系统、灯质检测系统、北斗定位系统的船载无人机迅速起飞对沿途航标进行巡检，巡检数据实时传输至岸端综合作业系统，分析研判航标是否正常，并反馈至航标巡检船，由船舶行驶至受损航标进行维护；三是积极研发自主作业设备，以航标智能抛设系统为例，该系统通过北斗和CORS高精度定位，获取船舶抛设装置处的精准位置、航速、航向等信息，在此基礎上解算出抛设装置相对于目标作业点的态势，结合抛设过程中沉石下沉速度、水深等信息，解算出最佳抛设位置和时机，待航标作业船舶到达最佳位置后，系统下达指令，自动抛出浮标。

4.5  远程控制

中国船级社《智能船舶规范》（2023）将远程控制分为R1和R2两类，其中R1需要船员在船，R2无需船员在船。无论是否需要船员在船，均需要建立远程控制站。鉴于海事航海保障船舶智能化转型研究较慢，应按照完全由船员在船控制—部分功能由岸上控制，船员在船监控—全部由岸上控制，船员不在船监控的思路逐级开展研究。一是要搭建岸基控制中心，岸基控制中心是智能航行和智能作业过程中的驾控中心和监管中心，最终目标是实现远程控制船舶航行和作业；二是加强环境再现的研究，只有实现船舶自身状态以及航行态势的可视化，才能实现远程控制，船舶自身状态可视化需要强化信号传输技术，航行态势、作业现场、周围水域的可视化可以借助虚拟现实技术实现；三是要加强网络安保，智能船舶与岸基控制中心通信频繁，若船岸之间的通信网络受到攻击，船舶自身状态和航行态势数据易被篡改，其损失和后果将不堪设想，因此网络可靠性与安全至關重要，需要在船舶信息加密与解密、远程控制权限管理与授权等方面开展细致研究，进而提升远程控制系统抗网络攻击的能力。

5 结 论

顺应时代发展趋势，发展海事航海保障智能船舶，将船舶运行中的部分工作或全部工作交给人工智能程序完成，既可降低船舶配员和船员工作负担，在很大程度上解决人为操作失误带来的各种安全问题，也能够提高海事航海保障服务水平。海事航海保障船舶具有相对固定的航线和特定的作业任务，航行环境相对固定，且距离陆地较近，便于开展智能船舶研究。目前的海事航海保障船舶智能化建设仍处于初级阶段，需要在智能技术的研发与测试上坚持长期科研攻关，通过不断的技术改造与创新，为海事航海保障船舶智能化转型持续赋能。

参考文献

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作者简介：

邢玉林，硕士研究生，工程师，从事航标管理专业，主要研究方向：航标设置与运维、航标装备信息化与智能化，（E-mail）：13130588903@163.com，13130588903