内河水运基础设施及船舶技术发展现状与展望

于全虎

（江苏省船舶设计研究所有限公司 镇江 212003）

0 引 言

截至2022 年末，全国内河航道通航总里程达12.80 万km，其中等级航道占比52.7%，主要内河通航水系为长江、珠江、黄河、黑龙江、京杭运河、闽江和淮河水系；运输船舶总数为10.95 万艘，净载重量为15 249.73 万t，载客量为57.27 万客位，呈现水运总量上升及船舶大型化趋势[1]。

2019 年，中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》，提出到2035 年基本建成交通强国，到本世纪中叶全面建成交通强国；并且提出交通基础设施规模质量、技术装备、科技创新能力、智能化与绿色化水平均应位居世界前列等发展目标。2020年，交通运输部印发《内河航运发展纲要》，提出建设干支衔接、江海联通的内河航道体系，推进专业、标准化运输船舶发展，显著提高新能源和清洁能源船舶占比等。

2021 年，中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，远景展望至21 世纪中叶的国家综合立体交通网和交通基础设施体系建设目标，实现数字化、网络化、智能化和绿色化等。同年，国务院颁布《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》，提出完善内河高等级航道的电子航道图，继续实施数字航道和智慧航道的建设及服务能力提升工程，增强船舶航行全过程船岸协同能力；还要推广绿色智能船舶并推进自主航行等技术应用，强化自主航行和船岸协同等船舶智能技术研发，推动船舶智能航行的远程操控和岸基协同等整体技术体系应用；推动内河船舶增加清洁能源利用量，推进内河船型标准化以及5G、物联网、人工智能（artificial intelligence，AI）、云计算和大数据等技术与交通运输深度融合，实现北斗系统对交通运输重点领域全面覆盖等。

2022 年，工业和信息化部等五部委联合发布《关于加快内河船舶绿色智能发展的实施意见》，提出至2025 年突破液化天然气、甲醇、氢燃料、电池等船舶绿色动力关键技术，显著提升船舶装备的智能化水准，基本形成内河船舶绿色智能标准和规范体系。2023 年，工业和信息化部等五部委联合印发《船舶制造业绿色发展行动纲要（2024—2030 年）》，提出到2025 年初步构建、2030 年基本建成我国船舶制造业绿色发展体系，其中要求推动沿海内河船舶电气化改造工程试点，研发和示范应用多种LNG、电池动力船型，以及研发和试点甲醇、氢等动力船型，形成绿色船舶标准化和谱系化供给能力。

上述政策性文件对我国内河水运和船舶技术提出了创新发展的总体要求，为新时代内河航运加快高质量发展指明了方向，同时给予了重要政策保障。本文通过梳理提炼国内外内河水运与船舶发展的现状、相关政策演变，分析创新技术研究进展与典型案例，对内河水运基础设施及船舶技术发展趋势进行展望。

1 内河运输船型标准化和谱系化

1.1 国外发展情况

欧洲内河航运的发达国家通过共同规划建设连通多国的水运网，并积极落实相应优惠政策，将河流渠化、航道整治和船型标准化协调推进。目前欧盟内河运输船舶的主尺度在许可小幅调整的前提下基本实行了标准化，并根据各区域运输市场需求和通航条件，结合航道宽度、水深和跨河桥梁净空高等因素适用不同的标准船型主尺度，与我国的标准船型主尺度制定原则类似。历经百余年的发展和迭代更新，莱茵河水系船型的主尺度已较为标准。

欧洲各国在积极推进内河船型标准化的同时，也相当重视航道基础设施建设，通过建设信息交管系统，实现航道动态监控、船舶定位信息联通、加强危险品船舶管理等。美国在内河水系的综合开发中，将发展航运放在重要位置，已形成了全美内河深水航道网，通过实施航道和船闸等基础设施的标准化建设，极大地推动了船型标准化进程。密西西比河水系经过百余年的综合开发，已成为世界上最先进发达的现代化内河航道网，其水域航行船舶也实现了标准化和系列化[2]。

1.2 国内发展情况

我国内河运输船型标准化起步于20 世纪 70 年代中期，工作重点为船型的简统优选，发布了内河船型的修（制）造标准。1981—2001 年，船型标准化处于发展阶段，船型简统优选与制定船型标准同步进行，优选出200 多种不同水域的优良代表船型并向全国推荐，还制定了《长江水系分节驳船型尺度系列》国家标准，先后发布了《长江中下游推船船型系列》、《长江水系机动驳船系列》、《长江下游水网货驳船型系列》、《珠江水系自航驳顶推船队尺度系列》和《江海直达货船船型系列》等行业标准[3]。

2002—2013 年，船型标准化进入重点推进阶段：2003 年，交通部公布包含16 型货船、3 型集装箱船、3 型分节驳和2 型推船的京杭运河标准船型系列；2004 年1 月1 日，京杭运河船型标准化示范工程在山东、江苏、浙江、河南、安徽和上海开始实施；交通部于2004 年至“十二五”期间陆续发布并修订出台了《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》、《京杭运河运输船舶标准船型主尺度系列》和《珠江干线货运船舶船型主尺度系列》等主要水域的过闸运输船型主尺度系列，覆盖京杭运河、长江、珠江、闽江和黑龙江水系等主要内河通航水域，提出内河过闸运输船型的规范化主尺度共163 种；2006 年，交通部编制了《全国内河船型标准化发展纲要》，指导船型标准化工作并推进建立长效机制；2013 年，交通运输部、财政部与18 个省级政府联合出台《“十二五”期推进全国内河船型标准化工作实施方案》，船型标准化实施范围由内河重点水域扩展至《全国内河航道与港口布局规划》确定的“两横一纵两网十八线”全国高等级航道网，船型标准化开始全面推进阶段。2019 年，国家标准化管理委员会发布《内河过闸运输船舶标准船型主尺度系列》（GB38030-2019），归并简化了之前的主尺度系列，并确定了124 种船型，将长江水系、京杭运河和淮河水系、西江航运干线、珠江水系“三线”以及黑龙江－松花江的内河过闸运输船舶部分主尺度要求，上升为强制性国家标准。至此，我国内河船舶标准化的技术标准已基本完善，主要水域和运输船舶类型也基本全覆盖。

纵观国外船型标准化历史，我国船型标准化工作处于尚未成熟的全面快速发展阶段。历史上，我国内河航道长期处于碎片化开发以及通航设施等级不断变化的环境中。然而随着内河航道加快升级，为提高通航适应性需相应不断调整船舶主尺度并界定优秀船型，船型谱系规划总体遵循由繁入简的原则[4]。伴随未来内河航道大规模建设完成，通航船型主尺度与航道长远规划的匹配逐渐清晰，内河船型主尺度系列将继续同步整合，在实用性船型优选的基础上形成谱系化。

2 水运基础设施与数字、信息和网络技术深度融合

2.1 国内外航道数字化发展及智慧航道建设概况

内河航道是国家层级重要的公益性交通基础设施，是我国综合交通运输体系的重要组成部分。数字航道是综合应用地理信息系统、宽带网络、遥感遥测、通讯、虚拟仿真和多媒体等技术手段，实现航道业务流程、动态监测管理和辅助决策服务等的数字化、虚拟化、网络化、智能化和可视化的技术体系，是智慧航道的发展基础。2005 年，交通部在长江干线南京至浏河口段航道开启了长江数字航道与智能航运建设示范工程；2008 年，该工程完成电子航道图、船舶动态监控、船舶导航、航标遥测遥控等系统，以及系统支撑平台和相应配套设施构成的国内首条内河数字航道建设，实现长江航道图数字化、船舶与航标监控实时化、船舶导航自动化和信息服务网络化，航道管理和对外服务由传统模式进入数字化和信息化时代[5]。

2019 年，长江数字航道实现全面联通运行，建立了长江数字航道数据交换、智慧管养与信息服务一体化协同系统，如下页图1 所示[6]。智慧航道是在现代信息技术、AI 和航道业务的融合引领下，由数字航道体系演进生成的新一代航道信息化战略体系，以数据为关键要素和核心驱动，深度融合大数据、北斗、5G 和AI 等新一代信息技术，实现航道网动态运行管理服务、船舶与航道高效协同的现代化航运基础设施[7]。2022 年，江苏省交通运输厅发布国内首个智慧航道建设技术指南《江苏省智慧航道建设技术指南》，定义智慧航道为综合运用5G、大数据、北斗、AI、建筑信息模型（building information modeling，BIM）等新一代信息技术，提升航道及其沿线相关设施的设计、建设、养护、运行、服务全生命周期智慧化。

图1 长江干线数字航道生产业务系统

2023 年，江苏省交通运输厅启动京杭运河苏北段智慧航道建设项目，通过建设船闸感知和立体传输网、船闸指挥中心、数据中心、水上服务区、锚地及交通卡口监控摄像机网、船舶自动识别系统和北斗基站、能见度仪、流速流向仪和气象仪等感知装备，并配套相应的通信、存储和供电系统等，形成5G 感知网络对航道全覆盖，为航道运行调度和养护管理等提供实时动态信息。

近年来，我国在长江、西江和京杭运河等干线航道积极开展数字航道建设，绘制约14 000 km 电子航道图，并在部分航段探索电子航道图应用、航道养护主动巡检、航标和水位自动化监测、过闸信息服务等，推动了航道运行监测、航道维护管理、航道应急调度、航道信息服务和船闸智能调度等业务发展。我国内河智慧航道目前总体处于数字化初级阶段，网络化和智能化应用尚需加强提升，与国家及相关部门推进航道高质量发展的要求相比尚有差距。据欧洲议会官网显示，欧盟2021 年在更新的“连接欧洲设施”计划中提出“内河航道数字化”项目，通过制定跨欧洲运输网络走廊的内陆水道数字化共同战略，使内河水运具备长远竞争力和可持续性[8]。

《国家综合立体交通网规划纲要》提出推进交通的智慧发展，加强内河高等级航道在线监测，推动船岸协同和自动化码头等发展，加快提升交通科技创新能力并推进基础设施数字化和网联化。“十四五”到本世纪中叶，融合新一代信息技术的我国内河智慧航道发展迎来重大机遇和黄金发展期，今后应在完善航道物理和规则空间的基础上，聚焦赛博空间的理论和技术突破，基于航道感知和认知、AI、时空地理信息、大带宽无线通信等先进技术，在物理、规则和赛博空间建立支撑船舶智能航行的能力[9]。

2.2 国内外港口智能化发展及智慧港口建设概况

港口自动化、智慧化发展是伴随商船大型化、数字网络技术发展、港区网络基础设施建设升级而逐渐发展起来的。智慧港口强调充分利用互联网大数据、物联网、云计算和智能感知的计算机网络，结合应用自动化设备，实现港口供应链上下游各功能模块的协同联动以及各物流要素的无缝衔接，达到了运营自主、资源共享和显著降低成本的效果，终极目标是实现绿色、高效、智能、安全和柔性化运作的港口新形态。国外智慧港口建设起步较早，对智慧港口的研究目前主要聚焦于发展愿景和发展理念等；国内智慧港口建设起步虽较晚，但后期加快了建设步伐，对智慧港口的研究多关注于大数据和物联网等新兴信息技术的应用，而较少规划港口的未来发展，对智慧港口的评价指标体系等规范研究更是尚处于初级阶段[10-11]。

2015 年，新加坡海事和港口管理局提出“下一代港口2030 年”战略，以大士港智能港口建设为核心，通过融合新一代技术打造稳定高效和可持续发展的未来港口。国内青岛、厦门、天津和上海等地的港口在自动化码头和智慧物流平台建设等方面也积累了丰富经验：厦门港在国内首个建成自动化集装箱码头，并完成传统集装箱码头的全流程智能化改造；青岛港建成全球首个5G 智慧码头，并且使用的自动化轨道吊采用氢动力为全球首创；上海港建成全球规模最大、智能化程度最高且拥有完全自主知识产权的洋山四期全自动化集装箱码头；天津港建成全球首个“智慧零碳”智能化集装箱码头。2021 年，交通运输部印发《交通运输领域新型基础设施建设行动方案（2021—2025 年）》，提出推进码头作业装备自动化、建设港口智慧物流服务平台等智慧港口建设行动任务，推进一批沿海和内河既有集装箱码头的智能升级和新一代自动化码头建设，探索内河传统集装箱码头自动化改造经验。推动智慧港口业务从试验到商用，建设绿色、安全、高效的多层次智慧化港口将是未来发展方向。我国大数据、物联网、5G、北斗、AI 等高新技术的蓬勃发展，必将加速推进港口数字化和智慧化进程。

3 船舶智能化及配员少人化

3.1 智能船舶技术的核心要素

智能航运是传统航运要素与现代通信、传感、信息、AI 等高新技术深度融合形成的现代航运新业态，包括智能船舶、智能港口、智能航保、智能航运服务和智能航运监管等方面。智能船舶是智能航运的关键核心要素，集成了智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理等多项功能，其中智能航行是智能船舶依靠集成化智能技术解决航行过程中的船舶运动控制问题，而智能机舱等则是解决船舶内部运行的控制问题。船舶智能航行主要包括自主航行、遥控驾驶和辅助航行这3 种形态，其中自主航行和遥控驾驶还可细分为无人在船、有人在船等情形[12]。船舶智能技术融合了传感器、5G、互联网、物联网、AI、北斗等多学科技术，通过自动感知并获取船舶自身、水域环境、物流和港口等方面的数据信息，基于大数据、计算机和自动控制等技术，实现船舶航行、管理、维保、货物运输等的自主决策、运行和安全航行。

3.2 国外智能船舶发展概况

日本注重抢占智能船舶国际标准化领域的主动权，牵头发布或在研多项国际标准。2018 年，日本政府发布《海洋基本计划》三期，重点强调应加强对“i-Shipping”等智能船舶项目的支持；同年，日本国土交通省设立以岸基驾控中心建设和实现远程操作为目标的船舶远程驾驶示范项目，日本船级社则成立“海事业大数据中心”，实时收集并处理、分析船舶机舱数据，为设备的维护和优化提供合理化建议。

日本目前已完成对远程控制导航的测试以及对自主船舶技术框架的原则性批准（approval in principle, AIP）认证，其无人船项目“MEGURI 2040”也于2022 年完成了对“Mikage”194 标准箱集装箱船、“Suzaku”204 标准箱集装箱船、“Sea Friend Zero”小型客船、“SOLEIL”大型客滚船和“Sunflower Shiretoko”大型车客渡船的自主航行试验。

2019 年，韩国政府发布《智能自航船舶及航运港口应用服务开发》，提出依靠高新技术推动高附加值智能船舶研发。目前韩国主要造船企业的智能船舶技术平台体系或计划有三星重工的“智能船舶解决方案”、现代重工的“综合智能船舶解决方案”、大宇造船的“智能船舶4.0 服务架构”，并已应用于多艘商船。

欧洲国家将技术要素视作智能船舶发展的核心竞争力，欧洲点对点短途海运市场规模广阔，又因人力成本较高，因此更倾向于小型船舶的自主无人化技术体系研发，注重推进无人化和少人化操作实践。相关智能船舶项目有欧盟的“自主船舶”项目、德国的“智能化及网络支持的海上无人导航系统”项目、英国的“高级无人驾驶船舶应用开发计划”、法国的“自主航运”等。荷兰鹿特丹港与内陆间超过40%的运输由内河船完成，荷兰智能航运平台（Netherlands forum smart shipping，SMASH）于2021 年发布了智能航运路线图，提出无人船、内河货船、内河渡船等5 种智能航运技术应用场景（见图2），以及船舶内部系统、导航和制导、远程和岸基控制等10 个研发领域（见图3）[13]。SMASH 预计：到2030 年，荷兰25%的内河货船将达到“自主人工辅助”的自动化水平，并且拥有具备自主航行功能的内河渡船队。2021 年11 月，欧洲船企制造的全球首艘零排放、全自动商用120 标准箱集装箱船“Yara Birkeland”首航。该船长79.5 m、宽14.8 m、吃水6 m、最大航速13 kn，采用6.8 MW·h 的储能电池推进。

图2 荷兰智能航运发展的5 个技术应用场景

3.3 国内智能船舶发展概况

中国是世界上最早推出智能船舶指南的国家。2015 年，中国船级社（CCS）发布的《智能船舶规范》 （2015），将智能船舶的功能划分为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货管和智能集成平台。2017 年，我国学者提出了可完成船舶航行“感知、认知、决策与控制”全过程的“航行脑”系统（navigation brain system，NBS）概念设计[14]。2017 年11 月，中国船舶工业集团有限公司建造的全球首艘智能商船——智慧海豚型38 800 t 智能散货船“大智”命名交付。该船安装了全球首个可自主学习并包含智能航行、智能机舱和智能能效管理子系统的船舶智能运维系统，同时被授予CCS 智能船符号i-SHIP（NMEI）以及英国劳氏船级社智能船符号CYBER-SAFE、CYBERPERFORM 和CYBER-MAINTAIN。2019 年5 月，国内首艘无人驾驶自主航行系统实验船“智腾”首航。该船长21.08 m、宽5.40 m、型深2.20 m、吃水0.7 m、排水量约25 t、设计航速14 kn，利用北斗卫星导航系统便能实现在全自由海域精准航行。其智能船舶系统由自主驾驶、动力控制、态势感知、通导、船岸通讯系统和全船数据平台构成，具备人工驾驶、远程遥控、自动避碰、自主航行、自动靠离泊、自主循迹等功能。2019 年5 月，交通运输部等七部门联合发布《智能航运发展指导意见》，提出到2025 年突破一批制约智能航运发展的关键技术，使我国成为全球智能航运发展创新中心。

2019 年12 月，国内企业研发的自主航行无人货船初代试验示范平台“筋斗云0 号”首航。该船长13.2 m，采用电力推进系统及数字化控制与自主航行系统，可完成船端的“感知-决策-控制”；同时利用“数字孪生技术”在岸基实时监督并控制船舶，实现远程遥控、自主循迹、会遇避碰和遥控靠离泊。2021 年9 月，我国自主研发的300 标准箱商用自主航行集装箱船“智飞”首航。该船采用直流混动电力推进系统，具备人工驾驶、无人自主航行、远程遥控驾驶模式，通过卫星通信和5G 等多网多模通信与航运、港口、海事、航保等岸基生产、调度控制、服务、监管等机构和设施实现协同，实现智能船舶与港口无人化码头间的船岸协同作业。

2021 年11 月，交通运输部印发《关于组织开展自动驾驶和智能航运先导应用试点的通知》，鼓励内河航行的辅助驾驶、远程驾驶以及特定条件下的自主驾驶等应用示范，支持船舶编队智能航行试点示范。 2022 年，第18 个“中国航海日”发布的《中国智能航运技术与产业化发展预测》预测：至2025 年，我国智能航运总体将达到国际先进水平，辅助驾驶技术实现规模化应用，遥控驾驶和自主驾驶技术实现多样本应用；至2035 年，总体将达到国际领先水平；至2050 年，有望全面达到国际领先水平。

3.4 海洋和内河智能船舶协同发展并实现少人化

智能船舶发展的第1 阶段“互联互通”和第2阶段“系统整合”技术当前已相对成熟，后续的远程控制和自主操作技术阶段尚需加强研发。以欧洲“Yara Birkeland”和我国“智飞”集装箱船为代表的先进智能船舶已开始运营，但尚未真正实现完全自主航行。智能船舶是未来船舶发展的必然趋势，现有智能船舶的技术研发基本集中于海洋船舶应用领域，仅少数国家（如荷兰）在其“智能航运路线图”提出了内河船舶应用场景，我国“筋斗云0 号”试验船的未来试验场景也包含了内河水域。

我国内河智能船舶与助航技术仅处于较为初级的探索和发展阶段。2018 年7 月，南京板桥长江汽渡船上开始应用智能安全辅助驾驶系统，通过船舶对航行环境和自身状态的感知来提高碰撞风险预警能力，证明相对易于达成船岸协同的内河船舶实现智能化航行完全具备可行性。船舶智能化技术的广泛应用可有效降低船员的工作负荷，减少配员数量。欧洲国家人口少且人力成本高企，日本面临人口老龄化危机，减少船员需求是其推进船舶智能化的主要原因之一，我国内河航运实现高质量发展也需要通过船舶智能化来降低人力成本。

4 船舶能源绿色化、多元化及电力推进主流化

4.1 绿色低碳是世界航运发展的重要战略目标

我国航运业实现绿色低碳发展是落实“碳达峰，碳中和”国家重大战略，参与全球温室气体减排行动的重要举措。2018 年，国际海事组织（international maritime organization, IMO）第72 届海上环境保护委员会（marine environment protection committee, MEPC）通过了国际海运温室气体减排初步战略，即：到2030 年，全球海运单位运输活动CO2平均排放量比2008 年至少降低40%，并争取到2050 年降低70%；到2050 年，温室气体年度总排放量比2008 年至少减少50%。

绿色航运的核心要素是绿色船舶，其主要技术路线有：通过船型技术革新，优化总体布置和主尺度、优化线型改善阻力推进性能、设置减阻附体装置、船体结构设计和制造材料轻量化等来实现节能减排；使用清洁能源动力控制船舶大气污染物排放；船舶主动力装置的废热回收利用等。传统内河航运燃料主要是柴油和重燃油，燃烧时产生大量CO2、SOX、NOX和油污等污染物和颗粒物，航运业的绿色能源主要有液化天然气（liquefied natural gas, LNG）、（liquefied petroleum gas, LPG）、甲醇、氨燃料等清洁能源和太阳能、风能、电能、氢能等新能源。

《关于加快内河船舶绿色智能发展的指导意见》明确以 LNG 动力、气电混动、电池动力为内河船舶动力绿色升级的导向主线，同时推动甲醇动力应用于货船，探索氢燃料电池动力在客船的应用也成为重要发展方向。各类船用替代能源主要理化特性见表1[16]。

表1 船用替代能源主要理化特性对比表

4.2 国内外船舶应用绿色新能源发展概况

2000 年，挪威首先将LNG 作为电力推进渡轮“Glutra”的动力燃料；2011 年，全球首艘LNG动力25 000 t 成品油船“Bit Viking”投入营运。2010 年，内河LNG 双燃料动力船“武轮拖302”试航，开启了我国LNG 动力船技术探索试验的先河。2012 年，中国海事局发布《关于明确LNG 燃料动力船舶改造试点工作有关事宜的通知》，正式开始全国性的LNG 动力船“油改气”改造试点工作。在总结前期LNG 船试点改造经验的基础上，CCS 于2013 年发布《天然气燃料动力船规范》，目前我国内河LNG 动力船的设计、建造和应用处于世界先进水平。2023 年，以特制可移动LNG 燃料罐箱替代传统固定式LNG 气罐的200 标准箱内河LNG 动力集装箱船“宏远徐州”和“宏远武汉”在徐州首航。这种LNG 燃料补充模式不同于以往的靠泊岸基站或趸船加注，而是换装集成在标准集装箱内的LNG 供气装置，可选择20 ft（609.6 cm）和40 ft（1 219.2 cm）供气装置自由组合成船舶LNG 储存系统，探索出LNG 动力船无需依赖加气站（船）即可快速补充燃料的新路径，突破了传统LNG 加注站不足所制约LNG 动力船发展的瓶颈。

氢燃料动力应用的典型船舶有德国“Alsterwasser”内河游船、荷兰“Nemo H2”内河客船、挪威“MF Hydra”海洋轮渡、美国“SeaChange”海洋客渡轮、法国“Energy Observer”海洋双体豪华艇、中国“蠡湖”号内河游艇等[17]。随着CCS《船舶应用燃料电池发电装置指南》（2022）发布，国内氢能船舶的技术标准体系得到不断完善。2023年，国内首艘入级CCS 的“三峡氢舟1”示范船正式下水。该船总长49.9 m、型宽10.4 m、型深3.2 m、吃水2.10 m、最高航速达28 km/h，20 km/h 航速时的续航里程可达200 km，航区为内河B 级和J2 级。该船以氢燃料电池和1 800 kW·h 锂电池组成动力系统，氢燃料电池额定输出功率为500 kW，船上储氢能提供约4 000 kW·h 电能，由此也标志着我国氢燃料动力船已正式进入工程化应用阶段。

2015 年，世界首艘甲醇燃料动力船“Stena Germanica”在瑞典哥德堡和德国基尔之间首航，这艘长240 m 的渡轮可装载300 辆汽车和1 500 名乘客，主机可以使用甲醇或传统船用燃油。2020 年，我国首艘甲醇双燃料动力货船“江龙”号完成试航，该船长40 m、宽8 m、型深2.7 m、自重172 t，发动机采用甲醇和空气预混合的双燃料模式运行。2021 年，韩国尾浦造船建造的甲醇双燃料动力甲醇运输船“Capilano Sun”交付，该船长186.07 m、宽32.3 m、载重量50 000 t，采用水与甲醇混合调节燃烧温度技术，无需脱硫装置即可满足Tier III NOX排放规则。2022 年，CCS 发布《船舶应用甲醇/乙醇燃料指南》替代《船舶应用替代燃料指南》（2017）的甲醇/乙醇部分，进一步完善了甲醇/乙醇燃料的船舶应用技术标准。2022 年，广船国际有限公司自主研发建造的49 900 t 甲醇双燃料动力化学品/成品油船“Stena Pro Patria”交付。该船是国内承接、建造和交付的首艘甲醇双燃料动力船舶，主动力具有燃油、甲醇、燃油水合物和甲醇水合物这4 种燃料模式，是船舶领域首次应用水合物燃料。2021 年，国内首艘以高温甲醇燃料电池作为动力电源的游船“嘉鸿01”完成首航，200 kg甲醇可使该船在内湖以5.5 kn 航速行驶超过20 h。

船舶动力电能储存设备主要是动力锂电池和超级电容等，目前获得应用的动力锂电池主要有锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂和钛酸锂电池。钛酸锂电池作为功率型锂电池其功率密度较低、价格昂贵，更适合于高倍率充放电的功率型或快充型应用场合；磷酸铁锂、锰酸锂和三元锂电池适于对单位容量有较高要求的能量型应用场合即动力电池。锰酸锂电池的循环性能与高温电化学稳定性较差，磷酸铁锂电池的本征安全性高于三元锂电池，其能量密度、安全性、单位电量价格、循环性能、充电速度等指标较为均衡，尤其适合船舶动力储能所需的大容量应用，加之船用设备的安全性要求普遍高于陆用设备，所以目前国内船用动力锂电池主要选用磷酸铁锂电池。欧洲虽然磷酸铁锂和三元锂电池都有应用，但偏重于三元锂电池。

动力锂电池在船舶上可单独作为船舶推进动力源，或与其他能源装置共同构成混合动力系统。如在光伏系统中，动力锂电池作为光伏间歇发电的储能器以提高负载输出的稳定性，或作为发电机组的功率响应迟滞与突变负荷间的缓冲供能源，还可用于燃油主动力的辅助动力源等。动力锂电池和超级电容构成混合储能装置，可实现能量型和功率型储能的优势互补，用作船舶电网短时过剩能源的回收储能装置，可提高节能率并改善电网电能质量[18-19]。2015 年建成的挪威汽车渡船“Ampere”采用了全电池动力推进；2017 年建成的500 吨级货船“浙湖州货1625”采用锂电池和超级电容提供主动力源，并由光伏和风力提供辅助供电；2019年交付的“河豚”号是2 000 吨级“锂电池+超级电容”动力自卸船。

近年来，锂电池动力船获得了快速发展。“君旅号”300 客位内河客船、“云港电拖一号”沿海港作拖轮等均完全使用磷酸铁锂电池供能，“国创”64 标准箱内河集装箱船、“江远百合”120 标准箱内河集装箱船、“港航船途01”108 标准箱集装箱船等均采用了集装箱式移动电源（containerized mobile power supply，CMPS），“易航-蓝天”120标准箱河海直达集装箱船则采用“CMPS+柴电”系统。2022 年首航的“长江三峡1”1 300 客位游轮搭载了目前世界上容量最大的7 500 kW·h 动力锂电池，并且采用“高压充电、低压补电”的方案。除了河海直达船因CCS 船舶技术要求限制，内河电力推进船舶逐渐由“柴电+储能”模式向纯电模式发展。CMPS 因其具备通用化的尺寸和接口与船舶电网可安全快捷地连接或脱离，以及可利用峰谷电价差、易于使用租赁用电模式等优势，更利于市场推广。

2023 年世界新船订单中的539 艘采用了替代燃料，其中包括218 艘LNG 动力船、130 艘甲醇动力船、44艘LPG动力船和121艘电池混合动力船。LPG 动力船当前仅限于气体运输船、LPG 运输船、乙烷运输船这3 类海洋船型。由此可见，LNG 仍是中短期内船用燃油的主流替代燃料，而甲醇作为新兴的船用燃料，也越来越受到重视。虽然使用甲醇燃料比使用重燃料油的新造船成本增加约10%，但使用 LNG 的新造船成本则会高出约22%。作为已广泛使用的工业产品，甲醇的安全性比LNG 高，甲醇的价格在等效能源基础上与船用柴油基本持平，甲醇的储运已成体系，全球很多港口都具备甲醇的供应潜力，这是甲醇相较于LNG、液氢和液氨等燃料的优势。然而，甲醇毒性较强、甲醇挥发蒸气在空气中燃烧的危险性大，且较小的能量密度带来燃料舱容的增加，故限制了其在小型船舶和客船上应用。

甲醇动力船现阶段均以煤炭、天然气、焦炉气等制作的化石甲醇作为燃料。由4.1 节中的表1 可见，甲醇比船用柴油的CO2排放仅降低约5%，普通甲醇显然难以满足未来碳减排目标，只有可再生能源生产的绿色甲醇得以广泛应用，才能真正体现甲醇的碳减排优势，但目前绿色甲醇的成本却超过传统船用燃料的2 倍。氢动力船舶目前主要以氢燃料电池形式应用于小型船舶动力或作为船舶辅助发电装置，氢气和柴油双燃料发动机尚处于实验应用阶段。氨燃料发动机目前尚未进入商用阶段，进而限制了氨动力船的商用化，使用液氨的船舶运行和改装建造成本与 LNG 相当。

4.3 船舶应用绿色新能源及采用电力推进渐成主流

未来内河船舶清洁能源将呈现多元化发展：减排的渐进式要求、基础设施完善度、成套技术的成熟度、减排贡献度等原因导致中短期仍以传统低硫燃油为主，LNG 与甲醇为辅，液氢等清洁能源逐步发展应用的格局；而从长期来看，甲醇较LNG可能更具潜在优势。动力锂电池船的设计、建造和后期营运与传统燃油动力船的技术差距相对较小，又具备“零排放”优势，伴随动力锂电池技术进步带来的价格下降，纯动力电池（尤其是CMPS 供电）船舶未来可能成为内河发展最快的新能源船舶。由于电力推进技术能更好满足智能船舶所需的操控性和可靠性、易于实现自动控制及推进功率冗余等要求，使用LNG、甲醇和氢能等提供电能的电力推进船舶也是重要发展方向之一。作为可无限获取的清洁能源，太阳能、风能与其他清洁能源等多种动力形式的集成，也是内河绿色船舶技术发展的重要探索方向[20-22]。

5 内河货船编队航行成为创新模式

5.1 船舶编队航行理念

20 世纪90 年代，拖船拖带驳船队的运输模式是长江中下游干散货运输的主流方式。编队中，拖船与驳船之间采用短缆相连。但在风浪中，拖船与驳船之间相对运动大、缆绳受力变化大，导致编队适航性差，因此逐渐被适航性更好的单体机动货船取代。随着智能航运的发展，研究满足内河水运发展需求的创新航运模式非常必要。2006 年，挪威科技大学和挪威海事机器人协会联合对智能船舶编队进行研究并完成实船试验。2017 年，荷兰海事技术基金会组织协调的新兴内河和海运概念项目提出“船舶编队”水运新模式。该模式实质是一种特定的半自主水上运输，亦属于智能船舶技术领域，编队由1 艘“领航船”以及1 艘或多艘“跟随船”组成。船舶编队运输概念基于近海和内陆水运链整合理念，目的是降低劳动成本、提高行业竞争力以及进一步增强物流灵活性。该项目的试验研究结论认为船舶编队运输在技术上可实现，在一定条件下能达到足够的安全水平，同时航运市场也存在发展船舶编队运营的可行商业模式。国内研究也认为在近海、内河运用智能船舶编队运输模式，通过遥控和船舶间合作可减少船舶配员，智能驾驶可降低劳动成本；队内船舶在邻近海滨或内陆目的港的地点接驳及离开编队，可实现内河和近海航道一体化，提高内河、近海航道利用率，从而降低航运成本[24]。

5.2 船舶编队航行技术发展概况

船舶实现编队航行的逻辑与单艘智能船舶航行的逻辑类似，都是遵循感知-决策-控制-感知的闭环逻辑。编队的控制结构主要有集中式控制、分散式控制和分布式控制等，编队的常见控制方法如虚拟结构法、领导-跟随法、人工势场法、基于图论法和基于行为法等。当前内河船舶编队技术体系中的编队控制、编队环境感知、编队状态检测技术等已存在一定的理论基础，但编队自主航行、编队路径规划、编队能效控制等技术与实际应用仍有较大距离，内河船舶编队技术整体上仍处于理论验证阶段，必须伴随智能船舶的技术发展，结合大量的试验验证和评估才可能实用化[25]。除了船舶编队的控制结构和控制方法研究，基于计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）理论得到最优船体型线和船舶编队队形，可以降低编队航行总阻力，达到节能减排、降低运营成本的目的[26]。内河船舶编队航行技术在未来的成熟应用将进一步提升内河运输效率和安全性，充分挖掘内河航运的优势。

6 岸基控制中心成为关键设施并和能源供给设施网联化

6.1 岸基控制中心成为智能航运时代的关键设施

传统岸基支持系统是指船舶营运公司为船舶提供资源和技术支持的陆上基站，而数字化技术的快速发展增强了船岸协作能力。岸基船舶协同控制中心概念如图4 所示，通过将实船机舱集控室（engine control room，ECR）转移至岸基船舶控制中心（ship control centre，SCC），从而有效实现船舶远程遥控。

图4 岸基船舶协同控制中心概念

内河船平均预算远低于海船，难以负担昂贵的智能航行设备，所以建立完善的无线通讯网络、岸基控制中心等陆地基础设施，发展人机协同、船岸协同，打造高费效比的船岸协同智能系统，实现远程驾控、自主航行的发展路线更为实用。通过岸基控制船舶航行，既降低了对技术人员和高素质船员的配员需求，又能提高航行安全性和运营效率。智能船舶发展高阶阶段的无人自主运输船，需要协同控制系统具有远程遥控、船舶控制器的更新等更多功能[27-29]。

2006 年，IMO 海上安全委员会（maritime safety committee，MSC）第81 次会议通过了“E-航海”（E-Navigation）项目，即应用电子手段在船与岸上进行海事信息的采集、集成、交换、展示和分析，以增强船舶泊位导航及相关服务，保障航行安全和安保，实施海上环境保护。“E-航海”战略的核心是岸基技术支持系统，国外比较成功的“E-航海”示范项目有欧盟的MONALISA 工程、EfficienSea 工程、ACCSEAS 工程，以及新加坡联合马来西亚的马六甲海峡MEH 等工程[30]。

2016 年，中国海事局发布了“IMO E-航海战略与中国E-航海发展研究”重点科技项目，通过建设示范工程促进我国“E-航海”战略的实施。近几年，我国相继建设了洋山港、天津港、长江口、珠江口等水域“E-航海”示范工程，在提升助航效能、增强船舶航行安全、加大海上环境保护、推动航海保障更高效和更先进发展等方面发挥了重要作用[31]。2019 年，英国政府发布《海事2050 战略》研究报告，指出为智能船舶服务的岸基控制中心建设是其未来的政策重点。2021 年，韩国大宇造船启用大宇造船智能船舶解决方案的岸基控制中心，通过采集并监控大宇建造的在各海域运营船舶产生的航行数据，确认船上主要设备的状态并实时传送至岸基控制中心，结合气象、港口信息、燃料价格、运费指数和经济指标等外部数据进行综合分析，为船东提供定制化数据分析服务。

6.2 岸基数字信息设施与能源供给设施趋向网联化融合发展

“十一五”期间，我国内河水运管理信息服务建设取得了初步成绩，交通运输部印发的《公路水路交通运输信息化“十二五”发展规划》等系列文件为内河船联网的发展创造了良好的政策环境和技术基础。例如：江苏省建成内河水运船联网，采用“一主（南京）二分（淮安、无锡）”的方式构建了江苏省水运数据中心；中国移动通信集团“内河航运公共信息平台”建立了集船载移动终端、手机终端和企业计算机终端一体化的虚拟专用信息网络平台；南京理工大学基于船联网技术开展了水路危险货物运输应急系统设计研究等[32-33]。我国推进内河船舶岸基信息网络设施建设已近20 年，在保障内河安全畅通、提高水路运输效率和质量、提供优质高效信息服务等方面取得了长足进步。内河通航水域较海洋更容易通过船岸协同控制中心完成与船舶之间的数据交换，支撑船舶自主航行和远程遥控，所以岸基控制中心的规划发展在内河船舶智能化的进程中具有关键性意义，将成为未来内河水运基础设施的核心部分。《国家综合立体交通网规划纲要》提出推进交通基础设施网与能源网融合发展，通过强化交通与能源基础设施共建共享来提高设施利用效率。相信随着新能源未来在内河船舶领域的广泛应用，LNG/氢/甲醇加注站、岸基充/换电站等基础设施必将成为内河航道体系的重要组成模块。岸基协同控制中心掌握大量区域船舶运行数据，并能与船舶通过网络进行通信，便于建立供给与消费协同、多种能源协同、集中与分布式协同的新型生态化能源系统，通过信息网络体系将航道、港口和船舶等水运要素和能源供给设施等能源要素网联化，对提高船舶能源供给安全性、效率和最优化利用具有重要意义。

7 结 语

内河水运在公路、铁路等主要运输方式中具有运量大、能耗少、成本低、污染小和占地少等优势，长期以来对社会经济发展的贡献很大。2022 年，我国的内河货运量为44.02 亿t，约占全国货运量（506.63 亿t）的8.7%；完成货物周转量19 025.73 亿t·km，约占全国货物周转量（226 160.96 亿t·km）的8.4%；而同期的德国和美国，货物周转量占比分别为28%和15%。我国内河航运与欧美发达国家相比，在提升综合交通运输体系中的比较优势方面还有很大的发展空间。至2023 年底，我国造船国际市场份额已连续14 年居世界首位，但内河船舶的研发技术、制造工艺及规模等主要方面均不及远洋船舶。

未来内河水运基础设施将与数字、信息和网络技术深度融合，岸基控制中心成为关键性设施并和能源供给设施网联化。综合运用互联网和清洁能源技术构建多类、多式能源协同和分布供给系统，可提高船舶能源补给安全性和航运效率，并优化能源利用率。相较于海运广阔的地理空间范围，内河航运基础设施的智能化发展更易于实现对内河船舶智能航行的技术支撑，岸基控制中心与船舶协同实现远程驾控和自主航行等或将成为内河船舶重要的智能航行模式。

未来船舶趋向船型标准化、谱系化、智能化、配员少人化、能源绿色化及多元化、电力推进主流化发展。通过简统优化优秀标准化船型并迎合智能化技术和装备的应用，可提升航运基础设施的利用效率，有效改善内河水运的运力结构，提高物流周转效率；水运和船舶智能化发展将大幅降低船员人力成本同时提高航运安全性；船舶能源由石化能源逐步向绿色化多元能源体系转化，不仅满足了水运业对经济、环保的长期发展要求，同时克服了单一能源体系的诸多局限性，保障了船舶能源可持续发展；智能化大趋势下电力推进更易于实现船舶精准控制和动力系统冗余设置的要求，未来船舶动力系统采用绿色多能源混合动力技术将是大势所趋。

基于智能驾驶、数字化互联互通、自主遥控等技术的船舶编队营运模式可减少船舶配员数量，还可实现近海和相邻内河航道一体化综合高效利用，降低航运成本，是未来智能化技术与水运及船舶技术融合发展的重要切入点。

通过探索推进人工智能、大数据、无线通讯、新材料、新能源等高新技术在内河水运及船舶技术研发领域的创新应用，在相关重点技术前沿超前规划布局，从而推进构建新一代内河水运系统，充分发挥内河水运优势，使内河水运成为提升综合交通运输体系核心竞争力的重要组成部分。