智能船舶主要机电应用技术分析

智能船舶主要机电应用技术分析

向剑锋

浙江中荃特种船舶设计有限公司，浙江省宁波市，315000

摘要：随着信息和智能化技术与社会各生产、生活领域的紧密结合，我国船舶工业及航运业在稳步发展的过程中，智能船舶已经成为未来的主要发展方向，并在我国经济社会发展过程中逐渐凸显其作用。本文基于智能船舶概述，探讨了其中主要机电设施的技术应用，展望了后续的技术发展标准需求，以便为今后我国智能船舶的稳步发展提供一定的参考。

关键词：智能船舶;主要机电设施;技术应用分析

引言

现阶段，智能船舶作为船舶工业未来的主要发展方向，我国相关部门对其发展也给予一定的关注，且CCS也从其智能船舶相关科技研究成果出发，发布了《智能船舶规范》，针对我国和国际上智能船舶的发展现状、趋势、应用等做出全面的分析。在此之后，我国的智能船舶进入了稳步的发展阶段中，即便我国的智能船舶在研发船舶类型、标准规范等方面做到了与国际先进水平维持一致，但仍旧需要针对智能船舶、市场化发展等问题努力探索解决方案

1智能船舶的相关定义

以目前船舶工业和智慧技术的结合发展来看，智能船舶俨然成为各国工业发展重点关注的内容。以目前的情况看，国际上的大型船舶研发机构、主管部门基本都集中在智能船舶的技术和规范标准研发领域内部，但智能船舶概念尚未被学术界完全统一，各个企业和管理部门对于智能船舶的界定存在着较大的差异。比如CCS则认为智能船舶是将物联网、互联网、传感器等技术作为出发点，用于自动感知、获取智能船舶本身情况、水域环境等方面信息的一种智能化多方系统主体，其中的重点是借助大数据和计算机技术来实现自动化管理和控制智能船舶的目标［1］。劳氏船级社则是将智能船舶划分为AL1到AL6不等的六个级别，并针对每一个级别给出了相对较为详细的介绍，这些大型船舶研发机构和相关部门对于智能船舶所给出的各种规范标准、文件，对于今后智能船舶这一行业的发展风险以及空间评估提供了较为充足的支持。我国境内的CCS对于智能船舶中的智能含义，分别将其中的6项要素进行了数学模型方面的界定，具体包括了航行智能、机舱智能、船体智能、货物管理智能、能效管理智能、集成平台智能。同时，我国所建立的有关智能船舶方面的数学模型可以同时进行一项或者是多项功能参数的配置，这也为我国智能船舶的制造提供了相应的便利。目前，在世界范围内智能船舶都是比较热门的研究内容，现阶段有很多大型船舶研发机构和主管部门都在实施智能船舶标准制定和研发，但在我国对于智能船舶还没有一项完整的定义，各个企业和管理部门对于智能船舶的相关定义也没有一个具体的界定，如CCS对于智能船舶定义为以物联网、互联网和传感器等技术来自动感知与获取船舶本身的情况、水运环境和物流相关情况所实施的多方智能化协同主体，重点在于利用大数据技术和计算机技术来对船舶进行自动控制和管理；而劳氏船级社（LR）等对于智能船舶分为6个等级，从AL1~AL6，其对于不同等级都做出了比较详细的介绍，为目前智能船舶在发展中存在的风险评估和未来发展提供充足的建议和意见[1]。我国CCS对于智能的含义进行了数学模型的界定，其分别将6项要素建模分为航行智能（Nx）、机舱智能（Mx）、船体智能（Hx）、货物管理智能（Cx）、能效管理智能（Ex）和集成平台智能（Ix）。其中x表示可以进行功能性选择的补充参数象征性符号，而在智能船舶数学模型建立过程中，其可以单独选择一项智能功能，也可以同时选择几项智能功能来配置相关功能参数，以达到智能船舶的制造和使用规范效果。

2我国智能船舶机电主要应用技术标准发展需求

2.1国内智慧海洋发展带来的标准发展需求

目前，我国正在大力推进的智慧海洋工程，是以一种安全且自控的云环境作为基础的，全面整合各类海洋信息资源，以便在全方位感知海洋情况的前提下，实施各个部门之间的信息共享、互通，为各项决策工作提供精准的数据支持。我国智慧海洋工程的建设，力求逐步提高我国的海洋管控、安全和开发能力。作为我国智慧海洋工程项目的重要组成元素，船舶也是开发、管理海洋的重要载体，智能船舶的诞生、发展可以进一步推动我国智慧海洋工程的建设。为此，我国智能船舶机电技术标准化工作需要全面遵循统筹规划的原则，以智慧海洋建设的全需要求，进一步推动智能船舶机电技术在数据收集、感知方面的能力发展。

2.2E-航海战略带来的标准发展需求

E-航海战略的实施俨然成为我国政府部门的主要工作内容之一，所谓的E-航海战略就是出于有效保护我国的海洋安全和环境，针对船岸的海事信息进行统一化的收集、整合、交流，以电子手段为支持，进一步优化船舶航行，并开拓其他业务的一种海洋发展战略。从智能船舶已有的功能出发，我国E-航海战略的实施可将智能船舶作为其应对机制，重视岸基服务系统、智能船舶信息联网等方面的技术标准的更新。

3.现阶段智能船舶主要机电的技术应用探讨

3.1大数据挖掘处理技术的应用

智能船舶体系中引用的大数据挖掘处理技术，能够提供一种长期状态下的运营船舶全面监测数据功能，智能船舶在航行状态下产生的各种数据能够根据程序内部的设定的时间间隔实施定时上传。具体而言，每间隔4小时或者是6小时的时间，可由船舶自动将数据上传到岸上的相关机构中。在智能船舶的运营检测工作中，因为外界自然环境影响产生的航速、航向、船舶位置等信息完全可以借由大数据挖掘技术做到实时获取［2］。同时智能船舶在靠岸停泊的过程中，可实施最为普通的有线数据传输方式，以一种特定航行数据加密处理方式，使用与对应网络信息平台相连的数据线进行上传。此外，移动存储技术的发展，可将移动性的数据存储介质安装到智能船舶内部，由其进行相关航行数据的采集，而智能船舶只需要在特定的返港时间段内，上交这一移动数据存储介质到网络信息机构即可。这些机构在采集到相关的智能船舶航行数据之后，预处理工作是不可忽略的一个重要环节，最终的目标是为了将收集的庞大数据群体中的失真数据进行清洗和修正。但需要注意的是，这些疑似失真数据的修正，需要相关人员综合考量这些监测数据固有的特性，而一旦发现数据确定失真现象，需要使用合理的数值方式对进行针对性弥补。需要注意的是，在智能船舶进行海上航行的过程中，传输的信号通常会受到各种外界环境因素的干扰，而监测数据的滤波，也会因为噪声和震动的存在而产生一定程度的变化，通常而言，在传播监测数据的过程中，为了保障滤波处理的稳定性，卡尔曼滤波的应用频率相对较高。

3.2无人船技术的应用

在我国社会发展和人工智能技术深度融合的时代背景下，无人车、无人机的出现和发展，也推动了各种无人驾驶控制技术的进一步发展。智能船舶在发展过程中，无人船技术作为其中的一项飞跃性成果，也是今后智能船舶驾驶的最终目标形式之一，一般而言，可以借助智能技术以及远程操控技术，实现对智能船舶的无人化驾驶操控。现阶段已经研发成功的智能船舶技术中，虽然内部的智能船舶综合驾驶系统具备航线规划、记录、自动躲避障碍物等功能，但这并非是无人船技术需要关注的内容。具体而言，无人驾驶技术在智能船舶中的应用，包括了船机相关信息的感知、远程的识别以及规划具体的航线路径等景下，无人车、无人机的出现和发展，也推动了各种无人驾驶控制技术的进一步发展。智能船舶在发展过程中，无人船技术作为其中的一项飞跃性成果，也是今后智能船舶驾驶的最终目标形式之一，一般而言，可以借助智能技术以及远程操控技术，实现对智能船舶的无人化驾驶操控。现阶段已经研发成功的智能船舶技术中，虽然内部的智能船舶综合驾驶系统具备航线规划、记录、自动躲避障碍物等功能，但这并非是无人船技术需要关注的内容。具体而言，无人驾驶技术在智能船舶中的应用，包括了船机相关信息的感知、远程的识别以及规划具体的航线路径等方面。无人驾驶技术应用于智能船舶中，需要以传统的有人驾驶技术作为基础，将航迹自动舵技术应用到智能船舶的航行轨迹操控中，并逐步演化为机械、PID控制等技术，如若系统本身结构组成简洁且稳定性上占据一定的优势，PID控制技术的单独使用相对较为简便。但实际上，处于正式航行状态下的智能船舶，因为存在着时变性、时滞性诸多问题，PID控制技术的单独使用则会出现一定的误判现象，可以通过将MPC以及LOS等先进算法引入其中，有效规避PID控制单独应用所出现的误判现象［3］。

3.3船机信息感知技术的应用

智慧传播中所应用到的船机信息感知技术，能够将囊括航道设施、水位状态、交通量等在内的信息全面进行获取以及感知。通常而言，在感知有关航道设施和水位状态这些数据的过程中，需要沿着智能船舶所处航道距离最近的岸边，设置用于接受航行数据的监控铁塔，彼此之间的间隔需要保持在两公里左右，最终做到以有限光纤为基础，建立一个完善的覆盖整个智能船舶航向轨道数据传输网络，确保最终的智能船舶指挥、控制中心可以凭借这一完善的数据监控网络，实时收集、分析、处理相关的航行轨道数据，避免各类不良情形的发生，全过程维护智能船舶的航行活动安全性。但是在针对智能船舶的交通量数据进行感知的过程中，需要对计算模块内部已有的各项数据、知识做出系统化的分析工作，流量监控和计算需要以全天候激光船舶交通量观测系统作为基础，以此来保障交通流数据的精准性，并且这一系统能够为智能船舶航道的精准规划提供分析和规划的数据支撑。智能船舶的航行密度数据感知需要以系统对其视频图像进行智能的识别，并交由计算机后台负责智能船舶实际密度数值的实时计算及后续发展推演，针对智能船舶原定航道内部未来一段时间内船舶数量的变化情况。一旦系统检测到智能船舶的密度数值增大到警戒线数值附近的情况下，则需要由系统在第一时间内完成预警信号的发送，由管理人员即刻启动提前制定的预警应急管理工作系统，对智能船舶所在的航道进行实时管控。

3.4机电智能化技术的应用

以目前智能化与智能船舶的结合来看，其中的机械设备智能化技术，通常会使用分布式智能化、总体集成式智能化的技术路径，以此来构建智能船舶内部的不同层级智能体系。在建立单元级别智能船舶机电智能体的过程中，可以通过使用机电关键设备数据采集、规约等技术，推动各种运行环节数据安全采集以及传输配合上状态监测和远程通信等技术，确保能够对智能船舶内部的各项机电设施实施远程操控，做到第一时间内快速定位故障的位置，并采取相应的措施解决问题。在此之后，需要借助集成单一设备建立的集成组网，形成特定功能的协同工作单元，从而形成良好的系统及智能船舶体验［5］。在最终建立智慧智能船舶整体智能机电体系的过程中，可以通过集成智能船舶的总体和各个智能单元，赋予智能船舶更为强大的智能航行、智能机舱等各项功能，实现全面智能监控和管理智能船舶航行，以此降低各种人为失误所引发的不良现象发生概率。

结语

智能船舶在大数据技术的支持下，对其研究成为我国高科技研究的重点内容，目前在相关技术研究中已得到成熟的应用，但没有得到有效推广，因此在未来智能船舶的发展中，需要根据船舶行业的发展现状与特点，对其研究方向和方法进行进一步优化，促进智能船舶的高速发展。

参考文献

[1]杨少龙,孙延浩,向先波,等.船舶数字孪生及其服务全生命周期研究综述[J].舰船科学技术,2020,42(21):1-8.

[2]高炳,严健雄,王磊,等.智能船舶主要技术分析与小型无人船研发[J].船舶,2019,30(02):21-26.

[3]聂勤,刘佳俊,鲁金龙.面向智能化发展的船舶机电设备集成方案[J].南方农机,2018,49(22):133.

[4]高炳,严健雄,王磊,等.智能船舶主要机电应用技术分析[J].航海,2018,(05):56-60.