摘 要

本文叙述了智能船舶的发展及关键技术，并通过详细了解智能船舶系统的发展历史和国内外现状以及结构和工作原理展开研讨，并针对当前船舶智能化的需求，研讨基于物联网技术的具备一定智能化、自动化功能的船舶智能系统。研讨智能船舶系统的发展和一些关键技术，学习及深化相关理论知识；通过收集网络上的各类文献，论文通过归纳总结，为以后基于物联网技术的智能化、自动化船舶电力系统的研究提供理论指导。

关键词：智能船舶；智能化；自动化；物联网

Abstract

This paper describes the development and key technologies of intelligent ships, and discusses the development history of smart ship systems and the status quo and structure and working principles at home and abroad, and discusses the current needs of intelligent shipbuilding. Intelligent, automated ship intelligence system. Discuss the development of intelligent ship systems and some key technologies, learn and deepen relevant theoretical knowledge. By collecting various kinds of documents on the network, the paper summarizes and summarizes the theory of intelligent and automated ship power system based on IoT technology. guide.

Keywords: intelligent ship; intelligent; automation; Internet of Things

目 录

一、绪论 1

1.1 智能船舶的探讨背景及意义 1

1.2 智能船舶的国内外发展现状 1

二、 智能船舶的概念 1

2.1 智能船舶的定义 1

2.2 智能船舶的发展背景 1

2.3 智能船舶的发展趋势 2

三、智能船舶船岸一体化系统应用技术 1

3.1 智能船舶船岸一体化系统构成 1

3.2 船端网络信息平台设计 2

3.3 船岸一体化系统的功能 2

3.3.1远程监控 3

3.3.2远程维护 3

3.3.3气导服务 3

3.4结论 3

四、智能船舶主要机电应用技术分析 1

4.1 智能船舶技术研发路径 1

4.2 大数据挖掘处理技术 1

4.3 船机信息感知技术 2

4.4 无人船技术 2

4.5 智能机舱技术 3

4.6 智能船舶主要机电应用技术的展望 4

五、立足船舶业现状对“智能船舶”的思考 6

参考文献 8

一、绪论

1.1 智能船舶的探讨背景及意义

在今天的造船和造船业中，船舶智能化已成为必然趋势，在经济全球化的推动下，世界各国之间的贸易额继续增长，对货运提出了更高的要求。水路运输以其覆盖面积大、成本低的优点在货物运输中发挥着越来越重要的作用。由目前统计的数据看来，原油运输和铁矿石运输主要依靠船舶来水上运输，占到了总量的95%和总量的99%，是不可替代的运输方式。然而，随着船舶数量的增加和航线的繁忙，人们越来越关注严重的环境污染，高劳动力成本和水路运输安全性不足。近年来，信息、计算机、通信、网络、新能源、人工智能的发展以及大数据、综合网桥系统和信息物理系统的应用，强烈推动船舶的智能化进程，使其真正实现绿色，安全，高效，低效的智能化。

1.2 智能船舶的国内外发展现状

《智能船舶规范》中对于智能船舶的定义大致为：智能航运不仅是互联网和物联网，还包括通信和传感器等现有技术，在海洋环境中自动检测路线和获取船舶本身信息的危险包括：物流、港口、航线等方面的信息以及数据，并利用自动控制方面的核心技术、计算机数据上的技术和大数据处理分析技术，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，使得船舶更加具有安全性、更加利于海洋生态、更有经济性和更有可靠性。在智能船舶这一概念中“智能”可以理解为“会像人类一样思考”，能够即时的利用获取的各种信息综合考虑具体任务，并立即根据船舶航行的安全，经济和环境要求制定了一系列最优决策。早在2006年，国际海事组织（International Maritime Organization）提出了一种名为e-Navigation概念，这一概念是通过电子信息这一手段，船上和岸上同时收集和综合、提示海事信息，真正实现船对船、船对岸和岸对岸三方之间信息的互相沟通了解，这一举措可以让船舶在安全性、航行的经济性和保护环境不受污染的最终目标。这个最初概念可以算是智能船舶雏形。智能船舶可以划分为四个发展阶段：第一阶段、智能船舶仅限于远程监控设备的即时状态和分析有用数据以便于船用；第二阶段、员工的研发和使用使用云计算，物联网和智能船舶上大数据的实时分析。通过计算机连接到岸上中心，以便更好地向船舶提供有关安全，环境和能效优化的建议。真正实现航行的半自动化； 第三阶段、在对船舶数据进行分析的基础上，智能船舶将加入港口物流信息，实现船舶与岸上的无缝连接，使导航成为实时动态，优化调度和港口运行；第四阶段、将在智能船舶上实现全自主化无人驾驶以及港口全自动化装卸与物流。由目前看来智能船舶还处于由第一阶段和第二阶段之间，还未完全到达第二阶段，离《智能船舶规范》上的四个阶段，完全实现还有漫漫长路。

近几年来，英国、法国、日本、挪威、德国等各国船级社不约而同的提出有关智能船舶、自主航行船舶、无人船的大概规范、指南，见表1，另外，韩国船级社（KR）正在参与“可信度高的无人船运用技术及基础构建”的课题，也将提出自主航行船舶指南，可见研发智能船舶已经得到了我国、欧洲国家及日韩船舶行业的共识。

表1 有关智能船舶/自主航行船舶/无人船的主要船级社规范/指南

从表上很明显，每个国家的科研机构的研究水平都有自己的优势和方向性，但是建造具备全船信息融合、自主评估与决策、船岸一体化、面向全生命周期服务特征的全自主化无人驾驶的船舶无疑是公认的智能船舶发展的最终目标。

船舶工业是一个国家工业的重要组成部分，也是国家研发高端装备制造的重 要环节。一个国家建造海洋工程装备，尤其是建造高性能先进船舶的水平，是其 工业实力的体现。只有船舶工业发达了，国家的海洋强国战略才有了坚实的基础。

目前，世界船舶制造业的重心越来越向亚洲偏移，中日韩三国已形成三足鼎立之势。金融危机之后经济不振，导致船舶行业萧条，世界船舶市场陷入低谷， 大量船企倒闭。但日韩两国船企化危机为契机，利用各国的优势，开始走上了船 舶智能化升级的道路。韩国是 IT 强国，他们走的是一条“船舶智能化”之路。 现代重工集团在 2010 年起实行“智能船舶 1.0”计划，利用有/无线船舶综合管 理网通讯技术的主机远程监控系统，对船舶航线状态实时监测，同时还可进行远 程维修。2012 年起开始实行“智能船舶 2.0”计划，在 1.0 的基础上应用互联网 技术，将船舶、港口和物流连接起来，极大的提高了船队的管理水平和经济效益。 日本是制造业强国，所以他们注重推进“制造智能化”。日本的“i-shipping” 计划将物联网、大数据技术运用到船舶运营和维修之中。2012 年起，日本船舶 配套协会和日本船级社等 29 家企业共同开展了“智能船舶应用平台”项目研究。 该项目旨在开发船舶智能信息与控制系统，结合常见的船载监控系统，如主机遥 控、压载水管理、船载电力管理、电子海图等，利用远程数据传输技术，研制出 可以存储船舶监控系统运行数据，并向智能船舶各种应用系统提供接口的统一数 据交互平台,实现气象导航、纵倾优化、主机监测、状态监测、能效管理、远程 维护等功能。通过“船舶智能化”和“制造智能化”，日韩船企找到了未来发展 的方向，并抢得了未来的先机。

1. 智能船舶的概念

2.1 智能船舶的定义

目前，到底什么智能船舶，人们依然无法拿出一个准确的定义。按照绝大多数人的理解看来，“大数据”这一技术是所有智能船的概念基础，同时也需要采用先进的信息技术，如实时数据传输和采集，大型计算能力，数字建模能力，遥控，传感器等，实现对船舶的智能感知，判断分析，决策和控制，以更好地保证航行安全。效率和经济。挪威船级社目前将“智能船”理解为收集实时数据传输，大型计算能力，数字建模能力，遥控器，传感器等。这些新的信息技术将对船舶安全产生重大影响。为了使船舶更安全，更环保，更经济，更可靠，实现船舶的智能化操作。劳埃德船级社还对智能船舶进行了全面调查，确定了智能船舶的分类和特征。第一代智能船应包括人工智能代理系统;第二代智能船舶应包括人工监控系统并给出决策支持建议;第三代智能船舶应包括通过互联网处理操作和情况意识的数据分析。其他事情的联系。这三代人仍需要船员在船上进行人为操作。无论是半自动还是全自动，它都需要与离岸中心建立联系。第四代智能船将完全自主和无人驾驶。其他船级社也就智能船舶的技术现状和未来发展趋势开展了大量研究工作，并开展了对智能船舶未来发展的研讨。

2.2 智能船舶的发展背景

在2012年，由Fraunhofer CML、Marintek和Chalmers大学等8个研究机构合作的“网络智能海上无人驾驶”项目启动了第一个大型无人散货船研究。这艘大型无人散货船实时更新和存储船舶计算机系统显示的航迹、气象导航和航迹参数。该船通过雷达、舰载自动识别系统（AIS）和红外传感器监测周围环境。当遇到其他船舶或障碍物时，船舶将按照国际海上避碰规则（colregs）进行避碰作业。同时，船舶监控的所有参数将实时传输到海岸控制中心（SCC）。当船舶靠近陆地时，可以通过GSM、3G或4G网络进行通信。当船离得很远时，需要卫星通信。2013年，全球最大的船舶设备供应商之一劳斯莱斯对无人驾驶货船项目进行了研究。预计第一艘无人驾驶货船将在10年内投入使用。2015年9月，LR、Quinatique、Southampton发布了“智能船舶代码”，描述了智能运营商在智能导航，智能船身，智能舱，智能能效管理，智能货物管理和智能集成平台等方面的特殊需求。

现在全世界已进入“工业4.0”发展时期，2015年5月，中国发布了“中国制造2025”，专注于高科技船舶和智能造船。智能造船将能够解决船舶在节能减排，高劳动力成本和船舶安全方面面临的主要问题，现有的问题反应如下：

节约能源和减少排放：为了控制二氧化碳等温室气体的排放，国际海事组织建立的全球碳排放交易机制和船舶设计（EEDI）设计状况良好。航运业减少温室气体排放成国际海事组织建立的全球碳排放交易机制和造船设计（EEDI）设计指标均处于良好状态，航运业已将温室气体排放减少为不可避免的流量。同时，节能和减排技术可有效地减少能源和能源的使用。(1)现在，削减船舶的节能排放的措施主要如下:1)清洁能源(LNG，太阳能等)的使用，2)比抵抗小的船型设计。3)使发动机更加节能，4)使用能源效率控制技术。

（2）人力成本方面：国际会计兼航运业最近Moore Stephens咨询公司(Machwin)顾问公司进行的海上运输调查表明,2014年和2015年船舶运营费用估计约为3%，其中，船员工资和维修费用是导致运营成本上升的主要因素。减少船舶人员配置，实现船舶无人操作，是未来航运业的一个重要发展目标。随着船舶智能化水平的提高，飞机值班人为无人，随着辅助驾驶技术、故障诊断技术的发展，船舶的投递员逐渐减少。

（3）船舶安全性方面：在船舶碰撞事故中，九成的事故可以归咎于人们自己的原因，包括明显和潜在的原因。船舶一旦发生安全事故(中国“东方之星”沉没、韩国“新月”沉没)，将造成人员伤亡、危险品泄漏、交通中断等严重后果。目前的情报技术，如监视故障和诊断故障、预警技术和信息技术，以加强船舶的安全。智能船舶通常被认为是航运业的下一次技术革命。在制造业中，“第四次工业革命”描述了“智能设备”如何取代人类来管理，优化和控制机器。在商业世界中，“物联网”通过使用传感器和数字技术将人们的个人习惯映射和转换为自动化设备，从而提高了我们的生活质量。在这种背景下，智能技术不再是普通技术，而是其使用和发展的具体体现以及其在科学和技术方面的发展趋势。这一趋势包括报告中提到的传感器，机器人，大数据，新材料和通信技术。这些技术的应用可以转移到智能船舶领域。

2.3 智能船舶的发展趋势

《中国制造 2025》文件中列出的十个重点发展领域，海洋工程装备与高性能 船舶赫然在列。这说明了国家对于船舶制造业发展的重视，同时对于船舶行业也 提出了更高的要求。《中国制造 2025》规划中明确指出，“未来十年，我国船舶 工业应紧紧围绕海洋强国战略和建设世界造船强国的宏伟目标，充分发挥市场机 制作用，顺应世界造船竞争和船舶科技发展的新趋势，强化创新驱动，以结构调整、转型升级为主线，以海洋工程装备和高技术船舶产品及其配套设备自主化、 品牌化为主攻方向，以推进数字化网络化智能化制造为突破口，不断提高产业发 展的层次、质量和效益”。宏观层面上的产业结构调整固然重要，但首要解决的 是微观层面上的技术创新。借鉴世界其他国家船舶行业走出困境的对策，并结合 “工业 4.0”对未来制造业方向的判断，可以得出结论，智能制造技术的应用， 将是未来十年船舶业的发展趋势。

总的来说，一些与智能船相关的技术理论已经相当成熟，如环境传感器技术，监测技术和故障诊断技术，通信和导航技术等，可以在现实生活中使用。但是在实际情况中有一部分技术理论缺少在真实环境下的验证比如、能效的控制技术、航线的规划技术等，所以，智能船舶总体发展仍是快速且迅猛的，但是还未完全成熟。随着科技上面的进步引领了船舶技术、信息技术的发展，以及现在大数据下的智能应用，还推动了智能船舶的加速出现以及应用。在未来10到20年里船舶智能化的发展将会决定未来船舶行业发展的方向；除了信息自动感知、通信导航设备、能效管控技术等关键技术，但是自动靠泊港口、离岸启航、船舶自主维修，污渍自动清洗，自动更换设备损坏部件，自我船体防护等同样将会更进一步的往智能化方向发展；因为船舶智能化的相关技术发展日新月异，最终可以实现从智能系统设备逐步转化为人工智能的智能船舶，提高船舶安全性、高效的航行效率。智能船舶这方面是未来船舶发展的必经之路，拥有非常广泛的应用上的需求和良好发展前景。可是由于理论的不成熟和技术水平还没有那么高、认知水平还没有统一，从目前看我国的智能船舶依然需要从以下几点进行逐步突破：第一、更深入地更充分利用大数据的概念分析智能船舶的技术，挖掘更价值的信息；第二、配员的减少意味着船舶在智能船舶这方面所需要的安全保障性要求更完善，船员和研发人员需要加强相关理论以及技术的研究；第三、现在看来围绕海洋的自主驾驶研究五花八门，因为内河条件复杂，所以相对研究相对来说比较少，有必要抓紧时间进行相关适应性的研究。从应用的这一角度看来，怎么在实际中发挥出智能船舶的价值十分重要，甚至还可以考虑把智能船舶应用在军事领域上。

三、智能船舶船岸一体化系统应用技术

3.1 智能船舶船岸一体化系统构成

智能船舶的船与岸的信息交互需要借助船岸一体化系统来完成，以实现智能船舶的自主航行、岸对船的远程维护、船舶航行的能效管理等功能; 如果我们要实现船岸信息可以交互这一功能在智能船舶船岸一体化系统里，整个船舶系统均需进行改造升级船舶上的系统设备。智能船舶船岸一体化系统由三个部分组成，分别是船端网络信息平台和通信设备以及智能船舶岸端。（1）船端网络信息平台：在常规的传统船舶上导航系统、推进系统、监测系统、火警系统这四大系统分别独立，这四大系统由船舶自带的传感器和处理器及外部设备接口组成一个封闭且独立的系统。虽然信息传输可以借助相关设备通过接口以达到信息传输目的，但是这几个系统间的数据之间的关联性无法互通，在数据间提取关键信息无法实现。特别是智能船舶的如何自主航行以及远程维护船舶等功能的实现，传统船舶上独立系统的局限性导致需求无法满足。如何完成网络信息平台的构建在船舶智能领域应运而生，船体上的传感器和处理器不仅仅单属于任一系统，而是点对点式的直接对接网络信息平台，网络信息平台会将所有信息整合再进行统一处理，网络信息平台的任意一台服务器或指定服务器通过应用模块的运行，用以完成调用和处理所需信息。（2）智能船舶通信设备：现阶段多数营运船舶以FBB 作为标准船岸多采用的一种通信方式， L 波段是FBB所使用的波段，432kb / s是FBB的最高理论速度 ，但是费用非常高因为按流量计费的。而现在FBB VSAT 的船岸通信方式成为了主流因为新型的船舶开始大量采用这种通信方式，FBB VSAT 的船岸通信方式在原有L 波段 FBB的基础上增加了Ku波段的VSAT，不仅VSAT系统理论速度可以提高到了 2Mb /s，远远超过了FBB的最高理论速度432kb / s是，并且采用的是包月计费，大大降低了相较单纯使用 FBB 的方案成本。与新一代 Ka 波段的 Global Xpress 系统相比VSAT系统相对速度不及前者， Global Xpress 系统也不是那么全面，也有大大小小的缺陷，其中最主要的是信号覆盖范围小，使用范围很容易受到限制。综上所述，目前综合比较船岸通讯的最佳方式还是以 FBB VSAT 组合的方式，该方式在传输速率和覆盖范围以及成本上都是最佳选择（3）智能船舶的岸端设备：岸端设备通常由服务器、网关设备、终端设备等相关的网络设备组成。卫星通讯是岸端设备用来接收来自在航船舶的数据信号的主要方式，数据输入到服务器里，服务器对其进行解密、解压缩然后校验等数据处理，处理完信息后再进行存储。如果想要对服务器中的数据进行读取或者修改，必须通过网络对拥有授权的终端设备才可以实现。服务器里的应用模块主要负责可以处理分析数据，并将处理结果通过服务器回传至营运中的船舶。

3.2 船端网络信息平台设计

智能网络信息平台网络结构采用双环网的拓扑结构（如图1所示）。船舶的设备方面种类非常多而且分布十分分散。环网拓扑结构的特点是在船舶上覆盖面积大并且各个环节距离中心节点都有一定的距离。相对于单环网来说双环网的自愈性非常优秀而单环网的自愈性相对较差，所以在双环网中即使出现少量系统故障，系统依然可以保持正常运行。双环网的拓扑结构与其他拓扑结构相比，双环网的网络传输速度方面还有缺陷，这一缺陷在与陆地网络通讯距离相比船舶通讯距离对网络的传输速度影响可以忽略。因为现在光纤代替了网线，所以在智能网络信息平台的设备上主干网络的信息传输速度有所提高，这一提高让系统的响应时间得以满足船舶上的各项要求。