智能船舶发展趋势分析——以海事巡逻艇为例
——以海上巡逻船为例。
目录
摘要3
一、智能船舶发展趋势概述4
1.发展智能船的理由4
2.什么是智能船？
3.智能船舶功能模块4
4.智能船舶的关键技术4
5.当前的技术和困难
6.先进的国际成就6
7.一般性评论7
二。海上巡逻船介绍7
三。海上巡逻船的智能化
1.通信和识别1 0
2.安全和自动导航1 1
3.船动力1 3
摘要
作为重要的海上交通工具，船舶的智能化已经成为世界各国关注的焦点。本文概述了智能船舶的特点，总结了取得的成就，指出了存在的问题和可能的改进措施及思路。基于我国广阔的海域和现有的技术基础，探索海上巡逻船在通信与识别、安全与自动导航、动力等方面可能采取的措施和方法。
关键词:智能船舶、海事巡逻艇、智能电子导航。
一、智能船舶概述
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1.发展智能船舶的原因
近年来，由于智能船舶概念的兴起和智能船舶技术的日益发展，船舶智能化已成为全球航运的大势所趋。为了降低船舶控制和管理的难度，减少人为误操作，提高设备和船舶运行的安全性，优化船舶航行，控制燃油消耗，降低成本，提高收益，世界范围内开展了对智能船舶的研究。[]
2.什么是智能船？
2015 12 1、中国船级社(CCS)编制的《智能船舶规范》正式发布，其中定义:“智能船舶是指利用传感器、通信、互联网等技术手段，自动感知信息和数据，通过自动控制技术和大数据处理分析技术，实现智能化运行。”智能船舶以“大数据”为基础，利用实时数据传输和采集、大容量计算、数字建模、远程控制等先进信息技术，实现船舶的智能感知、判断分析、决策和控制，从而更好地保障船舶的航行安全和运行效率。智能船舶也是《中国制造2025》中明确的重点发展领域，代表了船舶未来的发展方向，关系到航运业的转型升级。[]
3.智能船舶功能模块
中国船级社发布的《智能船舶规范》将智能船舶分为智能导航、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理、智能综合平台六大功能模块。
4.智能船舶中的关键技术？
(1)信息感知技术
船舶信息感知是指船舶基于各种传感装置、传感网络和信息处理设备，获取有关自身及其周围环境的各种信息，使船舶更加安全可靠地航行的一种技术手段。
(2)通信和导航技术
通信技术用于实现船上系统与设备之间，以及船与岸站之间，船与航标之间的信息交互。常用的通信方式主要有VHF(甚高频)、海事专网、海事卫星、移动通信网(手机网)等。导航技术是用来引导船舶在指定的航线上从一点移动到另一点，通常包括定位、目的地选择、路径计算和路径引导。船舶常用的导航技术有早期的无线电导航和现在广泛使用的卫星导航。北斗卫星导航系统为我国船舶导航领域提供了新的发展机遇。
(3)能效控制技术
2007年，世界航运中船舶排放的CO2达到654.38+0.4亿吨，其中国际航运排放8.7亿吨，分别占全球CO2排放量的3.3%和2.7%。为提高船舶能效，减少船舶温室气体排放(节能减排)，国际海事组织(IMO)提出了EEDI(新造船设计能效指数)、EEOI(船舶运营能效指数)等评价标准。智能船舶的发展应顺应“绿色船舶”的发展趋势，分析航行环境、装载能力、吃水、主机功率(转速)与船舶运行能效指数(EEOI)的内在关系。在保证船舶安全和营运效率的前提下，通过对船舶航速、装载量、吃水和航线的优化控制，可以最大限度地降低EEOI指数。
(4)路线规划技术
航线规划是指根据航行水域交通流量控制信息、前方航道船舶密度、公司船舶时刻表信息、航道水流分布信息、航行难度信息，智能实时选择船舶在航道中的位置和航道，从而优化航线，达到安全、高效、环保的目的。目前常用的路径规划方法有线性规划法、混合整数规划模型、遗传算法、模拟退火、粒子群优化算法等智能算法。
(5)状态监测和故障诊断技术
状态监测技术是通过监测设备振动的发展趋势来预测设备运行状态的技术。通过了解设备的健康状况，可以判断设备是处于稳定状态还是恶化状态。未来船舶故障诊断可以基于大数据，采用多尺度分析方法构建设备状态监测系统。故障诊断技术是在运行中或基本不拆卸设备的情况下，掌握船舶机械设备的运行状态，分析处理从被诊断对象的试验中获得的有用信息，判断被诊断对象的状态是处于异常状态还是故障状态，判断发生劣化状态的零部件，确定故障原因，预测状态劣化的发展趋势。
(6)遇险预警和救助技术
水上交通事故时有发生，尤其是碰撞和搁浅事故，往往造成严重的经济损失和人员伤亡。无论是在海上还是在内陆水域，船舶碰撞都是最常见的水上交通事故类型，占所有水上交通事故的很大比例。船舶遇险预警和搜救技术可以有效降低事故率，减少事故损失。
(7)自主导航技术
根据《智能船舶规范》中的定义，智能导航是指运用计算机技术和控制技术对感知和获取的信息进行分析和处理，对船舶航线和速度进行设计和优化；可行时，在岸基支持中心的帮助下，船舶可以在开阔水域、狭窄水道和复杂环境条件下自动避碰，实现自主航行。[]
5.当前技术发展的成就和困难
虽然GPS、AIS、电子海图、VHF等无线电设备和导航设备在现代船舶上得到广泛应用，同时基于各种自动化设备的综合建桥系统、综合控制系统、机舱监测报警系统等自动化系统也得到广泛应用，技术成熟，但距离上述智能船舶对智能化的要求还有很大差距。无论是船岸大容量通信技术、大数据分析技术、智能决策技术，还是现有数据的整合与转化，抑或是必须规划和梳理的相关标准，都是造船者的艰巨任务。
建议在现有技术和基础设施的基础上，结合电子导航和电子内河的规划，加快关键技术的研究，扩展现有设备的智能功能。
6.当前国际先进成果
2012年，由Fraunhofer CML、MARINTEK、瑞典chalmers理工大学等8家研究机构合作的“MUNIN”项目(基于智能网络的无人远洋航行)[28]首次开展了大型无人散货船的研究。
DNV一直在船体结构监测、船舶性能管理、船体综合管理等方面进行研究。建立了数字化船体模型，开发了相应的工具，可以通过3D结构模型为世界各地的航运公司提供系统监控和报告、高质量和全面的可视化信息、全生命周期信息、清晰的通信等技术服务。
英国罗尔斯·罗伊斯公司作为全球最大的船舶设备供应商之一，近年来提出了自主船、机器人船、无人船、船舶智能化等概念。2013年，罗尔斯·罗伊斯公司开展了机器人货船项目研究，可以实现从全息控制室开始所有操作，航行世界各地。罗尔斯·罗伊斯认为，智能船舶的下一步发展应该集中在远程控制和无人驾驶上。2014年，公司开始研发名为“未来操作员体验概念”的岸基遥控系统。2065438+2006年3月，公司与芬兰国家技术研究中心(VTT)、阿尔托大学和坦佩雷大学人机交互研究中心结成合作伙伴关系，计划在2020年前推出模塑产品。通过与VTT的技术合作，罗尔斯·罗伊斯公司可以有效地评估遥控自动船的设计方案。[]
7.总论
总的来说，智能船舶的一些相关技术理论比较成熟(环境感知技术、通信导航技术、状态监测和故障诊断技术等。)并在实践中得到应用，但部分技术理论缺乏真实环境下的验证(能效控制技术、路线规划技术、安全预警技术、自主导航技术等。).因此，智能船舶仍处于快速发展阶段，尚未完全成熟。随着船舶技术和信息技术的发展，以及“大数据”的智能化应用，智能船舶的出现正在加速。船舶智能化的发展将是决定船舶工业未来发展方向的重要因素；除了信息感知、通信导航、能效管理等关键技术，自动泊车、离岸、自动维护、自动清洁、自动更换设备部件、自我保护等也将趋向智能化；随着船舶智能相关技术的不断发展，智能系统设备可以逐步转变为具有思维能力的智能船舶，从而促进船舶的安全高效航行。为中国航运带来新的发展机遇。
第二，引进海上巡逻船
中国是海洋和航运大国，是国际海事组织的A类成员，在和平开发利用海洋资源和履行国际公约方面发挥着重要作用。但是，由于历史原因，我国水上交通安全监督管理能力还不能适应经济发展的需要，与我国海洋大国和航运大国的地位极不相称。20001年《中国海事发展纲要》提出，到2005年，中国海事将1000海里范围内的国际航线和海上设施纳入监管范围，50海里范围内的重要干线航线和重要港口应急到达时间不超过3小时。实现这一目标有许多要求，其中之一是具有远程能力的现代海上巡逻艇。
海事巡逻艇在海上巡航执法等诸多方面发挥关键作用，任务主要有:1，海上巡逻、监管、警戒、护航、交通疏导；2、执法取证；3、应急搜救:承担海上搜救组织和海上应急值班工作，并协调指导相关工作。
海上巡逻船上应配备的光电跟踪取证系统，能很好地实现海上取证，有效开展海上交通事故调查处理、搜寻、水污染检测等活动。海上取证不像陆地取证那样固化，会随着时间、水流、风向而变化甚至消失。及时准确的海上取证极其重要。因此，该系统可应用于海上巡逻艇。
海上巡逻船还有一个特殊的舱室——多功能厅。这个大厅类似于一个会议室，但不同的是，它有一个巨型屏幕显示器和一个安装电脑和各种电子设备的控制台。这个大厅不仅用于召开紧急会议，还可以通过以太网系统，用特殊频点甚至高频无线通话与渔政、海关船舶进行通信。还可以通过船上的海事卫星系统接入国家海事网甚至国际海事组织。
海上巡逻船可以确保中国领海的安全，帮助中国实现海上透明的宏伟目标。而它的智能化是海事巡逻艇的发展趋势，也是我们应该努力的方向。
第三，海上巡逻船的情报
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基于海事巡逻艇的特点和现有的技术基础，实现海事巡逻艇的有限智能化是必要的，也是可行的。海上巡逻艇的任务和作用有其特殊性，不同于其他类型的船艇。其主要任务类型包括巡逻护航、监督执法、搜救指挥、污染防治业务和维护国家安全利益等。[5]根据国家《水上交通安全与救助系统布局规范》制定的监管目标，巡逻艇应能在12运行？h离岸200海里内的任何水域，离岸50海里内的关键水域，90分钟内到达。任务对船速的要求很明显，但考虑到节油，舰艇低速巡航，只有在必要时才快速提速，所以要求舰艇在低速和高速状态下都要有较低的燃油消耗率。同时，考虑到大多数重大海难都发生在恶劣海况下，要求船舶具有优良的操纵性和适航性，较大的续航力和结构强度，以及先进的通信指挥和救助设备。表1总结了海上性能主要任务与船舶主要性能的相关性，其中船舶的生存能力主要指船舶的稳性和抗沉性[6]。
针对上述对海事巡逻艇的规范和要求，本文将探讨海事巡逻艇在解决通信与识别、安全与自动导航和动力方面可能采取的措施和思路。
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1.沟通和识别
？？船舶之间的通信主要是通过卫星通信和地面通信。关于海上巡逻舰队之间的通信，可以考虑移动自组织网络技术。Ad hoc网络是指一组带有无线接收设备的移动节点组成的多跳临时自治系统。主要用于没有网络基础设施支持的环境，或者现有网络无法满足移动性和机动性要求的情况。Ad hoc网络一般采用按需路由策略。按需路由(On-demand routing)认为在动态ad hoc网络环境中，不需要维护到其他节点的路由，只有在没有到该节点的陆地旅行时，才按需发现路由，按需建立拓扑结构和路由表内容。通过以上部署，可以实现编队之间的实时数据交换。
关于船舶识别，20世纪90年代后期，美国、日本和西欧国家开发了智能交通系统(ITS)，该系统已经成熟，为该领域的发展指明了方向。船舶交通服务系统(VTS)最早建立于欧洲，最初应用于内陆水域，并在沿海国家得到广泛应用。
对于海事巡逻船，其主要执法对象既包括安装强制AIS系统的大型船舶，也包括相关水域的小型船舶。基于相关情况，本文主要提出了基于VTS+AIS模式(船舶交通管理系统自动船舶识别系统)和GPS+GIS+GPRS/CDMA系统两种识别方法。
VTS是通过前端雷达和后端综合信息处理系统在显示器上显示船舶位置、速度和方向等信息，实现交通流组织和助航服务的电子系统。这种结合的优点
就是能充分发挥雷达和雷达的互补作用，对要求安装终端设备的大型船舶基本实现全覆盖。但是船载设备成本比较高，所以安装费用太高，而砂石运输船等小型船舶都是非船，所以没有强制终端安装的要求。因此，这种方案不容易在小型船舶上推广实施。
GPS+GIS+GPRS/CDMA系统的定位精度比较高，分辨率可以达到15m，测速精度可以达到0.1msec。它可以更准确地掌握周围的信息，通过地图在海图上标注船舶的位置信息，实现对船舶的监控和管理。更有利于为沿海、内河等移动、联通网络覆盖度高的地区船舶安全航行提供助航服务。更有利于实时沟通。在移动和联通网络覆盖范围内，网络传输速度更快，传输精度更高，也达到了联网通信的目的。经济实用，性价比高，这是相比其他船舶监控方式的最大优势。一些小型施工船，强迫他们安装昂贵的设备，会给这些船带来很大的经济压力。基于的方案可以充分利用公共通信服务网络，网络通信成本更低，船载终端成本更低，不会像设备一样增加船舶的经济负担，更有利于推广。
由于GPS信息和AIS信息的数据格式可以通过技术手段进行转换，因此船只的数据信息可以以集成的方式显示在系统中。
2.安全自动导航
智能船舶的航行对通信的安全性和设备的可靠性提出了很高的要求。一般来说，一个完整的安全模型应该由以下五部分组成:安全管理、入侵检测、安全防护、安全恢复和安全响应。对一个网络安全度的评价应该遵循“木桶原理”，即最低的网络安全度是判断的依据。因此，安全无泄漏的系统应该从各个方面加强网络安全，构建多层安全防护网络。在实现定位功能和数据传输方面，选择了信号稳定、成本低廉的GPS定位系统和GPRS网络系统，突出了省钱的理念。在船舶监控系统在管理中的应用方面，通过对新系统的研究，找到了将船舶AIS目标集成到目标中的方法，迎合了系统集成的趋势。在网络体系结构方面，对VTS安全网络进行了认真的分析和研究，提出了一个四层安全框架。
结构体现了网络安全的概念。
智能船舶的自动导航需要一系列的软硬件支持。现有的单人造桥和无人机舱技术不稳定，在实践中通常无法发挥应有的作用。在智能船舶的算法设计中，系统应采用变论域模糊控制，通过实时控制舵角输出来实现船舶航向的精确控制。目前，第四代自动驾驶系统是基于专家系统、模糊控制和神经网络控制算法。目前，常见的船舶航向控制系统主要由上位机、航向控制器、舵机伺服系统等组成。上位机是数据参数的发送端，主要实现航向控制值的设定和当前船舶扰动的输入。航向控制器在结合相关数据的基础上，通过智能算法运算控制舵角值的输出；最后，舵伺服系统实现舵控制和当前舵角反馈，从而实现船舶航向的智能控制。
智能船舶的避碰功能也是船舶航行过程中需要考虑的重要问题。不同的船型在不同的航速下，转弯半径不同，转弯角速度也不同。为了真正实现船舶避碰的ARPA功能，每种船型的数学模型都是不同的。如果它是一艘运输船，它的特性随着(装载量)的不同而不同。也就是说，船舶避碰的ARPA软件还应具备“不断学习”的能力，以满足海事巡逻艇巡逻执法的需要。与传统的“ARPA功能”相比，新型导航雷达应具有与“船舶能效管理系统”的接口，实现自身船型特征数据的输入和实时修正。
与传统的“观测”相比，新型导航雷达应具备与“船舶气象仪”等气象设备的接口，实现天气、海浪等气象特征数据的自动输入和实时修正。根据目标的大小，需要改变范围，或者需要调整增益。新型导航雷达本身可以实现自动调整。此外，在岸基支持中心的帮助下，还可以通过遥控实现自动调整。
现代导航雷达显示器可以与电子海图显示和信息系统(ECDIS)和自动船舶识别系统(AIS)集成。这样的雷达图就是智能船的实时场景。与传统的“融合观测”相比，新型导航雷达可以与外部通信系统或情报系统对接，可以将“实时场景”传输到岸基保障中心，从而实现岸基互动，更好地维护我国利益，实现海上巡逻艇的预定功能。
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海事巡逻艇对速度有明确要求，要求在规定时间内到达出事海域，同时要求长时间巡航。这就要求性能，尤其是海上巡逻艇动力装置的速度和可靠性。目前，船舶动力系统可分为柴油机动力系统和燃气轮机动力系统两种。前者具有安全、可靠、经济、启动快、性能好、在功率范围内大部分负载下效率可观等优点，技术成熟，但目前市场上一半以上的船舶采用这种系统；后者具有重量轻、功率大、体积小、环保等优点，但也有油耗高、对燃油要求高的缺点。目前国内船舶动力系统的发展趋势是:双燃料单缸高输出功率的常规智能柴油机动力系统、电力系统(采用交流变频技术，易于布置、节能、低噪声、易于实现自动控制)、混合动力系统(可靠性高，常用于军用船舶和大型远洋商船)。
船用汽轮机调速过程中常采用PID控制器，主要是因为PID算法具有结构简单、易于实现的特点，有利于实现电力系统的智能控制。而常规PID算法需要人工试错，不利于船舶智能化的实现。为了实现智能化改造，采用了基于模糊神经网络的模糊PID控制器。
参考资料:
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