基于大数据的智能船舶研究

0 引言

当前，世界航运市场总体上仍然处于衰退的趋势，造船业已普遍认识到调整产业结构、制造高端产品，是在残酷的市场环境中生存的必然之举。随着政府倡导“互联网+”计划和“中国制造2025”目标的提出，我国造船业走出行业低谷、升级转型和抢占战略制高点迎来了发展机遇。“互联网+船舶”是指在造船业中大量应用大数据、物联网等先进技术。“中国制造2025”是指坚持创新驱动，绿色转型，通过应用网络化、数字化、智能化等技术，在一些核心制造领域取得突破。与此同时，国际海事组织(IMO)也高度关注自主智能化船舶的发展，并且从法律法规方面予以支持，开始研究突破最少安全配员的限制。2017年6月，IMO第98次海安会讨论了航运科技大国提出的海上自主航行船舶，同意成立工作组研究相关的法律、安全、环保对策。会上，芬兰、丹麦等国介绍了他们在智能船舶领域开展的工作。本文研究了大数据环境下的智能船舶设计，从航行、船体、机舱、能效管理、货物管理方面探讨了智能船舶的功能和研究应用进展，提出建立岸基数据中心，收集船舶全生命周期的数据，构建大数据环境，从而为船舶营运提供更全面的技术支持，扩展为船东服务的周期。

首先是纯文学阵地大面积失守。纯文学原有阵地包括图书、期刊、报纸副刊三大块。出版社被推向市场后，经济效益成为更现实的问题，纯文学图书的出版日渐萧条，单本书平均销量持续下滑，达不到一定发行量的纯文学作品基本无缘面世。受新媒体冲击，报业立足生存尝试各种改版，产生不了直接经济效益的文学副刊大多被文化娱乐版面替代，即便保留也是替补角色，上场机会极少。纯文学阵地仅剩文学期刊，这块阵地也大片丢失，“最后还在顽强坚守的能够刊载原创纯文学作品的刊物也就几十家了。在这几十家中目前可以以发行量生存的不足十家，大多数是要依赖政府的公益拨款来维持生命的。”［2］

1 智能船舶概念

传统船舶是在母型船的基础上，根据船东的需求进行定制设计。船舶交付之后，由于没有采集船舶运营中关键数据，所以不能判断船型的优劣，也不能在后续新船设计时进行全面优化，仅通过售后服务中船东反馈的零碎问题采取措施进行改善。

承插线设置主要针对承插式管件等。承插管件在实际施工中很多。如图5 所示设置PVC管件承插距离，查阅PVC-U管件标准，对应尺寸，更改为标准承插尺寸。

智能船舶是指将先进的自动化、信息化、大数据分析技术运用于船舶的航行和管理，包括信息的获取、处理及基于分析结果的建议和实施。目前应用广泛的信息化、大数据分析技术，有互联网、物联网、实时数据传输、大计算容量、远程控制诊断等。这些先进技术的应用在保证船舶安全、高效、环保的运营等方面发挥着重要作用[1]。智能化船舶是一种会“思考”的船舶，通过安装传感器感知自身和外界环境大量的信息(如机器数据、油耗、风速、风向等)。采集的数据作为输入信息，并基于数学模型，利用高效的计算机处理系统进行综合评估分析，得到可靠的结果，给出最合适的决策建议，指导船员进行操作和管理推进导航等系统。此外，智能船舶还具有一定的“学习性”，即随着收集数据的增加，不断更新优化数学模型以及模型内的参数，提高分析结果的准确性，给出更合理的建议，从而增强系统功能。

智能船舶能够解决传统船舶的弊端，实现联网后可以自动化监测船舶航行时的状态数据(航速、航向、方位等)、机器设备的参数、燃油消耗等数据。实时监测数据有助于及早发现异常情况，采取措施保证营运安全。这些数据也可以提供给设计单位，作为后续船型改善的依据。以集装箱船的型线优化为例，通常将平浮时的设计吃水作为速度优化的基础，即设计吃水下阻力最小。但目前集装箱调运时受市场以及港口货物信息与船队信息沟通因素的影响，集装箱船大部分时间不是在设计吃水下进行航行的。如果这种情况长时间存在，设计单位通过采集吃水、纵倾数据，得到常用的吃水和纵倾，然后在此基础上结合航线特点优化船体型线和设计螺旋桨，为客户提供个性化、更经济环保的船舶。

经强度计算分析、典型件试验以及车体静强度试验，验证了复合材料车体承载结构的可靠性，其满足地铁车体各项性能指标要求。同时，车体各项性能得到较大提升：车体质量较同类地铁金属车体减少约35%；车体抗疲劳和耐腐蚀性能得到提升，且使用寿命不低于30 a；车体隔热性能优异，能承担车辆防寒材一半以上性能；车体隔声性能优异，达到车辆隔声要求的70%以上；车体振动的固有频率较同类金属车体提高18%以上；车体尺寸精度和外观质量优于传统金属车体。

2 智能船舶功能

船体数据的采集与监测是通过船体监测及辅助决策系统实现的。它能够对船体结构应力、运动状态、装载以及海况、航向、航速等数据进行采集、存储、分析、显示，当这些数据的变化超过预设临界值时，发出警告，并提供指导船舶航行操作，如改变航向、航速及浮态的决策。Strainstall 海洋科技公司开发了StrassAlert 船体应力监测系统(HSMS)，可以实时监测船体结构的完整性及预测船体状况和趋势，从而降低产生高应力的概率，提高船舶安全性，同时节约燃料和方便航行管理。特别是在航行状态下或者货物装卸作业中对船舶应力状态进行监测，并提醒船长改变航线和航速，以便降低船体应力。当船体局部出现微裂纹时，能及早发现和采取措施。

2.1 智能航行

在智能航行方面，驾驶室进行合理的功能分区和配置，按照功能划分为航行和操纵工作站、监测工作站、操舵工作站、靠泊工作站、航路规划工作站、安全工作站、通信工作站和指挥工作站。海上导航系统：具备航行状态和风速风向监控、航线规划、航路导航等多种功能。机舱监测和遥控系统：船员根据系统显示的信息判断机舱设备的运行状态。根据不同功能的工作站，将具备导航、操舵、避碰、航行控制、通信、监测和报警等众多功能的设备集成在一起，驾驶室仅需很少的船员就可完成各种监控和操作，提高了船员操作和管理效率，保证了船舶和人员的安全[4]。

智能能效管理是通过在船上安装能效监控与管理设备实现的。能效监控系统构架如图1所示。能效监控系统构架包括数据采集单元和处理系统。能效监控与管理设备能够实时采集航行状态、设备的耗能状况等数据，在此基础上评估船舶的能效状况、航行及装载状态。更深层次地，采用大数据处理、优化分析技术，为船舶提供数据评估的结果以及操纵方面的建议。例如航行中给出最优航速的建议，使船舶能耗最低；装载计算机能够给出最佳的装载方案，保证船舶的纵倾最优，船舶阻力和油耗较低。冰岛的Marorka能效监控与管理系统能够监控机器和船舶的性能参数，定期查看船舶的能效状况，优化船舶的纵倾，减少船舶阻力和能耗。同时可以依据船舶航行数据，结合航次计划、航线特点、船舶效率、燃料消耗评估及航行成本核算分析等结果，形成航速优化方案。航速优化、纵倾优化的精确度取决于数学模型中使用的速度功率曲线。随着运营时间延长，船体和螺旋桨表面的污底增加并降低推进效率，速度功率曲线也会随之改变。能源监控系统采集船速、功率等数据，应用大数据分析技术，模拟得到更新后的速度功率曲线，保证航速优化和纵倾优化预报的精度。NAPA公司也开发了航线优化和纵倾优化模块，根据更新的风、波浪、海流情况，规划最优的航线，基于油耗最低给出不同路段之间的最优航速，指导船员调整航行计划。此外，NAPA纵倾优化模块与装载计算机系统集成，可以基于纵倾优化的结果，给出实现最优纵倾的装载方案，船员根据装载方案进行货物和压载水的装载。

2.2 智能船体

智能船体包括两方面，一是在设计、建造和营运阶段建立船体数据库，在船体结构安全和进坞修理维护等方面提供更加合理的建议；二是航行中收集监测船体相关的数据，提出船舶操纵中的辅助决策。

南通中远海运川崎船舶工程有限公司在智能船舶领域开展了探索工作。在经过市场调研、船东意见征询后，自主开发了智能船舶能效管理系统，并于2017年9月安装在13 000标准箱集装箱船上。该系统具备纵倾优化、燃油管理、报告管理、远程监控、性能分析、污底分析等功能。系统利用物联网技术通过卫星传输网络，将船舶运行状态等数据传输到岸端数据中心，并对数据进行分析。系统装船后，将为大型集装箱船的节约燃油和操作维护提供支持，推动船舶更高效、更安全、更可靠的运营管理。系统经过半年的运行，取得了预期的效果。

目前，物联网和大数据分析等技术已不同程度地应用于船舶节能航行、船体管理、机舱设备监控、能效管理、货物管理等方面[3]，为船舶提供安全、环保和能效优化建议。智能船舶正在朝船岸信息无缝对接方向发展，实现以自主航行、自动避碰、自动靠泊为特征的无人驾驶和港口自动化装卸与物流。船舶配备航行状态能效监控、船体应力监测等智能化设备，需要安装大量配套的传感器，相关的设备系统也要进行升级改造。系统、人机交互、软件、网络与通信、数据安全、网络安全六个方面的风险，给智能船舶的设计带来挑战。

2.3 智能机舱

智能机舱是在机舱自动化基础上，应用状态监测系统获取信息和数据，分析机舱内主机、辅机等船用设备和轴系结构的运行状况，提出设备操作方面的决策和维护建议。目前机舱内主要动力设备已经实现状态监测的功能，比如机舱监测与报警系统，具有实时在线监测机舱各主要动力设备运行状态并生成报警信息的功能。在集控室内的监视屏可以集中显示设备的运行状态、参数以及故障报警状态，以便船员全面了解所有设备的运行状态和参数。

近年来，中国银行云南省分行坚持科技引领，大力发展金融科技，借助大数据、人工智能等新技术、新手段，开展产品与服务模式创新，研发推广中银E贷、中银慧投、移动柜台等金融科技产品和终端，使传统银行服务网络化、智能化，为客户提供更加便捷和人性化的服务。同时，创新应用区块链、人脸识别、指纹识别等生物识别技术，为客户打造更加安全、快捷、方便的使用体验。

过去在船舶交付之后，船东、船厂之间的联系相对较少，未来船厂与船东需要加强联系紧密合作，不仅需要制造“会思考”的智能船舶，还要构建自己的岸基数据中心。通过岸基数据中心，收集从船舶设计、总装建造、船东运营到船舶保障这一船舶全生命周期内的数据，并提供维护、保养、升级、改造等信息和技术方面的支持，使为船东的服务扩展至船舶的全生命周期。船舶安装的监控系统，实时地将航行状态、设备运行状态等关联信息传输至岸基中心，另一方面岸基中心接收气象监测中心传输的海洋环境信息，融合航运市场、运营信息，构建船厂、船东共同需要的大数据环境。建立大数据分析的流程体系，为单船航行进行数据建模，分析处理并提供决策建议。然后将数据分析流程应用于船队航行，最终形成集群空间，探索普适性规律，预测个体的活动。大数据基础上的船舶“工业4.0”，它以智能船舶为核心，对于设计单位、船厂和船东都是一场巨大的变革，三方的联系更为紧密，合作的模式也将发生变化。近年来，基于互联网、大数据、云计算等技术，智慧航运将改变传统航运企业的决策方式和运营模式。智能船舶不仅决定着未来船舶行业的发展方向，也是实现智慧航运的重要基础。

智能船舶不仅自身智能，还可通过网络将船舶联起来，以大数据为中心，实现船岸一体化、船船互联、船货互联。利用物联网的传感、定位、标识、跟踪、导航等多种手段，实现航运的精细化管理，并向信息化、网络化、绿色化、智能化趋势发展[2]。如船舶通信技术船域网(SAN)，航运公司利用该软件不仅能够对主机等设备的状态进行综合管理，还可以在岸上对船舶进行实时远程监控和软件升级等，减少了航运管理的责任。

2.4 智能能效管理

随着大数据分析、通讯技术发展，在分析处理传感器采集的大量外界和自身信息基础上，对营运航路的优化选择和航速自动优化已成为可能。MARORKA、FURUNO和JRC等公司相继开发了能源监控设备，可以基于气象、经济性和物流信息，制定和优选航路。设备系统能够根据船舶性能、特定的航行工况、吃水和到港计划，接收岸基支持中心反馈的风、浪、流、涌等信息，根据船舶能耗最低的原则，制定航路、航速。由于海洋环境恶劣多变，该系统还能在整个航次计划中，根据气象海况环境不断优化航路、航速。随着科技的发展，在岸基支持中心的协助下，可以预计未来船舶在海上能够自动避碰、自主航行，从开阔水域到狭窄水道，逐步提高复杂海洋环境下的自动避碰技术，实现真正意义上的无人驾驶[5]。

2.5 智能货物管理

智能货物管理是通过在货舱或者货物保护系统内安装传感器等设备，采集货物、货舱和货物保护系统的参数实现的。运用自动控制技术和大数据技术分析处理采集的参数，达到对货舱、货物等实时监测，如某些参数超过临界值给出报警提醒、操作建议。同时，根据采集的船体浮态、强度数据对货物的装载配置进行优化。如设计装载冷藏箱的集装箱船时配备特殊的冷藏箱监控系统，可以监控冷藏货物的状态。其原理是在冷藏箱内布置传感器，收集冷藏箱的参数，把数据通过冷藏箱集中控制器上传到船用电脑，并由船用电脑发送到集装箱信息中心的码头管理系统。船员和码头管理人员能够直观了解冷藏箱的堆存状况和冷藏箱的运行状态。液化天燃气(LNG)运输船安装有压力监测系统，用于监测货舱的温度和压力，以减少液化天然气气化。油船在泵房、压载舱及空舱等处所安装气体探测系统，用于检测碳氢、硫化氢等可燃性气体是否超标。对于车辆、钢卷、大型设备以及集装箱等货物移动的监测，可以通过无线传感器来计算货物具体行为并判断货物的移动。货物配载优化和自动装卸是较为复杂的问题，不仅需要考虑浮态、稳性和强度，还要考虑装卸货顺序速度、装卸时间、货物特性等，因此实现起来仍有一定难度。

  

图1 能效监控系统构架

3 智能船舶研发

全生命周期管理的船体数据库包括船体结构模型、结构强度分析模型、船体性能计算模型。数据库的建立是将船体设计、建造和营运各阶段的数据以标准化的电子数据形式存储和传输，并及时维护与更新。同时，采用数字传输技术，集成船体监测和船体结构检查保养数据，实时掌握船体结构状况，预测结构腐蚀等损坏趋势，预先制定维修计划，从而降低结构维护成本，延长结构使用寿命。

后来我一直没去景花厂。阿花邀请过我，我就说忙。忙不过是个借口，实际上是我不想去。我是个老实人，不喜欢趋炎附势那一套。虽然我对美女从不敬而远之，但当美女和老板合二为一时，我会牢牢抓住心猿意马的缰绳，敬而远之了。还有，大家都是做抛光的，总往哪儿跑怕别人会有想法，所以，不去为好。

将来根据客户要求，逐步拓展更多领域的智能管理，扩充智能符号的内涵。同时智能船舶能效系统采集的数据将为船型优化、新船设备选型及系统优化升级提供有力的支持，从而提升产品的性能和竞争力。

4 船舶全生命周期服务

业界进一步的研发方向为船用主机等设备的故障诊断与性能优化。在故障的诊断与分析方面，考虑以大数据为基础，多角度多因素进行综合分析。目前应用范围较广的故障诊断技术有性能参数分析法，它首先利用传感器、仪器获取设备的性能参数，比如转速、温度、气压、油压、力矩等；然后对采集到的信息进行比较、分析，依此判断船用设备的工作情况及其故障趋势。相比传统故障分析方法，运用状态监测系统能够筛选出测试对象的相关信息进行分析，提醒船员发生故障或性能劣化的部位，产生故障的原因以及故障部位的发展趋势等。以往航运公司根据经验制定一套周期固定的设备维修保养计划。状态监测和故障诊断系统的出现，使得设备维修保养计划更为合理。视情维护系统根据故障诊断与健康评估结果，制定机舱设备及部件的详细维护计划。

5 结语

本文探讨了智能船舶的技术在节能航行、船体全生命周期管理、机舱设备监控评估、全船能效管理、货物管理等方面的应用，未来的目标是自主航行并逐步实现无人驾驶。为了顺应船舶智能化的发展趋势，船厂不仅需要制造智能船舶，还要建立岸基数据中心以及智能信息服务体系，最终为客户决策提供技术支持，同时为船东的服务扩展至船舶的全生命周期。

参考文献：

我院ICU老年感染患者万古霉素血药谷浓度的监测结果分析 ……………………………………………… 刘素琴等（24）：3417

[1] 中国船级社. 智能船舶规范[M]. 北京:人民交通出版社, 2015.

[2] 李光正,宋新刚,徐瑜. 基于“工业4.0”的智能船舶系统探讨[J]. 船舶工程, 2015, 37(11): 58-60.

丽人这种稀缺资本，假如婚姻不可以赐予滋养，反而形成糜费。但殷桃长得美这件事，仿佛始终被疏忽。直到《你迟到的许多年》播出，殷桃扮演的军区大夫莫莉，用网友的话来说，她是“深深扎根于中国中年男性春梦里的利诱。”

[3] 严新平. 智能船舶的研究现状与发展趋势[J]. 交通与港航, 2016 (1): 25-28.

[4] 吕红光, 尹勇, 尹建川. 混合智能系统在船舶自动避碰决策中的应用[J]. 大连海事大学学报, 2015,41(4):29-34.

[5] 柳晨光, 初秀民, 谢朔, 等. 船舶智能化研究现状与展望[J]. 船舶工程,2016,38(3):77-83.